帕金森病發(fā)病機制的研究進展

張小明 任姜汶 李雪芬 劉偉 田福華

·綜述·

帕金森病發(fā)病機制的研究進展

張小明 任姜汶 李雪芬 劉偉 田福華

帕金森病(parkinson’s disease, PD)是一種常見的中樞神經系統變性疾病, 其特征性病理變化是中腦黑質致密部(substantia nigra pars compact, SNpc)含黑色素的多巴胺(dopamine, DA)能神經元變性缺失, 殘存的神經元胞質內出現以聚集化的α-突觸核蛋白(α-synuclein, α-syn)為主要成分的嗜酸性包涵體, 即路易小體(lewy body, LB)。該病好發(fā)于50歲以上的中老年人, 其主要臨床特征為運動遲緩、靜止性震顫、肌強直和姿勢步態(tài)異常, 其機制尚不十分清楚。本文旨在探討PD的發(fā)病機制。

帕金森病；α-突觸核蛋白；神經元

1 氧化應激

大量研究表明氧化應激在PD的進程中起著重要作用［1-6］。活性氧自由基(ROS)是氧化應激發(fā)生的主要誘因之一,其主要包括NO、H2O2、NO-、OH-和等。當外界因素誘導體內ROS大量積聚或者體內抗氧化水平下降導致ROS清除力下降, 就易發(fā)生氧化應激。ROS可以使氨基酸上的氨基變?yōu)榱u基-, 致使蛋白質失活。羥基又可以誘導脂質、蛋白質、核酸等發(fā)生功能性改變。ROS也可以直接導致DNA斷裂、脂質自氧化、Ca2+失衡、線粒體功能障礙等［7-11］。Ca2+被認為是誘導神經細胞死亡的主要介導子之一, Ca2+濃度的增高不僅可以激活NOS等Ca2+依賴酶, 還可以誘導線粒體內一氧化氮合酶(ROS)的大量產生, 導致線粒體結構和功能損傷［7,8］。NOS是NO合成的關鍵限速酶, NOS的增加會引起和NO的產生［9］。是免疫炎癥級聯反應的始動因子, 在小膠質細胞激活10~30 min后即可檢測到［9-11］。不僅可以在細胞外直接損害DA能神經元, 還可以進入細胞內, 刺激細胞內氧自由基的大量產生, 進而激活NF-κB, 產生大量前列腺素E2(PGE2)、腫瘤壞死因子-α(TNF-α)、白介素-1β(1L-1β)、γ-干擾素(INF-γ)等炎癥因子［7-10］。這些炎癥因子的大量聚集可以激活NOS, 進而導致NO的大量產生。NO的積聚對DA能神經元會產生較強的毒性作用,如：可以引起TH的亞硝酰化, 導致蛋白質功能變性；與結合產生ONOO-, ONOO- 通過自氧化、硝化蛋白質、脂質DNA等途徑引起細胞損傷甚至凋亡［10］。神經黑色素是DA氧化的重要產物, 神經黑色素的自動氧化及與Fe3+的高親和力可以產生和, 使Fe3+轉化成Fe2+, 加快OH-生成。臨床發(fā)現PD患者腦中Fe2+/Fe3+比例明顯增加, Fe2+與黑色素的結合更加重了氧化反應, 引起細胞損傷。大量研究表明PD患者處于氧化應激狀態(tài)。PD患者黑質的生化和藥理學特性使其處于一個高毒性環(huán)境。HPLC及ESR檢測PD患者黑質發(fā)現, 其類固醇過氧化物比正常人高10倍左右。黑質中一些氧化損害標志物明顯增加, 如：脂質、錯誤折疊蛋白質、DNA的過氧化物產物MDA、碳酰化蛋白和8-羥基鳥氨酸(8-hydroxyguanosine, 80 HdG)［9,10］。此外, 研究發(fā)現PD患者SNpc中谷胱甘肽(glutathione, GSH)減少可達40%, 過氧化氫酶(CAT)和谷胱甘肽過氧化物酶(glutathione peroxidase, GSHPx)的活性都有下降, 表明其抗氧化系統功能降低［7-11］。抗氧化功能的降低勢必會導致ROS、NO等的異常增加, 進而引起線粒體復合體Ⅰ活性明顯下降, ATP耗竭, 自由基的大量產生, 進而誘導氧化應激［9-11］。

