線粒體功能障礙和氧化應(yīng)激在帕金森病中的作用

胡安霞，尹昌浩，2，郭一鳴，2，王本玄，2，劉星

(1.牡丹江醫(yī)學(xué)院，黑龍江 牡丹江 157011； 2.牡丹江醫(yī)學(xué)院附屬紅旗醫(yī)院神經(jīng)內(nèi)科，黑龍江 牡丹江 157011)

帕金森病(Parkinson′s disease，PD)是最常見的神經(jīng)退行性運(yùn)動(dòng)障礙，預(yù)計(jì)到2040年，全球范圍內(nèi)PD患者將達(dá)到1 420萬人[1]。PD以大腦黑質(zhì)多巴胺能神經(jīng)元的進(jìn)行性丟失為主要病理特征，多巴胺能神經(jīng)元丟失可導(dǎo)致紋狀體中多巴胺缺乏以及脆弱的神經(jīng)元群體中以路易小體形式出現(xiàn)的α-突觸核蛋白(α-synuclein，α-Syn)積累。PD的臨床特征主要包括運(yùn)動(dòng)障礙(如靜息性震顫、運(yùn)動(dòng)遲緩)[2]和非運(yùn)動(dòng)障礙(如抑郁、焦慮、疲勞、認(rèn)知能力下降和癡呆)[3]。神經(jīng)元胞質(zhì)中路易小體的形成和α-Syn的積累是PD發(fā)病機(jī)制的主要因素[4]。研究表明，PD患者黑質(zhì)多巴胺能神經(jīng)元的變性和凋亡與多種因素密切相關(guān)，包括蛋白酶體功能異常、線粒體功能障礙、氧化應(yīng)激、神經(jīng)系統(tǒng)炎癥以及轉(zhuǎn)錄因子信號改變等[5]。臨床上，PD治療的最有效方法(如左旋多巴替代療法[6]和深部腦刺激療法)均可短暫緩解大多數(shù)PD患者的癥狀，但無法阻止或延緩多巴胺能神經(jīng)元進(jìn)行性死亡的病理進(jìn)程，其遠(yuǎn)期療效并不理想。因此，尋找更有效的PD治療方法尤為重要?，F(xiàn)就線粒體功能障礙和氧化應(yīng)激在PD中的作用予以綜述。

1 PD中氧化應(yīng)激與線粒體功能障礙的關(guān)系

PD患者中氧化應(yīng)激與線粒體功能密切相關(guān)，線粒體提供約90%的細(xì)胞耗氧量，是健康衰老過程中活性氧類(reactive oxygen species，ROS)的主要細(xì)胞內(nèi)來源，可能導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)氧化應(yīng)激[7]。線粒體功能障礙可加劇氧化應(yīng)激，導(dǎo)致重要的抗氧化活性物質(zhì)水平降低。在散發(fā)性PD中，同核細(xì)胞病、氧化應(yīng)激及線粒體功能障礙被鎖定在一個(gè)相互依存的惡性循環(huán)中[8]。此外，一些線粒體相關(guān)基因，如人第10號染色體缺失的磷酸酶及張力蛋白同源基因誘導(dǎo)激酶1(phosphatase and tensin homologue deleted on chromosome ten gene-induced kinase 1，PINK1)、Parkin基因、帕金森病蛋白7(Parkinson disease type 7，PARK7/DJ-1)和人類重組蛋白FBXO7(F-box only protein 7)之間的Parkin環(huán)被證明在PD的家族形式中發(fā)生突變，而這些突變可損害線粒體功能，并導(dǎo)致氧化應(yīng)激的產(chǎn)生[9]。PD患者腦組織中氧化應(yīng)激的增加是線粒體功能障礙的結(jié)果。尸檢結(jié)果表明，PD患者中腦黑質(zhì)氧化應(yīng)激嚴(yán)重，如游離鐵離子水平升高[10]、谷胱甘肽水平降低[11]、線粒體呼吸鏈復(fù)合物Ⅰ功能破壞[12]以及大量脂質(zhì)、蛋白質(zhì)和DNA被氧化損傷等；其他神經(jīng)毒素(如1-甲基-4-苯基-1,2,3,6-四氫吡啶和6-羥基多巴)也可導(dǎo)致人類和動(dòng)物紋狀體多巴胺能神經(jīng)元被破壞，出現(xiàn)PD樣表現(xiàn)[13]，表明氧化應(yīng)激和線粒體功能障礙在PD的發(fā)生發(fā)展中相互依存。

