線粒體呼吸鏈功能異常在帕金森病中作用的研究進展

張 穎綜述, 胡國華審校

帕金森病(Parkinson disease,PD)是一種中老年人常見的神經系統變性疾病,以黑質多巴胺(dopam in,DA)能神經元變性缺失和路易小體(Lewy body)形成為病理特征,臨床表現為靜止性震顫、運動遲緩、肌強直和姿勢步態異常等。PD的病因和發病機制十分復雜,迄今仍未徹底明確,目前最受關注的幾個機制有氧化應激、線粒體功能缺陷、泛素蛋白酶體系統功能障礙等,多種發病機制之間存在緊密的聯系,相互作用。自從發現MPTP在腦內的毒性代謝產物 MPP+能抑制黑質部線粒體復合體I活性后,線粒體功能異常就成為研究 PD發病機制的熱點。一些研究結果發現,編碼線粒體的基因突變、缺失或內外源毒素導致線粒功能失常,從而繼發引起其它如氧化應激、蛋白酶體功能障礙等反應,促使PD發生,說明線粒體功能失調為 PD重要致病因素之一。在帕金森病的研究中,線粒體功能的失調最重要的一個機制就是線粒體呼吸鏈功能缺陷,本文就線粒體呼吸鏈在PD發病機制中的研究進展綜述如下。

1 PD患者線粒體呼吸鏈功能缺失是 PD發病的關鍵性因素

1.1 線粒體功能失調與PD發病關系密切

腦組織對能量供給的改變非常敏感,缺氧會造成腦組織神經細胞死亡,導致神經退行性變發生。線粒體呼吸鏈損傷或線粒體基因組改變等引起線粒體功能失調,從而影響腦的能量供給。腦組織不同區域對缺氧的敏感性不同,黑質紋狀體部位的神經元在缺氧狀態下易引起氧化應激,導致自由基升高,從而造成神經細胞的死亡,引起 PD的發生。有實驗研究報道,在嚙齒類PD動物模型腦組織不同部位的神經元中線粒體的數目及形態并不相同,PD腦組織中黑質致密帶區多巴胺神經元中的線粒體數量較腦組織其它部位(如腹側背蓋區、束間神經元等)相對減少[1]。說明線粒體與 PD的發病有著密切的聯系[2],而預防或者糾正線粒體的功能失調對大多數帕金森病患者的治療有利[3]。

1.2 線粒體呼吸鏈損傷在PD病中存在

線粒體呼吸鏈又稱電子傳遞鏈,是位于線粒體內膜上的一系列電子傳遞體系。當線粒體受到損傷時,線粒體膜結構發生變化,引起電子傳遞效率下降,一方面是合成 ATP不足,另一方面產生更多的漏電子,使得氧自由基增加,損傷細胞。目前對于線粒體呼吸鏈功能缺失的研究主要集中在復合體 I(complex I)上。有研究用免疫組化方法分析發現 PD黑質呼吸鏈酶復合體 I染色明顯減弱,而且主要位于含有神經黑色素的神經元[4]。另有研究表明 PD患者 SNpc區、紋狀體、骨骼肌和血小板線粒體的復合體 I功能減低 30%多[5]。最近研究發現,在 PD中線粒體復合體 I的功能缺陷在腦組織中并不只局限于黑質部,Parker等[6]研究 PD模型及老年化的腦模型中線粒體呼吸鏈復合體的活性情況,結果發現復合體 I活性在帕金森組額葉皮質中也顯著降低。線粒體復合體 I缺陷(包括數量減少和活性降低)在帕金森病線粒體功能障礙中起著核心的作用[7],復合體I的功能缺陷使活性氧增加,這些活性氧能誘發氧化應激,從而損傷細胞;復合體I的功能損傷可以引起人腦多巴胺能神經元胞漿內 α-突觸核蛋白的聚集[8]。

目前對于呼吸鏈中復合體 II、III和 IV與 PD的發病關系的研究報道較少,Parker等[6]研究顯示復合體 II、III和 IV在兩組腦中變化無明顯差別,有待于我們進行深入研究。由于線粒體分離比較困難,而呼吸鏈功能又是在純化后的線粒體進行檢測才比較準確,所以選擇可靠的方法檢測復合體活性在這類實驗中有著重要的意義。

