運動通過降低氧化Glu毒作用改善PD運動功能障礙研究進展

周文輝 李剛強

(吉首大學 體育科學學院,湖南 吉首 416000)

帕金森病(parkinson's disease,PD)是一種僅次于阿爾茨海默病的第二大常見的神經(jīng)系統(tǒng)變性疾病,老年人多見,平均發(fā)病年齡為60歲左右[1-2]。據(jù)目前數(shù)據(jù)統(tǒng)計,2015年全球有690萬PD患者,預計到2040年這一數(shù)字將為1420萬[3]。PD患者表現(xiàn)出認知和包括平衡不穩(wěn)、步態(tài)障礙、運動遲緩、靜止性震顫和肌肉僵直等在內(nèi)的運動功能障礙[4]。PD出現(xiàn)這些運動功能障礙是由中腦黑質(zhì)致密部(substantia nigra pars compacta,SNpc)多巴胺(dopamine,DA)能神經(jīng)元變性丟失導致隨后向基底神經(jīng)節(jié)(Basal ganglia,BG)紋狀體釋放的DA大量減少所致[5]。

谷氨酸(Glutamate,Glu)是哺乳動物大腦中樞神經(jīng)系統(tǒng)(CNS)中極為重要的興奮性神經(jīng)遞質(zhì),參與各種生理功能和代謝過程[6]。而DA是一種抑制性神經(jīng)遞質(zhì),正常情況下可將丘腦底核(subthal amic nucleus,STN)的興奮狀態(tài)維持在基礎水平。在PD病例中,由于DA神經(jīng)元變性丟失,皮質(zhì)-紋狀體Glu通路過度激活,導致突觸前Glu的過度合成或釋放以及Glu再攝取的減少導致突觸間隙高濃度的Glu,除了導致受體介導的興奮性毒性外,還會抑制胱氨酸攝取,導致谷胱甘肽(glutathione,GSH)缺乏,引發(fā)非受體介導的氧化Glu毒性[7]。突觸后缺乏Glu受體的神經(jīng)元在這一過程中也被殺死,氧化Glu毒性可能比興奮性毒性造成更多的損傷。所以,阻止突觸前Glu的過度釋放或者抑制Glu發(fā)揮功能效應,能夠達到降低氧化Glu毒性作用的目標。而這可以通過調(diào)節(jié)BG區(qū)代謝型Glu受體(metabotropic glutamate receptors,mGluRs)的表達水平來實現(xiàn)[8-9]。運動療法作為另一種選擇正在引起人們的關注,作為一種輔助的治療手段,在PD的臨床康復中已經(jīng)得到了廣泛應用。流行病學研究和臨床觀察表明,體力活動和運動可以降低PD的發(fā)病風險以及改善PD相關行為功能障礙。動物實驗結(jié)果證明,不同形式的運動干預可以通過降低BG區(qū)的氧化損傷,改善PD相關行為/運動功能障礙。提示運動改善PD相關行為功能障礙的神經(jīng)生物學機制可能與降低氧化Glu毒性作用密切相關。本文就目前有關運動降低氧化Glu毒性作用改善PD相關行為/運動功能障礙的研究進行綜述,為運動干預改善PD相關行為功能障礙的可能神經(jīng)生物學機制提供一定的理論依據(jù)。

