帕金森病的線粒體發(fā)病機(jī)制研究進(jìn)展

楊智明 李煦照 盧 芳 劉樹民

(黑龍江中醫(yī)藥大學(xué)中醫(yī)藥研究院，黑龍江 哈爾濱 150040)

帕金森病(PD)多發(fā)病于50歲以上的中老年人，病理改變主要是中腦黑質(zhì)致密部多巴胺(DA)神經(jīng)元發(fā)生退行性死亡，并導(dǎo)致紋狀體中DA遞質(zhì)含量減少，其主要臨床特征為靜止性震顫、肌強(qiáng)直、動(dòng)作遲緩及減少、姿勢平衡障礙等。PD的病因主要與老齡化、遺傳和環(huán)境等綜合因素有關(guān)，其發(fā)病機(jī)制仍未十分清楚〔1,2〕。活躍的腦神經(jīng)元細(xì)胞在代謝過程中需要大量能源，可見，神經(jīng)元正常代謝活動(dòng)需要建立在腦線粒體完整形態(tài)結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定的功能的基礎(chǔ)之上，實(shí)驗(yàn)證明在PD和其他神經(jīng)退行性疾病中都可觀察到線粒體異常現(xiàn)象〔3〕。Schapira等〔4〕首次在PD患者黑質(zhì)中發(fā)現(xiàn)線粒體復(fù)合物Ⅰ缺陷，學(xué)者們圍繞PD的腦線粒體發(fā)病機(jī)制進(jìn)行了大量的研究。一些相關(guān)基因蛋白不僅與線粒體的內(nèi)穩(wěn)態(tài)、正常功能緊密相關(guān)，還和PD發(fā)病緊密相關(guān)，如：PTEN-induced putative kinase(PINKl)、Parkin、DJ-1、核突觸蛋白(α-Synuclein)、富亮氨酸重復(fù)激酶2(LRRK2)等〔5〕。本文旨在闡明腦線粒體在PD發(fā)病中的作用機(jī)制。

1 線粒體異常

1.1線粒體形態(tài)結(jié)構(gòu)損傷 線粒體腫脹，嵴模糊或減少，空泡化線粒體抗氧化能力顯著降低，DA的釋放功能受損，可引起體內(nèi)紋狀體DA代謝失衡，最終可能造成神經(jīng)元發(fā)生一系列的損傷〔6～9〕。

1.2線粒體功能異常 能量代謝障礙線粒體復(fù)合物Ⅰ活性顯著降低，誘導(dǎo)產(chǎn)生大量活性氧，可進(jìn)一步引起其活性下降，形成惡性循環(huán)；腦能量長期供應(yīng)不足，可導(dǎo)致神經(jīng)元功能下降甚至死亡〔10〕。

1.3氧化應(yīng)激 體內(nèi)ROS大量堆積，可造成線粒體膜結(jié)構(gòu)、線粒體DNA及電子傳遞鏈損傷進(jìn)而抑制線粒體功能，最終又可導(dǎo)致神經(jīng)元變性死亡〔11〕。

1.4鈣調(diào)節(jié)異常 DA代謝加劇鈣介導(dǎo)的氧化應(yīng)激增加，進(jìn)一步損傷神經(jīng)元〔12〕。

1.5興奮性毒性 NMDA受體激動(dòng)活化，在線粒體內(nèi)大量鈣離子快速內(nèi)流聚集，導(dǎo)致細(xì)胞變性死亡。NMDA受體的興奮可增加NO合成酶的活性，并刺激NO合成增加，產(chǎn)生神經(jīng)細(xì)胞的毒性作用〔13〕。

1.6細(xì)胞凋亡 膜電位下降，氧化磷酸化-電子傳遞耦聯(lián)異常等線粒體功能下降，最終導(dǎo)致神經(jīng)細(xì)胞凋亡，可導(dǎo)致多種神經(jīng)退行性疾病發(fā)病〔14〕。

