帕金森病发病机制的研究进展

张小明 任姜汶 李雪芬 刘伟 田福华

·综述·

帕金森病发病机制的研究进展

张小明 任姜汶 李雪芬 刘伟 田福华

帕金森病(parkinson’s disease, PD)是一种常见的中枢神经系统变性疾病, 其特征性病理变化是中脑黑质致密部(substantia nigra pars compact, SNpc)含黑色素的多巴胺(dopamine, DA)能神经元变性缺失, 残存的神经元胞质内出现以聚集化的α-突触核蛋白(α-synuclein, α-syn)为主要成分的嗜酸性包涵体, 即路易小体(lewy body, LB)。该病好发于50岁以上的中老年人, 其主要临床特征为运动迟缓、静止性震颤、肌强直和姿势步态异常, 其机制尚不十分清楚。本文旨在探讨PD的发病机制。

帕金森病；α-突触核蛋白；神经元

1 氧化应激

大量研究表明氧化应激在PD的进程中起着重要作用［1-6］。活性氧自由基(ROS)是氧化应激发生的主要诱因之一,其主要包括NO、H2O2、NO-、OH-和等。当外界因素诱导体内ROS大量积聚或者体内抗氧化水平下降导致ROS清除力下降, 就易发生氧化应激。ROS可以使氨基酸上的氨基变为羟基-, 致使蛋白质失活。羟基又可以诱导脂质、蛋白质、核酸等发生功能性改变。ROS也可以直接导致DNA断裂、脂质自氧化、Ca2+失衡、线粒体功能障碍等［7-11］。Ca2+被认为是诱导神经细胞死亡的主要介导子之一, Ca2+浓度的增高不仅可以激活NOS等Ca2+依赖酶, 还可以诱导线粒体内一氧化氮合酶(ROS)的大量产生, 导致线粒体结构和功能损伤［7,8］。NOS是NO合成的关键限速酶, NOS的增加会引起和NO的产生［9］。是免疫炎症级联反应的始动因子, 在小胶质细胞激活10~30 min后即可检测到［9-11］。不仅可以在细胞外直接损害DA能神经元, 还可以进入细胞内, 刺激细胞内氧自由基的大量产生, 进而激活NF-κB, 产生大量前列腺素E2(PGE2)、肿瘤坏死因子-α(TNF-α)、白介素-1β(1L-1β)、γ-干扰素(INF-γ)等炎症因子［7-10］。这些炎症因子的大量聚集可以激活NOS, 进而导致NO的大量产生。NO的积聚对DA能神经元会产生较强的毒性作用,如：可以引起TH的亚硝酰化, 导致蛋白质功能变性；与结合产生ONOO-, ONOO- 通过自氧化、硝化蛋白质、脂质DNA等途径引起细胞损伤甚至凋亡［10］。神经黑色素是DA氧化的重要产物, 神经黑色素的自动氧化及与Fe3+的高亲和力可以产生和, 使Fe3+转化成Fe2+, 加快OH-生成。临床发现PD患者脑中Fe2+/Fe3+比例明显增加, Fe2+与黑色素的结合更加重了氧化反应, 引起细胞损伤。大量研究表明PD患者处于氧化应激状态。PD患者黑质的生化和药理学特性使其处于一个高毒性环境。HPLC及ESR检测PD患者黑质发现, 其类固醇过氧化物比正常人高10倍左右。黑质中一些氧化损害标志物明显增加, 如：脂质、错误折叠蛋白质、DNA的过氧化物产物MDA、碳酰化蛋白和8-羟基鸟氨酸(8-hydroxyguanosine, 80 HdG)［9,10］。此外, 研究发现PD患者SNpc中谷胱甘肽(glutathione, GSH)减少可达40%, 过氧化氢酶(CAT)和谷胱甘肽过氧化物酶(glutathione peroxidase, GSHPx)的活性都有下降, 表明其抗氧化系统功能降低［7-11］。抗氧化功能的降低势必会导致ROS、NO等的异常增加, 进而引起线粒体复合体Ⅰ活性明显下降, ATP耗竭, 自由基的大量产生, 进而诱导氧化应激［9-11］。

