星形胶质细胞与帕金森病相关基因的研究进展

钟 侦，吕钱坤综述，黄 卫审校

帕金森病(Parkinson’s disease，PD)是一种患病率随年龄增长而增加的神经系统变性疾病，约影响65岁以上人群的1%。帕金森病病因在大多数患者中仍然未知，但目前普遍认为与环境、遗传和年龄等因素相关，其中遗传因素在疾病的发展进程中起重要作用。星形胶质细胞(AS)是重要的神经胶质细胞，广泛参与了中枢神经系统(CNS)的功能发育，其功能障碍将会导致一系列神经系统变性疾病,包括PD；近些年许多研究证据表明，星形胶质细胞与帕金森病相关基因有关；由于部分基因参与调控星形胶质细胞的病理，这些基因的突变可能改变星形胶质细胞的功能，从而有助于帕金森病的发生和发展。因此，本文就星形胶质细胞与这些帕金森病相关基因的相关性作一综述。

帕金森病是继阿尔茨海默病(AD)后第二常见的慢性神经系统变性疾病，其主要病理特征是黑质致密部(SNpc)多巴胺能(DA)神经元的大量丢失和路易小体的形成[1]。PD发病机制复杂，多种致病因素如环境、年龄、遗传因素等通过氧化应激、线粒体功能障碍、炎症反应、Ca2+稳态失调、兴奋性毒性、细胞凋亡等病理机制导致DA神经元大量丢失，对PD病理的发生发展有很大的影响，其中遗传因素的作用较为关键。目前已知29种帕金森病相关基因，其中常染色体显性遗传：LRRK2(PARK8)、SNCA(PARK1/PARK4)、VPS35(PARK17)、GCH1、ATXN2、DNAJC13(PARK21)、TMEM230、GIGYF2(PARK11)、HTRA2(PARK13)、RIC3，EIF4G1(PARL18)、UCHL1(PARK5)、CHCHD2(PARK22)、GBA、MAPT；常染色体隐性遗传：PRKN(PARK2)、PINK1(PARK6)、DJ1(PARK7)、ATP13A2(PARK9)、PLA2G6(PARK14)、FBXO7(PARK15)、DNAJC6(PARK19)、SYNJ1(PARK20)、SPG11、VPS13C(PARK23)、PODXL、PTRHD1；X连锁遗传：RAB39B、GLUD2。星形胶质细胞是维持中枢神经系统(CNS)稳态的神经胶质细胞之一，不仅参与大脑组织结构发育、神经元能量代谢、血脑屏障的形成和功能调节、突触的发生，还能够摄取谷氨酸调节神经递质的周转以促进神经传递[2]。

研究表明，星形胶质细胞通过释放多种神经营养因子BDNF、GDNF等以及抗氧化剂谷胱甘肽(GSH)对神经元发挥保护作用[3]。然而，在病理条件下，诱导活化的星形胶质细胞释放的一氧化氮(NO)、肿瘤坏死因子(TNF-α)、活性氧(ROS)等促炎因子和细胞毒性因子将对中枢系统神经元造成损伤[4]。近年来大量研究致力于探讨遗传因素造成的星形胶质细胞病理改变对神经退行性疾病(包括PD)的影响，已经证实部分帕金森病相关基因DJ-1、SNCA、PINK1、LRRK2、PRKN、ATP13A2、MAPT、PLA2G6、GBA参与调控星形胶质细胞病理，这些基因的突变很可能改变星形胶质细胞的功能，从而有助于帕金森病的发生和发展。因此本文综述了这部分基因与星形胶质细胞的相关性及对PD病理发展的影响。

