雌激素通過調(diào)控線粒體參與阿爾茨海默病的保護(hù)機(jī)制

趙偉 宋欣欣 侯越 周延萌(山東第一醫(yī)科大學(xué)(山東省醫(yī)學(xué)院科學(xué)院)藥理學(xué)研究所,山東 泰安 271016)

阿爾茨海默病(AD)是一種常見的神經(jīng)系統(tǒng)退行性疾病。大腦代謝下降、氧化應(yīng)激、線粒體受損是AD 的一個早期癥狀,通常在細(xì)胞外β 淀粉樣蛋白(Aβ)和細(xì)胞內(nèi)神經(jīng)纖維纏結(jié)(NFT)出現(xiàn)之前就已發(fā)生〔1,2〕。女性占AD 患者的三分之二,對該疾病更加敏感〔3〕。絕經(jīng)后女性體內(nèi)雌激素水平突然下降導(dǎo)致的雌激素缺乏已被認(rèn)為是AD 發(fā)生的一個危險(xiǎn)因素〔4〕。雌激素在細(xì)胞和動物模型中的神經(jīng)保護(hù)作用已被證實(shí),其中包括其對線粒體的作用〔5～7〕。

1 線粒體功能障礙與AD

線粒體是一種保守的細(xì)胞器,在不同的細(xì)胞過程中發(fā)揮多種功能,包括通過氧化磷酸化(OXPHOS)產(chǎn)生ATP、調(diào)節(jié)細(xì)胞程序性死亡、鈣穩(wěn)態(tài)及活性氧(ROS)的產(chǎn)生〔8～10〕,而紊亂的線粒體功能與神經(jīng)系統(tǒng)異常密切相關(guān)。

1.1 AD 中受損的線粒體生物能量學(xué) 大腦作為高能耗器官極易受能量代謝受損的影響,即使大腦能量代謝的輕微變化也會導(dǎo)致神經(jīng)元功能紊亂,而能量代謝受損則是AD 最早的病理特征之一。在早期AD 腦標(biāo)本中,線粒體OXPHOS 中復(fù)合體Ⅰ(NADH-輔酶Q 氧化還原酶) 的mRNA 含量下降,而復(fù)合體Ⅲ(Q-細(xì)胞色素c 氧化還原酶)和復(fù)合體Ⅳ(細(xì)胞色素c 氧化酶)的mRNA 含量增加〔1〕。AD腦內(nèi)線粒體復(fù)合體的差異改變,說明線粒體復(fù)合體的失調(diào)是AD 病理的重要驅(qū)動因素〔11〕。在AD 腦中,參與三羧酸(TCA)循環(huán)的酶活性也發(fā)生了不同的變化:丙酮酸脫氫酶、異檸檬酸脫氫酶和α-酮戊二酸脫氫酶活性降低,而琥珀酸脫氫酶和蘋果酸脫氫酶活性增加〔12〕。從AD 腦中線粒體酶活性的研究表明,所有電子傳遞鏈(ETC)復(fù)合物的活性普遍下降〔13〕。

1.2 AD 中異常的線粒體動力學(xué) 線粒體是一種高度動態(tài)的細(xì)胞器,不斷地融合和分裂以維持線粒體數(shù)量穩(wěn)態(tài)〔8,10〕。線粒體融合與ATP 生成增加呈正相關(guān),融合抑制則與OXPHOS 受損、線粒體DNA(mtDNA)耗竭和ROS 產(chǎn)生有關(guān)〔14〕。線粒體動力學(xué)調(diào)節(jié)對細(xì)胞的功能至關(guān)重要,并通過突觸在神經(jīng)元信號傳遞中發(fā)揮著關(guān)鍵作用〔9,15,16〕。越來越多的證據(jù)表明,含有GTPase 結(jié)構(gòu)域的蛋白質(zhì)在線粒體動力學(xué)中起著至關(guān)重要的作用,既可以促進(jìn)線粒體分裂,如線粒體動力相關(guān)蛋白(DRP)1,又可以促進(jìn)線粒體融合,如線粒體融合蛋白(MFN)1/2 和線粒體內(nèi)膜融合蛋白(OPA)1。線粒體分裂或融合的失衡會導(dǎo)致多種神經(jīng)疾病〔17～22〕。線粒體動力學(xué)受損會導(dǎo)致線粒體碎片化,這與DRP1 的功能改變干擾了分裂和融合之間的平衡有關(guān)〔23〕,對ETC 功能產(chǎn)生負(fù)面影響或增強(qiáng)ROS 的產(chǎn)生而導(dǎo)致線粒體生物能量學(xué)受損〔24〕,這都是AD 腦中的突出特征。線粒體融合和分裂在AD 線粒體功能障礙和發(fā)病機(jī)制中起著至關(guān)重要的作用,體內(nèi)和體外實(shí)驗(yàn)都證實(shí)了這一點(diǎn)〔25,26〕。APP 過表達(dá)會引起M17 神經(jīng)母細(xì)胞瘤細(xì)胞和原代神經(jīng)元的線粒體碎片化,但β-分泌酶(BACE)1 抑制劑則會逆轉(zhuǎn)其碎片化,表明Aβ 會導(dǎo)致線粒體碎片化。可溶性的Aβ 寡聚體會導(dǎo)致線粒體分裂和融合蛋白表達(dá)隨時(shí)間和劑量依賴性變化,出現(xiàn)明顯的線粒體功能障礙〔26,27〕。抑制線粒體分裂則可逆轉(zhuǎn)APP 或Aβ 誘導(dǎo)的線粒體和神經(jīng)元損傷〔23,25〕。