1 氧化Glu毒性

1989年,Murphy等報道在N18-RE-105神經(jīng)母細胞瘤X視網(wǎng)膜細胞系中,Glu通過抑制胱氨酸/Glu逆向轉(zhuǎn)運體(又稱System Xc-)的胱氨酸輸入[10],導致重要的抗氧化劑GSH耗竭和氧化應激,從而誘導Ca2+依賴性細胞死亡[11]。這種類型的細胞毒性被命名為氧化Glu毒性,并且已在海馬細胞系HT22(海馬細胞系HT4的Glu敏感性亞克隆)中進行了廣泛研究[12]。System Xc-由重鏈4F2hc(CD98/SLC3A2基因)和輕鏈xCT(SLC7A11基因)組成,通過二硫鍵連接;xCT蛋白的輕鏈和組蛋白乙酰轉(zhuǎn)移酶(heterodimeric amino acid transporter,HAT)明顯均勻,HAT是一個氨基酸轉(zhuǎn)運蛋白家族,由輕鏈和重鏈通過二硫鍵連接[13]。xCT包含12個跨膜結(jié)構域,N-和C-末端位于細胞內(nèi),胞內(nèi)環(huán)2和環(huán)3之間有一個折返結(jié)構[14],該結(jié)構與其他HAT輕鏈相同。4F2hc是一種II型膜蛋白,具有細胞質(zhì)N末端、一個跨膜結(jié)構域和一個體積較大的細胞外N-糖基化C末端結(jié)構域或胞外域[15]。xCT和4F2hc均在腦中高度表達[16]。然而,有實驗證據(jù)表明,在System Xc-的活性調(diào)節(jié)過程當中,xCT表達的轉(zhuǎn)錄調(diào)控比4F2hc表達更為重要,4F2hc的表達對System Xc-的活性影響不大[13]。System Xc-是一種鈉和氯化物依賴性氨基酸逆向轉(zhuǎn)運蛋白(以xCT為特定亞基)。其以1:1的比例向相反方向?qū)⒎潜匦韬虬被岚腚装彼彡庪x子化合物轉(zhuǎn)運至細胞和Glu中,此外它還參與GSH合成以及轉(zhuǎn)運Glu,調(diào)節(jié)細胞外Glu濃度[17,18]。由于胱氨酸快速還原為半胱氨酸在細胞質(zhì)中非常罕見,而細胞中Glu濃度遠高于細胞外液[19]。細胞通過System Xc-攝取的胱氨酸迅速還原為半胱氨酸,后者摻入蛋白質(zhì)和GSH中[20]。半胱氨酸是抗氧化劑GSH合成的限速前體,細胞內(nèi)的GSH水平受System Xc-活性的調(diào)節(jié)[21]。激活System Xc-的機制與刺激mGluR2/3有關,胱氨酸可引起System Xc-介導的Glu外流,激活突觸前mGluR2/3,從而抑制囊泡內(nèi)Glu進入突觸間隙;突觸后,System Xc-釋放的Glu激活代謝型Glu受體5(mGluR5)[10]。激活System Xc-間接調(diào)節(jié)突觸Glu釋放的事實,說明System Xc-有調(diào)節(jié)突觸可塑性的可能性。

氧化Glu毒性與Glu興奮性毒性不同,后者細胞外Glu濃度增加過度刺激離子型谷氨酸受體(ionotropic glutamate receptors,iGluRs),從而導致大量Ca2+內(nèi)流和神經(jīng)元細胞死亡[22]。而在HT22中氧化Glu毒性發(fā)揮作用的細胞死亡途徑如下:1)氧化Glu毒性的第一步是通過System Xc-抑制胱氨酸攝取導致細胞GSH缺乏,盡管已經(jīng)發(fā)現(xiàn)一些細胞可通過胱硫醚β-裂解酶合成胱硫醚,但神經(jīng)元通常不表達該酶。因此,主要依賴于細胞外胱氨酸。當胱氨酸吸收被阻斷時,細胞內(nèi)GSH消耗遠快于蛋白質(zhì)合成[23]。此外,System Xc-的抑制,ROS的后續(xù)蓄積和GSH水平的降低都會導致細胞的抗氧化防御失效,最終可能會導致鐵下垂[24,25]。當GSH濃度降至20%以下時(Glu暴露后約6小時),氧化Glu毒性發(fā)生第二步:2)通過線粒體復合物I(NADH脫氫酶)活性連續(xù)生成自由基呈指數(shù)增加。此時,脂質(zhì)氧化酶12/15-脂氧合酶(12/15-lipoxygenase,12/15-LOX)的活化產(chǎn)生12/15-羥基二十碳四烯酸[26]。12/15-LOX可直接損傷線粒體,導致線粒體去極化,增加ROS的產(chǎn)生[27]。12-LOX產(chǎn)生的類花生酸是可溶性鳥苷酸環(huán)化酶(soluble guanylate cyclase,sGC)的激活劑,可增加細胞內(nèi)環(huán)磷酸鳥苷(cyclic guanosinc monophosphate,cGMP),導致鈣通道打開,引發(fā)大量Ca2+內(nèi)流[28]。最后,氧化Glu毒性誘導Glu氧化約10-12小時,此時ROS和細胞內(nèi)鈣水平均達到最大值,凋亡誘導因子(AIF)從線粒體轉(zhuǎn)位到細胞核,幾分鐘內(nèi)發(fā)生細胞內(nèi)誘導核固縮和半胱天冬酶非依賴性細胞死亡(圖1)[29]。

圖1 氧化Glu毒性的細胞死亡途徑(修改自[11])

