線粒體丙酮酸轉(zhuǎn)運載體在中樞神經(jīng)系統(tǒng)退行性疾病中作用的研究進(jìn)展

仇念壯，王麗宏，張雪輝，王浩

1山東第一醫(yī)科大學(xué)藥理學(xué)研究所，山東泰安 271016；2解放軍第968醫(yī)院朝陽院區(qū)，遼寧朝陽 122000

中樞神經(jīng)系統(tǒng)退行性疾病是一類以中樞神經(jīng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能逐漸喪失為特征的疾病［1］，近年來發(fā)病率逐漸增高，已成為世界性難題。典型的中樞神經(jīng)系統(tǒng)退行性疾病包括阿爾茨海默癥（AD）、帕金森病（PD）、亨廷頓舞蹈病（HD）和肌萎縮性脊髓側(cè)索硬化癥等，目前尚未有確切的方法治愈。PARK‐ER等［2］研究發(fā)現(xiàn)，線粒體損傷在中樞神經(jīng)系統(tǒng)退行性疾病發(fā)病中至關(guān)重要，成為一個新的研究熱點和治療的潛在靶點。丙酮酸是細(xì)胞代謝過程中關(guān)鍵的中間產(chǎn)物，參與調(diào)節(jié)多種重要的代謝過程。作為糖酵解的最終產(chǎn)物，丙酮酸由細(xì)胞質(zhì)進(jìn)入線粒體參與氧化磷酸化等多種生物合成途徑，驅(qū)動三磷酸腺苷（ATP）的產(chǎn)生。線粒體丙酮酸轉(zhuǎn)運載體（MPC）是一種能控制丙酮酸進(jìn)入線粒體的蛋白，在上述過程中發(fā)揮關(guān)鍵的作用。研究發(fā)現(xiàn)，抑制MPC可緩解神經(jīng)細(xì)胞毒性損傷，逆轉(zhuǎn)線粒體損傷和中樞神經(jīng)病變，發(fā)揮神經(jīng)保護(hù)作用［3-4］。越來越多的證據(jù)表明，MPC作為線粒體能量代謝過程中的關(guān)鍵部位，可參與中樞神經(jīng)系統(tǒng)退行性疾病的發(fā)病，抑制MPC可改善相應(yīng)中樞神經(jīng)系統(tǒng)退行性疾病認(rèn)知功能障礙、運動障礙等癥狀，本文將就此進(jìn)行綜述。

1 MPC的結(jié)構(gòu)和功能

線粒體是真核細(xì)胞內(nèi)重要的細(xì)胞器，其生成的ATP能夠為維持機體正常生理功能提供能量［5］，此過程需要三羧酸循環(huán)中的所有酶和呼吸鏈的五個復(fù)合體參與。為了完成這些局限于線粒體室的代謝功能，從而維持細(xì)胞內(nèi)穩(wěn)態(tài)，必須發(fā)生跨線粒體膜的代謝產(chǎn)物的調(diào)節(jié)交換，丙酮酸就是其中的小分子之一。丙酮酸借助于電壓依賴性陰離子通道穿過線粒體外膜［6］。而線粒體內(nèi)膜只允許氣體小分子通過，因此必須通過相應(yīng)的載體才能選擇性的流入和流出。

MPC是位于線粒體內(nèi)膜上的丙酮酸轉(zhuǎn)運蛋白，于2003年首次在酵母中被鑒定［7］，2012年BRICKER等［8］證實其也存在于哺乳動物體內(nèi)。MPC由MPC1和MPC2兩種亞基組成，其相對分子質(zhì)量分別為12 kDa和15 kDa，基因組全長分別為18 095 bp和20 312 bp，且各自包含兩個或三個跨膜螺旋。MPC1和MPC2亞基是MPC維持活性所必需。研究發(fā)現(xiàn)，MPC1基因缺失可導(dǎo)致酵母線粒體丙酮酸轉(zhuǎn)運幾乎完全喪失；通過siRNA敲低MPC1或MPC2基因可導(dǎo)致人胰腺細(xì)胞線粒體呼吸顯著降低；敲除MPC1或MPC2基因會導(dǎo)致小鼠胚胎致死［9］。而人體研究發(fā)現(xiàn)，如果MPC1發(fā)生點突變會導(dǎo)致丙酮酸氧化受阻，出現(xiàn)機體發(fā)育異常、神經(jīng)損傷和代謝缺陷［8，10］。

