雌激素通过调控线粒体参与阿尔茨海默病的保护机制

赵伟 宋欣欣 侯越 周延萌(山东第一医科大学(山东省医学院科学院)药理学研究所,山东 泰安 271016)

阿尔茨海默病(AD)是一种常见的神经系统退行性疾病。大脑代谢下降、氧化应激、线粒体受损是AD 的一个早期症状,通常在细胞外β 淀粉样蛋白(Aβ)和细胞内神经纤维缠结(NFT)出现之前就已发生〔1,2〕。女性占AD 患者的三分之二,对该疾病更加敏感〔3〕。绝经后女性体内雌激素水平突然下降导致的雌激素缺乏已被认为是AD 发生的一个危险因素〔4〕。雌激素在细胞和动物模型中的神经保护作用已被证实,其中包括其对线粒体的作用〔5～7〕。

1 线粒体功能障碍与AD

线粒体是一种保守的细胞器,在不同的细胞过程中发挥多种功能,包括通过氧化磷酸化(OXPHOS)产生ATP、调节细胞程序性死亡、钙稳态及活性氧(ROS)的产生〔8～10〕,而紊乱的线粒体功能与神经系统异常密切相关。

1.1 AD 中受损的线粒体生物能量学 大脑作为高能耗器官极易受能量代谢受损的影响,即使大脑能量代谢的轻微变化也会导致神经元功能紊乱,而能量代谢受损则是AD 最早的病理特征之一。在早期AD 脑标本中,线粒体OXPHOS 中复合体Ⅰ(NADH-辅酶Q 氧化还原酶) 的mRNA 含量下降,而复合体Ⅲ(Q-细胞色素c 氧化还原酶)和复合体Ⅳ(细胞色素c 氧化酶)的mRNA 含量增加〔1〕。AD脑内线粒体复合体的差异改变,说明线粒体复合体的失调是AD 病理的重要驱动因素〔11〕。在AD 脑中,参与三羧酸(TCA)循环的酶活性也发生了不同的变化:丙酮酸脱氢酶、异柠檬酸脱氢酶和α-酮戊二酸脱氢酶活性降低,而琥珀酸脱氢酶和苹果酸脱氢酶活性增加〔12〕。从AD 脑中线粒体酶活性的研究表明,所有电子传递链(ETC)复合物的活性普遍下降〔13〕。

1.2 AD 中异常的线粒体动力学 线粒体是一种高度动态的细胞器,不断地融合和分裂以维持线粒体数量稳态〔8,10〕。线粒体融合与ATP 生成增加呈正相关,融合抑制则与OXPHOS 受损、线粒体DNA(mtDNA)耗竭和ROS 产生有关〔14〕。线粒体动力学调节对细胞的功能至关重要,并通过突触在神经元信号传递中发挥着关键作用〔9,15,16〕。越来越多的证据表明,含有GTPase 结构域的蛋白质在线粒体动力学中起着至关重要的作用,既可以促进线粒体分裂,如线粒体动力相关蛋白(DRP)1,又可以促进线粒体融合,如线粒体融合蛋白(MFN)1/2 和线粒体内膜融合蛋白(OPA)1。线粒体分裂或融合的失衡会导致多种神经疾病〔17～22〕。线粒体动力学受损会导致线粒体碎片化,这与DRP1 的功能改变干扰了分裂和融合之间的平衡有关〔23〕,对ETC 功能产生负面影响或增强ROS 的产生而导致线粒体生物能量学受损〔24〕,这都是AD 脑中的突出特征。线粒体融合和分裂在AD 线粒体功能障碍和发病机制中起着至关重要的作用,体内和体外实验都证实了这一点〔25,26〕。APP 过表达会引起M17 神经母细胞瘤细胞和原代神经元的线粒体碎片化,但β-分泌酶(BACE)1 抑制剂则会逆转其碎片化,表明Aβ 会导致线粒体碎片化。可溶性的Aβ 寡聚体会导致线粒体分裂和融合蛋白表达随时间和剂量依赖性变化,出现明显的线粒体功能障碍〔26,27〕。抑制线粒体分裂则可逆转APP 或Aβ 诱导的线粒体和神经元损伤〔23,25〕。