1.3 線粒體損傷增加AD 的氧化應(yīng)激 線粒體呼吸的一個不可避免的副產(chǎn)品是超氧陰離子自由基(·O2-),主要是由參與ETC 的線粒體復(fù)合體Ⅰ和復(fù)合體Ⅲ產(chǎn)生〔27,28〕。當(dāng)ROS 過量產(chǎn)生時(shí),會誘導(dǎo)氧化應(yīng)激,脂質(zhì)過氧化,從而破壞蛋白質(zhì)和DNA,而線粒體結(jié)構(gòu)是其毒性的首要靶點(diǎn)〔29〕。盡管存在抗氧化系統(tǒng),但線粒體極易受到氧化損傷,受損的線粒體導(dǎo)致ATP 的生成減少而ROS 的產(chǎn)生增多。因此氧化應(yīng)激成為線粒體功能障礙的原因和結(jié)果。氧化損傷是AD 重要的病理特征。如在AD 患者的多個腦區(qū)中脂質(zhì)過氧化產(chǎn)物如丙二醛(MDA)和4-羥基壬烯酸(HNE)增加〔30〕。另一方面,AD 患者腦內(nèi)抗氧化水平、抗氧化酶表達(dá)和活性顯著降低,許多抗氧化酶被氧化,使其功能受損。如AD 患者腦區(qū)谷胱甘肽(GHS)水平降低,這與認(rèn)知功能的下降密切相關(guān)〔31〕。

1.4 Aβ 與線粒體功能障礙 Aβ 是通過淀粉樣前體蛋白(APP)由β-分泌酶和γ-分泌酶通過蛋白水解產(chǎn)生的。與經(jīng)α-分泌酶的非淀粉樣生成途徑不同,越來越多的證據(jù)表明線粒體是Aβ 毒性的直接靶點(diǎn)〔32～34〕。Aβ 已被證實(shí)在線粒體內(nèi)聚積并與線粒體酶-Aβ 結(jié)合乙醇脫氫酶(ABAD)相互作用,導(dǎo)致環(huán)氧化酶(COX)活性降低,氧化應(yīng)激增加〔35～37〕。ABAD 是一種具有廣泛底物特異性的酶,該酶催化氧化型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸/還原型氧化型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD+/NADH)依賴的可逆氧化/還原底物,如類固醇、乙酰輔酶A 和β-羥丁酸〔38,39〕。在正常條件下,該酶對代謝穩(wěn)態(tài)起調(diào)節(jié)作用,其過表達(dá)提高了細(xì)胞活力和ATP 含量〔39〕。已有研究表明,ABAD 在AD 小鼠及AD 患者的大腦中上調(diào)〔40〕,認(rèn)為Aβ 的結(jié)合改變了酶的構(gòu)象,加劇Aβ引起的線粒體功能障礙。當(dāng)Aβ 的神經(jīng)毒性機(jī)制集中在線粒體上時(shí),線粒體功能受損,特別是線粒體生物能的下降和氧化應(yīng)激的增加,從而進(jìn)一步增加Aβ的生成,促進(jìn)疾病發(fā)展過程,形成了一個惡性循環(huán)。在這個惡性循環(huán)中,過量的Aβ 積累和持續(xù)的線粒體功能障礙激活了一系列的神經(jīng)退行性途徑〔41,42〕。