綜上,氧化Glu毒性導致神經(jīng)元細胞死亡的過程中System Xc-發(fā)揮了關鍵性作用,通過mGluR2/3對System Xc-活性的調(diào)節(jié)可能是降低氧化Glu毒性的一個有效手段。此外,線粒體復合物I活性的改變以及sGC的激活導致cGMP的增加均與氧化Glu毒性的產(chǎn)生和發(fā)展息息相關。

2 氧化Glu毒性與PD

近些年來,關于氧化應激、神經(jīng)炎癥、線粒體功能障礙和興奮性毒性等與PD研究的相關報道逐漸增多,而BG區(qū)紋狀體細胞外Glu濃度異常升高所引起的氧化Glu毒性與PD的相關研究較少,僅有少數(shù)報道。David等[30]提出,PD興奮性毒性級聯(lián)反應可分為三部分,其中第二部分涉及20-30%的細胞死亡途徑,具有氧化Glu毒性特征,因為其可被維生素E、I組代謝型受體激動劑、半胱天冬酶抑制劑、細胞外胱氨酸升高和細胞外Glu清除特異性抑制。在PD狀態(tài)下,當突觸前膜釋放過多的Glu或Glu的再攝取功能受損時,細胞外Glu濃度增加,活化的小膠質(zhì)細胞和反應性星形膠質(zhì)細胞釋放大量Glu[31]。過量的Glu作用于System Xc-,抑制胱氨酸轉(zhuǎn)運到細胞內(nèi),一方面導致GSH合成降低和大腦清除過氧化物的能力受損;另一方面導致System Xc-釋放的Glu減少,對mGluR2/3的激活減弱,導致突觸前Glu的釋放增加,從而對神經(jīng)元細胞產(chǎn)生氧化損傷[32]。Baker等[33]研究表明,在大鼠伏隔核中System Xc-是細胞外Glu的主要來源,System Xc-參與PD的發(fā)病機制可能是雙重的:活性增加可保護大腦免受氧化應激,同時,Glu釋放增加可導致興奮性毒性。此外,有大量的體外研究和動物模型實驗證明,敲除或者抑制System Xc-活性,能夠?qū)χ袠猩窠?jīng)系統(tǒng)疾病(包括PD)起到很好的治療作用。Battaglia等[34]研究發(fā)現(xiàn),6-OHDA注射到前腦內(nèi)側(cè)束后3周,半帕金森大鼠紋狀體xCT蛋白水平發(fā)生同側(cè)增加。在使用xCT-/-小鼠的隨訪研究顯示,System Xc-缺陷小鼠黑質(zhì)DA能神經(jīng)元受到高度保護,防止6-OHDA誘導的神經(jīng)元變性[35]。具體而言,與注射6-OHDA的野生型小鼠相比,紋狀體注射6-OHDA的xCT-/-小鼠SNpc的DA能神經(jīng)元受到顯著保護。xCT-/-小鼠細胞外Glu水平降低,加上6-OHDA模型中DA能神經(jīng)元的存活率增加,表明System Xc-可能是PD治療中一個非常有前景的藥理學靶點。

值得注意的是,在氧化Glu毒性中因線粒體復合物I活性改變而自由基增加導致產(chǎn)生的ROS本身并不殺死細胞,而是有助于線粒體功能障礙,從而進一步增加ROS和氧化應激的形成,最終導致神經(jīng)元細胞死亡[10]。由此可見,細胞內(nèi)大量ROS的積累不足以引起死亡,但它是細胞死亡過程中的必要步驟。與這一觀點一致的是,即使在ROS水平升高的情況下,阻斷ROS積累下游信號通路的化合物也可以起到神經(jīng)保護作用[36,37]。這些ROS的主要來源是線粒體電子傳輸鏈的復合物I。此外,這些ROS的重要性得到了實驗證實,線粒體氧化磷酸化解偶聯(lián)劑和其他線粒體抑制劑均可保護神經(jīng)細胞免受氧化Glu毒性[23]。以上研究事實表明,線粒體復合物I產(chǎn)生的ROS不會直接殺死細胞,但ROS的大量積累會導致下游信號通路的激活,間接誘導神經(jīng)元細胞損傷或死亡。因此,線粒體復合物I可能是降低PD氧化Glu毒性的一個重要靶點。據(jù)報告,PD患者的黑質(zhì)線粒體呼吸電子傳遞鏈復合物I活性以及血小板和淋巴細胞輕度缺乏,表明PD患者的復合物I活性受到系統(tǒng)性抑制[38]。有證據(jù)顯示,復合物I受到抑制會導致生物能量失效,導致ATP消耗和隨后的細胞死亡[39]。Kuter等[40]研究發(fā)現(xiàn),在6-OHDA毒性的嚙齒類動物PD模型中,神經(jīng)元變性伴隨著幾乎所有形式的超級復合物中復合物I蛋白水平和活性降低以及紋狀體超級復合物中復合物IV活性降低。這些觀察結(jié)果與從PD患者成纖維細胞純化的線粒體中超級復合物的復合物I和IV的解體和丟失一致。而這些可能會導致細胞內(nèi)Ca2+水平升高,氧化應激增強,最終損傷神經(jīng)元并引起其死亡。近期Kuan等[41]研究表明,一種新的非編碼p137 RNA(來源于人巨細胞病毒β 2.7轉(zhuǎn)錄本),可以通過保護線粒體復合物I活性,在體外和PD模型動物中預防和挽救DA能神經(jīng)元細胞死亡。

