线粒体功能异常与精神分裂症研究进展

刘兆云 陈 刚

精神分裂症以思维、情感、行为及感知觉障碍为主要表现，是一种人类最为常见的严重精神疾病，其终生患病率约为1%，尽管人们对精神分裂症做了大量研究工作，但其病因与发病机理迄今未明。

线粒体位于细胞质，不仅通过能量代谢和自由基代谢途径为细胞提供能量，还参与机体的氧化应激、细胞凋亡、细胞分化、细胞生长以及信号转导等生理过程。尽管人类线粒体基因超过1500个，但仅有一少部分是由线粒体基因组直接编码［1］。具有母系遗传特点的人类线粒体DNA是由16569个碱基对组成的双链环状分子，包含37个基因，分别编码2种核糖体RNA(rRNA)，22种转运RNA(tRNA)和13种参与呼吸链形成的多肽。线粒体DNA(mtDNA)通常呈裸露状态，靠近内膜呼吸链，由于不含内含子，缺乏组蛋白保护和自我修复系统，所以极易受到环境因素的影响，突变频率很高。若线粒体DNA(mtDNA)发生改变(插入、缺失、突变等)，则细胞氧化磷酸化功能受限，三磷酸腺苷(ATP)产生障碍，导致细胞功能减退甚至死亡，从而引发各种临床疾病。

自从1960年首次在精神分裂症患者的大脑中发现线粒体功能缺陷以来，线粒体功能缺陷与精神分裂症的关系得到许多研究的支持。线粒体氧化磷酸化功能减低;线粒体发育不全与形态改变;线粒体DNA突变;线粒体mRNA分子及蛋白的下调;大脑中高能量磷酸盐以及pH降低;线粒体疾病中表现有精神病症状及认知障碍。另外，也发现线粒体DNA突变转基因小鼠出现情绪障碍。下面就线粒体能量代谢、线粒体DNA多态性与线粒体相关基因进行综述。

1 线粒体能量代谢异常与精神分裂症

线粒体是细胞进行生物氧化和能量转换的主要场所，也有人将线粒体比喻为细胞的“动力工厂”。从分子水平到神经成像的大量研究表明许多精神分裂症患者都存在脑内线粒体功能与葡萄糖的代谢受损。Liu HY等［2］的研究表明，参与线粒体氧化磷酸化与ATP生成电子传递链的递氢体(NADH脱氢酶、泛醌、黄素蛋白2、NDUFV2)和存在于线粒体复合体1中编码核亚单位的铁硫蛋白(［2Fe-2S］中任何一个环节缺陷都与神经精神性疾病(如:帕金森病、阿尔茨海默病、躁狂抑郁症以及精神分裂症等)有关。

线粒体辅酶Q以及细胞色素还原酶b5在能量代谢、氧化应激中起重要作用，并且在精神分裂症患者的大脑皮质中发现有异常变化。Whatley等［3］研究了三氟噻吨对编码线粒体辅酶Q以及细胞色素还原酶b5基因表达的影响，用原位杂交的方法在大鼠中检测到三氟噻吨能够减少编码NADH细胞色素还原酶b5基因的表达，同时三氟噻吨也降低了线粒体NADH辅酶Q还原酶的活性。作者从接受抗精神病药物治疗的患者尸检的大脑组织中检测到还原酶的减少，精神分裂症患者与正常对照的淋巴细胞相比也发现有还原酶的减少。因此认为应用三氟噻吨治疗在减少辅酶Q和细胞色素还原酶b5表达的同时也减少了毒性超氧化物产物的产生。

精神分裂症患者活体成像以及死后脑组织的尸检研究都表明能量代谢障碍，额叶氧化代谢降低，然而其生物化学基础仍不清楚。Maurer等［4］为评估线粒体功能，验证精神分裂症氧化磷酸化障碍假说，对死后的12个精神分裂症患者以及13个正常对照者进行了尸检，检测前额皮质、颞叶、基底神经节以及小脑线粒体呼吸链酶的活性，结果发现患者的线粒体复合体IV在颞叶、前额皮质的活性存在明显降低(39.5+/－6.8，78+/－10.8，P=0.006)、(40.9+/－6.7，87.3+/－12，P=0.003);线粒体复合体I+III在颞叶、基底节的活性明显降低(2.2+/－0.6，4.4+/－0.5，P=0.01)、(1.6+/－0.5，3.4+/－0.3，P=0.015)而其他酶的活性与正常对照相比并无改变，证实了精神分裂症患者大脑中氧化磷酸化缺陷可能与能量产生受损有关。