2 線粒體與PD相關(guān)蛋白異常

2.1呼吸鏈復(fù)合物缺陷 線粒體呼吸鏈復(fù)合物功能障礙，可導(dǎo)致大腦前皮質(zhì)中的線粒體復(fù)合體Ⅰ減少30%〔15，16〕。在大腦前額葉皮層中，線粒體復(fù)合體Ⅰ的催化亞基發(fā)生氧化損壞，復(fù)合體I的結(jié)構(gòu)和功能受損可能引發(fā)PD〔17〕。

2.2基因組改變 NADH脫氫酶輔酶Q黃素蛋白2存在遺傳變異，它負(fù)責(zé)線粒體綜合體Ⅰ的一個(gè)亞基編碼，與自發(fā)性PD相關(guān)〔18〕。

2.3PINK1 增加DA神經(jīng)元對于MPP+的敏感性，導(dǎo)致細(xì)胞死亡〔19〕。

2.4Parkin Parkin基因突變導(dǎo)致Parkin蛋白功能障礙，酶活性降低或消失，引起細(xì)胞內(nèi)異常白沉積，最終導(dǎo)致DA神經(jīng)元變性〔20，21〕。

2.5DJ-1 DJ-1基因突變引起DJ-1蛋白功能障礙，氧化應(yīng)激反應(yīng)增多，損傷神經(jīng)元細(xì)胞〔22〕。

2.6α-Synuclein 大量α-Synuclein聚集引起細(xì)胞結(jié)構(gòu)異常、線粒體膜電位下降，細(xì)胞色素C氧化酶及復(fù)合體Ⅳ的活性下降，線粒體相關(guān)代謝蛋白氧化，線粒體對神經(jīng)毒素的敏感性提高〔23〕。

2.7LRRK2 LRRK2基因上G2019S因子突變，線粒體延長，互聯(lián)性增加，線粒體膜電位下降，細(xì)胞內(nèi)ATP總量減少〔24〕。LRRK2與DRP-1蛋白的表達(dá)緊密相關(guān)，LRRK2可增加DRP-1的活性，導(dǎo)致線粒體結(jié)構(gòu)加速裂解。

PD的發(fā)病可由其中一種因素引起，也可由其中的兩種或以上的因素同時(shí)引起，多種因素通過多種機(jī)制聯(lián)合作用。PD發(fā)病機(jī)制主要與線粒體形態(tài)結(jié)構(gòu)異常及其功能異常(線粒體能量代謝障礙、氧化應(yīng)激、神經(jīng)元興奮毒性、細(xì)胞凋亡)，基因蛋白PINK1、Parkin、DJ-1、α-Synuclein、LRRK2等相關(guān)，在PD發(fā)病的整體機(jī)制上來看，這些因素與發(fā)病機(jī)制并非孤立的，而是相互關(guān)聯(lián)、相互影響的。

線粒體在細(xì)胞內(nèi)和細(xì)胞凋亡過程中發(fā)揮重要的作用，它是支持細(xì)胞活動(dòng)并決定細(xì)胞死亡的重要通路。線粒體超微結(jié)構(gòu)的融合或裂變、腦線粒體形態(tài)結(jié)構(gòu)異常、功能下降及其能量代謝衰減是PD等神經(jīng)退行性病變的早期信號(hào)〔25，26〕。

線粒體功能異?？蓪?dǎo)致一系列損傷的過程，線粒體能量代謝障礙、氧化應(yīng)激、細(xì)胞內(nèi)鈣超載、興奮性氨基酸釋放過量等都可能導(dǎo)致PD發(fā)病或惡化。線粒體發(fā)生能量代謝障礙時(shí)，合成的ATP不足會(huì)導(dǎo)致蛋白質(zhì)和脂質(zhì)降解，降解產(chǎn)物可進(jìn)一步觸發(fā)或發(fā)生氧化代謝，最終又會(huì)加重黑質(zhì)損傷。線粒體既作為ROS產(chǎn)生的主要場所，也作為ROS作用的重要靶標(biāo)。打破了ROS的產(chǎn)生和清除平衡，可形成惡性循環(huán)，自由基可誘發(fā)線粒體缺陷，同時(shí)又會(huì)導(dǎo)致線粒體損傷。而細(xì)胞內(nèi)鈣離子同自由基、能量代謝又可以相互影響，形成螺旋型線粒體循環(huán)，其中任何一方的異常都會(huì)引起另兩方的損傷，鈣通道與線粒體功能和氧化應(yīng)激都涉及PD的發(fā)病機(jī)制〔27，28〕。谷氨酸的毒性與引發(fā)PD的其他機(jī)制如線粒體DNA缺陷、自由基形成過量和GSH耗竭等緊密相關(guān)。線粒體能量代謝的缺陷隨年齡老化而加重，同時(shí)也會(huì)提高神經(jīng)元對興奮性毒性損傷的敏感性。線粒體功能下降，包括膜電位下降、氧化磷酸化-電子傳遞耦聯(lián)異常等功能的改變，最終也會(huì)導(dǎo)致神經(jīng)細(xì)胞凋亡〔14〕。

