线粒体功能障碍与帕金森病

柳毅刚，姜嘟嘟，靳令经

1. 同济大学附属同济医院神经内科，上海 200065 2. 上海中医药大学附属第七人民医院神经内科，上海 200137

帕金森病是一种常见的慢性渐进性神经系统退行性疾病，其病理特征为中脑黑质致密部多巴胺能神经元的缺失。然而，目前多巴胺能神经元缺失的分子机制仍不明确。

氧化应激反应被认为在多巴胺能神经元神经毒性中发挥着重要的作用[1]。环境因素及遗传因素如神经毒素、农药、杀虫剂以及与帕金森病相关蛋白的基因突变等，都会导致线粒体功能障碍[2]，继而促进氧化应激反应；而线粒体呼吸链复合体Ⅰ缺陷是导致帕金森病患者脑中大部分神经元变性的主要原因[3]。

1 线粒体功能障碍和氧化应激是帕金森病最显著的病理生理特征

线粒体功能障碍与活性氧生成增加密切相关[4]。活性氧（包括O2－、H2O2、HO2－、–OH等）在生物体中不断产生，其必须与抗氧化系统之间保持平衡才能维持氧化还原反应的平衡。如果过量的活性氧与抗氧化系统之间发生不平衡，就会导致氧化应激反应，进而引起氧化损伤。脑内过量的活性氧会导致核酸崩解和脂质过氧化等反应，引起细胞功能障碍，最终可导致细胞死亡和神经元丢失。无论是家族性还是散发性帕金森病，氧化应激反应都被认为是其共同的发病机制。

绝大多数的活性氧在线粒体中产生。作为主要的能量生成和细胞内活性氧产生的源泉，线粒体对于脑内神经元的功能和存活具有重要作用。氧化反应过程中产生活性氧之后，线粒体及细胞质中的超氧化物歧化酶和谷胱甘肽及其相关酶能将活性氧催化成二价氧和水，以避免对细胞造成损伤。

过量的活性氧可导致线粒体呼吸链合成腺苷三磷酸（adenosine triphosphate，ATP）障碍，并将活性氧泄入细胞质中[5]。活性氧的过量产生抑制了线粒体呼吸链复合体Ⅰ，复合体Ⅰ受到抑制又反过来促进活性氧的产生。线粒体呼吸链复合体Ⅰ缺陷是导致神经系统中细胞凋亡的主要原因，也被认为是引起帕金森病患者体内活性氧产生过量的主要原因之一。多项研究发现，散发性帕金森病患者大脑黑质区域中线粒体呼吸链复合体Ⅰ的活性减退[6]。活性氧还可以使蛋白质发生错误折叠，而蛋白质的错误折叠和蛋白质分解系统的功能障碍在帕金森病的神经退化过程中起重要作用[7]。线粒体功能障碍促进了氧化应激反应、衰老以及神经退行性改变[8]。目前，线粒体功能障碍和氧化应激被认为是帕金森病最显著的病理生理特征[9]。

2 线粒体功能障碍的常见原因

2.1 线粒体动力学与氧化应激

线粒体是一个动态细胞器，持续地进行聚合和分裂，这种动力学变化对保持线粒体稳定和功能十分重要。线粒体聚合可以交换线粒体内的成分（如线粒体DNA）[10]，而线粒体分裂能够隔离和消除不可逆损害的线粒体和线粒体内容物[11]。

正常的线粒体动力学对于保持线粒体完整性非常重要，线粒体动力学的改变对线粒体功能的各个方面都有显著影响，包括能量代谢、活性氧生成和细胞凋亡调节等[12]。线粒体分裂和聚合的平衡对细胞内的生理和病理条件非常敏感，如细胞内离子平衡、代谢变化、氧化应激状态等。低水平的过氧化氢已被证明能够通过调节分裂/聚合蛋白引起可逆的线粒体肿胀、碎裂和精细结构的改变[13]；细胞内持续的Ca2＋浓度增加引起的线粒体去极化也会导致大量的线粒体分裂；长期暴露在高糖环境下会引起活性氧生成增加[14]。

虽然线粒体动力学介导的活性氧过量产生的详细机制尚不清楚，但目前认为可能涉及线粒体超微结构和功能的缺陷。总之，线粒体聚合与分裂之间的动态平衡可以通过氧化应激反应来发挥作用，其异常可以进一步促进活性氧的产生。

