线粒体呼吸链功能异常在帕金森病中作用的研究进展

张 颖综述, 胡国华审校

帕金森病(Parkinson disease,PD)是一种中老年人常见的神经系统变性疾病,以黑质多巴胺(dopam in,DA)能神经元变性缺失和路易小体(Lewy body)形成为病理特征,临床表现为静止性震颤、运动迟缓、肌强直和姿势步态异常等。PD的病因和发病机制十分复杂,迄今仍未彻底明确,目前最受关注的几个机制有氧化应激、线粒体功能缺陷、泛素蛋白酶体系统功能障碍等,多种发病机制之间存在紧密的联系,相互作用。自从发现MPTP在脑内的毒性代谢产物 MPP+能抑制黑质部线粒体复合体I活性后,线粒体功能异常就成为研究 PD发病机制的热点。一些研究结果发现,编码线粒体的基因突变、缺失或内外源毒素导致线粒功能失常,从而继发引起其它如氧化应激、蛋白酶体功能障碍等反应,促使PD发生,说明线粒体功能失调为 PD重要致病因素之一。在帕金森病的研究中,线粒体功能的失调最重要的一个机制就是线粒体呼吸链功能缺陷,本文就线粒体呼吸链在PD发病机制中的研究进展综述如下。

1 PD患者线粒体呼吸链功能缺失是 PD发病的关键性因素

1.1 线粒体功能失调与PD发病关系密切

脑组织对能量供给的改变非常敏感,缺氧会造成脑组织神经细胞死亡,导致神经退行性变发生。线粒体呼吸链损伤或线粒体基因组改变等引起线粒体功能失调,从而影响脑的能量供给。脑组织不同区域对缺氧的敏感性不同,黑质纹状体部位的神经元在缺氧状态下易引起氧化应激,导致自由基升高,从而造成神经细胞的死亡,引起 PD的发生。有实验研究报道,在啮齿类PD动物模型脑组织不同部位的神经元中线粒体的数目及形态并不相同,PD脑组织中黑质致密带区多巴胺神经元中的线粒体数量较脑组织其它部位(如腹侧背盖区、束间神经元等)相对减少[1]。说明线粒体与 PD的发病有着密切的联系[2],而预防或者纠正线粒体的功能失调对大多数帕金森病患者的治疗有利[3]。

1.2 线粒体呼吸链损伤在PD病中存在

线粒体呼吸链又称电子传递链,是位于线粒体内膜上的一系列电子传递体系。当线粒体受到损伤时,线粒体膜结构发生变化,引起电子传递效率下降,一方面是合成 ATP不足,另一方面产生更多的漏电子,使得氧自由基增加,损伤细胞。目前对于线粒体呼吸链功能缺失的研究主要集中在复合体 I(complex I)上。有研究用免疫组化方法分析发现 PD黑质呼吸链酶复合体 I染色明显减弱,而且主要位于含有神经黑色素的神经元[4]。另有研究表明 PD患者 SNpc区、纹状体、骨骼肌和血小板线粒体的复合体 I功能减低 30%多[5]。最近研究发现,在 PD中线粒体复合体 I的功能缺陷在脑组织中并不只局限于黑质部,Parker等[6]研究 PD模型及老年化的脑模型中线粒体呼吸链复合体的活性情况,结果发现复合体 I活性在帕金森组额叶皮质中也显著降低。线粒体复合体 I缺陷(包括数量减少和活性降低)在帕金森病线粒体功能障碍中起着核心的作用[7],复合体I的功能缺陷使活性氧增加,这些活性氧能诱发氧化应激,从而损伤细胞;复合体I的功能损伤可以引起人脑多巴胺能神经元胞浆内 α-突触核蛋白的聚集[8]。

目前对于呼吸链中复合体 II、III和 IV与 PD的发病关系的研究报道较少,Parker等[6]研究显示复合体 II、III和 IV在两组脑中变化无明显差别,有待于我们进行深入研究。由于线粒体分离比较困难,而呼吸链功能又是在纯化后的线粒体进行检测才比较准确,所以选择可靠的方法检测复合体活性在这类实验中有着重要的意义。