1.3 线粒体损伤增加AD 的氧化应激 线粒体呼吸的一个不可避免的副产品是超氧阴离子自由基(·O2-),主要是由参与ETC 的线粒体复合体Ⅰ和复合体Ⅲ产生〔27,28〕。当ROS 过量产生时,会诱导氧化应激,脂质过氧化,从而破坏蛋白质和DNA,而线粒体结构是其毒性的首要靶点〔29〕。尽管存在抗氧化系统,但线粒体极易受到氧化损伤,受损的线粒体导致ATP 的生成减少而ROS 的产生增多。因此氧化应激成为线粒体功能障碍的原因和结果。氧化损伤是AD 重要的病理特征。如在AD 患者的多个脑区中脂质过氧化产物如丙二醛(MDA)和4-羟基壬烯酸(HNE)增加〔30〕。另一方面,AD 患者脑内抗氧化水平、抗氧化酶表达和活性显著降低,许多抗氧化酶被氧化,使其功能受损。如AD 患者脑区谷胱甘肽(GHS)水平降低,这与认知功能的下降密切相关〔31〕。

1.4 Aβ 与线粒体功能障碍 Aβ 是通过淀粉样前体蛋白(APP)由β-分泌酶和γ-分泌酶通过蛋白水解产生的。与经α-分泌酶的非淀粉样生成途径不同,越来越多的证据表明线粒体是Aβ 毒性的直接靶点〔32～34〕。Aβ 已被证实在线粒体内聚积并与线粒体酶-Aβ 结合乙醇脱氢酶(ABAD)相互作用,导致环氧化酶(COX)活性降低,氧化应激增加〔35～37〕。ABAD 是一种具有广泛底物特异性的酶,该酶催化氧化型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸/还原型氧化型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD+/NADH)依赖的可逆氧化/还原底物,如类固醇、乙酰辅酶A 和β-羟丁酸〔38,39〕。在正常条件下,该酶对代谢稳态起调节作用,其过表达提高了细胞活力和ATP 含量〔39〕。已有研究表明,ABAD 在AD 小鼠及AD 患者的大脑中上调〔40〕,认为Aβ 的结合改变了酶的构象,加剧Aβ引起的线粒体功能障碍。当Aβ 的神经毒性机制集中在线粒体上时,线粒体功能受损,特别是线粒体生物能的下降和氧化应激的增加,从而进一步增加Aβ的生成,促进疾病发展过程,形成了一个恶性循环。在这个恶性循环中,过量的Aβ 积累和持续的线粒体功能障碍激活了一系列的神经退行性途径〔41,42〕。

2 雌激素调控线粒体

雌激素通过结合和激活经典雌激素受体(ER)α 和β 及通过激活膜受体mERα、mERβ 和G 蛋白耦联ER(GPER)1 来调节核基因的转录。雌激素通过细胞信号转导途径调节线粒体功能。如雌二醇(E2)通过调节参与葡萄糖转运、糖酵解和TCA 循环的基因表达来增加葡萄糖代谢;上调编码ETC 相关基因,包括线粒体复合体Ⅰ、细胞色素c 氧化酶和ATP 合成酶;上调抗氧化防御指标,如锰超氧化物歧化酶(MnSOD)和GHS 水平〔43〕。雌激素可以直接或间接地调控线粒体发挥保护作用。雌激素对线粒体的间接影响是由信号转导途径介导的,这些信号转导途径由雌激素触发,通过一系列调节因子最终影响线粒体功能。如雌激素可以诱导磷脂酰肌醇-3-激酶/蛋白激酶B(PI3K/Akt)通路的激活〔44〕,促进促凋亡蛋白Bad 的磷酸化。Bad 磷酸化可阻止BAX 介导的细胞色素c 从线粒体释放,从而发挥抗凋亡作用〔45〕。雌激素也可能直接发挥其保护作用,因为线粒体中存在雌激素结合位点〔46〕,且ERα 和ERβ 在线粒体中已被发现,能够结合mtDNA〔47～49〕。

2.1 雌激素调节线粒体生物能量学 E2 通过增加线粒体对Ca2+的摄取来防止Ca2+稳态的失调,同时维持线粒体呼吸〔50〕。E2(10 nmol/L)刺激人乳腺癌细胞(MCF)-7 的基础耗氧率(OCR)和细胞外酸化率(ECAR),并刺激ATP 产生,但不影响线粒体的最大储备容量〔51〕。E2(10 nmol/L)增加原代人子宫内膜间质细胞ECAR,降低OCR〔52〕。E2 能够增加神经元的最大呼吸,胶质细胞的基础呼吸和最大呼吸,且对原代神经元ETC 具有保护作用〔53〕。ERα 选择性激动剂1,3,5-三(4-羟基苯基)-4-丙基-1H-吡唑(PPT,100 ng/ml)和ERβ 选择性激动剂2,3-双(4-羟苯基)丙腈(DPN,100 ng/ml)能够刺激原代大鼠胚胎神经元的基础OCR 和最大呼吸能力〔49〕。