2 導致線粒體呼吸鏈損傷的原因及在 PD發生過程中的作用機制

線粒體呼吸鏈損傷在PD的發生中通常不是始發因素,是由其它因素如外源性毒素的作用、編碼呼吸鏈的基因異常、氧化應激、蛋白酶體功能障礙、體內代謝產物如 NO的聚集等因素誘發其功能的缺陷,然后通過與其它機制共同作用導致PD的發生。PD的發生常為幾種因素共同作用產生,并且這些因素相互為因果,其間的關系密切。線粒體的功能失調在PD的發生中處于核心位置,從研究呼吸鏈方面入手研究PD的發生有重要的意義。

2.1 環境毒素的致病作用

2.1.1 MPTP類似物對呼吸鏈的抑制作用 MPTP是目前研究最多的與PD相關的環境有毒物質。MPTP是一種高脂溶性物質,能夠迅速通過血腦屏障,經代謝產生具有毒性作用的MPP+,當后者進入DA能神經元后,被線粒體主動攝取而濃集,特異性抑制氧化呼吸鏈復合體I和電子傳遞,減少ATP生成而使能量耗竭,同時增強多巴胺依賴性氧化應激。目前利用MPTP制備與人類 PD相似的動物模型,廣泛用于PD的研究。自然界中存在的食物或者植物中有一些類似MPTP的物質,它們極易透過血腦屏障進入到中樞神經系統,抑制線粒體呼吸鏈復合體I,導致線粒體功能障礙和神經元死亡。如果人類接觸到這類物質,有可能引起PD。

魚藤酮、百草枯分別為殺蟲劑及有機農藥,與 MPP+化學結構相似,都具有高親脂性,容易透過血腦屏障,對腦組織線粒體呼吸鏈復合體I的活性具有較強的抑制作用。盡管魚藤酮對復合體I活性抑制作用無選擇性,卻可選擇性引起黑質紋狀體DA系統變性,可能與DA神經元對氧化應激的敏感性高有關。在動物中使用魚藤酮能夠抑制復合體 I可復制出帕金森病模型,表明抑制復合體I的成份有可能引起帕金森病。有研究報道[9],不只是魚藤酮,其它的許多商用農藥也能直接抑制復合體I,引起線粒體氧化損傷,誘發 PD的產生。提示我們應該對環境中可能造成復合體 I損傷的毒素進行深入的研究,預防由殺蟲劑和農藥引起的PD。

2.1.2 環境中的錳對PD產生的影響 錳是一種微量元素,與體內許多酶活性有關,錳在腦內沉積在黑質紋狀體系統,可降低 MAO酶活性,阻滯呼吸鏈,在體內過量和長期蓄積能引起多巴胺能神經元的死亡,造成神經系統的退行性病變。Chen等[10]報道了環境因素中不同價態的錳離子對PD細胞模型中的線粒體復合體 I都有抑制作用,尤其以三價的錳離子的損害作用更為嚴重,同時錳離子也對線粒體DNA的表達水平有抑制作用。有研究報道,暴露在氯化錳環境中的 PC 12細胞中線粒體呼吸鏈復合體 I被抑制,同時氧化應激增加,提示錳可引起多巴胺能神經元線粒體功能損傷,引起PD[11]。最近許多報道集中在煉鋼和電焊接工作中防護不當導致了錳中毒并出現了帕金森病的癥狀,故一些學者提出錳中毒是 PD發生的一個危險因素。

但是目前較多的研究者認為錳中毒能夠引起帕金森綜合征,而并不是帕金森病,原因在于有研究對受錳毒性物質侵害的靈長類 PD動物模型腦部病理進行研究,結果表明在黑質致密部缺乏帕金森病典型的病理改變如 Lewy小體形成[12]。錳在PD中的作用機制有待于進一步研究,人群在環境中慢性接觸錳對神經系統造成的危害應該引起重視。

