脂質在帕金森病發生中的作用及機制研究進展

郭 興，胡明慧，孫亞男，崔振武，邢紅霞，張 偉；單琳琳，李超堃

(1.新鄉醫學院第二附屬醫院,河南省生物精神病學重點實驗室,河南 新鄉 453002;2.新鄉醫學院基礎醫學院,河南 新鄉 453003;3.新鄉醫學院第三附屬醫院神經內科,河南 新鄉 453003)

脂質在許多生物過程中發揮作用,對大腦的發育及功能維持尤為重要。近年來,研究表明,脂質與第二大中樞神經系統退行性疾病——帕金森病(Parkinson′s disease,PD)的發生發展有關[1-3]。盡管具體機制尚不清楚,但脂質與α-突觸核蛋白(alpha-synuclein,ASN)結合形成α-螺旋脂質-蛋白質復合物,從而形成不溶性聚集體的研究已得到廣泛關注[4-5]。本文將對脂肪酸(free fatty acids,FFAs)、甘油脂類、磷脂酸、鞘脂及甾醇等脂質分子在PD發生、發展中的作用及機制相關研究進展進行綜述,以期為PD的預防、治療措施的研究提供參考。

1 脂質分子在PD發生中的作用

1.1 FFAs與PD的發生

研究顯示,與健康對照者相比,PD患者血漿中FFAs代謝物顯著減少[6]。短鏈脂肪酸(short-chain fatty acids,SCFAs)含有2～6個碳原子,是腸道微生物代謝的主要產物。臨床研究發現,PD患者糞便中SCFAs水平明顯降低,并具有性別依賴性,且PD發病年齡與SCFAs呈正相關[7];CHEN等[8]研究也發現,PD患者糞便中SCFAs水平明顯降低,但血漿中SCFAs水平卻呈上調趨勢。SHIN 等[9]研究發現,血漿SCFAs在PD患者呈增加趨勢,并與疾病的嚴重程度和抗PD藥物相關。多不飽和脂肪酸(polyunsaturated fatty acids,PUFAs),尤其是n-3脂肪酸,是人體膳食中必需的營養脂肪酸,也是細胞膜的重要組成成分。研究發現,血漿中高水平PUFAs以及低飽和脂肪的飲食均可降低PD的風險,其中α-亞油酸和亞油酸水平與PD患者運動障礙嚴重程度呈負相關,而二十二碳六烯酸和花生四烯酸水平與PD非運動癥狀嚴重程度呈正相關,提示PUFAs與PD的發生發展有關[10]。HERNANDO等[11]研究發現,PD動物模型補充n-3 PUFAs,可對抗神經炎癥和氧化應激,表明n-3 PUFAs的攝入可降低PD發生。總之,多種FFAs可能參與PD的發生。

1.2 甘油酯與PD的發生

三酰甘油(triacylglycerol,TAG)由1分子甘油和3分子脂肪酸組成。來自荷蘭的一項研究使用多基因風險評分來評估PD患者血液中370種脂質和脂質相關分子水平與PD發生風險的關系,結果顯示,TAG與PD發生風險呈負相關[12]。FU等[13]對血清中膽固醇或TAG與PD發生風險之間的關系進行評估,結果顯示,血清TAG、膽固醇水平升高可能是PD發病的保護因素。2021年,一項研究使用代謝組學分析方法對PD患者皮脂中的脂質變化進行追蹤,結果發現,神經酰胺、TAG和脂肪酰基類代謝物在PD患者中表達下調[14]。SNCHEZ CAMPOS等[15]對經典的PD動物模型(ASN A53T 小鼠)的血清代謝物進行分析發現,血清中膽固醇、TAG和非酯化脂肪酸水平顯著下降。但GUERREIRO等[16]研究發現,大鼠多巴胺能神經元N27細胞中過表達ASN A53T 可激活催化TAG合成的?；o酶a合成酶,導致TAG水平升高,這似乎相悖于PD患者體內的研究結果。