2 线粒体功能障碍

20世纪80年代末, Schapira首次报道PD患者黑质区线粒体复合物Ⅰ的活性下降, 随后Mizuno发现纹状体区线粒体复合物Ⅰ的一些亚单位活性降低。经定量分析发现, 其活性下降最大可达35%, 且黑质部的线粒体复合物Ⅰ活性降低最为明显［11-13］。另有研究发现, 几乎PD患者的全身组织均可见线粒体复合物活性下降［13］。引起线粒体功能障碍的因素很多, 目前研究比较多的有环境因素、遗传因素等。流行病学调查发现, 长期暴露于杀虫剂、除草剂、重金属等环境中的人可增加患PD的几率。而这些毒素在实验动物中均可以阻滞线粒体复合物Ⅰ的活性, 诱导PD［6,13］。线粒体是体内的“能量加工厂”, 其功能障碍必然会导致体内ATP合成不足, 进而引起无氧酵解增加、细胞酸中毒等, 导致细胞内外离子失衡, 如Na+、Cl-、Ca2+内流增加［14］。线粒体呼吸链是体内自由基产生的重要场所, 当体内自由基异常增多, 就会损害线粒体膜和mtDNA, 抑制线粒体呼吸链复合物Ⅰ的活性, 加重能量合成障碍, 进而又引起自由基大量产生, 形成恶性循环。自由基的大量积聚又会进一步破坏细胞结构的完整性, 损害细胞膜和溶酶体膜, 引起溶酶体释放, 水解细胞内物质, 导致DA神经元变性死亡［15-17］。大量研究表明, 线粒体主要通过诱导凋亡蛋白及Bcl-2家族调节凋亡的进程。线粒体内外膜之间含有中细胞色素C(CytC)、凋亡诱导因子(AIF)等与凋亡相关的蛋白质。CytC在ATP的参与下, 与调亡蛋白酶激活因子-1(Apaf1)形成复合体, 激活半胱氨酸蛋白酶-3(caspases-3), 使染色体凝集, DNA断裂, 诱导凋亡。AIF可以直接使细胞核染色体凝集, 诱导线粒体释放CytC和半胱氨酸蛋白酶(caspases), 凋亡诱导基因bax也可诱导CytC释放,激活线粒体依赖的caspases家族, 诱导凋亡［14-19］。

3 炎症

PD患者脑组织的炎性改变研究始于McGeer等对SNpc分布的激活的人白细胞OR抗原(HLA-DR)阳性小胶质细胞的描述［20］。小胶质细胞是脑内最重要的免疫细胞。研究发现PD患者脑中的小胶质细胞数量明显高于正常人。小胶质细胞的活化不仅可以分泌大量促炎因子如：PGE2、TNF-α、1L-1β、INF-γ等, 而且可以导致自由基的大量聚集, 如：NO、H2O2、NO-、OH-和损害DA能神经元［21］。研究发现PD患者脑中炎症因子的数量是正常人的数倍甚至数十倍［22］。这些因子可诱导胶质细胞表达CD23, 进而激活NOS,产生大量NO。NO对DA能神经元会产生较强的毒性作用,如：可以引起TH的亚硝酰化, 从而改变蛋白质的功能；与结合产生毒性更强的ONOO-, ONOO-通过自氧化、硝化蛋白质、脂质DNA等途径引起细胞损伤甚至凋亡；破坏线粒体呼吸链, 导致线粒体膜电位降低, ATP耗竭；硝化酪氨酸残基, 生成3-NT, 引起蛋白质错误折叠；置换血红蛋白上的Fe3+, Fe3+与Fenton生成氧自由基, 进而激活NF-κB, 产生其他毒性因子, 使脂质自氧化、DNA断裂、蛋白质功能改变, 导致神经元死亡［20-23］。