1 帕金森病相关基因在星形胶质细胞病理中的作用

1.1 DJ-1基因 DJ-1基因是PD的致病基因之一，其编码的DJ-1蛋白在抗氧化活性、转录调控、分子伴侣、蛋白质降解等多方面具有重要功能[5]。DJ-1基因主要通过上调转录因子SOX9和STAT3的水平来调控星形胶质细胞的增殖，它是Sox9和STAT3的正调节剂。然而有趣的是， STAT3和Sox9因子独立调节星形胶质细胞增生，当给予STAT3抑制剂时，发现其并不影响Sox9的mRNA水平，而Sox9 siRNA也不影响STAT3磷酸化，提示STAT3和Sox9可能是DJ-1的独立靶点[6]。DJ-1基因也可调控星形胶质细胞的抗炎反应。用脂多糖(LPS)处理小鼠原代星形胶质细胞的培养物后，发现DJ-1敲除的星形胶质细胞比对照组产生更多的炎症因子NO、COX2、IL-6，而慢病毒重新引入DJ-1减弱了对LPS的炎症反应。进一步的研究分析指出，LPS诱导星形胶质细胞活化后产生的促炎反应是由TLR4-ASK1-p38MAPK通路所介导的，DJ-1的缺失可以选择性阻遏这种通路，引起iNOS和COX-2分泌失调，从而导致过量神经毒性NO和前列腺素的形成[7]；DJ-1基因介导星形胶质细胞的神经保护能力也已经在一些病理模型研究中得到证实。在鱼藤酮诱导的帕金森病病理模型中，过表达DJ-1的星形胶质细胞能够减弱多巴胺能神经元受到的神经毒性损伤，然而这种保护机制并不是单一的，它可能包括保护线粒体功能、抑制氧化应激、抑制神经炎症、减少分子伴侣介导的自噬途径损害以及阻止α-突触核蛋白的积累[8]。此外一项研究揭示了这种神经保护作用的另一种机制。通过闭塞大鼠中动脉以模拟脑缺血再灌注损伤， DJ-1缺失的星形胶质细胞周围神经元活力明显下降，并导致脑修复延迟，之后重新引入DJ-1产生了相反的结果。这种神经保护机制可能涉及Nrf2/ARE通路的调节：DJ-1敲除后减弱了Nrf2/ARE结合活性，并降低了Nrf2/ARE驱动基因GCLC、GCLM和GSS的表达，下调了细胞内外GSH水平，导致细胞抗氧化活性明显减弱[9]。

1.2 SNCA基因 SNpc区域中死亡多巴胺神经元的细胞质中检测到称为路易体的蛋白质聚集体，这些蛋白质聚集体的主要成分是α-Synuclein，由SNCA基因编码。虽然星形胶质细胞自身表达非常低水平的α-Synuclein，但是有研究提出星形胶质细胞能够对α-Synuclein进行摄取，将内吞的α-Synuclein定位于溶酶体上，并对其进行清除和降解,然而，星形胶质细胞对α-Synuclein的摄取并不依赖于TLR4受体，但是目前尚不清楚其它受体也介导了星形胶质细胞对α-Synuclein的内吞作用[10]。研究表明，在原代星形胶质细胞的培养物中α-Synuclein可以通过TLR4信号激活星形胶质细胞从而产生炎症反应[11]。当神经元分泌α-Synuclein时，星形胶质细胞可以通过内吞作用将其摄取并降解，但是一旦星形胶质细胞内的α-Synuclein浓度达到某个阈值后，细胞外的α-Synuclein便诱导活化胶质细胞，使其产生炎症反应，进一步导致PD病理的发展。此外，除了诱导炎症产生损伤，野生型(WT)或突变型α-Synuclein的过表达还可以通过内质网状(ER)应激、氧化应激、线粒体损伤等机制诱导细胞死亡。在一项研究中，Liu 等发现在星形胶质细胞中的突变体α-Synuclein(A53T和A30P)通过蛋白激酶RNA样ER激酶/真核翻译起始因子2α(PERK/eIF2α)信号通路触发ER应激，并以CHOP(CCAAT-增强子-结合蛋白同源蛋白)介导的途径诱导星形胶质细胞凋亡。与此同时，还观察到GDNF的水平的降低，神经突向外生长部分受到抑制。提示α-Synuclein降低了星形胶质细胞的神经营养功能[12]；而在另一项研究中，当用鱼藤酮处理细胞时，造成线粒体膜电位丧失，在过表达α-Synuclein突变体的星形胶质细胞中，鱼藤酮的毒性作用表现的更为强烈和持续，使得星形胶质细胞对凋亡更为敏感，表明星形胶质细胞凋亡与α-Synuclein突变体的毒性有关[13]。