PD患者黑質(zhì)mtDNA突變的水平顯著升高，證實(shí)了mtDNA突變與線粒體功能障礙與DA細(xì)胞死亡密切相關(guān)〔29～31〕。線粒體DNA是獨(dú)立于核染色體DNA以外的基因組，其基因產(chǎn)物與細(xì)胞氧化磷酸化相關(guān)。ATP是腦細(xì)胞的主要能源，在調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)鈣穩(wěn)態(tài)及細(xì)胞存亡中起關(guān)鍵作用〔32〕。此外線粒體DNA突變可引起電子傳遞鏈的功能缺陷，進(jìn)而促進(jìn)線粒體中反應(yīng)性氧自由基的生成增多，形成反應(yīng)性氧自由基的惡性循環(huán)，同時(shí)，線粒體功能障礙，能量供給不足，可引起DA能神經(jīng)元細(xì)胞死亡、組織細(xì)胞發(fā)生退行性病變。PINK1數(shù)量減少對線粒體形態(tài)和功能和影響具有方面性，其中包括線粒體形態(tài)結(jié)構(gòu)異常，線粒體膜電位下降，ATP產(chǎn)生減少，線粒體復(fù)合物Ⅰ和Ⅳ活性降低，線粒體DNA水平降低和ROS增加等〔33〕。Parkin基因突變是早發(fā)型染色體隱性家族性PD的主要病因，其龐大的分子結(jié)構(gòu)在泛素-蛋白水解酶復(fù)合體通路中發(fā)揮關(guān)鍵作用，還可通過線粒體釋放細(xì)胞色素C導(dǎo)致異常線粒體自噬而參與線粒體的維護(hù)，修復(fù)損傷的線粒體DNA，是一種具有特效的神經(jīng)保護(hù)劑〔34，35〕。DJ-1的表達(dá)分布于腦和外周組織的線粒體中，主要參與轉(zhuǎn)錄調(diào)控一些線粒體相關(guān)蛋白。在氧化應(yīng)激環(huán)境中，DJ-1與PINKl/parkin通路一樣，可維持線粒體的正常功能，起到保護(hù)神經(jīng)元的作用〔36〕。還有研究表明，DJ-1在腦中的豐富表達(dá)可能跟PD的發(fā)病機(jī)制以及參與其他腦活動(dòng)有關(guān)〔37〕。LRRK2與晚發(fā)性PD相關(guān)，是突變頻率最高的PD染色體顯性致病基因。LRRK2參與調(diào)控細(xì)胞穩(wěn)態(tài)，LRRK2突變可通過細(xì)胞退化通路的損傷導(dǎo)致細(xì)胞死亡引發(fā)PD，導(dǎo)致突觸核蛋白聚集，LRRK2丟失還可引起氧化性損傷、炎性反應(yīng)、細(xì)胞凋亡等〔38〕。PINK1與LRRK2可共同引起線粒體磷酸化異常，這也與PD發(fā)病緊密相關(guān)。目前學(xué)者們普遍認(rèn)為PD并非由單一因素引起，而是由多種因素之間聯(lián)合作用，此外還應(yīng)包括文中未有討論的遺傳因素、環(huán)境因素、老年化、免疫缺陷等多種因素聯(lián)合作用的結(jié)果。若結(jié)合考慮多種因素與多種機(jī)制的聯(lián)合作用，進(jìn)一步將動(dòng)物模型試驗(yàn)、細(xì)胞模型試驗(yàn)和臨床試驗(yàn)結(jié)合形成完整的研究體，是否會(huì)取得更好的成效？

3 參考文獻(xiàn)

1Huang Y,Halliday GM.Aspects of innate immunity and Parkinson's disease〔J〕.Front Pharmacol,2012;3:33.