2 線粒體功能障礙

20世紀80年代末, Schapira首次報道PD患者黑質區(qū)線粒體復合物Ⅰ的活性下降, 隨后Mizuno發(fā)現紋狀體區(qū)線粒體復合物Ⅰ的一些亞單位活性降低。經定量分析發(fā)現, 其活性下降最大可達35%, 且黑質部的線粒體復合物Ⅰ活性降低最為明顯［11-13］。另有研究發(fā)現, 幾乎PD患者的全身組織均可見線粒體復合物活性下降［13］。引起線粒體功能障礙的因素很多, 目前研究比較多的有環(huán)境因素、遺傳因素等。流行病學調查發(fā)現, 長期暴露于殺蟲劑、除草劑、重金屬等環(huán)境中的人可增加患PD的幾率。而這些毒素在實驗動物中均可以阻滯線粒體復合物Ⅰ的活性, 誘導PD［6,13］。線粒體是體內的“能量加工廠”, 其功能障礙必然會導致體內ATP合成不足, 進而引起無氧酵解增加、細胞酸中毒等, 導致細胞內外離子失衡, 如Na+、Cl-、Ca2+內流增加［14］。線粒體呼吸鏈是體內自由基產生的重要場所, 當體內自由基異常增多, 就會損害線粒體膜和mtDNA, 抑制線粒體呼吸鏈復合物Ⅰ的活性, 加重能量合成障礙, 進而又引起自由基大量產生, 形成惡性循環(huán)。自由基的大量積聚又會進一步破壞細胞結構的完整性, 損害細胞膜和溶酶體膜, 引起溶酶體釋放, 水解細胞內物質, 導致DA神經元變性死亡［15-17］。大量研究表明, 線粒體主要通過誘導凋亡蛋白及Bcl-2家族調節(jié)凋亡的進程。線粒體內外膜之間含有中細胞色素C(CytC)、凋亡誘導因子(AIF)等與凋亡相關的蛋白質。CytC在ATP的參與下, 與調亡蛋白酶激活因子-1(Apaf1)形成復合體, 激活半胱氨酸蛋白酶-3(caspases-3), 使染色體凝集, DNA斷裂, 誘導凋亡。AIF可以直接使細胞核染色體凝集, 誘導線粒體釋放CytC和半胱氨酸蛋白酶(caspases), 凋亡誘導基因bax也可誘導CytC釋放,激活線粒體依賴的caspases家族, 誘導凋亡［14-19］。

3 炎癥

PD患者腦組織的炎性改變研究始于McGeer等對SNpc分布的激活的人白細胞OR抗原(HLA-DR)陽性小膠質細胞的描述［20］。小膠質細胞是腦內最重要的免疫細胞。研究發(fā)現PD患者腦中的小膠質細胞數量明顯高于正常人。小膠質細胞的活化不僅可以分泌大量促炎因子如：PGE2、TNF-α、1L-1β、INF-γ等, 而且可以導致自由基的大量聚集, 如：NO、H2O2、NO-、OH-和損害DA能神經元［21］。研究發(fā)現PD患者腦中炎癥因子的數量是正常人的數倍甚至數十倍［22］。這些因子可誘導膠質細胞表達CD23, 進而激活NOS,產生大量NO。NO對DA能神經元會產生較強的毒性作用,如：可以引起TH的亞硝酰化, 從而改變蛋白質的功能；與結合產生毒性更強的ONOO-, ONOO-通過自氧化、硝化蛋白質、脂質DNA等途徑引起細胞損傷甚至凋亡；破壞線粒體呼吸鏈, 導致線粒體膜電位降低, ATP耗竭；硝化酪氨酸殘基, 生成3-NT, 引起蛋白質錯誤折疊；置換血紅蛋白上的Fe3+, Fe3+與Fenton生成氧自由基, 進而激活NF-κB, 產生其他毒性因子, 使脂質自氧化、DNA斷裂、蛋白質功能改變, 導致神經元死亡［20-23］。

