线粒体丙酮酸转运载体在中枢神经系统退行性疾病中作用的研究进展

仇念壮，王丽宏，张雪辉，王浩

1山东第一医科大学药理学研究所，山东泰安 271016；2解放军第968医院朝阳院区，辽宁朝阳 122000

中枢神经系统退行性疾病是一类以中枢神经系统的结构和功能逐渐丧失为特征的疾病［1］，近年来发病率逐渐增高，已成为世界性难题。典型的中枢神经系统退行性疾病包括阿尔茨海默症（AD）、帕金森病（PD）、亨廷顿舞蹈病（HD）和肌萎缩性脊髓侧索硬化症等，目前尚未有确切的方法治愈。PARK‐ER等［2］研究发现，线粒体损伤在中枢神经系统退行性疾病发病中至关重要，成为一个新的研究热点和治疗的潜在靶点。丙酮酸是细胞代谢过程中关键的中间产物，参与调节多种重要的代谢过程。作为糖酵解的最终产物，丙酮酸由细胞质进入线粒体参与氧化磷酸化等多种生物合成途径，驱动三磷酸腺苷（ATP）的产生。线粒体丙酮酸转运载体（MPC）是一种能控制丙酮酸进入线粒体的蛋白，在上述过程中发挥关键的作用。研究发现，抑制MPC可缓解神经细胞毒性损伤，逆转线粒体损伤和中枢神经病变，发挥神经保护作用［3-4］。越来越多的证据表明，MPC作为线粒体能量代谢过程中的关键部位，可参与中枢神经系统退行性疾病的发病，抑制MPC可改善相应中枢神经系统退行性疾病认知功能障碍、运动障碍等症状，本文将就此进行综述。

1 MPC的结构和功能

线粒体是真核细胞内重要的细胞器，其生成的ATP能够为维持机体正常生理功能提供能量［5］，此过程需要三羧酸循环中的所有酶和呼吸链的五个复合体参与。为了完成这些局限于线粒体室的代谢功能，从而维持细胞内稳态，必须发生跨线粒体膜的代谢产物的调节交换，丙酮酸就是其中的小分子之一。丙酮酸借助于电压依赖性阴离子通道穿过线粒体外膜［6］。而线粒体内膜只允许气体小分子通过，因此必须通过相应的载体才能选择性的流入和流出。

MPC是位于线粒体内膜上的丙酮酸转运蛋白，于2003年首次在酵母中被鉴定［7］，2012年BRICKER等［8］证实其也存在于哺乳动物体内。MPC由MPC1和MPC2两种亚基组成，其相对分子质量分别为12 kDa和15 kDa，基因组全长分别为18 095 bp和20 312 bp，且各自包含两个或三个跨膜螺旋。MPC1和MPC2亚基是MPC维持活性所必需。研究发现，MPC1基因缺失可导致酵母线粒体丙酮酸转运几乎完全丧失；通过siRNA敲低MPC1或MPC2基因可导致人胰腺细胞线粒体呼吸显著降低；敲除MPC1或MPC2基因会导致小鼠胚胎致死［9］。而人体研究发现，如果MPC1发生点突变会导致丙酮酸氧化受阻，出现机体发育异常、神经损伤和代谢缺陷［8，10］。

MPC在人体广泛分布，包括中枢神经系统，如丘脑、海马、大脑皮层和多巴胺能神经元等［11-12］。神经系统维持正常的生理功能需要大量的ATP，能量来源受损可能引发疾病的发生。在中枢神经系统，丙酮酸是线粒体合成ATP的核心物质，其经MPC转运进入线粒体基质后，可以在丙酮酸脱氢酶的作用下氧化形成乙酰辅酶A，进而进行氧化磷酸化生成ATP；也可以在丙酮酸羧化酶的作用下生成草酰乙酸，这是糖异生过程的关键步骤。因此MPC对维持中枢神经的稳态发挥关键的作用［12］，与中枢神经系统疾病密切相关。

