線粒體功能障礙和氧化應激在帕金森病中的作用

胡安霞，尹昌浩，2，郭一鳴，2，王本玄，2，劉星

(1.牡丹江醫學院，黑龍江 牡丹江 157011； 2.牡丹江醫學院附屬紅旗醫院神經內科，黑龍江 牡丹江 157011)

帕金森病(Parkinson′s disease，PD)是最常見的神經退行性運動障礙，預計到2040年，全球范圍內PD患者將達到1 420萬人[1]。PD以大腦黑質多巴胺能神經元的進行性丟失為主要病理特征，多巴胺能神經元丟失可導致紋狀體中多巴胺缺乏以及脆弱的神經元群體中以路易小體形式出現的α-突觸核蛋白(α-synuclein，α-Syn)積累。PD的臨床特征主要包括運動障礙(如靜息性震顫、運動遲緩)[2]和非運動障礙(如抑郁、焦慮、疲勞、認知能力下降和癡呆)[3]。神經元胞質中路易小體的形成和α-Syn的積累是PD發病機制的主要因素[4]。研究表明，PD患者黑質多巴胺能神經元的變性和凋亡與多種因素密切相關，包括蛋白酶體功能異常、線粒體功能障礙、氧化應激、神經系統炎癥以及轉錄因子信號改變等[5]。臨床上，PD治療的最有效方法(如左旋多巴替代療法[6]和深部腦刺激療法)均可短暫緩解大多數PD患者的癥狀，但無法阻止或延緩多巴胺能神經元進行性死亡的病理進程，其遠期療效并不理想。因此，尋找更有效的PD治療方法尤為重要。現就線粒體功能障礙和氧化應激在PD中的作用予以綜述。

1 PD中氧化應激與線粒體功能障礙的關系

PD患者中氧化應激與線粒體功能密切相關，線粒體提供約90%的細胞耗氧量，是健康衰老過程中活性氧類(reactive oxygen species，ROS)的主要細胞內來源，可能導致細胞內氧化應激[7]。線粒體功能障礙可加劇氧化應激，導致重要的抗氧化活性物質水平降低。在散發性PD中，同核細胞病、氧化應激及線粒體功能障礙被鎖定在一個相互依存的惡性循環中[8]。此外，一些線粒體相關基因，如人第10號染色體缺失的磷酸酶及張力蛋白同源基因誘導激酶1(phosphatase and tensin homologue deleted on chromosome ten gene-induced kinase 1，PINK1)、Parkin基因、帕金森病蛋白7(Parkinson disease type 7，PARK7/DJ-1)和人類重組蛋白FBXO7(F-box only protein 7)之間的Parkin環被證明在PD的家族形式中發生突變，而這些突變可損害線粒體功能，并導致氧化應激的產生[9]。PD患者腦組織中氧化應激的增加是線粒體功能障礙的結果。尸檢結果表明，PD患者中腦黑質氧化應激嚴重，如游離鐵離子水平升高[10]、谷胱甘肽水平降低[11]、線粒體呼吸鏈復合物Ⅰ功能破壞[12]以及大量脂質、蛋白質和DNA被氧化損傷等；其他神經毒素(如1-甲基-4-苯基-1,2,3,6-四氫吡啶和6-羥基多巴)也可導致人類和動物紋狀體多巴胺能神經元被破壞，出現PD樣表現[13]，表明氧化應激和線粒體功能障礙在PD的發生發展中相互依存。