1.3 PINK1基因 PINK1基因是线粒体中编码丝/苏氨酸激酶的核基因组，其编码的PINK1蛋白是一种普遍存在的丝氨酸/苏氨酸激酶。一项研究显示，在小鼠胚胎发育时期，脑发育和神经干细胞(NSC)分化期间的PINK1表达增加；而PINK1缺乏在这些过程中降低GFAP表达，这意味着PINK1缺陷导致星形胶质细胞增殖缺陷，并减少了GFAP阳性星形胶质细胞的数量。与此同时，在PINK1敲除的小鼠脑切片中还观察到星形胶质细胞在胼call体和黑质网状结构中的位置和构型异常，这可能是导致PD发展的一种机制[14]。与WT相比，在PINK1缺失的星形胶质细胞培养物中，其数量显著减少；进一步研究分析指出，引起 WT和PINK1KO星形胶质细胞增殖差异的原因可能是由于PINK1缺乏增加p38活化，而抑制AKT活化和EGFR表达造成的[15]。PINK1缺失也与胶质细胞中神经炎症改变存在关联。当用LPS/IFN-γ处理PINK1缺失的混合胶质细胞培养物时，发现星形胶质细胞中促炎介质NO、iNOS表达显著增加，但是在小胶质细胞中却出现了相反的结果[16]。

1.4 LRRK2基因 LRRK2基因突变与常染色体显性遗传性晚期帕金森病有关，其编码的富含亮氨酸的重复激酶2(LRRK2)是一种具有活性蛋白激酶的复杂大蛋白。PD的病理标志之一是路易体的出现，这是细胞质内α-Synuclein异常积累的结果，表明蛋白清除缺陷可能有助于PD发病机制。为了支持这一点，PD患者死后脑样本分析报告了溶酶体标记物的减少和自噬体积累的增加，提示α-Synuclein的清除涉及到自噬-溶酶体途径，溶酶体功能障碍对PD的发病机制有很大影响[17]。在原代星形胶质细胞中，已经证实LRRK2能够调节溶酶体大小、数量和功能；而 LRRK2-G2019S、LRRK2基因的致病突变，通过增加溶酶体内ATP酶ATP13A2的表达降低溶酶体的pH值，并以激酶依赖的方式扰乱溶酶体的形态、功能[18]；此外，LRRK2突变还与细胞ER应激有关， LRRK2-G2019S定位于内质网膜上，其加速了用α-Synuclein处理的脑星形胶质细胞中的ER应激，并损害内质网Ca2+稳态，由此导致了细胞死亡[19]。

1.5 PRKN基因 PRKN基因编码的E3-泛素连接酶parkin蛋白是PD病理生理学研究的主要靶点，不仅在星形胶质细胞的增殖中起作用，而且对于维持正常的星形胶质细胞营养功能也十分重要[20]。在PRKN KO的星形胶质细胞中出现神经营养因子BDNF、GDNF表达水平显著降低，分析指出这种机制与核苷酸寡聚化结构域受体2(NOD2)分子有关。NOD2分子是Parkin的底物， Parkin通过调节NOD2的泛素化和降解，以维持正常星形胶质细胞神经营养功能。Parkin也与星形胶质细胞的炎症反应有关：通过IL-1b的激活导致Parkin下调，而通过TNF-α的激活诱导Parkin上调[21]。

1.6 ATP13A2基因 ATP13A2基因编码的是溶酶体型5ATPase蛋白(ATP13A2)，这种蛋白参与细胞Zn21稳态，其表达减少将会引起Zn21失调，进而出现线粒体功能障碍、溶酶体损伤及α-Synuclein聚集，这与PD病理的发生密切相关[22]。Qiao等发现小鼠星形胶质细胞能够表达ATP13A2蛋白，并且在MPP+诱导的PD病理模型中观察到，与WT星形胶质细胞相比，ATP13A2-KO的星形胶质细胞促炎细胞因子强烈表达以及神经营养因子的表达显著降低，这加剧了MPP+暴露后的DA神经元损伤；之后的研究结果指出，炎症因子的大量释放是由于ATP13A2缺乏的星形胶质细胞上调组织蛋白酶B的结果，后者引起NLRP3炎症小体的活化，从而加速了星形胶质细胞促炎因子的分泌[23]。