4 兴奋性毒性

经典兴奋性毒性是由于细胞外谷氨酸水平升高致使神经元持续去极化, 继而触发一系列细胞内事件, 最终导致细胞死亡。这一级联反应一般包括3个基本事件：依赖性钠内流、依赖性钙内流和依赖性谷氨酸胞外分泌［24］。NMDA受体是介导兴奋性毒性的主要受体, 这与它对Ca2+高度通透的特性密切相关。NMDA受体的激活除了使突触后模除极、诱发动作电位外, 还能增加细胞内Ca2+浓度［25］。自由基是兴奋性毒性过程中产生的第三位接力者, 其对细胞器的破坏是致死性的, Ca2+浓度的改变、NOS的激活、线粒体功能紊乱都可以产生大量自由基［26］。一般认为, 兴奋性毒性引起PD归因于它能诱导细胞死亡, 这又主要归因于丘脑基底核的过度激活, 调节谷氨酸盐的水平, 并对SNpc和苍白球进行神经支配。兴奋性毒性也可导致线粒体功能障碍［27］。大量实验研究表明,兴奋性毒性可以导致DA能神经元的变性死亡。丘脑基底核的过度激活和簇状放电在PD动物模型和PD患者中也都得到一致的证实, 表明兴奋性毒性与PD密切相关［28,29］。

5 泛素蛋白酶系统功能障碍

泛素蛋白酶系统(ubiquitin-protea-some system, UPS)是细胞内蛋白质降解的重要途径之一。UPS功能异常被认为可能是PD发病的重要机制之一［30］。UPS是细胞内特异性降解蛋白的系统, 细胞内的大部分蛋白质都是通过UPS系统降解,其降解过程是高度复杂且受严格调控的, 其能快速降解体内衰老、损伤及突变等不正常的蛋白质, 以保证体内细胞的质量, 并为细胞的正常代谢提高能量［31］。PD的病理性标志LB是一种嗜酸性蛋白包涵体, 其核心主要由脂质构成, 而周围的蛋白成分主要包括α-syn、泛素、蛋白酶体亚单位、泛素化蛋白羧基端水解酶(UCH-L1)、Parkin等［30-32］。当异常、突变、氧化修饰的蛋白超过了细胞的降解能力或者UPS功能受损都可以导致这些蛋白聚集, 而聚集体内成分α-syn过量表达或突变也会削弱UPS的功能, 形成恶性循环［32-34］。研究发现, 野生型或者突变的α-syn过多会导致UPS功能受损,进而会导致α-syn的集聚, 而α-syn的集聚会进一步抑制UPS的功能［34,35］。此外, Parkin基因在正常情况下被认为是一种泛素连接酶E3, 当Parkin突变或者过度表达时, 会导致E3连接酶活性下降, 导致不能有效泛素化的底物在细胞内集聚, 进而引起神经变性甚至细胞死亡［35］。DJ-1是与早发性PD相关的一个基因, 其具有抗氧化的作用, 可以保护或者挽救被氧化应激损伤的蛋白。DJ-1的L166p突变会引起早发性PD, 早期研究显示这种突变仍具有活性, 但比野生型DJ-1更容易被UPS识别降解, 推测UPS可能因为过度清除这种仍有活性的突变蛋白而导致PD的发生。氧化应激和线粒体功能障碍也会影响UPS功能, 共同参与PD的发病［36］。UCHLl是一种神经元内特异性ATP依赖性蛋白, 参与泛素介导的蛋白降解过程。该蛋白占大脑总蛋白的2%, 其突变首先发现于德国家系, 它的突变可造成α-syn的异常集聚, 由此形成LB, 造成PD的发生［36,37］。