2 線粒體功能障礙與PD

2.1線粒體呼吸鏈功能障礙與PD 線粒體是動態的細胞器，在細胞內多種生理過程中扮演重要角色，以維持神經回路的完整性。線粒體穩態是產生細胞能量、調節鈣穩態以及控制程序性細胞死亡所必需的。線粒體穩態失衡可導致與衰老和神經退行性變有關的進行性病理狀況的發展[14-15]。有證據表明，線粒體功能障礙在PD的發展中起關鍵作用，PD患者線粒體呼吸鏈復合物Ⅰ活性和氧化還原能力均降低，ROS生成增加，導致線粒體膜電位去極化以及膜通透性改變[16]。線粒體電子轉移是自由基的主要來源，線粒體呼吸鏈復合物Ⅰ活性降低導致自由基形成，進而導致組織對氧化應激的敏感性增加，造成細胞DNA、脂質和蛋白質損害[17]。另有研究發現，與PD相關的神經毒性產生的原因為線粒體呼吸鏈復合物Ⅰ活性受到抑制，導致ATP合成功能障礙，進而導致細胞變性和死亡[18]。PD患者死后的大腦樣本顯示氧化損傷，表明前腦皮質和黑質中線粒體呼吸鏈復合物Ⅰ功能下降及氧化應激增加[19]。影響線粒體功能的許多內源性和外源性抑制劑均可誘導PD樣癥狀，包括以線粒體呼吸鏈復合物Ⅰ為靶點的神經毒性藥物(如魚藤酮和1-甲基-4-苯基-1，2，3，6-四氫吡啶)均可直接導致系統多巴胺能神經元死亡，因此常被用于制備PD的細胞和動物模型[20-21]，進一步表明線粒體呼吸鏈復合物Ⅰ功能障礙與PD密切相關。

2.2基因突變導致的線粒體功能障礙與PD 與PD相關的多個基因編碼突變均與線粒體功能相關，相關基因的突變可引起線粒體功能障礙，并在家族性PD中起作用[22]。DJ-1、Parkin、PINK1、富亮氨酸重復激酶2(leucine-rich repeat kinase 2，LRRK2)、α-Syn、泛素C端水解酶L1、核受體相關因子1、液泡蛋白分選蛋白35(vacuolar protein sorting-35，VPS35)基因致病性突變支持線粒體功能障礙與家族性PD有關[23-25]。其中，常染色體隱性遺傳包括DJ-1、Parkin和PINK1等基因突變，而常染色體顯性遺傳包括LRRK2和a-Syn基因突變[26-27]。

2.2.1DJ-1基因 DJ-1基因突變可導致早發性常染色體隱性遺傳性PD。DJ-1基因具有抗氧化的分子伴侶作用，可保護細胞免受氧化應激和線粒體損傷的影響[28]。敲除DJ-1基因的幼蟲和嚙齒動物對由氧化應激導致的細胞死亡的敏感性增加，而過表達DJ-1則可保護細胞免受氧化應激導致細胞死亡的影響[29-30]。攜帶DJ-1基因突變體和DJ-1基因敲除的小鼠體內均表現為線粒體呼吸障礙、膜電位降低、線粒體內ROS水平升高以及線粒體形態改變[31]。

2.2.2Parkin基因 Parkin基因是早發性PD中與線粒體功能障礙相關且最常見的突變基因之一。線粒體自噬對維持線粒體穩態至關重要。線粒體自噬在維持線粒體正常運轉中是必需的，但線粒體自噬的異常與神經退行性變有關[32]。有證據表明，異常的自噬可導致線粒體受損，進而導致神經元細胞死亡[33]。Parkin基因編碼的蛋白具有E3泛素連接酶活性，在泛素-蛋白水解酶復合體通路中發揮重要作用，以調控線粒體功能、去除受損線粒體[9]。缺乏Parkin基因的小鼠和蒼蠅的蛋白質水平、線粒體呼吸鏈復合物Ⅰ及線粒體呼吸鏈復合物Ⅳ的活性、線粒體的完整性以及呼吸能力均降低，同時對線粒體呼吸鏈復合物Ⅰ抑制劑魚藤酮高度敏感[34-36]。

