帕金森病的发病机制研究

崔亚欢 陈乃耀

帕金森病 （Parkinson disease，PD）是仅次于阿尔茨海默病的第二常见的神经退行性疾病，好发于60 岁以上人群。超过90%的PD 患者是特发性的，没有明确的病因。PD 主要病理特点为中脑黑质多巴胺能神经元严重缺失和纹状体多巴胺神经递质减少。临床特征是其标志性的运动症状，如静止性震颤、强直、运动迟缓和姿势不稳。各种非运动症状，包括阿尔茨海默病、便秘、抑郁症、感觉障碍、自主神经功能障碍及睡眠障碍等。目前的治疗方法并不会改变PD 的进程，约有25% 的患者最终会出现阿尔茨海默病。因此，深入探讨PD 的发病机制，并针对发病分子机制探讨新的治疗方法，以能够逆转或阻止疾病的进展是临床亟待解决的问题。近年来，PD 的发病机制研究已取得了一些积极的成果，我们对PD 的发 病机制的研究进行总结归纳，旨在为未来PD 的基础与临床研究提供线索。

1 PD 的发病机制

目前认为，氧化应激导致线粒体功能障碍、内质网应激导致的异常蛋白质折叠、神经炎症、微生物群-肠-脑轴及相关基因改变等因素与PD 发生发展密切相关。多个分子通路在网络中协同作用诱导多巴胺能神经元变性已成为PD 发病的中心环节。

1.1 氧化应激与线粒体功能障碍

活性氧是有氧代谢的副产品，是生物有氧代谢过程中产生的一类化学性质活泼的含氧代谢物，主要包括超氧阴离子、羟基自由基和过氧化氢。在原子或分子轨道中包含一个或多个未配对电子的分子实体或分子片段被称为自由基。生物体内自由基与活性氧联系十分紧密，许多非自由基活性氧可以转化为自由基，而自由基也可以介导含氧物质生成活性氧。它们共同的特点是化学性质活泼，容易与其他分子包括蛋白、脂类、核酸等生物大分子发生反应。正常情况下，机体通过“氧化还原调节”的机制控制活性氧产生和清除，以维持氧化还原稳态。细胞活性氧的积累是由一组内源性抗氧化防御系统控制，包括酶的和非酶的，这两种都可以预防或清除活性氧。其中，抗氧化酶包括超氧化物歧化酶、过氧化氢酶、谷胱甘肽S 转移酶和过氧化物酶等。生理状态下的活性氧是调节各种信号通路重要的氧化还原信使，在调控不同细胞代谢、蛋白质的转录后修饰和抗氧化防御机制方面起着至关重要的作用。而过量的活性氧会破坏细胞脂质、蛋白质或DNA 抑制细胞正常功能。氧化应激是细胞内氧化和抗氧化失衡而导致机体出现的应激损伤状态。有研究表明，细胞内活性氧产生的主要部位包括线粒体电子传递链、内质网和还原型辅酶Ⅱ氧化酶复合体。其中，线粒体电子传递过程中生成的活性氧被认为是体内活性氧最主要的来源。

线粒体电子传递链是哺乳动物细胞中ATP 的主要来源之一，因而对生命至关重要。在能量转导过程中，少量的电子过早地泄露给氧，形成自由基超氧化物，这是引起一系列疾病的病理生理学原因。线粒体超氧自由基的产生主要发生在电子传递链上的两个离散点，即复合物 Ⅰ（还原型辅酶 Ⅰ 脱氢酶）和复合物 Ⅲ（细胞色素C还原酶）。复合物Ⅰ 和 Ⅲ 也被认为是超氧化物和其他活性氧形成的场所。研究表明，未修复的线粒体DNA 损伤导致了有缺陷的复合物 Ⅰ 或 Ⅲ，这可能导致氧气的电子还原反应增加，形成过氧化物。线粒体作为活性氧产生的主要场所之一，尤其容易受到氧化应激损伤的影响。与核DNA 不同，线粒体DNA 不受组蛋白的保护，因此，容易被氧化损伤。由于线粒体DNA编码的大部分蛋白质都参与在电子传递链中，线粒体DNA 中的突变和缺失可能会干扰电子传递链和增加活性氧的形成，从而造成恶性循环进一步导致线粒体损伤。可诱导线粒体DNA 突变，破坏线粒体呼吸链、膜渗透性、钙离子稳态和线粒体防御系统。由于线粒体DNA 病变引起的超氧自由基浓度的增加会导致代谢氧化应激、细胞损伤和基因组不稳定性。