二酰基甘油 (diacylglycerol,DAG) 是細胞膜的重要組成成分,可以在Ca2+的參與下激活蛋白激酶C(protein kinase C,PKC),而活化PKC可磷酸化下游目標蛋白,參與包括神經元突觸傳遞等許多重要的生理活動[17]。WOOD等[18]對神經退行性疾病患者體內脂質分子水平進行檢測發現,不僅PD患者大腦額葉皮質中DAG水平升高,阿爾茨海默病(Alzheimer′s disease,AD)及路易體病患者大腦額葉皮質中DAG水平同樣也明顯升高,表明,DAG異常在疾病早期并伴隨皮質功能性障礙的發生被放大。二酰甘油激酶Q (diacylglycerol kinases,DGKs)可磷酸化DAG,使其轉變為磷脂酸(phosphatidic acid,PA)[19]。DGKs家族共有10種亞型,其中二酰甘油激酶 (diacylglycerol kinases theta,DGKQ)位于染色體4p16.3區,GAK/TMEM175/DGKQ區域是全基因組關聯分析發現的PD第三大風險位點,與PD的易感性相關[20],這可能與DGKQ活性的改變打破了DAG與PA之間的平衡有關,提示DAG-PA軸的異常可能是PD和AD的共同特征。

1.3 磷脂與PD的發生

磷脂既是組成生物膜的基本成分,又可作為重要的信號分子參與細胞信號轉導,在多種疾病的病理生理過程中發揮重要作用[21-25]。LPEZ DE FRUTOS 等[26]研究發現,與健康對照組相比,葡糖腦苷脂酶(glucocerebrosidase,GBA)缺陷病和PD患者的血清磷脂水平均明顯增加,表明磷脂在此類疾病發展中發揮一定作用,血清磷脂水平可能是PD的生物標志物。甘油磷脂(glycerophospholipids,GPL)是基于甘油的磷脂,包含至少1個連接到甘油部分的O-?；鶜埢?如磷脂酰膽堿、磷脂酰乙醇胺(phosphatidylethanolamine,PE)和磷脂酰絲氨酸(phosphatidylserine,PS)等。這些甘油磷脂豐富并存在于哺乳動物細胞膜上,對大腦的結構形成和認知功能的發育至關重要[27]。研究發現,在精神分裂癥、亨廷頓癥和AD患者細胞膜中GPL水平明顯升高[28-29];PD患者額葉皮層和初級視覺皮質中PS和PE水平顯著升高,但黑質中磷脂酰肌醇、PS和PE水平顯著降低[18,30-31]。WANG等[32]研究發現,低水平PE具有促進脂質囊泡與 ASN結合的作用。綜上,磷脂水平改變可能與PD的發生相關。

1.4 鞘脂與PD的發生

細胞內鞘脂類和鞘糖脂物質既是細胞膜的重要組成成分,也參與許多細胞內信號通路調節,包括細胞增殖、凋亡等[33-35]。鞘脂類化合物的脂質部分為鞘氨醇,可被鞘氨醇激酶 1(sphingosine kinases 1,SK1)和鞘氨醇激酶 2(sphingosine kinases 2,SK2)磷酸化,轉化為1-磷酸鞘氨醇 (sphingosine-1-phosphate,S1P)[35]。神經酰胺和S1P均是重要的生物活性鞘脂,共同參與神經元生存與死亡的調控,參與神經退行性疾病的生理病理過程[36]。PéPIN等[37]在細胞實驗中發現,S1P通過激活S1P受體1來增強線粒體生物生成,可保護多巴胺能神經元免受1-甲基-4-苯基吡啶誘發的細胞死亡。另有研究發現,PD小鼠黑質中SK2表達顯著下調,使用S1P激動劑可產生神經保護作用,提示,SK/S1P/S1P可能是有希望的神經保護靶點[38-39]。ABBOTT等[40]通過對1例去世的PD 患者腦組織進行分析發現,前扣帶皮層表現出顯著的PD 病理學改變,分布在該區域的神經酰胺合酶-1基因表達顯著上調。MIELKE等[41]研究發現,PD伴認知障礙患者血漿中多種神經酰胺(如C16：0、C18：0、C22：0、C24：1)水平升高。

GBA是PD的重要遺傳風險因素,5%～15% 的PD患者攜帶GBA1基因類型變異,這可能是由于GBA基因突變造成其底物葡萄糖神經酰胺(葡萄糖腦苷脂)在多種組織中貯積有關[42]。有研究報道,攜帶富亮氨酸重復激酶2(leucine-rich repeat kinase 2,LRKK2)基因突變的PD患者腦脊液中神經鞘脂水平顯著升高[42-43]。HU等[44]采用非靶向代謝組學和蛋白質組學分析發現,PD患者血漿中的差異代謝物中鞘脂類占25%,參與鞘磷脂代謝的6種代謝物均顯著增加,提示PD患者中鞘磷脂代謝通路被激活。