MPC在人體廣泛分布，包括中樞神經(jīng)系統(tǒng)，如丘腦、海馬、大腦皮層和多巴胺能神經(jīng)元等［11-12］。神經(jīng)系統(tǒng)維持正常的生理功能需要大量的ATP，能量來源受損可能引發(fā)疾病的發(fā)生。在中樞神經(jīng)系統(tǒng)，丙酮酸是線粒體合成ATP的核心物質(zhì)，其經(jīng)MPC轉(zhuǎn)運進(jìn)入線粒體基質(zhì)后，可以在丙酮酸脫氫酶的作用下氧化形成乙酰輔酶A，進(jìn)而進(jìn)行氧化磷酸化生成ATP；也可以在丙酮酸羧化酶的作用下生成草酰乙酸，這是糖異生過程的關(guān)鍵步驟。因此MPC對維持中樞神經(jīng)的穩(wěn)態(tài)發(fā)揮關(guān)鍵的作用［12］，與中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病密切相關(guān)。

2 MPC在AD中的作用

AD是一種中樞神經(jīng)系統(tǒng)退行性疾病，臨床表現(xiàn)為記憶功能衰退，空間、時間識別紊亂，認(rèn)知功能障礙等［13］。研究發(fā)現(xiàn)，在D-半乳糖聯(lián)合卵巢切除誘導(dǎo)的AD模型大鼠海馬中，MPC1蛋白表達(dá)明顯升高，說明MPC與AD密切相關(guān)。而使用MPC1抑制劑拉帕替尼能明顯改善此AD大鼠的認(rèn)知功能損傷，這也進(jìn)一步證明了二者的相關(guān)性。AD主要的病理特征是β淀粉樣蛋白（Aβ）沉積形成的老年斑和過度磷酸化的Tau蛋白形成的神經(jīng)纖維纏結(jié)［14］。作為丙酮酸進(jìn)入線粒體的門戶，MPC功能失調(diào)會導(dǎo)致線粒體能量合成過程發(fā)生紊亂。線粒體功能紊亂是AD患者腦內(nèi)最早且最明顯的標(biāo)志之一，能促進(jìn)Aβ和磷酸化Tau的生成和累積［15］。進(jìn)一步的機制研究發(fā)現(xiàn)，拉帕替尼對D-半乳糖聯(lián)合卵巢切除誘導(dǎo)AD模型大鼠Aβ1-42（Aβ的主要毒性形式）和磷酸化Tau水平上調(diào)有明顯的改善作用，這說明MPC1可能是AD治療的潛在靶點。

另外關(guān)于噻唑烷二酮（TZDs）類藥物在AD中的作用研究似乎也可以證明MPC與AD存在密切相關(guān)性。TZDs是臨床常用抗糖尿病藥物，包括吡格列酮、羅格列酮等。研究發(fā)現(xiàn)，吡格列酮、羅格列酮對多種動物AD模型均具有改善作用；而多項臨床試驗結(jié)果顯示，雖然羅格列酮和吡格列酮臨床用于AD治療還有一定的局限性，但他們確實對AD的患者認(rèn)知能力具有一定的改善作用［16］。而眾所周知，TZDs也是一類MPC抑制劑［17］，其可能通過過氧化物酶體增殖物激活受體γ（PPARγ）降低MPC活性［18］。PPARγ對機體能量、糖脂代謝起重要的調(diào)控作用［19］，因此PPARγ的異常會導(dǎo)致代謝紊亂，從而發(fā)生疾病。而AD被認(rèn)為是代謝失調(diào)性疾病，這說明PPARγ通路的調(diào)節(jié)可能是MPC抑制劑的作用機制之一。