2 線粒體功能障礙與PD

2.1線粒體呼吸鏈功能障礙與PD 線粒體是動(dòng)態(tài)的細(xì)胞器，在細(xì)胞內(nèi)多種生理過程中扮演重要角色，以維持神經(jīng)回路的完整性。線粒體穩(wěn)態(tài)是產(chǎn)生細(xì)胞能量、調(diào)節(jié)鈣穩(wěn)態(tài)以及控制程序性細(xì)胞死亡所必需的。線粒體穩(wěn)態(tài)失衡可導(dǎo)致與衰老和神經(jīng)退行性變有關(guān)的進(jìn)行性病理狀況的發(fā)展[14-15]。有證據(jù)表明，線粒體功能障礙在PD的發(fā)展中起關(guān)鍵作用，PD患者線粒體呼吸鏈復(fù)合物Ⅰ活性和氧化還原能力均降低，ROS生成增加，導(dǎo)致線粒體膜電位去極化以及膜通透性改變[16]。線粒體電子轉(zhuǎn)移是自由基的主要來源，線粒體呼吸鏈復(fù)合物Ⅰ活性降低導(dǎo)致自由基形成，進(jìn)而導(dǎo)致組織對氧化應(yīng)激的敏感性增加，造成細(xì)胞DNA、脂質(zhì)和蛋白質(zhì)損害[17]。另有研究發(fā)現(xiàn)，與PD相關(guān)的神經(jīng)毒性產(chǎn)生的原因?yàn)榫€粒體呼吸鏈復(fù)合物Ⅰ活性受到抑制，導(dǎo)致ATP合成功能障礙，進(jìn)而導(dǎo)致細(xì)胞變性和死亡[18]。PD患者死后的大腦樣本顯示氧化損傷，表明前腦皮質(zhì)和黑質(zhì)中線粒體呼吸鏈復(fù)合物Ⅰ功能下降及氧化應(yīng)激增加[19]。影響線粒體功能的許多內(nèi)源性和外源性抑制劑均可誘導(dǎo)PD樣癥狀，包括以線粒體呼吸鏈復(fù)合物Ⅰ為靶點(diǎn)的神經(jīng)毒性藥物(如魚藤酮和1-甲基-4-苯基-1，2，3，6-四氫吡啶)均可直接導(dǎo)致系統(tǒng)多巴胺能神經(jīng)元死亡，因此常被用于制備PD的細(xì)胞和動(dòng)物模型[20-21]，進(jìn)一步表明線粒體呼吸鏈復(fù)合物Ⅰ功能障礙與PD密切相關(guān)。

2.2基因突變導(dǎo)致的線粒體功能障礙與PD 與PD相關(guān)的多個(gè)基因編碼突變均與線粒體功能相關(guān)，相關(guān)基因的突變可引起線粒體功能障礙，并在家族性PD中起作用[22]。DJ-1、Parkin、PINK1、富亮氨酸重復(fù)激酶2(leucine-rich repeat kinase 2，LRRK2)、α-Syn、泛素C端水解酶L1、核受體相關(guān)因子1、液泡蛋白分選蛋白35(vacuolar protein sorting-35，VPS35)基因致病性突變支持線粒體功能障礙與家族性PD有關(guān)[23-25]。其中，常染色體隱性遺傳包括DJ-1、Parkin和PINK1等基因突變，而常染色體顯性遺傳包括LRRK2和a-Syn基因突變[26-27]。

2.2.1DJ-1基因 DJ-1基因突變可導(dǎo)致早發(fā)性常染色體隱性遺傳性PD。DJ-1基因具有抗氧化的分子伴侶作用，可保護(hù)細(xì)胞免受氧化應(yīng)激和線粒體損傷的影響[28]。敲除DJ-1基因的幼蟲和嚙齒動(dòng)物對由氧化應(yīng)激導(dǎo)致的細(xì)胞死亡的敏感性增加，而過表達(dá)DJ-1則可保護(hù)細(xì)胞免受氧化應(yīng)激導(dǎo)致細(xì)胞死亡的影響[29-30]。攜帶DJ-1基因突變體和DJ-1基因敲除的小鼠體內(nèi)均表現(xiàn)為線粒體呼吸障礙、膜電位降低、線粒體內(nèi)ROS水平升高以及線粒體形態(tài)改變[31]。