2.2 线粒体DNA与氧化应激

有研究[15]发现，线粒体DNA似乎参与了帕金森病的发病过程；线粒体DNA突变可以导致呼吸链电子传递链效率下降，减少ATP生成而增加活性氧生成，而活性氧生成的增加反过来又可以导致更多线粒体DNA突变的聚集；不断增多的DNA突变和活性氧，进一步引起线粒体功能障碍和氧化应激反应，最终导致细胞死亡。线粒体DNA编码的复合体Ⅰ基因突变明显增加帕金森病的发病风险[16]；由于黑质多巴胺能神经元内含有高水平的促氧化剂和低水平的抗氧化剂（还原型谷胱甘肽），因此其特别容易受到氧化应激及其诱导的线粒体DNA突变的损害。在帕金森病患者的黑质神经元中已经观察到高水平的体细胞线粒体DNA突变[17]。线粒体DNA聚合酶γ突变的患者可以表现为类帕金森病样症状或者特发性帕金森病[18]，这些都表明线粒体DNA突变是帕金森病的发病机制之一。

2.3 神经毒素与氧化应激

线粒体呼吸链复合体Ⅰ抑制剂如1-甲基-4-苯基-1，2，3，6-四氢吡啶（1-methyl-4-phenyl-1,2,3,6-tetrahydropyridine，MPTP）、鱼藤酮等神经毒素对多巴胺能神经元有选择性细胞毒性。MPTP能通过抑制线粒体呼吸链复合体Ⅰ的活性而在人类和非人灵长类中引起类帕金森病样症状[19]。MPTP透过血脑屏障被氧化成1-甲基-4-苯基吡啶离子（1-methyl-4-pehnylpyridine，MPP＋），MPP＋聚集在线粒体内，抑制线粒体电子传递链，导致ATP生成减少、活性氧增加。因此，MPTP及其活性代谢产物MPP＋都被广泛应用于帕金森病的动物模型和细胞模型[20]。在人骨髓神经母细胞瘤SH-SY5Y细胞系和大鼠中脑多巴胺能神经元中，MPP＋能够促进线粒体破碎，同时减少ATP生成。线粒体破碎加剧了MPP＋的毒性效应，影响线粒体膜电位和活性氧的生成，最终导致细胞死亡。另一方面，活性氧生成增加也会加剧MPP＋诱导的线粒体破碎，使MPP＋的毒性效应进一步增强[21]。

2.4 基因突变与氧化应激

许多蛋白如α-synuclein、PARKIN和PINK1等的编码基因突变都会引发与特发性帕金森病类似的家族性帕金森病[22]，这些基因都与线粒体功能和形态完整性相关。

α-synuclein聚集是家族性和散发性帕金森病的病理特征[16]。α-synuclein在多巴胺能神经元中聚集会降低线粒体呼吸链复合体Ⅰ的活性，增加活性氧的生成，并导致细胞死亡[23]。缺乏α-synuclein表达的转基因小鼠表现出对MPTP毒性的抵抗性增强，而α-synuclein过表达的小鼠则出现线粒体功能障碍和氧化应激反应增加[24]。过表达的PARKIN、PINK1、DJ-1基因能够部分挽救α-synuclein诱导的线粒体破裂。PARKIN和PINK1定位在线粒体上，其功能与线粒体的正常功能密切相关。PINK1是一种位于线粒体外膜的丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶[25]。PINK1聚集在受损线粒体外膜上，通过磷酸化作用将PARKIN转移到功能障碍的线粒体上[26]。黑质多巴胺能神经元需要通过PINK1抑制活性氧的生成来发挥其神经保护作用。动物模型研究发现，PINK1缺乏可导致线粒体形态异常、黑质多巴胺能神经元丢失、线粒体呼吸链复合体Ⅰ活性下降以及氧化应激易感性增加[27]。这些缺陷能被过表达的PARKIN所改善和修复。由此表明，PINK1作为PARKIN的上游分子调控PARKIN的功能且两者存在相互作用，这一通路可能具有调节线粒体内环境稳态的功能。人类PINK1基因突变可以导致线粒体缺陷和呼吸链异常[28]。发生PARKIN基因突变的人类，其线粒体呼吸链复合体Ⅰ活性也存在缺陷[29]。总之，PINK1/PARKIN基因能够直接影响线粒体动力学。