1.5 膽固醇與PD的發生

膽固醇是細胞膜中不可缺少的成分,大腦中膽固醇在人體總膽固醇中占比較高。有研究報道,膽固醇水平過高會增加患PD的風險,提示血清膽固醇水平與神經變性疾病相關[45]。但是,ASCHERIO等[46]通過隊列研究發現,高血清膽固醇患者罹患PD的風險較低。而一項meta分析對8項前瞻性研究和13項回顧性研究的數據進行分析發現,總膽固醇對PD具有保護作用[13]。出現結果不一致的原因可能與不同的研究招募研究對象的條件不同有關。

2 脂質失調促進PD發病的分子機制

2.1 脂質通過結合并促進ASN聚集參與PD發生發展

ASN是廣泛表達在突觸前軸突末梢的可溶性蛋白,可通過與突觸蛋白和突觸前膜相互作用調節囊泡內神經遞質的聚集和釋放[47-49]。研究表明,ASN的異常聚集可形成PD中常見的路易氏小體的主要蛋白質成分,單體ASN發生異常聚集并錯誤折疊成低聚物,從而形成路易小體,是典型的PD病理標志[50]。ASN可結合帶有負電荷的脂質促進自身異常聚集可能是其參與PD發生的機制之一。

ASN由140個氨基酸殘基組成,N端(1～95 號氨基酸殘基)脂質結合區域甘油酯、脂肪酸、磷脂、心磷脂、鞘脂和其他酸性磷脂(磷脂酸)均能與ASN結合,結合脂質后ASN的前95個氨基酸殘基從無規則卷曲轉變為2個兩親性α螺旋,這種結構轉變導致ASN蛋白質的異常聚集[51-52]。在PD不同細胞和動物模型中已經證明,脂肪酸、鞘磷脂、膽固醇衍生物等特定脂質水平的變化與聚集性的ASN增多有關,而且脂質性質和水平的改變也對ASN的聚集傾向產生影響[53]。因此,在PD進程中,脂質可能是通過影響ASN異常折疊而參與PD進程。

2.2 ASN摻入細胞膜導致脂質過氧化參與PD發生發展

不平衡的氧化還原狀態會引起氧化應激,包括活性氧(reactive oxygen species,ROS)的過度生成或抗氧化系統功能障礙。大腦富含容易過氧化的磷脂及多不飽和脂肪酸,且對氧的需求量較高,抗氧化系統功能障礙時,神經元膜磷脂易受ROS攻擊發生過氧化。磷脂酶A 2γ(phospholipase A 2γ,PLA 2γ)是參與甘油磷脂分解的重要酶。研究發現,PLA 2γ功能缺失可使線粒體ROS增加、脂質過氧化增強、ATP合成減少、谷胱甘肽水平降低及線粒體膜缺陷等病理變化,從而參與PD的發生發展[54]。在在體及離體PD模型中也觀察到聚集性ASN 在細胞膜內產生ROS和脂質過氧化物[55-56]。 因此,磷脂過氧化及抗氧化酶的活性降低或喪失,可能是中腦多巴胺能神經元脆弱和進行性運動功能障礙的原因。ANGELOVA等[57]研究發現,降低PD小鼠細胞內或線粒體ROS水平,可抑制小膠質細胞的激活和脂質過氧化,增加紋狀體中酪氨酸羥化酶活性,表明降低ROS及抑制脂質過氧化可發揮神經保護作用。

3 結論

PD患者存在不同程度、不同種類的脂質代謝差異,而脂質的種類以及構成可以調控ASN積聚。甘油磷脂、鞘磷脂、甾醇等不同種類的脂質是細胞膜、線粒體膜、內質網膜及高爾基復合體的主要成分。因此,細胞內膜組成中脂質成分的改變可能通過影響神經遞質的囊泡運輸、ASN的聚集等重要過程參與PD的發生發展。總之,脂質代謝途徑和膜脂組成中一些生物活性脂質的改變可能在PD發生發展中起著重要作用,關注PD患者脂質代謝途徑及脂質組學變化可為PD的治療提供潛在靶點和生物標志物。