大脑能量代谢的关键是线粒体膜上的己糖基酶1(HK1)，它依附于线粒体外膜上，能增强胞质内糖降解产物进入线粒体进行氧化磷酸化，使细胞产生更多的三磷酸腺苷(ATP)，还能够增强多元醇途径和无氧代谢途径的糖代谢。同时线粒体膜上的己糖基酶1(HK1)通过预防细胞的凋亡和氧化损伤来保证神经元和其他细胞的生长与存活［5］。Regenold 等［5］对死后的精神分裂症患者与正常人的大脑顶叶皮层线粒体膜上的己糖基酶1(HK1)进行比较，发现在精神分裂症患者中明显减少。这种变化在接受药物治疗和未接受药物治疗的患者中存在。因此，线粒体膜上的己糖基酶1(HK1)功能降低或表达量的减少均能导致线粒体能量代谢障碍，增加氧化应激以及影响脑神经元的生长，这些均与精神疾病的发病有关。

2 线粒体DNA多态性及突变与精神分裂症

LARS2是编码催化线粒体亮氨酸转运RNA(tRNA)氨酰化酶的核基因，其3243A＞G的突变降低了亮氨酸转运RNA的氨酰化作用，与线粒体肌病、脑病、乳酸酸中毒、中风有关。Munakata等［6］对死后的双相情感障碍患者和精神分裂症患者进行尸检，用聚合酶链反应限制性片段长度多态性(PCR/RFLP)的方法检测3243A＞G突变，结果显示在两个双相情感障碍患者及一个精神分裂症患者的脑组织中均发现了3243A＞G突变，与对照者相比LARS2呈现高表达，这表明3243A＞G突变是LARS2高表达的标记，也是双相情感障碍和精神分裂症的病理标志之一。

活性氧与精神分裂症发病有关。细胞质中主要的抗氧化酶，铜锌超氧化物歧化酶和线粒体锰超氧化物歧化酶 (Mn SOD)能迅速、特异性地减少过氧化氢超氧自由基。编码抗氧化酶基因的多态性也与精神分裂症易感性有关。Akyol等［7］应用 PCR/RFLP方法对153例精神分裂症患者和196例正常对照者的锰超氧化物歧化酶基因中丙氨酸和缬氨酸多态性进行了研究，发现基因型在患者和对照者之间存在显著差异，前者的基因型:Ala/Ala，14 例(9.2%);Ala/Val，106例 (69.3%);Val/Val，33 例(21.6%)。后者的基因型:Ala/Ala，46 例(23.5%);Ala/Val，83 例(42.3%);Val/Val，67例(34.2%)。基因型分布的差异具有统计学意义(P＜0.0001)，表明Ala-9Val变异可能与精神分裂症的病因有关。

SLC25A12基因位于2q31-q33，主要功能是编码线粒体天冬氨酸/谷氨酸载体(aralar)。Aralar主要分布于大脑以及骨骼肌，其功能是将天冬氨酸从线粒体转运到细胞浆。研究发现Aralar缺陷小鼠大脑的N乙酰天冬氨酸(NAA)浓度显著降低，表明aralar对神经元细胞的NAA合成起至关重要的作用。磁共振波谱分析显示NAA水平在精神分裂症患者大脑的不同区域出现持续性降低。因此，推测大脑中影响Aralar或NAA代谢的基因可能与精神分裂症的发病有关。Hong C J等［8］对来自中国的253个精神分裂症患者与216个正常人SLC25A12基因的6个多态性位点进行了研究，试图验证SLC25A12遗传变异与精神分裂症的关联，然而无论是单个遗传标记还是单倍型分析均未发现SLC25A12位点变异与精神分裂症关联。

吴俊涵等［9］选取312例河南省汉族人群精神分裂症患者和340例正常人，用PCR和限制性片段长度多态性(RFLP)技术检测精神分裂症患者线粒体(mtDNA)A5351氨酸卡纳酸盐受体2(GRIK2)基因 rsA2227283G、rsT6922753C多态性，发现患者组的mtDNA5351位点A、G基因频率分别为84.9%和15.1%，而对照组的则分别为91.8%和8.2%，两组差异具有统计学意义(χ2=6.583，P=0.006);而两组GRIK2基因rsA2227283G和rsT6922753C的基因型和等位基因频率差异均无统计学意义。故认为mtDNA5351位点A→G突变可能对精神分裂症的发生有一定的作用，而GRIK2基因rsA2227283G和rsT6922753C多态性与精神分裂症的发生无关。