3 应用神经营养因子以线粒体为靶点治疗帕金森病的现状和潜能

关于神经营养因子对于线粒体的保护作用，目前已发表了一些相关研究的结果。在异氟烷诱导C57BL/6小鼠认知障碍模型中，腹腔内注射线粒体靶向性肽SS-31后，可以增强脑源性神经营养因子（brain-derived neurotrophic factor，BDNF）信号通路，逆转线粒体功能障碍，改善认知功能[30]。PEERI等[31]在人类运动改善代谢性疾病的研究中发现，运动可以增加BDNF的生成，进而促进线粒体生物合成，并通过加速自噬以清除受损线粒体。糖原合酶激酶3（glycogen synthase kinase-3，GSK-3）的激活在神经退行性疾病中发挥重要作用。GIMÉNEZ-CASSINA等[32]通过慢性抑制GSK-3的方式，促使BDNF分泌显著增加，从而抵抗线粒体功能障碍的发生。在线粒体毒素 3-硝基丙酸（3-nitropropionic acid，3-NP）诱导亨廷顿病模型中，BDNF介导了对3-NP诱导的线粒体功能障碍的神经保护作用。BDNF能够抑制线粒体释放凋亡蛋白、caspase-3激活和染色质凝聚，还能降低线粒体促凋亡蛋白Bim的水平[33]。WU等[34]发现，BDNF通过激活一氧化氮（nitric oxide，NO）、硫氧还蛋白和B淋巴细胞瘤 2（B-cell lymphoma-2，Bcl-2）信号转导通路来保护神经元，抑制3-NP诱导的线粒体功能障碍。

在人 β 淀粉样蛋白（amyloid β-protein，Aβ）1-42诱导SH-SY5Y细胞系阿尔茨海默病模型中，发现睫状神经营养因子（ciliary neurotrophic factor，CNTF）能够显著抑制Aβ1-42引起的线粒体功能障碍和丝裂原活化蛋白激酶的活化[35]。糖尿病周围神经病变患者的感觉神经元出现线粒体功能障碍时，使用CNTF能使线粒体内膜的极化状态回归正常，纠正寡霉素诱导的糖尿病神经元轴突线粒体的异常超极化。CNTF靶向改善线粒体功能和细胞的能量代谢，以提高轴突再生和防止糖尿病纤维变性。SALEH等[36]进一步研究发现，CNTF靶向改善糖尿病周围神经病变线粒体功能的方式为激活核因子κB（nuclear factorκB，NF-κB）和改善细胞的生物能学。

在麦芽酚铝诱导的线粒体和内质网应激神经元损伤模型中，胶质细胞源性神经营养因子（glial cell line-derived neurotrophic factor，GDNF）能够通过干扰线粒体和内质网介导的细胞凋亡来阻止麦芽酚铝诱导的神经元死亡。与BDNF类似，GDNF也能够抑制3-NP诱导的线粒体功能障碍导致的细胞死亡，从而保护纹状体神经元[37]。

实验研究发现，多种神经营养因子均有助于多巴胺能神经元存活。将GDNF注射入帕金森病恒河猴颈内动脉后，黑质纹状体系统功能恢复且运动症状有所改善，由此揭示GDNF既具有神经保护作用，还具有促进多巴胺能神经元损伤后修复的作用[38-39]。继GDNF、BDNF和神经秩蛋白（neurturin，NRTN）之后，有研究发现低质量浓度（0.05～0.25 ng/mL）及中等质量浓度（0.5～2.5 ng/mL）的中脑星形胶质细胞源性神经营养因子（mesencephalic astropcyte-derived neurotrophic factor，MANF）在保护多巴胺能神经元方面较GDNF和BDNF的选择性更高，促进多巴胺能神经元修复的作用更强，有望成为帕金森病治疗的新策略[40]。

4 小 结

综上所述，帕金森病的发病机制主要与线粒体形态、结构和功能异常（线粒体能量代谢障碍、氧化应激、神经元兴奋毒性、细胞凋亡）以及基因（α-synuclein、PINK1、PARKIN、DJ-1）突变等相关，尽管目前许多研究发现多种神经营养因子在糖尿病、认知障碍、缺血等模型中可以通过不同的作用机制和信号通路来改善线粒体功能障碍，但是现有的关于帕金森病治疗的研究并未过多地关注于这一领域。

目前，帕金森病的治疗仍然以补充多巴胺制剂为主，但是该治疗并不能延缓帕金森病的自然进程，且随着病程的发展会出现疗效减退以及异动症等不良反应。目前已发现多种神经营养因子具有改善线粒体功能、抑制氧化应激反应的特性，因此通过使用神经营养因子来改善线粒体功能有可能成为帕金森病治疗的新策略。