4 興奮性毒性

經典興奮性毒性是由于細胞外谷氨酸水平升高致使神經元持續(xù)去極化, 繼而觸發(fā)一系列細胞內事件, 最終導致細胞死亡。這一級聯反應一般包括3個基本事件：依賴性鈉內流、依賴性鈣內流和依賴性谷氨酸胞外分泌［24］。NMDA受體是介導興奮性毒性的主要受體, 這與它對Ca2+高度通透的特性密切相關。NMDA受體的激活除了使突觸后模除極、誘發(fā)動作電位外, 還能增加細胞內Ca2+濃度［25］。自由基是興奮性毒性過程中產生的第三位接力者, 其對細胞器的破壞是致死性的, Ca2+濃度的改變、NOS的激活、線粒體功能紊亂都可以產生大量自由基［26］。一般認為, 興奮性毒性引起PD歸因于它能誘導細胞死亡, 這又主要歸因于丘腦基底核的過度激活, 調節(jié)谷氨酸鹽的水平, 并對SNpc和蒼白球進行神經支配。興奮性毒性也可導致線粒體功能障礙［27］。大量實驗研究表明,興奮性毒性可以導致DA能神經元的變性死亡。丘腦基底核的過度激活和簇狀放電在PD動物模型和PD患者中也都得到一致的證實, 表明興奮性毒性與PD密切相關［28,29］。

5 泛素蛋白酶系統功能障礙

泛素蛋白酶系統(ubiquitin-protea-some system, UPS)是細胞內蛋白質降解的重要途徑之一。UPS功能異常被認為可能是PD發(fā)病的重要機制之一［30］。UPS是細胞內特異性降解蛋白的系統, 細胞內的大部分蛋白質都是通過UPS系統降解,其降解過程是高度復雜且受嚴格調控的, 其能快速降解體內衰老、損傷及突變等不正常的蛋白質, 以保證體內細胞的質量, 并為細胞的正常代謝提高能量［31］。PD的病理性標志LB是一種嗜酸性蛋白包涵體, 其核心主要由脂質構成, 而周圍的蛋白成分主要包括α-syn、泛素、蛋白酶體亞單位、泛素化蛋白羧基端水解酶(UCH-L1)、Parkin等［30-32］。當異常、突變、氧化修飾的蛋白超過了細胞的降解能力或者UPS功能受損都可以導致這些蛋白聚集, 而聚集體內成分α-syn過量表達或突變也會削弱UPS的功能, 形成惡性循環(huán)［32-34］。研究發(fā)現, 野生型或者突變的α-syn過多會導致UPS功能受損,進而會導致α-syn的集聚, 而α-syn的集聚會進一步抑制UPS的功能［34,35］。此外, Parkin基因在正常情況下被認為是一種泛素連接酶E3, 當Parkin突變或者過度表達時, 會導致E3連接酶活性下降, 導致不能有效泛素化的底物在細胞內集聚, 進而引起神經變性甚至細胞死亡［35］。DJ-1是與早發(fā)性PD相關的一個基因, 其具有抗氧化的作用, 可以保護或者挽救被氧化應激損傷的蛋白。DJ-1的L166p突變會引起早發(fā)性PD, 早期研究顯示這種突變仍具有活性, 但比野生型DJ-1更容易被UPS識別降解, 推測UPS可能因為過度清除這種仍有活性的突變蛋白而導致PD的發(fā)生。氧化應激和線粒體功能障礙也會影響UPS功能, 共同參與PD的發(fā)病［36］。UCHLl是一種神經元內特異性ATP依賴性蛋白, 參與泛素介導的蛋白降解過程。該蛋白占大腦總蛋白的2%, 其突變首先發(fā)現于德國家系, 它的突變可造成α-syn的異常集聚, 由此形成LB, 造成PD的發(fā)生［36,37］。