2.2.3PINK1基因 PINK1基因是第一個也是唯一將線粒體功能障礙與PD發病機制聯系起來的基因。PINK1在維持線粒體體內平衡中起重要作用。PINK1基因缺失可破壞線粒體生物學的多個方面(包括線粒體的降解、形態和運輸)，增加線粒體功能障礙，引起多巴胺能神經元細胞死亡，導致PD發病或惡化[37]。PINK1基因突變或敲低均會導致細胞線粒體呼吸水平降低、ATP合成減少以及PD細胞培養模型的α-Syn增加[38]。PINK1基因缺失的小鼠線粒體呼吸水平降低，且易受到氧化應激的毒性作用和線粒體功能障礙加劇的影響[39-40]。一項對敲除Parkin基因和PINK1基因果蠅的研究發現，PINK1位于Parkin的上游，Parkin和PINK1通過相同的途徑發揮作用[41]。在線粒體自噬通路中，PINK1和Parkin共同發揮作用，因PINK1是線粒體損傷的主要探測器，當線粒體受損時，PINK1的積累導致Parkin聚集到線粒體上，引起線粒體泛素化并被自噬小泡識別吞噬，受損的線粒體與溶酶體融合后被降解，從而觸發選擇性線粒體自噬，因此線粒體Parkin基因和PINK1基因突變導致線粒體自噬功能缺陷[42]。有研究證明，翻譯后修飾的α-Syn與外膜轉位酶結合，并在體外和體內抑制蛋白質導入線粒體，同時，在PD患者死后大腦的黑質多巴能神經元中也觀察到異常的α-Syn與外膜轉位酶相互作用[43]。

2.2.4LRRK2基因 LRRK2基因突變是家族性PD的常見原因。LRRK2在自噬、線粒體調節[44-45]、微管動力學[46]和囊泡運輸[44]中均起關鍵作用。在各種過表達LRRK2突變體的PD模型上均表現出線粒體功能障礙，如線粒體動力學缺陷和ROS生成增加[47]。LRRK2 G2019S突變PD患者的成纖維細胞具有斷裂的線粒體[48]。Smith等[49]研究顯示，PD來源的成纖維細胞中的線粒體碎片化，而線粒體碎片化可被LRRK2抑制劑緩解。另外，人類神經母細胞瘤細胞中LRRK2 G2019S和R1441C突變體的表達也表明線粒體嚴重斷裂[50]。有研究發現，一種新的LRRK2突變體——E193K可改變線粒體動力蛋白相關蛋白1(dynamin-related protein 1，DRP1)與LRRK2的結合，從而影響線粒體的裂變[51]。有研究發現了Rab GTPase的一個子集，包括Rab8A、Rab10、Rab12和Rab7L1，均被鑒定為生理性LRRK2激酶的底物[52]。另有研究表明，通過Rab7 GTP水解可調節線粒體分裂，而Rab7是LRRK2的底物之一[53]，因此LRRK2突變體可能通過調節Rab GTP影響PD的線粒體動力學[54]。

2.2.5α-Syn基因 α-Syn是由140個氨基酸組成的前突觸蛋白。目前α-Syn的功能尚不明確，有報道，α-Syn可介導突觸前終末的神經遞質釋放，同時可與包括線粒體在內的各種細胞器膜相互作用[55]。α-Syn具有非典型的線粒體靶向序列，且已定位于線粒體膜上，因此可影響線粒體的結構和功能[56]。作為路易小體主要成分的α-Syn與PD相關，且α-Syn被鑒定為第一個遺傳家族PD基因[57]。野生型α-Syn水平升高，其他基因突變所致的PD的α-Syn水平也升高，α-Syn水平升高在體內外均可誘導線粒體斷裂和ROS的產生[58]。此外，α-Syn定位于線粒體相關內質網膜(mitchondria associated endoplasmic reticulum membrane，MAM)，MAM是一種在內質網與線粒體之間形成的特殊結構，對調節Ca2+信號和細胞凋亡均具有重要意義。研究發現，α-Syn的致病性突變可減少其與MAM的結合，同時導致線粒體碎片增加，表明α-Syn在調節線粒體形態中發揮作用[59]。例如，過表達野生型或突變型α-Syn可導致內質網與線粒體在MAM處分離，從而影響Ca2+交換，導致線粒體能量產生減少[60]。除直接影響線粒體形態外，α-Syn還可通過調節過氧化物酶體增殖物激活受體γ-輔激活因子1α影響線粒體功能，用線粒體毒素處理攜帶A53T的人類多巴胺神經元，誘導心肌細胞特異性增強因子2C的S-硝基化，并通過下調過氧化物酶體增殖物激活受體γ-輔激活因子1α水平導致線粒體生成減少[61]。研究發現，α-Syn可使電壓依賴性陰離子通道蛋白水平降低，導致線粒體功能損害，還可使線粒體呼吸鏈復合物Ⅰ功能障礙和ROS水平升高，形成惡性循環，最終導致PD的發生[62]。