6 细胞凋亡

凋亡是一种生理或病理条件下由基因调控的细胞死亡程序, 这种细胞自杀程序在进化过程中高度保守, 一旦失控就会发生各种疾病。细胞内外的各种信号可通过半胱氨酸蛋白酶家族(caspases)降解底物蛋白, 诱导凋亡发生。其途径主要有死亡受体介导的非固有凋亡通路、线粒体介导的固有凋亡通路、JNK途径和凋亡调控基因等［38］。死亡受体通路主要是通过活化的caspases-8和caspases-10进一步激活caspases-3, 降解蛋白, 诱导凋亡。线粒体是凋亡发生的重要场所, 在外界因素的刺激下, 线粒体渗透性转运孔开放,释放CytC和其它促凋亡多肽, CytC与凋亡蛋白酶激活因子(Apaf1)结合后可促使Apaf1形成寡聚体, 其与caspases-9前体聚集形成凋亡小体, 激活caspases-3, 诱导凋亡［3,29］。JNK属于丝裂原激活蛋白激酶组成员, 在环境应激和生长因子剥夺时激活。JNK可以通过磷酸化Bcl-2或者激活p53进而拮抗Bcl-2的抗凋亡功能, 诱导凋亡［3］。凋亡调控基因主要包括Bcl-2家族、p53、NF-κB等。Bcl-2家族有抗凋亡蛋白(如Bcl-2、Bcl-xL)和促凋亡蛋白(如Bax/Bak), 主要通过线粒体渗透性, 调节CytC的释放发挥作用。p53可以通过降低Bcl-2的表达, 增强Bax的表达, 从而使Bcl-2/Bax蛋白表达比例失衡, 诱导凋亡。NF-κB对细胞死亡具有双重调控作用［3,5,29］。正常情况下, NF-κB对DA能神经元具有保护作用,但过度激活的NF-κB会损害DA能神经元［5］。目前, 研究发现部分基因与凋亡关系密切。Dauer等［3］的研究发现降低α-syn的表达能预防MPTP诱导的神经元变性。在SHSY5Y细胞中, 降低Parkin的表达, DA自氧化加强, 进而引起DA代谢产物的聚集和caspases的激活, 诱导凋亡。而过度剥夺的Parkin能显著减弱JNK途径和caspases的激活,亦能降低ROS的水平［3,5］。

7 自噬

一般认为, 自噬是存在细胞中的一种非选择性降解机制。正常情况下, 其不但可以在应激或饥饿的情况下为细胞代谢提供必要的能量, 还可以清除衰老或有缺陷的细胞器［35］。自噬的过度发生会诱导凋亡。自噬可分为大自噬、小自噬和分子伴侣介导的自噬(CMA)［39］。LB的形成是PD的基本病理特征, 而α-syn是其主要成分［34］。研究发现, α-syn可以通过CMA降解, 而CMA不能清除突变型α-syn, 可能是因为α-syn与溶酶体相关膜蛋白2(LAMP2)有异常高度的亲和力, 这就导致α-syn和其他蛋白的大量积聚, 引发神经毒性［34,35］。肌细胞增强因子2D(MEF2D)与Hsc70的结合是神经元存活的重要因素［33］。研究发现, α-syn转基因小鼠和PD患者脑中MEF2D含量明显增高, 而野生型和突变型的α-syn可以阻断MEF2D和Hsc70结合, 损害DA神经元。抑制CMA后, MEF2D含量明显升高, 说明CMA可能通过调节MEF2D参与PD的进程［32-35］。LRRK 2是Funayama等对日本的一个常染色体显性遗传的PD家系进行全基因组连锁分析时首次发现的, 其在家族性及散发性PD中起着重要作用, 是迟发型PD最常见的原因［36］。研究表明LRRK2在脑中的激酶活性明显比其他器官高, 但在SNpc表达极低甚至缺失［36］。LRRK2自身可作为底物通过自身磷酸化提高LRRK2激酶活性, LRRK2突变导致的激酶活性异常增高可以直接导致DA神经元的损伤甚至死亡［33-36］。G2019S是最早发现的LRRK2突变位点, G2019S突变体具有较强的神经毒性, 可以使神经元失活, 进而导致LB的形成, 亦可通过线粒体途径DA能神经元［37］。2013年3月Orenstein等［37］报道CMA可以使LRRK2在溶酶体内降解, 但不能降解突变的LRRK2, 突变的LRRK2损害CMA清除突变型α-syn的功能,致使α-syn大量积聚, 损害DA能神经元, 诱导PD发生。

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2014-05-26］

基金支持：国家自然科学基金(81173590)

重庆市卫生局2012年医学科研项目(面上项目)基金(项目编号：2012-2-448)

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