2 导致线粒体呼吸链损伤的原因及在 PD发生过程中的作用机制

线粒体呼吸链损伤在PD的发生中通常不是始发因素,是由其它因素如外源性毒素的作用、编码呼吸链的基因异常、氧化应激、蛋白酶体功能障碍、体内代谢产物如 NO的聚集等因素诱发其功能的缺陷,然后通过与其它机制共同作用导致PD的发生。PD的发生常为几种因素共同作用产生,并且这些因素相互为因果,其间的关系密切。线粒体的功能失调在PD的发生中处于核心位置,从研究呼吸链方面入手研究PD的发生有重要的意义。

2.1 环境毒素的致病作用

2.1.1 MPTP类似物对呼吸链的抑制作用 MPTP是目前研究最多的与PD相关的环境有毒物质。MPTP是一种高脂溶性物质,能够迅速通过血脑屏障,经代谢产生具有毒性作用的MPP+,当后者进入DA能神经元后,被线粒体主动摄取而浓集,特异性抑制氧化呼吸链复合体I和电子传递,减少ATP生成而使能量耗竭,同时增强多巴胺依赖性氧化应激。目前利用MPTP制备与人类 PD相似的动物模型,广泛用于PD的研究。自然界中存在的食物或者植物中有一些类似MPTP的物质,它们极易透过血脑屏障进入到中枢神经系统,抑制线粒体呼吸链复合体I,导致线粒体功能障碍和神经元死亡。如果人类接触到这类物质,有可能引起PD。

鱼藤酮、百草枯分别为杀虫剂及有机农药,与 MPP+化学结构相似,都具有高亲脂性,容易透过血脑屏障,对脑组织线粒体呼吸链复合体I的活性具有较强的抑制作用。尽管鱼藤酮对复合体I活性抑制作用无选择性,却可选择性引起黑质纹状体DA系统变性,可能与DA神经元对氧化应激的敏感性高有关。在动物中使用鱼藤酮能够抑制复合体 I可复制出帕金森病模型,表明抑制复合体I的成份有可能引起帕金森病。有研究报道[9],不只是鱼藤酮,其它的许多商用农药也能直接抑制复合体I,引起线粒体氧化损伤,诱发 PD的产生。提示我们应该对环境中可能造成复合体 I损伤的毒素进行深入的研究,预防由杀虫剂和农药引起的PD。

2.1.2 环境中的锰对PD产生的影响 锰是一种微量元素,与体内许多酶活性有关,锰在脑内沉积在黑质纹状体系统,可降低 MAO酶活性,阻滞呼吸链,在体内过量和长期蓄积能引起多巴胺能神经元的死亡,造成神经系统的退行性病变。Chen等[10]报道了环境因素中不同价态的锰离子对PD细胞模型中的线粒体复合体 I都有抑制作用,尤其以三价的锰离子的损害作用更为严重,同时锰离子也对线粒体DNA的表达水平有抑制作用。有研究报道,暴露在氯化锰环境中的 PC 12细胞中线粒体呼吸链复合体 I被抑制,同时氧化应激增加,提示锰可引起多巴胺能神经元线粒体功能损伤,引起PD[11]。最近许多报道集中在炼钢和电焊接工作中防护不当导致了锰中毒并出现了帕金森病的症状,故一些学者提出锰中毒是 PD发生的一个危险因素。

但是目前较多的研究者认为锰中毒能够引起帕金森综合征,而并不是帕金森病,原因在于有研究对受锰毒性物质侵害的灵长类 PD动物模型脑部病理进行研究,结果表明在黑质致密部缺乏帕金森病典型的病理改变如 Lewy小体形成[12]。锰在PD中的作用机制有待于进一步研究,人群在环境中慢性接触锰对神经系统造成的危害应该引起重视。