2.1.3 β-咔啉(β-carbolines)與 PD β-咔啉是人腦中的一種自然組成成分,其來源于色氨酸及其一些衍生物的代謝產物,它在人體和哺乳動物體內可內源性形成,并存在于人腦、血小板及血液中。β-咔啉類化合物是一類廣泛分布于自然界的生物堿,環境中以烤肉及煙霧中存在的量較大。在細胞及動物實驗中提示β-咔啉會使多巴胺能神經元比其它神經元更易受到神經變性的損害。目前研究發現,β-咔啉可能與 PD的發病有關,但具體機制有待于進一步研究。β-咔啉及其一些衍生物的化學結構與MPTP有相似之處,也可以在線粒體中蓄積,并能夠阻滯復合體 I的活性[13]。長期接觸煙霧環境的人有更多的機會接觸 β-咔啉類化合物,也容易導致 PD的發生。

2.2 體內因素的作用

體內與線粒體功能相關的基因突變及基因調控失衡,異常代謝產生的內源性毒物如NO、強氧化性的自由基、活性離子,以及其它因素如氧化應激、泛素-蛋白酶體失調等,均可影響線粒體呼吸鏈的功能,造成線粒體功能障礙,導致 PD的發生,同時線粒體呼吸鏈的異常又可以反過來加劇以上致病因素的進一步發生,形成惡性循環。

2.2.1 線粒體 DNA的突變可造成呼吸鏈功能的缺失線粒體的呼吸功能受到線粒體與核兩套基因組共同支配。線粒體復合體 I的亞基由核 DNA(nDNA)和線粒體 DNA(mtDNA)共同編碼,兩者突變均可導致其功能障礙。目前對于mtDNA突變影響呼吸鏈復合體功能的研究開展的較多。mtDNA結構非常緊密,其序列中 93%是編碼基因,無內含子。由于它沒有組蛋白的保護,所以無法對 DNA序列的突變進行完全的修復。線粒體在生成 ATP的過程中也產生了一些自由基和活性氧,這些活性氧很容易誘使 mtDNA突變。mtDNA編碼了電子傳遞鏈中 5種酶復合體的 13個亞基,mtDNA突變的直接后果是影響了這幾種酶復合體的功能,導致線粒體呼吸功能下降,能量產出降低,最終影響到腦細胞的正常功能。

有研究表明部分患者的復合體 I的缺陷很可能是由m tDNA的損傷引起的,細胞雜交技術對 m tDNA畸變在 PD發病的重要性提供了強有力支持,PD雜交細胞中的m tDNA來源于 PD供體,表達于宿主細胞 ρ0細胞(線粒體缺失細胞)的細胞核及細胞質背景中。Ghosh等[14]研究PD患者的雜交細胞 (cybrid),結果表明PD患者血小板中局部呼吸鏈缺陷,同時存在氧化應激的增加及鈣平衡的打破,提示來源于疾病供體的具有缺陷性的m tDNA能夠引起cybrid生物化學表型的改變。近年有研究發現,將 PD患者的線粒體轉入cybrid系統后,有很持續的復合體I活性降低和活性氧自由基產生的增多及lewy包涵體形成[15],充分的證實了 mtDNA突變能夠影響PD線粒體呼吸鏈功能。

目前對于mtDNA在PD中突變情況的研究也在開展,有研究報道,在 PD中發現關于復合體 I基因的點突變有 20種,tRNA基因的點突變 9種[16]。國內有研究報道,mtDNA突變與早發性PD的發病存在相關性,A10398G突變很可能是早發性PD發病的重要原因[17]。隨著基因技術水平的提高,為研究 PD發病mtDNA相關基因提供了科學手段,有待于我們進一步研究。

2.2.2 氧化應激與線粒體呼吸鏈功能失調 氧化應激與線粒體功能缺失在帕金森病的發病機制中相互作用,關系密切[18,19]。正常生理條件細胞漿和線粒體基質中有完善的抗氧化防御體系,可保持活性氧在一個比較低的生理濃度。在病理情況下,活性氧產生過多,將會損傷細胞漿和線粒體內的幾乎所有物質,引起脂質過氧化,膜流動性降低,蛋白質三級結構改變,損傷 DNA,再通過各種途徑釋放與凋亡有關的蛋白質包括細胞色素 C和caspase,誘導細胞凋亡,影響組織和器官正常功能的發揮。在 PD中有許多潛在的因素,包括線粒體功能失調、游離鐵水平的增加以及抗氧化防御體系中游離自由基的增加等能夠導致氧化應激。