2.2 雌激素调节线粒体动力学 线粒体是动态的,E2 差异性调控线粒体融合和分裂基因的转录〔7〕。在MCF-7 细胞中,E2 提高了MFN1、MFN2、OPA1 的mRNA 转录水平,而线粒体分裂蛋白(FIS)1 的mRNA 转录水平降低〔54〕。E2 诱导MCF-7 细胞线粒体融合,降低OXPHOS 复合物蛋白的表达,增加ATP水平。在E2 处理的T47D 细胞中也有类似发现,T47D 细胞中ERβ 过表达增加了OXPHOS 复合蛋白,减少了分裂,同时增加了融合〔55〕。雌性大鼠卵巢切除后降低了腓肠肌线粒体动力学标志物MFN1/2,OPA1 的蛋白水平,而E2 给药4 w 后可逆转这种变化〔56〕。

2.3 GPER1 调节线粒体呼吸和功能 当GPER1在MCF-7 细胞中过表达时能够抑制细胞生长,同时增加细胞内环磷酸腺苷(cAMP), 促进自噬。GPER1 过表达降低了基础OCR 和ECAR,提高了最大呼吸频率和储备能力,且增加了MFN1/2 和Parkin mRNA 的表达, 同时降低了FIS1 的表达。GPER1 能够调节线粒体分裂/融合,从而增加线粒体自噬〔57〕。Parkin 与TFAM 结合,能够增加线粒体转录〔58〕。E2 激活脂肪细胞GPER1 增加腺苷酸环化酶(AC)分泌,导致环磷腺苷效应元件结合蛋白(CREB)和ERα 磷酸化,保护脂肪细胞免受线粒体功能损伤〔59〕。

3 雌激素对AD 相关线粒体功能障碍的保护作用

E2 能够系统地调节能量平衡和能量代谢。神经退行性疾病的性别差异表明雌激素在某些疾病中起着保护作用,如:绝经期雌激素保护功能的丧失与女性帕金森病和AD 的患病率和严重程度有关〔60〕。线粒体功能在这些疾病中起着重要作用,且雌激素可以直接或间接地调控线粒体发挥神经保护作用。

由Aβ 或过度磷酸化的tau 蛋白引起的生物能量缺陷可以通过雌激素治疗来减轻〔61〕。小鼠卵巢切除(OVX)诱导的雌激素缺失会导致线粒体生物能量缺陷和线粒体Aβ 的积累,但E2 治疗则逆转了OVX 诱导的线粒体损伤。在3xTg AD 小鼠中,OVX雌性小鼠表现出更强的生物能量损伤,即线粒体呼吸下降,氧化应激增加〔62〕,雌激素治疗后能够减轻生物能量损伤和氧化应激,并减少Aβ。ERβ 选择性激动剂DPN 能部分恢复大鼠原代海马神经元的基础呼吸和最大呼吸,对抗Aβ1-42 诱导的线粒体呼吸抑制〔63〕。ABAD 在AD 患者及3xTg AD 去卵巢小鼠脑中过度表达,ABAD 的一个重要底物是E2,在线粒体E2 代谢中起重要作用〔62〕。ABAD 特异性抑制剂AG18051 部分阻断了Aβ 与ABAD 的相互作用,并通过使雌二醇水平正常化来阻止Aβ 诱导的ABAD 活性增〔64〕。抑制ABAD 的作用将会是女性AD 患者的一种新的治疗策略。

综上,来自细胞和动物模型的大量证据证明了雌激素在AD 中的神经保护作用,但临床试验数据仍然存在争议。研究表明绝经后女性使用雌激素可以降低AD 的风险或推迟疾病的发生〔65,66〕。但也有数据显示长期雌激素治疗后,痴呆症的发病率增加了两倍,乳腺癌、肺栓塞和脑卒中的风险也增加了〔67〕。AD、线粒体和性激素之间存在着复杂的关系。雌激素治疗AD 仍然存在许多问题,如雌激素治疗AD 的潜在机制、激素替代治疗的最佳治疗方法、绝经后女性治疗和预防AD 的窗口等。线粒体可能是其中的关键,这可能为治疗绝经后女性AD患者开辟新的途径。