6 細胞凋亡

凋亡是一種生理或病理條件下由基因調控的細胞死亡程序, 這種細胞自殺程序在進化過程中高度保守, 一旦失控就會發(fā)生各種疾病。細胞內外的各種信號可通過半胱氨酸蛋白酶家族(caspases)降解底物蛋白, 誘導凋亡發(fā)生。其途徑主要有死亡受體介導的非固有凋亡通路、線粒體介導的固有凋亡通路、JNK途徑和凋亡調控基因等［38］。死亡受體通路主要是通過活化的caspases-8和caspases-10進一步激活caspases-3, 降解蛋白, 誘導凋亡。線粒體是凋亡發(fā)生的重要場所, 在外界因素的刺激下, 線粒體滲透性轉運孔開放,釋放CytC和其它促凋亡多肽, CytC與凋亡蛋白酶激活因子(Apaf1)結合后可促使Apaf1形成寡聚體, 其與caspases-9前體聚集形成凋亡小體, 激活caspases-3, 誘導凋亡［3,29］。JNK屬于絲裂原激活蛋白激酶組成員, 在環(huán)境應激和生長因子剝奪時激活。JNK可以通過磷酸化Bcl-2或者激活p53進而拮抗Bcl-2的抗凋亡功能, 誘導凋亡［3］。凋亡調控基因主要包括Bcl-2家族、p53、NF-κB等。Bcl-2家族有抗凋亡蛋白(如Bcl-2、Bcl-xL)和促凋亡蛋白(如Bax/Bak), 主要通過線粒體滲透性, 調節(jié)CytC的釋放發(fā)揮作用。p53可以通過降低Bcl-2的表達, 增強Bax的表達, 從而使Bcl-2/Bax蛋白表達比例失衡, 誘導凋亡。NF-κB對細胞死亡具有雙重調控作用［3,5,29］。正常情況下, NF-κB對DA能神經元具有保護作用,但過度激活的NF-κB會損害DA能神經元［5］。目前, 研究發(fā)現部分基因與凋亡關系密切。Dauer等［3］的研究發(fā)現降低α-syn的表達能預防MPTP誘導的神經元變性。在SHSY5Y細胞中, 降低Parkin的表達, DA自氧化加強, 進而引起DA代謝產物的聚集和caspases的激活, 誘導凋亡。而過度剝奪的Parkin能顯著減弱JNK途徑和caspases的激活,亦能降低ROS的水平［3,5］。

7 自噬

一般認為, 自噬是存在細胞中的一種非選擇性降解機制。正常情況下, 其不但可以在應激或饑餓的情況下為細胞代謝提供必要的能量, 還可以清除衰老或有缺陷的細胞器［35］。自噬的過度發(fā)生會誘導凋亡。自噬可分為大自噬、小自噬和分子伴侶介導的自噬(CMA)［39］。LB的形成是PD的基本病理特征, 而α-syn是其主要成分［34］。研究發(fā)現, α-syn可以通過CMA降解, 而CMA不能清除突變型α-syn, 可能是因為α-syn與溶酶體相關膜蛋白2(LAMP2)有異常高度的親和力, 這就導致α-syn和其他蛋白的大量積聚, 引發(fā)神經毒性［34,35］。肌細胞增強因子2D(MEF2D)與Hsc70的結合是神經元存活的重要因素［33］。研究發(fā)現, α-syn轉基因小鼠和PD患者腦中MEF2D含量明顯增高, 而野生型和突變型的α-syn可以阻斷MEF2D和Hsc70結合, 損害DA神經元。抑制CMA后, MEF2D含量明顯升高, 說明CMA可能通過調節(jié)MEF2D參與PD的進程［32-35］。LRRK 2是Funayama等對日本的一個常染色體顯性遺傳的PD家系進行全基因組連鎖分析時首次發(fā)現的, 其在家族性及散發(fā)性PD中起著重要作用, 是遲發(fā)型PD最常見的原因［36］。研究表明LRRK2在腦中的激酶活性明顯比其他器官高, 但在SNpc表達極低甚至缺失［36］。LRRK2自身可作為底物通過自身磷酸化提高LRRK2激酶活性, LRRK2突變導致的激酶活性異常增高可以直接導致DA神經元的損傷甚至死亡［33-36］。G2019S是最早發(fā)現的LRRK2突變位點, G2019S突變體具有較強的神經毒性, 可以使神經元失活, 進而導致LB的形成, 亦可通過線粒體途徑DA能神經元［37］。2013年3月Orenstein等［37］報道CMA可以使LRRK2在溶酶體內降解, 但不能降解突變的LRRK2, 突變的LRRK2損害CMA清除突變型α-syn的功能,致使α-syn大量積聚, 損害DA能神經元, 誘導PD發(fā)生。

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2014-05-26］

基金支持：國家自然科學基金(81173590)

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