张景亮等［10］采用PCR扩增、限制性内切酶消化、琼脂糖凝胶电泳分型检测、DNA测序等方法对随机抽取的无亲缘关系的250例精神分裂症患者(患者组)和292例对照者(对照组)的外周血的mtDNA进行了3243、3316和3394位点的突变检测，分析线粒体tRNALeu(UUR)基因 3243位点及 ND1基因 3316、3394位点突变对精神分裂症发病的影响。发现3316G/A突变在患者组中有8例，在对照组中有3例，两组相比差异无统计学意义(P=0.138)。而3394T/C突变在患者组发现15例，在对照组发现4例，两组差异有统计学意义(P=0.007)。在患者组和对照组均未发现3243A/G突变。提示mtDNA3394T/C突变可能与SZ发生有关，mtDNA 3243A/G、3316G/A突变可能与精神分裂症的发生无关。

3 线粒体功能相关基因与精神分裂症

3.1 多巴胺(Dopamine DA) 就精神分裂症的发病机制而言，有各种假说。其中被普遍接受的是多巴胺(DA)假说。此假说认为多巴胺能神经递质系统功能的紊乱造成多巴胺在大脑皮质的减少和大脑纹状体的过度积聚，产生了一系列与DA相关的神经精神性疾病，包括:帕金森病、精神分裂症等。研究发现DA氧化代谢物无论在体内还是在体外都能抑制线粒体呼吸系统。Ben-shachar等［11］通过实验证明了DA通过对线粒体复合体1活性的抑制，抑制线粒体的氧化磷酸化可能与精神分裂症的发病机制有关。

Brenner-Lavieh等［12］认为DA对线粒体功能的损害作用并不影响细胞的生存能力。他们发现在SHSY5Y细胞中的DA能降低线粒体的膜电位，通过复合体1阻碍DA诱导的去极化，说明复合体1参与了DA诱导的线粒体功能损害。研究还发现完整的线粒体能以饱和的方式积聚DA，从而更有利于DA与复合体1发生交互作用，说明DA与线粒体复合体1的交互作用能够更好地解释DA相关的非退行性疾病的病理过程。

站起来，站起来。在模糊的视线中，我看到一大块物体，似乎是一个人。我凭着感觉用尽力气挥拳打过去，可我的拳头却触到了软软的东西。皮特连哼都没哼一声，这一拳对他而言简直不痛不痒，他伸手就掴了我一个耳光，一边喘着气，一边大笑。我听见嗡嗡声，想用力眨眼消除眼前的黑影，心里纳闷这些东西是怎么弄进眼睛里来的。

Brenner-Lavieh等［13］在深入研究完整的神经原细胞中DA能否影响线粒体功能时发现，暴露的人类神经母细胞瘤SH-SY5Y细胞中的DA对线粒体的呼吸有抑制作用，这种抑制作用与增加细胞内DA、抑制DA膜转运体有关。许多抗精神病药物的作用在于与DA竞争受体并抑制复合体1的活性，降低复合体1驱动的线粒体呼吸作用。这表明神经元摄取的DA能影响线粒体的能量代谢、影响神经递质以及突触的可塑性。

越来越多的证据表明，精神分裂症患者大脑皮层特定神经元、树突以及脑容量的减少是细胞凋亡的结果，但机制未明。多巴胺D2受体的高度活跃被认为是精神分裂症的重要病理变化。目前，研究发现大脑中D1和D2受体受DA和SKF83959激活后能够刺激磷脂酶C相关细胞内Ca的释放。Zhang L等［14］试图通过高浓度的DA以及SKF83959过度刺激Ca相关信号传导，通过钙紊乱来诱导皮质神经元的凋亡，结果发现10～100 muM DA以及10～50 muM SKF83959治疗72 h后能够通过D1和D2受体介导的钙超载以及线粒体功能障碍造成皮质神经元的凋亡。与此同时，尽管DA和SKF83959治疗24 h后不能产生重要的细胞凋亡，但能诱导神经元突触以及通过PLC敏感通路使得磷酸化ATK、ERK、Bcl-2等神经营养分子减少。因此，逐步延长DA和SKF83959对大脑皮层神经元的刺激，能通过PLC钙相关通路在早期减少突触的扩展，在后期诱导细胞凋亡，是精神分裂症发病的凋亡机制。