2 MPC在AD中的作用

AD是一种中枢神经系统退行性疾病，临床表现为记忆功能衰退，空间、时间识别紊乱，认知功能障碍等［13］。研究发现，在D-半乳糖联合卵巢切除诱导的AD模型大鼠海马中，MPC1蛋白表达明显升高，说明MPC与AD密切相关。而使用MPC1抑制剂拉帕替尼能明显改善此AD大鼠的认知功能损伤，这也进一步证明了二者的相关性。AD主要的病理特征是β淀粉样蛋白（Aβ）沉积形成的老年斑和过度磷酸化的Tau蛋白形成的神经纤维缠结［14］。作为丙酮酸进入线粒体的门户，MPC功能失调会导致线粒体能量合成过程发生紊乱。线粒体功能紊乱是AD患者脑内最早且最明显的标志之一，能促进Aβ和磷酸化Tau的生成和累积［15］。进一步的机制研究发现，拉帕替尼对D-半乳糖联合卵巢切除诱导AD模型大鼠Aβ1-42（Aβ的主要毒性形式）和磷酸化Tau水平上调有明显的改善作用，这说明MPC1可能是AD治疗的潜在靶点。

另外关于噻唑烷二酮（TZDs）类药物在AD中的作用研究似乎也可以证明MPC与AD存在密切相关性。TZDs是临床常用抗糖尿病药物，包括吡格列酮、罗格列酮等。研究发现，吡格列酮、罗格列酮对多种动物AD模型均具有改善作用；而多项临床试验结果显示，虽然罗格列酮和吡格列酮临床用于AD治疗还有一定的局限性，但他们确实对AD的患者认知能力具有一定的改善作用［16］。而众所周知，TZDs也是一类MPC抑制剂［17］，其可能通过过氧化物酶体增殖物激活受体γ（PPARγ）降低MPC活性［18］。PPARγ对机体能量、糖脂代谢起重要的调控作用［19］，因此PPARγ的异常会导致代谢紊乱，从而发生疾病。而AD被认为是代谢失调性疾病，这说明PPARγ通路的调节可能是MPC抑制剂的作用机制之一。

但MPC作为在线粒体供能方面发挥重要作用的物质，如果过度抑制可能导致细胞，包括神经细胞产生损害［20］。如ROSSI等［21］发现，在表达了早老素2 T122R和早老素2 N141L基因的人类神经母瘤细胞中，其线粒体ATP合成受阻，而众所周知，ATP生成减少是AD病理的标志之一。进一步研究表明，其机制与线粒体丙酮酸氧化减少，MPC2蛋白活性处于过低水平有关。早老素基因突变可促使淀粉样前体蛋白加工成有毒形式的Aβ，在AD发病中发挥重要的作用。因此，我们推测MPC2的过度抑制可能促进Aβ的生成。因此，适度抑制MPC对神经细胞是有益的，与自身的代谢适应性有关，通常被称为代谢灵活性［22］。这一概念于1999年首次被提出［23］，即当一条途径由于缺乏必要的代谢物、关键酶或转运蛋白而暂时或永久中断时，细胞能够切换到另一条途径来弥补缺陷［24］。谷氨酸（GLU）是大脑中主要的兴奋性神经递质，但在与AD相关的代谢应激下，神经元外GLU可以上升到兴奋毒性水平，从而造成脑损伤［25］。MPC抑制造成中枢中葡萄糖和丙酮酸氧化降低，但细胞生长、耗氧量和三羧酸循环功能总体上没有受到明显的影响［26］。研究发现，用MPC抑制剂UK-5099培养的大鼠皮层神经元丙酮酸氧化能力降低，而神经元中GLU水平降低了一半，这表明GLU的氧化代偿性增加，减少了去极化时GLU的释放量，从而限制了兴奋性神经元损伤的正反馈级联反应［27］。这种不同程度抑制MPC作用的变化，是否提示MPC是AD发病的一个生物标志物，这需要在未来的研究中进一步证实。

3 MPC在PD中的作用

PD是继AD以外发病率第二高的中枢神经系统退行性疾病，表现为静止性震颤、运动迟缓、肌肉僵直、抑郁、焦虑和精神病等症状［28］。PD的发病风险随着年龄的增长而增加。PD的发病机制目前被认为是由于中脑黑质多巴胺能神经元的变性损伤、α-突触核蛋白聚集以及神经元路易小体的形成［29］。临床研究发现［30］，PD患者血浆样品内琥珀酸水平升高，这表明PD的发生可能与柠檬酸循环水平降低和线粒体功能障碍有关。此外，在PD发病早期，糖酵解通路即发生改变［31］。故MPC作为丙酮酸进入线粒体的关键结构，可能参与PD的发生。