由于中枢神经系统富含多不饱和脂肪酸、高耗氧量和抗氧化防御能力相对缺乏，神经元细胞尤其容易受到氧化损伤的影响。大量证据表明，氧化应激的增加和细胞凋亡的改变是导致与年龄相关的神经退行性疾病的发病机制，其中，PD 大脑中多巴胺能神经元丢失的一个重要因素是活性氧，这是由多巴胺代谢、低谷胱甘肽以及黑质致密部中的高水平铁和钙引起的。多巴胺是一种不稳定分子，它会自动氧化形成多巴胺醌和自由基。在正常情况下，多巴胺的水平是通过单胺氧化酶A 的氧化代谢调节的。 在PD 和老化过程中，胶质细胞中生长的单胺氧化酶B 增加并生成过氧化氢。过氧化氢具有高度膜渗透性，它进入邻近的多巴胺能神经元，可以与亚铁离子反应形成羟基自由基造 成氧化应激。PD 另一个明显相关的因素是衰老。在衰老过程中，线粒体缺陷引起体内正常的氧化还原 稳态被破坏，活性氧的产生和线粒体DNA 的损伤随着年龄的增长而 增加，导致细胞内的活性氧水平升高。PD 相关的发病基因，如PTEN诱导假定激酶 1（PTEN induced putative kinase 1，PINK1），PARK2，Parkin，DJ-1 和富亮氨酸重复激酶2 （ leucine-rich repeat kinase 2，LRRK2）基因编码蛋白，这些蛋白调节线粒体活性氧稳态。PINK1、Parkin、DJ-1 和LRRK2 基因的突变导致了线粒体的扰动和氧化应激的升高。利用诱导多能干细胞衍生的来自患者的PINK1 或Parkin 突变中脑多巴胺神经元，发现异常线粒体的存在，并观察到细胞质a 核蛋白和多巴胺积累以及氧化应激和活性氧的增加。另一组利用LRRK2 突变的诱导性多能干细胞衍生神经元，发现参与氧化应激调节的基因表达和a 核蛋白水平的增加。提示PD 的进展可能是多种致病表型与细胞应激的相互作用的结果。此外，PD 中聚合的a 核蛋白抑制线粒体复合物 Ⅰ导致神经元的呼吸和ATP 产生减少，同时增加活性氧的产生。也可通过钙超载诱导线粒体去极化和自由基生成，最终导致线粒体通透性转换孔的开放，触发细胞死亡。

1.2 内质网应激与错误折叠的蛋白质

在真核细胞中，内质网功能涉及蛋白质的合成、折叠、修饰和运输；磷脂和类固醇的合成与分布；在其腔内储存钙离子，并将其调节释放到细胞质中。由葡萄糖饥饿、缺氧、钙稳态破坏或氧化应激导致未折叠或错误折叠蛋白的积累称为内质网应激。诱导这种细胞生理保护性反应称为未折叠蛋白反应。其目的是通过各种机制，恢复内质网的正常功能。如内质网分子伴侣蛋白的表达增加，以防止蛋白质聚集和促进正确的蛋白质折叠；通过对蛋白质翻译的暂时抑制，减少了通过内质网转运蛋白的数量；通过激活内质网相关蛋白降解的过程，增加未折叠蛋白的降解。在健康的细胞中，错误折叠蛋白和未折叠蛋白、正确折叠蛋白共同存在。在大多数情况下，天然的单体蛋白主要由a螺旋组成，而错误折叠的聚合物则富含β 折叠构象。错误折叠蛋白或被降解，或通过分子伴侣蛋白质正确折叠。分子伴侣是蛋白质质量控制的一个重要组分。主要的分子伴侣蛋白被称为热休克蛋白。分子伴侣蛋白质与新生的多肽结合并协助折叠；在某些情况下还能打开和重新折叠错误折叠的蛋白质；可以促进晚期折叠蛋白的降解与蛋白水解机制的协同，通过泛素蛋白酶体系统或自噬途径降解错误折叠蛋白质，或在各种细胞室中进行隔离。由于在转录和翻译过程中自发的错误、基因突变、有毒化合物和细胞应激，蛋白酶体或溶酶体途径的损伤降低了蛋白质的降解速率，错误折叠蛋白的积累仍会发生。同时，错误折叠蛋白可在神经元间传播和扩散，其机制涉及由外泌体的功能依赖性分泌和（或）分子伴侣介导通路。调节蛋白质的生产、折叠、贩卖、降解和清除的细胞机制的综合活动被称为“蛋白质内稳态”。在衰老或与错误折叠的蛋白质相关的疾病，细胞可能会经历“蛋白稳态的崩溃”，蛋白稳态的崩溃可能与泛素化包涵体有关。在蛋白质毒性应激、细胞老化或基因突变的条件下，蛋白质可以逃离细胞的质量控制系统，并开始聚集成为非原生结构，从寡聚物和无定形的聚集到高度有序的淀粉样蛋白和空斑。错误折叠蛋白可抑制突触功能，干扰信号转导途径，导致由泛素蛋白酶体系统介导的蛋白质降解功能紊乱，最终导致细胞死亡。

