线粒体功能障碍、α-突触核蛋白与帕金森病

张如意 张 丽 李 林

(首都医科大学宣武医院药物研究室北京市老年病医疗研究中心北京市神经药物工程技术研究中心，北京100053)

帕金森病(Parkinson’s disease，PD)是一种中老年人常见的中枢神经系统退行性疾病，以震颤、僵直和运动不能为主要临床表现。帕金森病最主要的病理改变是中脑黑质多巴胺(dopamine，DA)能神经元的变性死亡、纹状体DA显著性减少以及黑质残存神经元胞质内出现路易小体。尽管确切的发病机制至今未明，有学者［1］认为基因突变线粒体功能障碍和氧化应激等多因素共同参与PD发病。

1 α-突触核蛋白(α-synuclein，α-Syn)与帕金森病

α-Syn是一种高度保守的含140个氨基酸的蛋白质，主要富集于突触前，在正常生理条件下处于随机螺旋的伸展状态［2］。尽管其生理功能尚不明确，但研究［3］显示，α-Syn在神经可塑性、调节突触小泡池、调节DA释放与合成、靶向多巴胺转运体至质膜的方面很可能发挥着潜在的功能。Perez等［4］的研究显示在α-Syn过表达或发生A53T突变时DA的释放降低。野生型及A53T、A30P突变型α-Syn的过表达会损伤原代中脑神经元的轴突生长并且影响轴突分支［5］。寡聚的α-Syn可经由干扰微管与驱动蛋白间的相互作用而直接影响轴突运输［6］。

α-Syn是第一个被确定与PD相关的基因突变蛋白，其53位(A→T)，30位(A→P)以及46位(E→K)氨基酸的突变可导致家族性PD的发生。随后，又发现α-Syn是路易小体的主要成分，α-Syn被证实也与散发性PD相关［7］。α-Syn的高级结构包括寡聚体、前原纤维(protofibrils)、原纤维(fibrils)和细丝(filaments)。α-Syn被证实以纤维状形式存在于路易小体中。Lee等［8］提出:前原纤维和原纤维似乎是其毒性最强的形式;这些高级结构的稳定化可能是PD发病机制的核心问题。Volpicelli-Daley等［9］的实验表明少量的外源性α-Syn原纤维可以经胞吞作用进入小鼠原代海马神经元，可以引起内源性可溶性α-Syn转变为不溶性的病理性路易小体样物质。这些聚集物最初形成于轴突，将内源性α-Syn远隔于突触前末梢，随后扩散到胞体。经过一段时间后，这些α-Syn聚集体会导致选择性的突触蛋白的改变，损害神经元兴奋性和连接，最终导致神经元死亡。尽管已经认识到α-Syn的错误折叠可促进细胞死亡，但是对于引起α-Syn错误折叠的原因却并不明确。散发性PD中引发α-Syn聚集的原因目前有2种假设:①线粒体复合体Ⅰ功能的破坏可能导致胞内活性氧增加，从而造成多巴胺神经元细胞的死亡。②多巴胺的异常代谢可以产生许多活性氧产物，而这些有害产物可以引起蛋白质包括α-Syn、DNA和脂类分子的氧化修饰，并造成其结构功能的受损，最终有可能造成细胞亚结构膜完整性的丧失。研究［10］显示，线粒体功能障碍很可能影响α-Syn的正常功能。

2 线粒体功能障碍与PD

帕金森病分为家族性和散发性帕金森病。家族性帕金森病的发病原因是由于遗传基因的改变导致线粒体异常，散发性帕金森病的发生则与环境中的神经毒素如 1-甲基-4-苯基-1，2，3，6-四氢吡啶(1-methyl-4-phenyl-1，2，3，6-tetrahydropyridine，MPTP)、鱼藤酮及百草枯所引起的线粒体功能障碍相关。

线粒体被认为是细胞的“能量站”，并且调控基因表达和细胞凋亡等过程。有证据［11］表明，能量代谢障碍是许多神经退行性疾病早期阶段的关键因子。帕金森病患者的多巴胺能神经元的轴突长且薄，几乎不含髓鞘［12］，轴突功能的完成需要 ATP的支持，而ATP由线粒体供给。线粒体对轴突形态和功能的维持具有重要影响［13］。轴突运输的严格调控对于维持神经元的正常结构和功能非常重要。研究［14］表明，将α-Syn运输到远端的轴突转运一旦变缓就会导致α-Syn在胞体内的聚集，加重细胞的损伤。