2.2.2Parkin基因 Parkin基因是早發(fā)性PD中與線粒體功能障礙相關(guān)且最常見的突變基因之一。線粒體自噬對維持線粒體穩(wěn)態(tài)至關(guān)重要。線粒體自噬在維持線粒體正常運(yùn)轉(zhuǎn)中是必需的，但線粒體自噬的異常與神經(jīng)退行性變有關(guān)[32]。有證據(jù)表明，異常的自噬可導(dǎo)致線粒體受損，進(jìn)而導(dǎo)致神經(jīng)元細(xì)胞死亡[33]。Parkin基因編碼的蛋白具有E3泛素連接酶活性，在泛素-蛋白水解酶復(fù)合體通路中發(fā)揮重要作用，以調(diào)控線粒體功能、去除受損線粒體[9]。缺乏Parkin基因的小鼠和蒼蠅的蛋白質(zhì)水平、線粒體呼吸鏈復(fù)合物Ⅰ及線粒體呼吸鏈復(fù)合物Ⅳ的活性、線粒體的完整性以及呼吸能力均降低，同時(shí)對線粒體呼吸鏈復(fù)合物Ⅰ抑制劑魚藤酮高度敏感[34-36]。

2.2.3PINK1基因 PINK1基因是第一個(gè)也是唯一將線粒體功能障礙與PD發(fā)病機(jī)制聯(lián)系起來的基因。PINK1在維持線粒體體內(nèi)平衡中起重要作用。PINK1基因缺失可破壞線粒體生物學(xué)的多個(gè)方面(包括線粒體的降解、形態(tài)和運(yùn)輸)，增加線粒體功能障礙，引起多巴胺能神經(jīng)元細(xì)胞死亡，導(dǎo)致PD發(fā)病或惡化[37]。PINK1基因突變或敲低均會導(dǎo)致細(xì)胞線粒體呼吸水平降低、ATP合成減少以及PD細(xì)胞培養(yǎng)模型的α-Syn增加[38]。PINK1基因缺失的小鼠線粒體呼吸水平降低，且易受到氧化應(yīng)激的毒性作用和線粒體功能障礙加劇的影響[39-40]。一項(xiàng)對敲除Parkin基因和PINK1基因果蠅的研究發(fā)現(xiàn)，PINK1位于Parkin的上游，Parkin和PINK1通過相同的途徑發(fā)揮作用[41]。在線粒體自噬通路中，PINK1和Parkin共同發(fā)揮作用，因PINK1是線粒體損傷的主要探測器，當(dāng)線粒體受損時(shí)，PINK1的積累導(dǎo)致Parkin聚集到線粒體上，引起線粒體泛素化并被自噬小泡識別吞噬，受損的線粒體與溶酶體融合后被降解，從而觸發(fā)選擇性線粒體自噬，因此線粒體Parkin基因和PINK1基因突變導(dǎo)致線粒體自噬功能缺陷[42]。有研究證明，翻譯后修飾的α-Syn與外膜轉(zhuǎn)位酶結(jié)合，并在體外和體內(nèi)抑制蛋白質(zhì)導(dǎo)入線粒體，同時(shí)，在PD患者死后大腦的黑質(zhì)多巴能神經(jīng)元中也觀察到異常的α-Syn與外膜轉(zhuǎn)位酶相互作用[43]。