2.1.3 β-咔啉(β-carbolines)与 PD β-咔啉是人脑中的一种自然组成成分,其来源于色氨酸及其一些衍生物的代谢产物,它在人体和哺乳动物体内可内源性形成,并存在于人脑、血小板及血液中。β-咔啉类化合物是一类广泛分布于自然界的生物碱,环境中以烤肉及烟雾中存在的量较大。在细胞及动物实验中提示β-咔啉会使多巴胺能神经元比其它神经元更易受到神经变性的损害。目前研究发现,β-咔啉可能与 PD的发病有关,但具体机制有待于进一步研究。β-咔啉及其一些衍生物的化学结构与MPTP有相似之处,也可以在线粒体中蓄积,并能够阻滞复合体 I的活性[13]。长期接触烟雾环境的人有更多的机会接触 β-咔啉类化合物,也容易导致 PD的发生。

2.2 体内因素的作用

体内与线粒体功能相关的基因突变及基因调控失衡,异常代谢产生的内源性毒物如NO、强氧化性的自由基、活性离子,以及其它因素如氧化应激、泛素-蛋白酶体失调等,均可影响线粒体呼吸链的功能,造成线粒体功能障碍,导致 PD的发生,同时线粒体呼吸链的异常又可以反过来加剧以上致病因素的进一步发生,形成恶性循环。

2.2.1 线粒体 DNA的突变可造成呼吸链功能的缺失线粒体的呼吸功能受到线粒体与核两套基因组共同支配。线粒体复合体 I的亚基由核 DNA(nDNA)和线粒体 DNA(mtDNA)共同编码,两者突变均可导致其功能障碍。目前对于mtDNA突变影响呼吸链复合体功能的研究开展的较多。mtDNA结构非常紧密,其序列中 93%是编码基因,无内含子。由于它没有组蛋白的保护,所以无法对 DNA序列的突变进行完全的修复。线粒体在生成 ATP的过程中也产生了一些自由基和活性氧,这些活性氧很容易诱使 mtDNA突变。mtDNA编码了电子传递链中 5种酶复合体的 13个亚基,mtDNA突变的直接后果是影响了这几种酶复合体的功能,导致线粒体呼吸功能下降,能量产出降低,最终影响到脑细胞的正常功能。

有研究表明部分患者的复合体 I的缺陷很可能是由m tDNA的损伤引起的,细胞杂交技术对 m tDNA畸变在 PD发病的重要性提供了强有力支持,PD杂交细胞中的m tDNA来源于 PD供体,表达于宿主细胞 ρ0细胞(线粒体缺失细胞)的细胞核及细胞质背景中。Ghosh等[14]研究PD患者的杂交细胞 (cybrid),结果表明PD患者血小板中局部呼吸链缺陷,同时存在氧化应激的增加及钙平衡的打破,提示来源于疾病供体的具有缺陷性的m tDNA能够引起cybrid生物化学表型的改变。近年有研究发现,将 PD患者的线粒体转入cybrid系统后,有很持续的复合体I活性降低和活性氧自由基产生的增多及lewy包涵体形成[15],充分的证实了 mtDNA突变能够影响PD线粒体呼吸链功能。

目前对于mtDNA在PD中突变情况的研究也在开展,有研究报道,在 PD中发现关于复合体 I基因的点突变有 20种,tRNA基因的点突变 9种[16]。国内有研究报道,mtDNA突变与早发性PD的发病存在相关性,A10398G突变很可能是早发性PD发病的重要原因[17]。随着基因技术水平的提高,为研究 PD发病mtDNA相关基因提供了科学手段,有待于我们进一步研究。

2.2.2 氧化应激与线粒体呼吸链功能失调 氧化应激与线粒体功能缺失在帕金森病的发病机制中相互作用,关系密切[18,19]。正常生理条件细胞浆和线粒体基质中有完善的抗氧化防御体系,可保持活性氧在一个比较低的生理浓度。在病理情况下,活性氧产生过多,将会损伤细胞浆和线粒体内的几乎所有物质,引起脂质过氧化,膜流动性降低,蛋白质三级结构改变,损伤 DNA,再通过各种途径释放与凋亡有关的蛋白质包括细胞色素 C和caspase,诱导细胞凋亡,影响组织和器官正常功能的发挥。在 PD中有许多潜在的因素,包括线粒体功能失调、游离铁水平的增加以及抗氧化防御体系中游离自由基的增加等能够导致氧化应激。