分子遗传学和生物化学研究认为，a 核蛋白寡聚物在PD 和相关疾病的发病机制中起着中心作用。生理状态下的a 核蛋白是一种140 种氨基酸的蛋白质，在突触前神经终端中高度富集，为可溶性N-乙基马来酰亚胺敏感因子附件蛋白受体复合体的分子伴侣，在神经递质释放的调控中发挥作用。病理学上，a核蛋白是路易小体在神经退行性疾病中的主要成分。PD 患者大脑黑质神经元的细胞质中观察到路易小体，其主要成分是a 核蛋白的蛋白质片段。a 核蛋白细胞内的聚集和积累可能是由于转录和转录后机制的过度表达及通过蛋白酶和溶酶体途径降解蛋白质的减弱所致。蛋白酶体损伤已被认为是PD 的一种重要的神经退化机制。在死后大脑的黑质中，26S/20S 蛋白酶体复合物亚基显著丢失，20S 亚基活性受损，并观察到内源性蛋白酶激活因子水平的降低。蛋白酶体失活可能是散发性PD 大脑中a 核蛋白的积累机制，而a 核蛋白聚合形式可能会进一步下调26S 的蛋白酶活性。在细胞的模型中，a 核蛋白过度表达或积累诱导细胞死亡或多巴胺诱导的细胞活力丧失增加。在病毒载体的PD 动物模型中，重组腺相关病毒2/7 载体介导的小鼠黑质中a 核蛋白的过表达可诱导蛋白聚集和渐进性神经变性。体外和体内观察发现，寡聚物比原纤维更容易产生明显的神经毒性作用。通过转基因和病毒介导的a 核蛋白过度表达，增加了蛋白质的聚集性，导致剂量依赖性毒性。相反，内源性a 核蛋白的去除也会产生类似的毒性。推测a 核蛋白功能丧失可能是其毒性的主要机制。由于在突触前末端失去了必要的a 核蛋白的功能，从而导致了a 核蛋白的聚集和毒性的产生。遗传学证据表明，聚集的a 核蛋白物的形成先于突触功能障碍和随后的神经元死亡。此外，a 核蛋白寡聚物和金属离子之间的相互作用可导致人类诱导性多能干细胞衍生神经元的氧化应激。从PINK1 或Parkin 基因突变患者的神经元中观察到的a 核蛋白积累，以及异常的线粒体形态和对氧化应激的敏感性增加。氧化应激不但促进致病蛋白质的聚集，并可导致年龄和疾病相关蛋白酶体系统的功能障碍以及自噬功能减弱或障碍。a 核蛋白的聚集可以中断线粒体复合物Ⅰ的活性，从而导致ATP 合成受损和线粒体功能障碍。a 核蛋白寡聚体通过钙超载诱导线粒体去极化和自由基生成，最终导致线粒体通透性转换孔的开放，触发细胞死亡。