但MPC作為在線粒體供能方面發(fā)揮重要作用的物質(zhì)，如果過度抑制可能導(dǎo)致細(xì)胞，包括神經(jīng)細(xì)胞產(chǎn)生損害［20］。如ROSSI等［21］發(fā)現(xiàn)，在表達(dá)了早老素2 T122R和早老素2 N141L基因的人類神經(jīng)母瘤細(xì)胞中，其線粒體ATP合成受阻，而眾所周知，ATP生成減少是AD病理的標(biāo)志之一。進(jìn)一步研究表明，其機制與線粒體丙酮酸氧化減少，MPC2蛋白活性處于過低水平有關(guān)。早老素基因突變可促使淀粉樣前體蛋白加工成有毒形式的Aβ，在AD發(fā)病中發(fā)揮重要的作用。因此，我們推測MPC2的過度抑制可能促進(jìn)Aβ的生成。因此，適度抑制MPC對神經(jīng)細(xì)胞是有益的，與自身的代謝適應(yīng)性有關(guān)，通常被稱為代謝靈活性［22］。這一概念于1999年首次被提出［23］，即當(dāng)一條途徑由于缺乏必要的代謝物、關(guān)鍵酶或轉(zhuǎn)運蛋白而暫時或永久中斷時，細(xì)胞能夠切換到另一條途徑來彌補缺陷［24］。谷氨酸（GLU）是大腦中主要的興奮性神經(jīng)遞質(zhì)，但在與AD相關(guān)的代謝應(yīng)激下，神經(jīng)元外GLU可以上升到興奮毒性水平，從而造成腦損傷［25］。MPC抑制造成中樞中葡萄糖和丙酮酸氧化降低，但細(xì)胞生長、耗氧量和三羧酸循環(huán)功能總體上沒有受到明顯的影響［26］。研究發(fā)現(xiàn)，用MPC抑制劑UK-5099培養(yǎng)的大鼠皮層神經(jīng)元丙酮酸氧化能力降低，而神經(jīng)元中GLU水平降低了一半，這表明GLU的氧化代償性增加，減少了去極化時GLU的釋放量，從而限制了興奮性神經(jīng)元損傷的正反饋級聯(lián)反應(yīng)［27］。這種不同程度抑制MPC作用的變化，是否提示MPC是AD發(fā)病的一個生物標(biāo)志物，這需要在未來的研究中進(jìn)一步證實。

3 MPC在PD中的作用

PD是繼AD以外發(fā)病率第二高的中樞神經(jīng)系統(tǒng)退行性疾病，表現(xiàn)為靜止性震顫、運動遲緩、肌肉僵直、抑郁、焦慮和精神病等癥狀［28］。PD的發(fā)病風(fēng)險隨著年齡的增長而增加。PD的發(fā)病機制目前被認(rèn)為是由于中腦黑質(zhì)多巴胺能神經(jīng)元的變性損傷、α-突觸核蛋白聚集以及神經(jīng)元路易小體的形成［29］。臨床研究發(fā)現(xiàn)［30］，PD患者血漿樣品內(nèi)琥珀酸水平升高，這表明PD的發(fā)生可能與檸檬酸循環(huán)水平降低和線粒體功能障礙有關(guān)。此外，在PD發(fā)病早期，糖酵解通路即發(fā)生改變［31］。故MPC作為丙酮酸進(jìn)入線粒體的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，可能參與PD的發(fā)生。

多項研究表明MPC與PD密切相關(guān)。TZDs藥物也可通過抑制MPC改善PD，一項統(tǒng)計調(diào)查研究表明，服用TZDs的糖尿病患者在14年內(nèi)發(fā)生PD的風(fēng)險降低了29%，這表明TZDs在流行病學(xué)方面影響PD 的發(fā)病［32］。此外，TZDs對 1-甲基-4-苯基吡啶（MPTP）和脂多糖（LPS）誘導(dǎo)PD動物模型發(fā)揮神經(jīng)保護(hù)和抗炎作用［33］。MSDC-0160是調(diào)節(jié)噻唑烷二酮的線粒體靶標(biāo)的胰島素增敏劑，也是MPC的調(diào)節(jié)劑。研究發(fā)現(xiàn)其具有抗糖尿病和神經(jīng)保護(hù)活性作用，也被認(rèn)為具有抗PD潛力。GHOSH等［3］發(fā)現(xiàn)，給予MPTP和En1+/?PD模型小鼠MSDC-0160，能使其免受神經(jīng)毒素刺激，運動功能、黑質(zhì)多巴胺能神經(jīng)元存活率和紋狀體多巴胺水平得到改善；此外，該研究還發(fā)現(xiàn)MSDC-0160能保護(hù)人類多巴胺能神經(jīng)元細(xì)胞免受MPTP的神經(jīng)毒性，發(fā)揮改善PD作用。