2Habibi E,Masoudi-Nejad A,Abdolmaleky HM,etal.Emerging roles of epigenetic mechanisms in Parkinson's disease〔J〕.Funct Integr Genomics,2011;11:523-37.

3Sai Y,Zou Z,Peng K,etal.The Parkinson's disease-related genes act in mitochondrial homeostasis〔J〕. Neurosci Biobehav Rev,2012;36:2034-43.

4Schapira AH,Cooper JM,Dexter D,etal.Mitochondrial complex I deficiency in Parkinson's disease〔J〕.Lancet,1989;1:1269.

5Winklhofer KF,Haass C.Mitochondrial dysfunction in Parkinson's disease〔J〕.Biochim Biophy Acta,2010;1802:29-44.

6Ramonet D,Perier C,Recasens A,etal.Optic atrophy 1 mediates mitochondria remodeling and dopaminergic neurodegeneration linked to complex I deficiency〔J〕.Cell Death Differ,2013;20:77-85.

7Choi WS,Palmiter RD,Xia Z.Loss of mitochondrial complex I activity potentiates dopamine neuron death induced by microtubule dysfunction in a Parkinson's disease model〔J〕.J Cell Biol,2011;192:873-82.

8Sterky FH,Hoffman AF,Milenkovic D,etal.Altered dopamine metabolism and increased vulnerability to MPTP in mice with partial deficiency of mitochondrial complex I in dopamine neurons〔J〕.Hum Mol Genet,2012;21:1078-89.

9Park CB,Larsson NG.Mitochondrial DNA mutations in disease and aging〔J〕.J Cell Biol,2011;193:809-18.

10Parker WD Jr,Boyson SJ,Parks JK.Abnormalities of the electron transport chain in idiopathic Parkinson' s disease〔J〕.Ann Neurol,1989;26:719-23.

11Park CB,Larsson NG.Mitochondrial DNA mutations in disease and aging〔J〕.J Cell Biol,2011;193:809-18.

12Selvaraj S,Sun Y,Watt JA,etal.Neurotoxin-induced ER stress in mouse dopaminergic neurons involves downregulation of TRPC1 and inhibition of AKT/mTOR signaling〔J〕.Clin Invest,2012;122:1354-67.

13Kickler N,Lacombe E,Chassain C,etal.Assessment of metabolic changes in the striatum of a rat model of parkinsonism:an in vivo (1) H MRS study〔J〕.NMR Biomed,2009;22:207-12.

14Ferro MM,Bellissimo MI,Anselmo-Franci JA,etal.Comparison of bilaterally 6-OHDA- and MPTP-lesioned rats as models of the early phase of Parkinson's disease:histological,neuro-chemical,motor and memory alterations〔J〕.J Neurosci Methods,2005;148:78-87.

15Ramsey CP,Giasson BI.Role of mitochondrial dysfunction in Parkinson's disease:implications for treatment〔J〕.Drugs Aging,2007;24:95-105.

16Parker WD Jr,Parks JK,Swerdlow RH.Complex Ⅰ deficiency in Parkinson's disease frontal cortex〔J〕.Brain Res,2008;1189:215-8.

17Keeney PM,Xie J,Capaldi RA,etal.Parkinson's disease brain mitochondrial complex I has oxidatively damaged subunits and is functionally impaired and misassembled〔J〕.J Neurosci,2006;26:5256-64.

18Nishioka K,Vilario-Güell C,Cobb SA,etal.Genetic variation of the mitochondrial complex I subunit NDUFV2 and Parkinson's disease〔J〕.Parkinsonism Relat Disord,2010;16:686-7.