2.2.4LRRK2基因 LRRK2基因突變是家族性PD的常見原因。LRRK2在自噬、線粒體調(diào)節(jié)[44-45]、微管動(dòng)力學(xué)[46]和囊泡運(yùn)輸[44]中均起關(guān)鍵作用。在各種過表達(dá)LRRK2突變體的PD模型上均表現(xiàn)出線粒體功能障礙，如線粒體動(dòng)力學(xué)缺陷和ROS生成增加[47]。LRRK2 G2019S突變PD患者的成纖維細(xì)胞具有斷裂的線粒體[48]。Smith等[49]研究顯示，PD來源的成纖維細(xì)胞中的線粒體碎片化，而線粒體碎片化可被LRRK2抑制劑緩解。另外，人類神經(jīng)母細(xì)胞瘤細(xì)胞中LRRK2 G2019S和R1441C突變體的表達(dá)也表明線粒體嚴(yán)重?cái)嗔裑50]。有研究發(fā)現(xiàn)，一種新的LRRK2突變體——E193K可改變線粒體動(dòng)力蛋白相關(guān)蛋白1(dynamin-related protein 1，DRP1)與LRRK2的結(jié)合，從而影響線粒體的裂變[51]。有研究發(fā)現(xiàn)了Rab GTPase的一個(gè)子集，包括Rab8A、Rab10、Rab12和Rab7L1，均被鑒定為生理性LRRK2激酶的底物[52]。另有研究表明，通過Rab7 GTP水解可調(diào)節(jié)線粒體分裂，而Rab7是LRRK2的底物之一[53]，因此LRRK2突變體可能通過調(diào)節(jié)Rab GTP影響PD的線粒體動(dòng)力學(xué)[54]。

2.2.5α-Syn基因 α-Syn是由140個(gè)氨基酸組成的前突觸蛋白。目前α-Syn的功能尚不明確，有報(bào)道，α-Syn可介導(dǎo)突觸前終末的神經(jīng)遞質(zhì)釋放，同時(shí)可與包括線粒體在內(nèi)的各種細(xì)胞器膜相互作用[55]。α-Syn具有非典型的線粒體靶向序列，且已定位于線粒體膜上，因此可影響線粒體的結(jié)構(gòu)和功能[56]。作為路易小體主要成分的α-Syn與PD相關(guān)，且α-Syn被鑒定為第一個(gè)遺傳家族PD基因[57]。野生型α-Syn水平升高，其他基因突變所致的PD的α-Syn水平也升高，α-Syn水平升高在體內(nèi)外均可誘導(dǎo)線粒體斷裂和ROS的產(chǎn)生[58]。此外，α-Syn定位于線粒體相關(guān)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜(mitchondria associated endoplasmic reticulum membrane，MAM)，MAM是一種在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)與線粒體之間形成的特殊結(jié)構(gòu)，對調(diào)節(jié)Ca2+信號和細(xì)胞凋亡均具有重要意義。研究發(fā)現(xiàn)，α-Syn的致病性突變可減少其與MAM的結(jié)合，同時(shí)導(dǎo)致線粒體碎片增加，表明α-Syn在調(diào)節(jié)線粒體形態(tài)中發(fā)揮作用[59]。例如，過表達(dá)野生型或突變型α-Syn可導(dǎo)致內(nèi)質(zhì)網(wǎng)與線粒體在MAM處分離，從而影響Ca2+交換，導(dǎo)致線粒體能量產(chǎn)生減少[60]。除直接影響線粒體形態(tài)外，α-Syn還可通過調(diào)節(jié)過氧化物酶體增殖物激活受體γ-輔激活因子1α影響線粒體功能，用線粒體毒素處理攜帶A53T的人類多巴胺神經(jīng)元，誘導(dǎo)心肌細(xì)胞特異性增強(qiáng)因子2C的S-硝基化，并通過下調(diào)過氧化物酶體增殖物激活受體γ-輔激活因子1α水平導(dǎo)致線粒體生成減少[61]。研究發(fā)現(xiàn)，α-Syn可使電壓依賴性陰離子通道蛋白水平降低，導(dǎo)致線粒體功能損害，還可使線粒體呼吸鏈復(fù)合物Ⅰ功能障礙和ROS水平升高，形成惡性循環(huán)，最終導(dǎo)致PD的發(fā)生[62]。