為探究MPC與PD之間的聯(lián)系，GUIMARES等［34］研究證明，MPC抑制劑UK5099在大鼠腦室內(nèi)給藥，降低了LPS引起的神經(jīng)炎癥和發(fā)熱，降低了炎癥因子TNF-α、IL-6和NF-κB的表達(dá)和分泌。神經(jīng)炎癥介導(dǎo)的神經(jīng)毒性在PD神經(jīng)死亡的級聯(lián)過程極為重要，相關(guān)抑制可能與PD的改善有關(guān)。然而，UK-5099作為非特異性MPC抑制劑，具有長期使用抑制效果更強的特點，由于其非特異性［35］，可能并非理想的中樞疾病治療的候選藥物。

盡管目前對于MPC抑制劑改善PD的機制尚未完全闡明，但推測可能與雷帕霉素靶蛋白（mTOR，一種絲氨酸/蘇氨酸激酶）有關(guān)。已知在PD患者的臨床樣本中，mTOR信號被激活［36］；而mTOR的抑制與衰老和神經(jīng)退行性病變的改善有關(guān)，尤其是通過調(diào)節(jié)自噬和減輕腦神經(jīng)炎癥改善疾病的發(fā)生［37］。動物研究也發(fā)現(xiàn)，MPTP誘導(dǎo)的PD模型和En1+/?PD基因小鼠中發(fā)現(xiàn)了異常的mTOR信號，能夠觀察到mTOR在Ser2448和Ser2481處的磷酸化增加［38］。因此，推測MPC抑制可能通過AMP依賴性蛋白激酶（AMPK）激活抑制mTOR的激活，AMPK激活也是抗糖尿病藥二甲雙胍發(fā)揮神經(jīng)保護(hù)作用的機制［39］，兩者可能存在某種聯(lián)系。基于MPC抑制后代謝的復(fù)雜性，能否通過AMPK激活抑制mTOR來解釋MPC與PD的關(guān)系，還需要進(jìn)一步的研究驗證。目前關(guān)于PD的研究僅局限于TZDs中的一種MPC抑制劑，其他MPC抑制劑是否能在不同的PD模型中發(fā)揮類似的作用尚未可知；現(xiàn)有的MPC抑制劑在減輕PD的非運動癥狀方面是否有效；可能的抗PD作用除直接作用中樞神經(jīng)外，是否繼發(fā)于外周神經(jīng)系統(tǒng)的代謝作用；MPC抑制改善自噬能否減少α-突觸蛋白的積累以及毒性作用等仍需要進(jìn)一步研究去證實。

4 MPC在HD中的作用

HD是一種中樞神經(jīng)系統(tǒng)退行性疾病，通常在中年前后發(fā)作，并伴有認(rèn)知能力下降、精神障礙和運動功能受損等癥狀。HD是由轉(zhuǎn)錄亨廷頓蛋白（mHTT）的基因突變引起的，但mHTT的正常功能和突變mHTT的具體機制并不清楚［40］。因此，HD仍然是一種發(fā)病機制知之甚少且無法治愈的疾病。目前，關(guān)于MPC與HD的研究較少，但MPC抑制劑作用的下游靶點與HD密切相關(guān)，抑制MPC可能是治療HD的潛在研究方向。

研究表明，mTOR抑制劑PQR620作用于STHdh細(xì)胞、HEK293T細(xì)胞以及C57小鼠，有效抑制了細(xì)胞模型以及小鼠大腦中的mTOR信號傳導(dǎo)［41］。mTOR是MPC作用的下游通路，因此我們推測抑制MPC可能通過下調(diào)mTOR激活，降低mHTT的水平，改善HD的癥狀。另外神經(jīng)炎癥、神經(jīng)興奮性毒性等MPC潛在下游機制通路均與HD的發(fā)生相關(guān)，這說明MPC與HD密切相關(guān)。MPC抑制劑作用多個靶點，可能相比mTOR抑制劑抗HD效果更好。因此，MPC可能成為HD治療的新方向。

綜上所述，抑制MPC可通過抑制mTOR和增強GLU代謝等途徑，在中樞神經(jīng)中發(fā)揮抗炎、增強自噬、減輕興奮性毒性損害的功能。因此對MPC靶點的調(diào)節(jié)，可為AD和PD等中樞神經(jīng)系統(tǒng)退行性疾病導(dǎo)致的神經(jīng)功能損害提供新的治療方向。