Karry等［15］从mRNA和蛋白质水平对精神分裂症患者死后的大脑前额和腹外侧皮层的线粒体复合体1的3个亚单位进行了分析，发现分子量 为24-kDa和51-kDa的亚单位在前额皮层显著减少，在腹外侧皮层明显升高，而分子量为75-kDa的亚单位在前额皮层并无明显改变。进一步证明了线粒体功能障碍与精神分裂症有关，线粒体复合体1在大脑不同区域的表达异常，支持精神分裂症皮质受损的观点。

3.2 精神分裂症断裂基因(Disrupt in schizophrenia) DISC1(精神分裂症断裂基因)，位于1q42.2;全长约410kb，包含13个外显子，编码854个氨基酸的蛋白质，包括一个富含丝氨酸、丙氨酸、甘氨酸的球状氨基端区和一个由3－13号外显子编码形成的卷曲的羧基端区。羧基端区域包含许多环状的结构域，有利于DISC1与其它蛋白间的结合，并发生相互作用。

St Clair D［16］对苏格兰的一个精神病高发家系患者的研究发现1 q42与11 q14.3存在平衡异位。Millar等［17］发现了两个受易位突变影响的基因，并把它给命名为DISC1和DISC2，认为这两个基因是精神疾病的易感基因。

DISC1在胎盘和脑中高表达，在其他组织如神经元的轴突末端、突触后区域、线粒体、中心体、内质网及细胞核均有表达［18］，另外，许多研究表明DISC1与许多蛋白的交互作用能够影响神经突的生长发育，以及影响细胞内物质转运等生理活动。所以Morris等认为DISC1基因产物是多功能蛋白，DISC1基因的突变会破坏细胞间传导，神经突构造和神经元迁移，从而导致精神分裂症易感性升高。线粒体是细胞内的重要细胞器，DISC1在线粒体中的表达及作用在精神分裂症中也有发现。Eyelenboom等［19］研究表明在淋巴样干细胞系，由于DISC1与11号染色体的断裂基因的融合导致不正常的转录，从而产生异常蛋白 CP1、CP60和CP69。这些嵌合蛋白主要在线粒体发挥作用，通过诱导线粒体膜电位的降低导致其功能障碍。认为降低膜电位增加患精神疾病的可能原因是与DISC1的单倍体量不足以及线粒体缺陷所致的异常嵌合蛋白表达有关。

Mitofilin为线粒体内膜蛋白，为DISC1在线粒体内发生交互作用的部分［20］;是维持线粒体功能完整性的基本组成成分［21，22］。两者的交互作用主要表现为:DISC1缺陷将导致Mitofilin蛋白的泛素化;Mitofilin蛋白的共表达又会部分逆转DISC1的缺陷。敲除DISC1基因会降低NADH脱氢酶的活性，减少细胞内ATP含量，改变线粒体Ca2+动力学、降低线粒体单胺氧化酶A的活性，引发线粒体的功能障碍［23］。因此 Park等认为DISC1与Mitofilin蛋白的交互作用可能与精神分裂症的发病有关。

Millar等［24］通过研究重组 COS-7细胞中 DISC1的表达，发现C末端序列缺失改变DISC1的亚细胞分布。DISC1的亚细胞系非常复杂，与线粒体功能缺陷的交互作用造成细胞中线粒体的氧化磷酸化障碍、钙失稳态、以及诱导细胞凋亡等，这些都与精神分裂症的病理机制有关。

Atkin等［25］结合生物化学和活细胞共聚焦视频显微镜观察到，由DISC1基因形成的不溶解蛋白聚合物能够影响细胞的功能;同时，大的不溶解蛋白聚合物能够通过打乱细胞内重要细胞器的转运功能对神经元产生病理影响，如线粒体。这些证据表明在精神分裂症患者中由DISC1形成异常的不溶解蛋白聚合物可能是精神疾病发病的重要机理。

4 总结与展望

目前对精神分裂症的诊断仍缺乏生物学标志，其致病机理也尚未完全被阐明。近年来，随着细胞生物学、分子遗传学、分子生物学等学科的不断发展，为研究精神分裂症扩充了新的理论与技术方法。关于线粒体与精神分裂症发病机制的关系，科学家们一直在探索，相信随着研究的不断深入，这些研究能够为精神分裂的诊断与治疗提供帮助。

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