細胞內自由基產生主要來源于線粒體的電子傳遞鏈,在PD腦組織線粒體復合體功能降低,其中復合體I下降最明顯。線粒體能量耗竭必然繼發產生大量氧自由基,線粒體復合物的減少可使電子漏失直接進入氧分子,促進自由基產生,同時電子傳遞鏈末端的線粒體復合體更容易受到 H2O2引起的氧化應激損害。復合體I缺陷和氧化應激是帕金森病的兩個主要因素,二者是相互關聯的,復合體I的抑制導致活性氧簇的增加,活性氧增多導致的氧化應激反過來又抑制復合體I的功能。此外復合體 I功能缺陷還與其本身的異常聚集有聯系[20],復合體I功能降低的原因常為多種因素的綜合作用。

2.2.3 蛋白酶體活性減少與線粒體呼吸鏈功能失調蛋白酶體是一種多價復合酶,分布于細胞質與細胞核內,是哺乳動物細胞中主要的中性蛋白水解酶,可占細胞蛋白質總量的 1%,是泛素-蛋白酶體途徑(ubiquitin-proteasome pathway,UPS)中的催化酶。UPS是蛋白質選擇性降解的主要方式,可以清除真核細胞中由于突變、損傷和異常折疊的蛋白質,維持細胞內環境的穩定,其功能的異常與否至關重要。在PD的黑質部位有兩種生物化學缺陷,即線粒體復合體I的活性缺失和蛋白酶體活性的減少。蛋白酶體抑制物增加了神經細胞對毒性物質及氧自由基水平的易感性,以及加重了由復合體I抑制造成的能量供應障礙,使氧化應激產生增加[21]。氧化應激則能直接損害蛋白酶體的催化進程以及蛋白酶體本身,而蛋白酶體功能的損害又導致氧自由基的產生[22]。

Duke等[23]采用假設來源途徑的微芯片分析數據(hypothesis-driven approach in analysingmicroarray data)的方法分析PD黑質部位線粒體和泛素-蛋白酶體系統的基因表達情況,結果表明在線粒體及泛素蛋白-酶體系統中的基因表達情況具有一致性,說明線粒體及蛋白酶體來源于相同的基因調控網絡,而這個網絡在 PD中被破壞,更進一步說明了呼吸鏈功能的缺失和蛋白酶體系統的失調是同時存在于 PD中的,二者相互協同,互相擴大了對 PD黑質部位的損傷效應。

2.2.4 過量的 NO影響線粒體呼吸鏈功能 人體內部生理情況下可合成內源性一氧化氮(Nitric Oxide,NO),其在中樞神經系統中參與腦內許多生理過程。但過量的NO可表現出細胞毒性,引起腦細胞損傷。NO與超氧陰離子相互作用形成過氧亞硝酸鹽(peroxynitrite,ONOO-),ONOO-可以抑制細胞線粒體氧化呼吸鏈的作用,還可以抑制呼吸酶的活性,并可損傷線粒體膜和線粒體 DNA,使線粒體功能受損、細胞能量衰竭、ATP生成缺乏,導致神經細胞對神經毒作用的敏感性增高,細胞變性死亡,從而成為 PD的一個發病誘因。

3 針對糾正線粒體呼吸鏈功能異常所開展的治療對策

目前針對線粒體復合體I及氧化應激作用而開展的 PD的治療研究也在進行,有研究報道,ONOO-這種細胞代謝產生的毒性氧化劑對復合體 I活性有抑制作用,而鈣離子有保護復合體 I免受過氧亞硝酸鹽抑制的作用。因而應用鈣離子來拮抗 PD的氧化應激可能作為一個治療方法[24]。輔酶Q 10是線粒體呼吸鏈的基本輔助因子,是細胞呼吸和細胞代謝的激活劑,可以直接對抗自由基引起的脂質過氧化反應,提高氧化能力。輔酶 Q10與清除自由基,減少氧化應激反應,調節線粒體功能障礙和穩定細胞膜作用有關,輔酶 Q 10有可能減緩帕金森病發展速度、延長患者生存時間,提高患者生存質量。目前國外口服輔酶 Q10治療PD已經進入二期臨床研究[25]。

綜上,線粒體功能異常與 PD的發病有著密切的關系,進一步研究線粒體呼吸鏈功能異常在 PD發病中的確切作用機制,對PD的防治有很重要的意義。

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