1.7 MAPT基因 MAPT基因编码的tau蛋白是一种高度可溶的微管相关蛋白(MAP)，研究发现，FTDP-17(17号染色体相关的额颞叶痴呆和帕金森综合征)，一种常染色体显性遗传的神经变性疾病和帕金森叠加综合征，其发病机制可能涉及到tau蛋白的突变[24]。Tau蛋白的过量聚集会改变星形胶质细胞的功能。研究发现在大多数tau蛋白过量聚集的星形胶质细胞中存在着胶质谷氨酸转运蛋白的表达降低。因此，tau蛋白积聚可以阻止星形胶质细胞内谷氨酸的降解和转化为谷氨酰胺；之后随着疾病的进展，这将导致更多的谷氨酸转化为GABA(γ-氨基丁酸)，从而干扰突触间神经递质的传递，这将对神经元兴奋性造成影响[25]。

1.8 PLA2G6基因 PLA2G6基因突变引起的磷脂酶相关神经变性(PLAN)是一种罕见的隐性遗传性神经变性，伴有脑铁蓄积。典型的PLAN最初描述于婴儿神经轴性疾病中(INAD)，而近年来的一些病例研究指出，PLAN变异也与早发型PD有关[26]。PLA2G6基因编码Ca2+非依赖性磷脂酶A2(VIA iPLA2)，该酶除了影响细胞磷脂稳态外，还能调节Ca2+的流入，对细胞内Ca2+稳态起重要作用。星形胶质细胞炎症激活与Ca2+信号传导的改变密切相关，且ATP诱导的Ca2+信号传导是星形细胞网络信号传递的关键。用脂多糖LPS促炎刺激原代星形胶质细胞6～24 h后，细胞内ATP诱导的Ca2反应在幅度和持续时间上显著增加。这种增加的幅度可通过内质网贮存中Ca2载量的显著增加来解释，而Ca2+反应扩增的分子机制则是VIA iPLA2表达和活性增加的结果[27]。因此当PLA2G6基因发生突变时，这可能会破坏ATP诱导Ca2+反应，从而影响细胞内Ca2+的稳态，导致不可逆的炎症损伤。

1.9 GBA基因 葡糖脑苷脂酶基因(GBA)编码的葡糖脑苷脂酶(GCase)，是一种参与糖脂代谢的溶酶体酶；在双等位基因状态下，纯合或复合杂合突变可以引起戈谢病(GD)，而杂合子突变则可增加PD的患病风险[28]；在原代GBA-KO星形胶质细胞和神经元的研究中， 出现自噬过程中LC3 Ⅱ蛋白的减少以及泛素化蛋白、不溶性α-突触核蛋白的累积，提示：自噬途径和蛋白酶体降解途径出现受损；此外，在本研究还观察到Gba-KO神经元和星形胶质细胞中线粒体静息膜电位的减少，线粒体碎片的增加，表明其线粒体功能出现失调[29]。

2 总结与展望

现有的证据表明，星形胶质细胞功能受损与PD的发病和进展密切相关，因此，其功能缺陷将增加PD的患病风险；近些年来，许多研究致力于探究遗传因素对星形胶质细胞病理的作用，从而对PD发病机制的影响。在本篇综述中，我们总结出 PD相关基因突变和或缺乏将引起星形胶质细胞功能缺陷。例如，DJ-1、SNCA、PINK1、PRKN、ATP13A2基因都对星形胶质细胞产生促炎反应；DJ-1、PINK1、PRKN调节细胞增殖，DJ-1、SNCA、PRKN、ATP13A2基因促使星形胶质细胞分泌BDNF、GDNF起神经营养作用；DJ-1、SNCA、ATP13A2、GBA基因影响线粒体功能；SNCA、LRRK2调节ER应激，而LRRK2、GBA调节溶酶体功能影响细胞自噬；然而并没有直接证据表明PLA2G6、MAPT基因与星形胶质细胞特定的病理相关，此外，其它PD相关基因是否对星形胶质细胞病理存在作用也还不清楚，仍需进一步探索；相信随着研究的深入，将会进一步加深人们对星形胶质细胞与PD相关发病机制的认识，这可能有助于帕金森病的早期诊断以及为新的治疗手段提供依据。