2.2.6VPS35基因 調節線粒體動力學的VPS35也與PD相關[63]。VPS35是逆轉錄識別復合物的一個組成部分，可介導突觸小泡的分選、運輸和內吞[64]。既往研究表明，VPS35中與PD相關的基因突變可增加攜帶VPS35D620N基因突變PD患者人成纖維細胞的線粒體破碎和細胞死亡[65]。VPS35與DRP1相互作用，使VPS35通過溶酶體降解途徑從線粒體中去除DRP1復合物的作用增強，進而保持有效的線粒體分裂[66]。PD連接的VPS35突變和氧化應激可增強VPS35與DRP1的相互作用，進一步增加線粒體DRP1復合體的周轉率，因此，線粒體動力學過度分裂失衡可導致線粒體碎片化和神經元細胞死亡[63]。VPS35還可通過降低線粒體E3泛素連接酶1的水平穩定線粒體融合蛋白2，VPS35缺乏可通過E3泛素連接酶1在多巴胺刺激的神經元中降解線粒體融合蛋白2，導致線粒體動力學受損和線粒體破碎，進而導致PD的發生[67]。研究表明，攜帶VPS35基因的小鼠多巴胺能突觸功能發生顯著變化，包括多巴胺轉換增加、多巴胺轉運體丟失和囊泡單胺轉運蛋白2表達增加[68]。此外，VPS35中與PD相關的突變也可損害溶酶體/自噬途徑，增加α-Syn蛋白的負載，導致α-Syn聚集增加[69]。

3 氧化應激與PD

氧化應激是由機體內氧化與抗氧化失衡所致，過量的ROS在體內堆積可產生細胞毒性。許多疾病與氧化應激密切相關，如腫瘤、炎癥、衰老、神經退行性疾病等[70]。越來越多的證據表明，氧化應激是PD患者多巴胺能神經元退行性變的關鍵驅動因素[71-72]。研究發現，PD患者黑質神經元線粒體呼吸鏈復合物Ⅰ水平和活性均降低[73-74]。線粒體中α-Syn聚集體的內含物可導致線粒體呼吸鏈復合物Ⅰ活性受損，而ROS的產生是由線粒體呼吸鏈功能障礙驅動，因而可導致氧化應激[56]。在散發性PD患者大腦黑質中發現鐵積聚，可導致ROS產生增加、重組人α-Syn轉錄上調和α-Syn聚集增加[75-76]。另外，在1-甲基-4-苯基-1,2,3,6-四氫吡啶誘導的PD小鼠模型腦內損傷區發現丙二醛水平增高，而丙二醛水平增高是脂質過氧化的重要指標之一。以上研究表明，氧化應激參與PD的發病過程。

4 小 結

PD的發生受多種因素的影響，遺傳因素、環境因素以及衰老等均可能導致PD，其發病機制復雜，其中線粒體功能障礙和氧化應激在PD發生中具有重要作用。基因治療是PD治療的新興領域，因此以線粒體相關基因為靶點尋找新的治療方法具有重要意義；同時，還應繼續拓展線粒體功能障礙分子機制的研究，進一步明確線粒體相關基因突變對神經退行性變的影響。相信隨著對線粒體功能障礙和氧化應激在PD中作用的深入研究，可以為PD的治療提供新思路。