2.2.6VPS35基因 調(diào)節(jié)線粒體動(dòng)力學(xué)的VPS35也與PD相關(guān)[63]。VPS35是逆轉(zhuǎn)錄識別復(fù)合物的一個(gè)組成部分，可介導(dǎo)突觸小泡的分選、運(yùn)輸和內(nèi)吞[64]。既往研究表明，VPS35中與PD相關(guān)的基因突變可增加攜帶VPS35D620N基因突變PD患者人成纖維細(xì)胞的線粒體破碎和細(xì)胞死亡[65]。VPS35與DRP1相互作用，使VPS35通過溶酶體降解途徑從線粒體中去除DRP1復(fù)合物的作用增強(qiáng)，進(jìn)而保持有效的線粒體分裂[66]。PD連接的VPS35突變和氧化應(yīng)激可增強(qiáng)VPS35與DRP1的相互作用，進(jìn)一步增加線粒體DRP1復(fù)合體的周轉(zhuǎn)率，因此，線粒體動(dòng)力學(xué)過度分裂失衡可導(dǎo)致線粒體碎片化和神經(jīng)元細(xì)胞死亡[63]。VPS35還可通過降低線粒體E3泛素連接酶1的水平穩(wěn)定線粒體融合蛋白2，VPS35缺乏可通過E3泛素連接酶1在多巴胺刺激的神經(jīng)元中降解線粒體融合蛋白2，導(dǎo)致線粒體動(dòng)力學(xué)受損和線粒體破碎，進(jìn)而導(dǎo)致PD的發(fā)生[67]。研究表明，攜帶VPS35基因的小鼠多巴胺能突觸功能發(fā)生顯著變化，包括多巴胺轉(zhuǎn)換增加、多巴胺轉(zhuǎn)運(yùn)體丟失和囊泡單胺轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白2表達(dá)增加[68]。此外，VPS35中與PD相關(guān)的突變也可損害溶酶體/自噬途徑，增加α-Syn蛋白的負(fù)載，導(dǎo)致α-Syn聚集增加[69]。

3 氧化應(yīng)激與PD

氧化應(yīng)激是由機(jī)體內(nèi)氧化與抗氧化失衡所致，過量的ROS在體內(nèi)堆積可產(chǎn)生細(xì)胞毒性。許多疾病與氧化應(yīng)激密切相關(guān)，如腫瘤、炎癥、衰老、神經(jīng)退行性疾病等[70]。越來越多的證據(jù)表明，氧化應(yīng)激是PD患者多巴胺能神經(jīng)元退行性變的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)因素[71-72]。研究發(fā)現(xiàn)，PD患者黑質(zhì)神經(jīng)元線粒體呼吸鏈復(fù)合物Ⅰ水平和活性均降低[73-74]。線粒體中α-Syn聚集體的內(nèi)含物可導(dǎo)致線粒體呼吸鏈復(fù)合物Ⅰ活性受損，而ROS的產(chǎn)生是由線粒體呼吸鏈功能障礙驅(qū)動(dòng)，因而可導(dǎo)致氧化應(yīng)激[56]。在散發(fā)性PD患者大腦黑質(zhì)中發(fā)現(xiàn)鐵積聚，可導(dǎo)致ROS產(chǎn)生增加、重組人α-Syn轉(zhuǎn)錄上調(diào)和α-Syn聚集增加[75-76]。另外，在1-甲基-4-苯基-1,2,3,6-四氫吡啶誘導(dǎo)的PD小鼠模型腦內(nèi)損傷區(qū)發(fā)現(xiàn)丙二醛水平增高，而丙二醛水平增高是脂質(zhì)過氧化的重要指標(biāo)之一。以上研究表明，氧化應(yīng)激參與PD的發(fā)病過程。

4 小 結(jié)

PD的發(fā)生受多種因素的影響，遺傳因素、環(huán)境因素以及衰老等均可能導(dǎo)致PD，其發(fā)病機(jī)制復(fù)雜，其中線粒體功能障礙和氧化應(yīng)激在PD發(fā)生中具有重要作用?；蛑委熓荘D治療的新興領(lǐng)域，因此以線粒體相關(guān)基因?yàn)榘悬c(diǎn)尋找新的治療方法具有重要意義；同時(shí)，還應(yīng)繼續(xù)拓展線粒體功能障礙分子機(jī)制的研究，進(jìn)一步明確線粒體相關(guān)基因突變對神經(jīng)退行性變的影響。相信隨著對線粒體功能障礙和氧化應(yīng)激在PD中作用的深入研究，可以為PD的治療提供新思路。