1.3 神经炎症

神经炎性反应被认为是神经退行性疾病的主要致病因素之一，小神经胶质细胞是这些神经退行性病变的关键参与者。很多证据表明，小胶质细胞有两种替代激活表型，称为M1（促炎）表型和M2（抗炎）表型。小胶质细胞的这些不同激活状态的特征是分泌不同的细胞因子阵列。经典的M1 小胶质细胞激活的特点是产生促炎细胞因子，包括肿瘤坏死因子a，白细胞介素1β，白细胞介素6，白细胞介素12 和其他细胞毒性分子如超氧化物，一氧化氮和活性氧，有助于在损伤和感染期间扩增促炎反应。相反，M2 小胶质细胞通过拮抗经典M1 小胶质细胞和促进组织修复发挥免疫抑制作用。M2 小胶质细胞产生多种具有抗炎性质的细胞因子，如白细胞介素4，白细胞介素13，白细胞介素10 和转化生长因子β。错误折叠的蛋白质和环境毒素在PD 动物模型中诱导小胶质细胞向M1 表型的活化。a 核蛋白寡聚体可通过激活Toll 样受体2 介导的信号传导来引起小胶质细胞反应。小胶质细胞向受损和炎症区域的迁移受到受损神经元和相邻星形胶质细胞释放的ATP 的控制。此外，ATP 与P2Y 受体结合，主要由脑内小胶质细胞表达，并诱导产生高水平的白细胞介素1β，肿瘤坏死因子a 和一氧化氮。通过退化神经元产生的另一种蛋白质是间充质溶解素，其至少在体外也在调节小胶质细胞的活化状态中起重要作用。间充质溶解素在小胶质细胞-神经元共培养物中的过度表达引起小胶质细胞的显著活化并增加氧化应激反应。相反，用1-甲基-4-苯基-1，2，3，6-四氢吡啶显示的间充质溶解素-/-小鼠减弱黑质纹状体多巴胺神经元变性，小胶质细胞激活和超氧化物产生。如白细胞介素1β、肿瘤坏死因子a、白细胞介素6、白细胞介素8、白细胞介素33、趋化因子配体2、趋化因子配体5、间充质溶解素、P 物质、前列腺素E2 以及环氧化酶2 等，这些介质直接或间接通过小胶质细胞和炎性细胞影响神经元存活并诱导神经退行性病变。在生理条件下，外周免疫细胞如T 淋巴细胞和B 淋巴细胞在中枢神经系统中几乎不可检测。在感染或组织损伤后，血液单核细胞和组织驻留巨噬细胞迅速被激活并且分泌一系列的炎性细胞因子，如白细胞介素1β、肿瘤坏死因子a、白细胞介素6 以及趋化因子，这些细胞因子和趋化因子可以进入大脑并刺激小胶质细胞引发神经炎性反应，诱导神经元变性和死亡。

1.4 肠道微生物与微生物代谢产物

越来越多的研究报道了PD 中肠道微生物生态失调和微生物代谢物的改变。研究表明，PD 患者粪便中乳酸菌的数量较高，而普氏菌属、球状梭菌和脆弱杆菌的数量较少。在中国PD 患者的粪便中含有丰富的梭状芽胞属、水杆菌属、荷氏菌属、单胞菌属、梭状芽胞杆菌、丁基环菌和厌氧菌属，而乳杆菌属和七胞菌属则减少，且埃希菌属、志贺菌属与疾病持续时间呈负相关。短链脂肪酸是肠道微生物的重要代谢产物，主要包括乙酸、丙酸和丁酸，由复合碳水化合物的细菌发酵而成。作为神经调节剂，短链脂肪酸已被证明能抑制神经细胞炎症并调节肠神经内分泌系统，从而影响许多生化途径。短链脂肪酸调节神经递质的合成及其受体的表达，如多巴胺或γ 氨基丁酸受体。丁酸对迷走神经传入有直接作用，而丙酸诱导的肠道糖异生被认为是神经退行性早期的主要因素。此外，肠道微生物组分和肠道通透性的变化可能导致Toll 样受体的激活，这些受体识别在小胶质细胞和星形胶质细胞上表达的脂多糖等保守微生物相关分子模式。Toll 样受体的激活将进一步导致星形胶质细胞和小胶质细胞释放促炎细胞因子。特别是，脂多糖可能会改变肠道的稳态、炎症和通透性，此外，还可以激活各种免疫细胞，包括巨噬细胞、中性粒细胞和树突状细胞。一旦激活，这些细胞将产生大量的促炎细胞因子，如白细胞介素2、白细胞介素1β、白细胞介素6 和肿瘤坏死因子a，然后通过扩散和细胞因子转运蛋白穿过血脑屏障进入大脑。这些促炎细胞因子作用于神经元和胶质细胞表达的受体，从而导致神经元的神经炎症和死亡。肠道微生物的组成和丰富度的生理缺陷可以影响肠神经系统和中枢神经系统，表明存在微生物群-肠-脑轴并因此引起中枢神经系统疾病。

1.5 PD 的相关基因学

1.5.1 常染色体隐性遗传线粒体质量控制，特别是线粒体自噬的细胞过程（受损线粒体的选择性靶向和再循环）与许多隐性青少年发病形式的PD 密切相关。在幼年PD患者中发现了PINK1 和Parkin 的各种功能丧失突变。在生理条件下，PINK1 通过外膜转位酶和内膜转位酶复合物转移到内膜，由线粒体内膜菱形蛋白酶前体蛋白使其失活。在线粒体去极化或活性氧积累后，线粒体导入被破坏，PINK1 不能转移到线粒体内膜并停留在线粒体外膜中，在那里它积累并自磷酸化，从而导致其活化。激活的PINK1 将招募Parkin 作为线粒体自噬的第二个执行者。PINK1 在泛素样结构域的S65 上磷酸化Parkin，导致Parkin 的开放和活性构象。此外，PINK1 使残基S65 上的蛋白本身磷酸化。Parkin将各种线粒体外膜蛋白泛素化，如线粒体融合蛋白2。泛素化蛋白的积累触发了线粒体表面上P62 的募集。P62 反过来触发自噬体中受损线粒体的吞噬，导致其通过自噬途径降解。PINK1、Parkin 通路也参与了核聚变和裂变之间的平衡。线粒体融合蛋白2 是PINK1 和Parkin 的底物。泛素化和磷酸化导致其降解，在去极化后，PINK1 和Parkin 以其活跃的形式积累在线粒体外膜上，线粒体融合蛋白2 就会退化，随后线粒体支离破碎。