2 雌激素調(diào)控線粒體

雌激素通過結(jié)合和激活經(jīng)典雌激素受體(ER)α 和β 及通過激活膜受體mERα、mERβ 和G 蛋白耦聯(lián)ER(GPER)1 來調(diào)節(jié)核基因的轉(zhuǎn)錄。雌激素通過細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑調(diào)節(jié)線粒體功能。如雌二醇(E2)通過調(diào)節(jié)參與葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)、糖酵解和TCA 循環(huán)的基因表達(dá)來增加葡萄糖代謝;上調(diào)編碼ETC 相關(guān)基因,包括線粒體復(fù)合體Ⅰ、細(xì)胞色素c 氧化酶和ATP 合成酶;上調(diào)抗氧化防御指標(biāo),如錳超氧化物歧化酶(MnSOD)和GHS 水平〔43〕。雌激素可以直接或間接地調(diào)控線粒體發(fā)揮保護(hù)作用。雌激素對線粒體的間接影響是由信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑介導(dǎo)的,這些信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑由雌激素觸發(fā),通過一系列調(diào)節(jié)因子最終影響線粒體功能。如雌激素可以誘導(dǎo)磷脂酰肌醇-3-激酶/蛋白激酶B(PI3K/Akt)通路的激活〔44〕,促進(jìn)促凋亡蛋白Bad 的磷酸化。Bad 磷酸化可阻止BAX 介導(dǎo)的細(xì)胞色素c 從線粒體釋放,從而發(fā)揮抗凋亡作用〔45〕。雌激素也可能直接發(fā)揮其保護(hù)作用,因?yàn)榫€粒體中存在雌激素結(jié)合位點(diǎn)〔46〕,且ERα 和ERβ 在線粒體中已被發(fā)現(xiàn),能夠結(jié)合mtDNA〔47～49〕。

2.1 雌激素調(diào)節(jié)線粒體生物能量學(xué) E2 通過增加線粒體對Ca2+的攝取來防止Ca2+穩(wěn)態(tài)的失調(diào),同時(shí)維持線粒體呼吸〔50〕。E2(10 nmol/L)刺激人乳腺癌細(xì)胞(MCF)-7 的基礎(chǔ)耗氧率(OCR)和細(xì)胞外酸化率(ECAR),并刺激ATP 產(chǎn)生,但不影響線粒體的最大儲備容量〔51〕。E2(10 nmol/L)增加原代人子宮內(nèi)膜間質(zhì)細(xì)胞ECAR,降低OCR〔52〕。E2 能夠增加神經(jīng)元的最大呼吸,膠質(zhì)細(xì)胞的基礎(chǔ)呼吸和最大呼吸,且對原代神經(jīng)元ETC 具有保護(hù)作用〔53〕。ERα 選擇性激動劑1,3,5-三(4-羥基苯基)-4-丙基-1H-吡唑(PPT,100 ng/ml)和ERβ 選擇性激動劑2,3-雙(4-羥苯基)丙腈(DPN,100 ng/ml)能夠刺激原代大鼠胚胎神經(jīng)元的基礎(chǔ)OCR 和最大呼吸能力〔49〕。

2.2 雌激素調(diào)節(jié)線粒體動力學(xué) 線粒體是動態(tài)的,E2 差異性調(diào)控線粒體融合和分裂基因的轉(zhuǎn)錄〔7〕。在MCF-7 細(xì)胞中,E2 提高了MFN1、MFN2、OPA1 的mRNA 轉(zhuǎn)錄水平,而線粒體分裂蛋白(FIS)1 的mRNA 轉(zhuǎn)錄水平降低〔54〕。E2 誘導(dǎo)MCF-7 細(xì)胞線粒體融合,降低OXPHOS 復(fù)合物蛋白的表達(dá),增加ATP水平。在E2 處理的T47D 細(xì)胞中也有類似發(fā)現(xiàn),T47D 細(xì)胞中ERβ 過表達(dá)增加了OXPHOS 復(fù)合蛋白,減少了分裂,同時(shí)增加了融合〔55〕。雌性大鼠卵巢切除后降低了腓腸肌線粒體動力學(xué)標(biāo)志物MFN1/2,OPA1 的蛋白水平,而E2 給藥4 w 后可逆轉(zhuǎn)這種變化〔56〕。