多项研究表明MPC与PD密切相关。TZDs药物也可通过抑制MPC改善PD，一项统计调查研究表明，服用TZDs的糖尿病患者在14年内发生PD的风险降低了29%，这表明TZDs在流行病学方面影响PD 的发病［32］。此外，TZDs对 1-甲基-4-苯基吡啶（MPTP）和脂多糖（LPS）诱导PD动物模型发挥神经保护和抗炎作用［33］。MSDC-0160是调节噻唑烷二酮的线粒体靶标的胰岛素增敏剂，也是MPC的调节剂。研究发现其具有抗糖尿病和神经保护活性作用，也被认为具有抗PD潜力。GHOSH等［3］发现，给予MPTP和En1+/−PD模型小鼠MSDC-0160，能使其免受神经毒素刺激，运动功能、黑质多巴胺能神经元存活率和纹状体多巴胺水平得到改善；此外，该研究还发现MSDC-0160能保护人类多巴胺能神经元细胞免受MPTP的神经毒性，发挥改善PD作用。

为探究MPC与PD之间的联系，GUIMARES等［34］研究证明，MPC抑制剂UK5099在大鼠脑室内给药，降低了LPS引起的神经炎症和发热，降低了炎症因子TNF-α、IL-6和NF-κB的表达和分泌。神经炎症介导的神经毒性在PD神经死亡的级联过程极为重要，相关抑制可能与PD的改善有关。然而，UK-5099作为非特异性MPC抑制剂，具有长期使用抑制效果更强的特点，由于其非特异性［35］，可能并非理想的中枢疾病治疗的候选药物。

尽管目前对于MPC抑制剂改善PD的机制尚未完全阐明，但推测可能与雷帕霉素靶蛋白（mTOR，一种丝氨酸/苏氨酸激酶）有关。已知在PD患者的临床样本中，mTOR信号被激活［36］；而mTOR的抑制与衰老和神经退行性病变的改善有关，尤其是通过调节自噬和减轻脑神经炎症改善疾病的发生［37］。动物研究也发现，MPTP诱导的PD模型和En1+/−PD基因小鼠中发现了异常的mTOR信号，能够观察到mTOR在Ser2448和Ser2481处的磷酸化增加［38］。因此，推测MPC抑制可能通过AMP依赖性蛋白激酶（AMPK）激活抑制mTOR的激活，AMPK激活也是抗糖尿病药二甲双胍发挥神经保护作用的机制［39］，两者可能存在某种联系。基于MPC抑制后代谢的复杂性，能否通过AMPK激活抑制mTOR来解释MPC与PD的关系，还需要进一步的研究验证。目前关于PD的研究仅局限于TZDs中的一种MPC抑制剂，其他MPC抑制剂是否能在不同的PD模型中发挥类似的作用尚未可知；现有的MPC抑制剂在减轻PD的非运动症状方面是否有效；可能的抗PD作用除直接作用中枢神经外，是否继发于外周神经系统的代谢作用；MPC抑制改善自噬能否减少α-突触蛋白的积累以及毒性作用等仍需要进一步研究去证实。

4 MPC在HD中的作用

HD是一种中枢神经系统退行性疾病，通常在中年前后发作，并伴有认知能力下降、精神障碍和运动功能受损等症状。HD是由转录亨廷顿蛋白（mHTT）的基因突变引起的，但mHTT的正常功能和突变mHTT的具体机制并不清楚［40］。因此，HD仍然是一种发病机制知之甚少且无法治愈的疾病。目前，关于MPC与HD的研究较少，但MPC抑制剂作用的下游靶点与HD密切相关，抑制MPC可能是治疗HD的潜在研究方向。

研究表明，mTOR抑制剂PQR620作用于STHdh细胞、HEK293T细胞以及C57小鼠，有效抑制了细胞模型以及小鼠大脑中的mTOR信号传导［41］。mTOR是MPC作用的下游通路，因此我们推测抑制MPC可能通过下调mTOR激活，降低mHTT的水平，改善HD的症状。另外神经炎症、神经兴奋性毒性等MPC潜在下游机制通路均与HD的发生相关，这说明MPC与HD密切相关。MPC抑制剂作用多个靶点，可能相比mTOR抑制剂抗HD效果更好。因此，MPC可能成为HD治疗的新方向。

综上所述，抑制MPC可通过抑制mTOR和增强GLU代谢等途径，在中枢神经中发挥抗炎、增强自噬、减轻兴奋性毒性损害的功能。因此对MPC靶点的调节，可为AD和PD等中枢神经系统退行性疾病导致的神经功能损害提供新的治疗方向。