线粒体在为细胞活动提供能量的同时也不可避免的产生了大量的活性氧(reactive oxygen species，ROS)。复合物Ⅰ是线粒体呼吸链中最大的复合体，是线粒体发挥氧化磷酸化功能的关键，其结构和功能也最易受到损害。对散发性PD患者尸检发现，其黑质纹状体神经元内线粒体复合物Ⅰ的活性及相关蛋白明显下降［15］，提示线粒体功能缺陷可能与散发性PD的发病有关。“氧化应激学说”被认为贯穿于帕金森病的发生与发展过程中。来源于机体正常和异常反应中的氧化物，ROS和活性氮(reactive nitrogen species，BNS)等都会给细胞带来严重的损伤［16］。线粒体功能障碍不仅在黑质多巴胺能神经元中并且在全脑中起着重要的作用［17］。大脑皮质线粒体的氧摄取和复合体Ⅰ的活性在PD患者是显著降低的，这些变化被认为是线粒体氧化损伤的结果。由于黑质致密部的高多巴胺代谢，神经胶质细胞的广泛存在以及此区域极低的抗氧化能力，ROS的生成会对此区域产生很大的影响。有学者用布洛芬治疗鱼藤酮大鼠模型中的氧化应激，取得了很好的效果［18］。

α-Syn可以通过与线粒体的联系来影响ROS。有研究表明，野生型和/或突变型α-Syn可以引起ROS积累［19］并经氧化作用修饰线粒体蛋白［20］。这些发现提示，在α-Syn与线粒体功能障碍间必然存在着某种密切的联系。

3 α-Syn与线粒体功能障碍

最近，线粒体复合体Ⅰ抑制剂1-甲基-4-苯基-吡啶(1-methyl-4-phenylpyridinium，MPP+)的神经毒性与α-Syn表达之间的关联引起了广泛的关注。α-Syn可以影响线粒体的功能。据报道［21］，α-Syn基因敲除可以保护SH-SY5Y细胞对抗MPP+的神经毒性。过表达α-Syn的小鼠对线粒体毒素百草枯更敏感。Martin等［22］报告，过表达人 A53T α-Syn的转基因小鼠显示出线粒体异常，包括线粒体DNA损伤和退行性变。此外，Betts-Henderson等［23］报告，PD 患者的黑质和纹状体有α-Syn蓄积和线粒体复合体Ⅰ活性降低，线粒体突变的患者有路易小体出现。野生型或A53T突变型α-Syn可选择性抑制来源于细胞系以及转基因小鼠脑线粒体复合体Ⅰ的活性［24］。用siRNA干扰后，α-Syn的表达缺失反过来也会通过影响复合物Ⅰ和Ⅲ之间的电子流来影响呼吸酶的功能［25］。关于α-Syn影响复合体Ⅰ功能的机制尚不明确，但很可能是突触核蛋白与线粒体直接作用的结果。

α-Syn可以直接破坏线粒体的形态并且可以迅速、特异地与线粒体膜相结合［26-27］。其作用机制尚未被证实，但很可能是突触核蛋白与心磷脂直接作用的结果。α-Syn对心磷脂具有高度亲和性，而心磷脂在线粒体外膜、尤其是内膜中含量丰富。在培养的细胞中，α-Syn升高会引起线粒体的结构破坏，导致其长度/宽度下降［28］。

线粒体功能障碍也会对α-Syn的正常形态与功能产生不利影响。线粒体不仅是ATP生成的主要场所，也是产生ROS的主要源泉。ROS可以促进α-Syn的聚集，聚集后的α-Syn的清除需要泛素蛋白酶体系统消耗ATP，从而形成了一个恶性的循环。即由于α-Syn的聚集导致线粒体功能失常，而引起ATP生成减少和活性氧的生成增加，活性氧增多会进一步促进α-Syn的聚集，ATP的减少也使降解途径受阻导致α-Syn聚集［29］。聚集后的α-Syn最终引起细胞的死亡［30］。

综上所述，突触核蛋白与线粒体都在PD发病机制中起着非常重要的作用，诸多线索提示二者很可能共同发挥作用。目前的研究对于突触核蛋白与线粒体发生相互作用后会对线粒体功能、突触核蛋白功能以及神经元存活产生怎样的生物学影响知之甚少。对突触核蛋白以及线粒体在PD发病中发挥作用机制的深入了解将对研发新的PD治疗方法具有重要意义。

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