19Park J,Lee G,Chung J.The PINK1-Parkin pathway is involved in the regulation of mitochondrial remodeling process〔J〕.Biochem Biophys Res Commun,2009;378:518-23.

20Kitada T，Pisani A，Karouani M，etal.Impaired dopamine release and synaptic plasticity in the striatum of parkin-/-mice〔J〕.J Neurochem，2009;110：613-21.

21Shin JH,Ko HS,Kang H,etal.PARIS (ZNF746) repression of PGC-1α contributes to neurodegeneration in Parkinson's disease〔J〕.Cell,2011;144:689-702.

22Junn E,Jang WH,Zhao X,etal.Mitochondrial localization of DJ-l leads to enhanced neuroprotection〔J〕.J Neurosci Res,2009;87:123-9.

23Parihar MS,Parihar A,Fujita M,etal.Alpha-synuclein overexpression and aggregation exacerbates impairment of mitochondrial functions by augmenting oxidative stress in human neuroblastoma cells〔J〕.Int J Biochem Cell Biol,2009;41:2015-24.

24Mortiboys H,Johansen KK,Aasly JO,etal.Mitochondrial impairment in patients with Parkinson disease with the G2019S mutation in LRRK2〔J〕.Neurology,2010;75:2017-20.

25Exner N,Lutz AK,Haass C,etal.Mitochondrial dysfunction in Parkinson’s disease:molecular mechanisms and pathophysiological consequences〔J〕.EMBO J,2012;31:3038-62.

26Schapira AH.Mitochondrial diseases〔J〕.Lancet,2012;379:1825-34.

27Davey GP,Bolanos JP.Peroxiredoxin 5 links mitochondrial redox signalling with calcium dynamics:impact on Parkinson’s disease〔J〕.Neurochem istry,2013;125:332-3.

28Mattson MP.Parkinson's disease,don't mess with calcium〔J〕.J Clin Invest,2012;122:1195-8.

29Chaturvedi RK, Beal MF.Mitochondria targeted therapeutic approaches in Parkinson's and Huntington's diseases〔J〕. Mol cell Neurosci,2013;55:101 -14.

30Orsucci D,Caldarazzo lenco E,Mancuso M,etal.POLG1-related and other "mitochondrial Parkinsonisms":an overview〔J〕.J Mol Neurosci,2011;44:17-24.

31Lin MT,Cantuti-Castelvetri I,Zheng K,etal.Somatic mitochondrial DNA mutations in early parkinson and incidental lewy body disease〔J〕.Ann Neurol,2012;71:850-4.

32Acevedo-Torres K,Berríos L,Rosario N,etal.Mitochondrial DNA damage is a hallmark chemically induced and the R6/2 transgenic model of Huntington's disease〔J〕.DNA Repair,2009;8:126-36.

33Weihofen A,Thomas KJ,Ostaszewski BL,etal.Pink1 forms a multiprotein complex with Miro and Milton,linking Pink1 function to mitochondrial trafficking〔J〕.Biochemistry,2009;48:2045 -52.

34Kitada T,Asakawa S,Hattori N,etal.Mutations in the parkin gene cause autosomal parkinsonism〔J〕.Nature,1998;392:605-8.

35Rothfuss O,Fischer H,Hasegawa T,etal.Parkin protects mitochondrial genome integrity and supports mitochondrial DNA repair〔J〕.Hum Mol Genet,2009;18:3832-50.

36Thomas KJ,McCoy MK,Blackinton J,etal.DJ-1 acts in parallel to the PINKl/parkin pathway to control mitochondrial function and autophagy〔J〕.Hum Mol Genet,2011;20:40-50.

37Olzmann JA,Bordelon JR,Muly EC,etal.Selective enrichment of DJ-1 protein in primate striatal neuronal processes:implications for Parkinson's disease〔J〕.J Comp Neurol,2007;500:585-99.

38Wang X,Yan MH,Fujioka H,etal.LRRK2 regulates mitochondrial dynamics and function through direct interaction with DLP1〔J〕.Hum Mol Genet,2012;21:1931-44.