细胞内自由基产生主要来源于线粒体的电子传递链,在PD脑组织线粒体复合体功能降低,其中复合体I下降最明显。线粒体能量耗竭必然继发产生大量氧自由基,线粒体复合物的减少可使电子漏失直接进入氧分子,促进自由基产生,同时电子传递链末端的线粒体复合体更容易受到 H2O2引起的氧化应激损害。复合体I缺陷和氧化应激是帕金森病的两个主要因素,二者是相互关联的,复合体I的抑制导致活性氧簇的增加,活性氧增多导致的氧化应激反过来又抑制复合体I的功能。此外复合体 I功能缺陷还与其本身的异常聚集有联系[20],复合体I功能降低的原因常为多种因素的综合作用。

2.2.3 蛋白酶体活性减少与线粒体呼吸链功能失调蛋白酶体是一种多价复合酶,分布于细胞质与细胞核内,是哺乳动物细胞中主要的中性蛋白水解酶,可占细胞蛋白质总量的 1%,是泛素-蛋白酶体途径(ubiquitin-proteasome pathway,UPS)中的催化酶。UPS是蛋白质选择性降解的主要方式,可以清除真核细胞中由于突变、损伤和异常折叠的蛋白质,维持细胞内环境的稳定,其功能的异常与否至关重要。在PD的黑质部位有两种生物化学缺陷,即线粒体复合体I的活性缺失和蛋白酶体活性的减少。蛋白酶体抑制物增加了神经细胞对毒性物质及氧自由基水平的易感性,以及加重了由复合体I抑制造成的能量供应障碍,使氧化应激产生增加[21]。氧化应激则能直接损害蛋白酶体的催化进程以及蛋白酶体本身,而蛋白酶体功能的损害又导致氧自由基的产生[22]。

Duke等[23]采用假设来源途径的微芯片分析数据(hypothesis-driven approach in analysingmicroarray data)的方法分析PD黑质部位线粒体和泛素-蛋白酶体系统的基因表达情况,结果表明在线粒体及泛素蛋白-酶体系统中的基因表达情况具有一致性,说明线粒体及蛋白酶体来源于相同的基因调控网络,而这个网络在 PD中被破坏,更进一步说明了呼吸链功能的缺失和蛋白酶体系统的失调是同时存在于 PD中的,二者相互协同,互相扩大了对 PD黑质部位的损伤效应。

2.2.4 过量的 NO影响线粒体呼吸链功能 人体内部生理情况下可合成内源性一氧化氮(Nitric Oxide,NO),其在中枢神经系统中参与脑内许多生理过程。但过量的NO可表现出细胞毒性,引起脑细胞损伤。NO与超氧阴离子相互作用形成过氧亚硝酸盐(peroxynitrite,ONOO-),ONOO-可以抑制细胞线粒体氧化呼吸链的作用,还可以抑制呼吸酶的活性,并可损伤线粒体膜和线粒体 DNA,使线粒体功能受损、细胞能量衰竭、ATP生成缺乏,导致神经细胞对神经毒作用的敏感性增高,细胞变性死亡,从而成为 PD的一个发病诱因。

3 针对纠正线粒体呼吸链功能异常所开展的治疗对策

目前针对线粒体复合体I及氧化应激作用而开展的 PD的治疗研究也在进行,有研究报道,ONOO-这种细胞代谢产生的毒性氧化剂对复合体 I活性有抑制作用,而钙离子有保护复合体 I免受过氧亚硝酸盐抑制的作用。因而应用钙离子来拮抗 PD的氧化应激可能作为一个治疗方法[24]。辅酶Q 10是线粒体呼吸链的基本辅助因子,是细胞呼吸和细胞代谢的激活剂,可以直接对抗自由基引起的脂质过氧化反应,提高氧化能力。辅酶 Q10与清除自由基,减少氧化应激反应,调节线粒体功能障碍和稳定细胞膜作用有关,辅酶 Q 10有可能减缓帕金森病发展速度、延长患者生存时间,提高患者生存质量。目前国外口服辅酶 Q10治疗PD已经进入二期临床研究[25]。

综上,线粒体功能异常与 PD的发病有着密切的关系,进一步研究线粒体呼吸链功能异常在 PD发病中的确切作用机制,对PD的防治有很重要的意义。

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