氧化Glu毒性中12-LOX活化產(chǎn)生12/15-羥基二十碳四烯酸,導致sGC被激活。sGC是cGMP通路中的一種重要酶蛋白,脫軌時可能是PD或PD加重的致病因素[42]。sGC-cGMP通路是由三磷酸鳥苷(Guanosine triphosphate,GTP)合成cGMP的生理過程,導致蛋白激酶(protein kinase,PK)活化,引起細胞水平的各種生理變化[43]。由于PK依賴離子通道的激活,刺激sGC可增加細胞Ca2+水平[44]。此外,當sGC受到過度刺激時,導致cGMP生成過多以及激活蛋白激酶G,即cGMP依賴性蛋白激酶(cGMP-dependent protein kinase,PKG),進而導致Glu活性過高,會引起Glu毒性[45]。而這種Glu毒性可能會導致細胞產(chǎn)生大量ROS,導致DA能神經(jīng)元細胞凋亡,引發(fā)動物或人類的異常運動行為[46,47]。近期研究發(fā)現(xiàn),使用sGC抑制劑可能阻止PD的進展以及減弱紋狀體神經(jīng)元的凋亡,如sGC抑制劑1H-2和惡二唑-3-a喹喔啉-1-酮可改善MPTP和6-OHDA模型小鼠的皮質(zhì)紋狀體突觸傳遞和運動行為[48]。

3 運動與氧化Glu毒性和PD防治

PD黑質(zhì)-紋狀體通路去DA能神經(jīng)支配導致BG Glu能傳遞異常增高,導致DA能神經(jīng)元進一步丟失以及PD進行性發(fā)展,最終導致PD相關行為功能障礙的進一步惡化。有關通過運動降低氧化Glu毒性作用改善PD相關行為/運動功能障礙的研究還未見報道,而對PD模型動物的相關研究也還處于發(fā)展階段,僅有少數(shù)報道。Chuang等[49]研究發(fā)現(xiàn),四周的跑臺運動干預可使6-OHDA誘導的單側(cè)PD模型大鼠氧化應激減弱,改善了DA能神經(jīng)元的活力,表現(xiàn)為線粒體復合物I蛋白表達水平升高,復合物II、III、IV表達水平降低,提高了步態(tài)參數(shù)在最大面積、揮桿速度、步幅和姿勢階段方面的表現(xiàn)以及降低了甲基苯丙胺引起的旋轉(zhuǎn)。Ferreira等[50]研究表明,四周的跑臺運動干預可使6-OHDA誘導的單側(cè)PD模型大鼠線粒體復合物I蛋白水平表達升高,各組黑質(zhì)復合物Ⅱ-V和紋狀體復合物Ⅰ-V水平均無變化,步態(tài)參數(shù)數(shù)據(jù)均得到顯著性改善以及阿撲嗎啡誘導的旋轉(zhuǎn)圈數(shù)顯著減少。綜上,運動可能通過調(diào)節(jié)線粒體復合物I表達水平,降低氧化Glu毒性作用改善PD相關行為/運動功能障礙。