2.3 GPER1 調(diào)節(jié)線粒體呼吸和功能 當(dāng)GPER1在MCF-7 細(xì)胞中過表達(dá)時(shí)能夠抑制細(xì)胞生長,同時(shí)增加細(xì)胞內(nèi)環(huán)磷酸腺苷(cAMP), 促進(jìn)自噬。GPER1 過表達(dá)降低了基礎(chǔ)OCR 和ECAR,提高了最大呼吸頻率和儲備能力,且增加了MFN1/2 和Parkin mRNA 的表達(dá), 同時(shí)降低了FIS1 的表達(dá)。GPER1 能夠調(diào)節(jié)線粒體分裂/融合,從而增加線粒體自噬〔57〕。Parkin 與TFAM 結(jié)合,能夠增加線粒體轉(zhuǎn)錄〔58〕。E2 激活脂肪細(xì)胞GPER1 增加腺苷酸環(huán)化酶(AC)分泌,導(dǎo)致環(huán)磷腺苷效應(yīng)元件結(jié)合蛋白(CREB)和ERα 磷酸化,保護(hù)脂肪細(xì)胞免受線粒體功能損傷〔59〕。

3 雌激素對AD 相關(guān)線粒體功能障礙的保護(hù)作用

E2 能夠系統(tǒng)地調(diào)節(jié)能量平衡和能量代謝。神經(jīng)退行性疾病的性別差異表明雌激素在某些疾病中起著保護(hù)作用,如:絕經(jīng)期雌激素保護(hù)功能的喪失與女性帕金森病和AD 的患病率和嚴(yán)重程度有關(guān)〔60〕。線粒體功能在這些疾病中起著重要作用,且雌激素可以直接或間接地調(diào)控線粒體發(fā)揮神經(jīng)保護(hù)作用。

由Aβ 或過度磷酸化的tau 蛋白引起的生物能量缺陷可以通過雌激素治療來減輕〔61〕。小鼠卵巢切除(OVX)誘導(dǎo)的雌激素缺失會導(dǎo)致線粒體生物能量缺陷和線粒體Aβ 的積累,但E2 治療則逆轉(zhuǎn)了OVX 誘導(dǎo)的線粒體損傷。在3xTg AD 小鼠中,OVX雌性小鼠表現(xiàn)出更強(qiáng)的生物能量損傷,即線粒體呼吸下降,氧化應(yīng)激增加〔62〕,雌激素治療后能夠減輕生物能量損傷和氧化應(yīng)激,并減少Aβ。ERβ 選擇性激動劑DPN 能部分恢復(fù)大鼠原代海馬神經(jīng)元的基礎(chǔ)呼吸和最大呼吸,對抗Aβ1-42 誘導(dǎo)的線粒體呼吸抑制〔63〕。ABAD 在AD 患者及3xTg AD 去卵巢小鼠腦中過度表達(dá),ABAD 的一個重要底物是E2,在線粒體E2 代謝中起重要作用〔62〕。ABAD 特異性抑制劑AG18051 部分阻斷了Aβ 與ABAD 的相互作用,并通過使雌二醇水平正?；瘉碜柚笰β 誘導(dǎo)的ABAD 活性增〔64〕。抑制ABAD 的作用將會是女性AD 患者的一種新的治療策略。

綜上,來自細(xì)胞和動物模型的大量證據(jù)證明了雌激素在AD 中的神經(jīng)保護(hù)作用,但臨床試驗(yàn)數(shù)據(jù)仍然存在爭議。研究表明絕經(jīng)后女性使用雌激素可以降低AD 的風(fēng)險(xiǎn)或推遲疾病的發(fā)生〔65,66〕。但也有數(shù)據(jù)顯示長期雌激素治療后,癡呆癥的發(fā)病率增加了兩倍,乳腺癌、肺栓塞和腦卒中的風(fēng)險(xiǎn)也增加了〔67〕。AD、線粒體和性激素之間存在著復(fù)雜的關(guān)系。雌激素治療AD 仍然存在許多問題,如雌激素治療AD 的潛在機(jī)制、激素替代治療的最佳治療方法、絕經(jīng)后女性治療和預(yù)防AD 的窗口等。線粒體可能是其中的關(guān)鍵,這可能為治療絕經(jīng)后女性AD患者開辟新的途徑。