除了PINK1 和Parkin 之外，DJ-1基因的功能缺失突变与常染色体隐性早发性PD 相关，并且远比PINK1或Parkin 突变少见。DJ-1 蛋白被认为是细胞氧化应激的传感器。当应激发生时，DJ-1 蛋白被氧化并随后易位至线粒体。PD 相关的DJ-1 蛋白功能丧失与线粒体损伤和对复合物Ⅰ抑制的易感性增加有关。在基于患者的细胞模型中，DJ-1 蛋白功能的丧失与溶酶体活性降低和基底自噬减少以及功能失调的线粒体积累有关。这表明DJ-1 蛋白相关的致病途径与PINK1、Parkin 介导线粒体自噬的趋同，是线粒体功能失调的主要细胞降解途径。

1.5.2 常染色体显性遗传编码a突触核蛋白的SNCA 基因的突变与常染色体显性遗传的PD 相关。a 核蛋白水平的增加已被证明能诱导线粒体断裂，但也会由于呼吸速率下降和ATP 生成而导致能量平衡受损。此外，a 核蛋白的增加与钙离子从内质网向线粒体的转移增加有关，这可能是氧化应激的原因之一。编码葡糖脑苷脂酶基因中的杂合突变是散发性PD 的最常见危险因素。首先，葡糖脑苷脂酶的缺乏似乎会降低大自噬通量，这是由溶酶体功能受损所致。细胞器质量控制中的这种缺陷导致线粒体自噬的减少并导致功能障碍的线粒体的积累。自噬性损伤对神经细胞特别有害，细胞分裂后不能稀释受损的细胞器或未折叠蛋白质。葡糖脑苷脂酶功能受损使a 核蛋白降解失衡并且可能使溶酶体过载并随后积累a 核蛋白。来自葡糖脑苷脂酶突变携带者诱导性多能干细胞的神经元细胞内钙离子水平升高。错误折叠的突变葡糖脑苷脂酶向内质网累积导致未折叠蛋白反应功能障碍并可扰乱内质网相关的钙离子稳态。LRRK2 是PD常染色体显性遗传最常见的遗传原因。LRRK2 基因编码一个由2527个氨基酸组成的多结构域蛋白，该蛋白属于复杂蛋白质和复杂蛋白质末端结构域（ROCO）蛋白家族，由5 个功能结构域组成：富含亮氨酸重复序列、复杂蛋白质结构域、复杂蛋白质末端结构域、丝裂原活 化蛋白激酶和WD40 基因结构域。LRRK2 的复杂蛋白质结构域已被鉴定为功能性三磷酸鸟苷酶，其根据通过复杂蛋白质末端结构域形成二聚体来调节LRRK2 激酶活性。ROCO 和激酶结构域中的PD 相关蛋白变体增加激酶活性并引起神经元细胞死亡。LRRK2 的ROCO 中的突变导致线粒体动力学失调和自噬-溶酶体途径，细胞内运输和泛素-蛋白酶体系统的异常变化，进而导致神经元细胞死亡。LRRK2 致病性突变会影响小胶质细胞内化和降解a 核蛋白的能力，加剧a 核蛋白诱导的小胶质细胞病理学改变和神经元炎症。

2 存在的问题及展望

目前，PD 的发病机制得到了广泛研究并取得重大成果。现有的令人信服的证据表明，线粒体功能障碍、内质网应激、神经炎症、肠道微生物及微生物代谢物及PD 相关基因改变是神经退行性疾病中神经变性和神经元丢失发作和进展的关键因素。然而，这些机制在PD 中的确切作用尚未完全了解。我们需要进一步解释各个系统之间如何相互联系并积极研发拮抗各个系统的作用位点的药物来治愈PD，希望未来能够进一步了解PD 遗传与散发病因并提高诊断准确性和治疗性临床实验设计，为更多的老年人谋福利。◘

（摘自《中华老年心脑血管病杂志》2019年第1 期）