Shi等[51]研究表明,4周跑臺運動干預能使6-OHDA誘導的偏側(cè)損毀PD模型大鼠紋狀體細胞外Glu水平顯著降低,紋狀體mGluR2/3蛋白表達水平顯著升高,mGluR1/5蛋白表達水平顯著下降,自主錯步行為測試結(jié)果較PD組有顯著性改善。Chen等[52]研究發(fā)現(xiàn),跑臺運動干預可使6-OHDA偏側(cè)損毀PD模型大鼠紋狀體胞外Glu 濃度顯著降低,mGluR3 mRNA和mGluR2/3蛋白的表達水平顯著升高,大鼠的自主活動和運動協(xié)調(diào)能力顯著改善。綜上,運動可能通過調(diào)節(jié)BG區(qū)mGluR2/3表達水平,降低氧化Glu毒性作用改善PD相關行為/運動功能障礙。而運動干預對其他Glu受體(glutamate receptor,GluR)不同亞基、亞單位的影響是怎么樣的,不同類型和不同強度的運動干預對線粒體復合物I和mGluR2/3的影響又是怎么樣的,這對于探究運動改善PD相關行為功能障礙的可能神經(jīng)生物學分子機制是十分重要的,在未來還需要進一步的深入探索。

4 運動通過氧化Glu毒性防治PD的胞內(nèi)可能分子機制

在PD狀態(tài)下,紋狀體神經(jīng)元胞外Glu濃度增加。細胞外環(huán)境中的Glu過度積累通過System Xc-抑制胱氨酸攝取,GSH水平呈時間依賴性下降。同時,通過System Xc-釋放的Glu減少,導致對定位于皮層紋狀體突觸前末梢mGlu2/3的激活減弱,誘導突觸前Glu釋放增多。當GSH水平低于20%時,ROS開始呈指數(shù)增加;Glu長時間暴露于細胞外導致線粒體復合物I活性受到抑制,這時氧自由基呈指數(shù)增長,引起ROS大量增加。GSH消耗還會導致12/15-LOX活化,活化的12/15-LOX直接損傷線粒體,線粒體去極化,進一步增加ROS產(chǎn)生(ROS主要來自于線粒體復合物I)。12/15-LOX活化還會產(chǎn)生12/15-羥基二十碳四烯酸,這類花生酸可激活sGC,然后生成cGMP和激活PKG。由于PKG的激活使Ca2+通道、促iGluRs磷酸化作用增強,誘導大量Ca2+內(nèi)流[46]。ROS的持續(xù)增加以及Ca2+水平的不斷升高,進而神經(jīng)元產(chǎn)生氧化Glu毒性損傷,導致DA能神經(jīng)元的凋亡,最終破壞BG區(qū)的正常功能而出現(xiàn)PD相關行為功能障礙。

在軸突中,Glu儲存在突觸囊泡中。mGlu2/3定位于皮層-紋狀體突觸前末梢,它們與System Xc-發(fā)生作用,激活或者上調(diào)mGlu2/3會下調(diào)System Xc-的活性[10]。該受體激活后減少環(huán)磷酸腺苷(cyclic adenosine monophosphate,cAMP)的生成和抑制蛋白激酶A(protein kinase A,PKA)活性,導致細胞膜鈣通道的磷酸化受到抑制,阻止細胞外Ca2+內(nèi)流,從而使囊泡內(nèi)釋放出的Glu水平降低[53]。綜上,運動干預一方面可能通過上調(diào)線粒體復合物I蛋白表達水平,減輕氧化損傷,降低氧化Glu毒性作用;一方面可能通過上調(diào)定位于皮層紋狀體突觸前末梢mGlu2/3的mRNA和蛋白表達水平,降低PD紋狀體神經(jīng)元胞外Glu濃度,從而降低氧化Glu毒性作用,最終改善PD相關行為/運動功能障礙。

5 結(jié)論與展望

PD已成為世界日益關注的熱點問題。運動干預可以改善PD患者和模型動物的相關行為功能障礙或延緩癥狀的發(fā)展。這種積極的影響效應可能是通過上調(diào)BG區(qū)mGlu2/3mRNA和蛋白表達水平以及線粒體復合物I蛋白表達水平,降低PD氧化Glu毒性作用來實現(xiàn)的。BG區(qū)紋狀體Glu能系統(tǒng)的信號傳導與PD的發(fā)生和進展密切相關,為了能深入剖析運動干預改善PD相關行為功能障礙的可能神經(jīng)生物學分子機制,在未來還需要更加深入的研究BG區(qū)各種神經(jīng)元細胞、受體,酶等之間的相互作用關系,這對PD運動防治的研究具有非常潛在的價值。