线粒体功能障碍在肌萎缩侧索硬化发病中作用的研究进展

刘立洋，柳 青，刘雅萍，张 学*

1.中国医学科学院基础医学研究所 北京协和医学院基础学院 医学遗传学系，北京 100005；2.中国医学科学院 北京协和医学院 北京协和医院 神经科，北京 100730；3.中国医学科学院 北京协和医学院 临床医学专业试点班，北京 100730

肌萎缩侧索硬化(amyotrophic lateral sclerosis，ALS)是常见的几种神经退行性疾病之一。进行性运动神经元损伤是肌萎缩侧索硬化发病的主要原因。肌萎缩侧索硬化患者先是四肢肌肉出现无力和萎缩症状，最终往往发展为呼吸麻痹导致死亡。目前肌萎缩侧索硬化的发病机制不明，其可能的致病机制包括氧化应激障碍、神经炎性反应、蛋白代谢异常等[1-3]。

线粒体是细胞内主要的产能细胞器，产能时会伴随活性氧自由基(reactive oxygen species, ROS)的产生，其在高耗能的神经系统中更容易对细胞造成损害，相应的线粒体损伤对神经系统的影响也更大，因此，稳定线粒体结构和功能对延缓神经退行性疾病的发生和细胞老化有重要意义[4]。在ALS的细胞模型或患者的尸检中都发现了线粒体损伤的证据[5-6]。近期有研究通过核磁共振波谱分析在ALS患者的体内也观察到了线粒体损伤所导致的能量代谢异常[7]。全面揭示线粒体功能障碍在ALS发病中的作用对该病的机制研究和治疗方法探索都具有重要意义。本文结合最近相关研究进展，从核编码的线粒体蛋白异常、线粒体介导的钙稳态失衡、神经炎性反应和线粒体自噬4个方面对线粒体功能障碍在ALS发病机制中的作用进行综述。

1 核编码线粒体蛋白异常在ALS发病中的作用

线粒体虽然有独立的DNA，但是仍需要从细胞质中输入约1 000余种核编码的蛋白质以满足其正常的功能[8-9]。因此，线粒体的正常功能依赖于核编码蛋白的正常翻译和转运。在ALS患者的诱导多能干细胞(induced pluripotent stem cells，iPSCs)分化的运动神经元轴突中，高度磷酸化的TDP-43蛋白聚集体与核编码的线粒体蛋白基因的mRNA结合，阻止其向轴突远端和神经肌肉接头处的运输，造成远端的线粒体功能失调和神经肌肉接头的退化[10]。TDP-43是一种DNA和RNA的结合蛋白，由ALS的遗传致病基因TARDBP编码，这种蛋白的异常聚集被发现存在于几乎所有ALS患者的运动神经元胞质中[11]。除了直接结合核编码线粒体蛋白的mRNA外，被氧化应激诱发的TDP-43聚集体还可以选择性地结合大量的miRNA调节基因表达，这其中就有很多核编码的线粒体蛋白基因，间接导致线粒体内蛋白失衡，进而导致更严重的氧化应激损伤[12]。因为TDP-43蛋白聚集体的普遍性，这些线粒体相关的细胞损伤机制可能广泛存在于ALS患者中。

除了核编码线粒体蛋白的转录和运输受影响外，有的ALS致病基因本来就是核编码的线粒体蛋白。C9orf72是最常见的ALS遗传致病基因，其在非编码区的6个核苷酸重复的扩增会造成原有的表达量降低[13]。携带C9orf72致病突变的ALS患者来源iPSCs分化的运动神经元中，轴突的长度明显短于对照组，在轴突运输的线粒体数目也显著少于对照组，神经元的能量代谢显著下降。在iPSCs分化的运动神经元和患者的尸检组织中，都发现以呼吸链复合体I和IV为代表的电子传递链相关蛋白表达的下调[14]。免疫共沉淀实验发现，C9orf72蛋白和至少13种线粒体蛋白有紧密的相互作用[15-16]， C9orf72蛋白通过AIFM1/CHCHD4复合体被转运到线粒体膜间隙，并通过减少复合体I的组装辅助因子TIMMDC1的降解而达到稳定复合体I结构的作用[16]。在ALS患者的细胞中，C9orf72的转录水平和蛋白水平的下降会导致线粒体复合体I结构的不稳定，从而导致氧化磷酸化障碍和能量代谢失衡，进而导致运动神经元死亡。核编码的线粒体蛋白在线粒体的功能维持中起着重要作用，其导致的线粒体功能异常可能在多个方面影响神经元的存活。

2 线粒体损伤所致的钙稳态失衡在ALS发病中的作用

钙离子稳态的破坏在ALS的发病机制中起着重要的作用。钙离子的失稳态主要是由于细胞膜对钙离子的高通透性和细胞对钙离子的清除减少所致，线粒体、内质网等细胞器和钙离子结合蛋白一起组成的细胞内钙离子缓冲调节系统在ALS患者细胞内的功能障碍已经被广泛的报道[17-18]。目前发现，在携带TDP-43M337V突变和C9orf72突变的由ALS患者iPSCs分化的运动神经元中，线粒体从胞质中吸收钙离子的能力下降，导致细胞质在神经元兴奋后更难以回到静息时的钙离子水平，而持续的高钙离子水平会造成神经元的损伤[18]。这种钙离子转运功能的下降很可能是因为两种调节钙离子转运体蛋白活性因子的比例失衡所致[18]，这种改变有可能和前述TDP-43蛋白聚集体和C9orf72蛋白水平降低导致线粒体蛋白水平失衡有关。

3 线粒体介导的炎性反应失控在ALS发病中的作用

神经炎性反应是ALS的典型病理改变之一，已发现多种ALS致病基因都和异常活化的神经炎性反应有关。比如细胞内的一种识别胞质内双链DNA的固有免疫机制——cGAS/STING信号通路受C9orf72蛋白的负向调节，在C9orf72基因突变的患者中，C9orf72蛋白的缺乏会导致炎性反应的异常活化[19]。大多数的散发ALS患者致病基因不明，其运动神经元的炎性反应异常激活可能和细胞内广泛存在的TDP-43蛋白聚集体有关[20]。TDP-43蛋白聚集体不仅存在于细胞质，也可进入线粒体基质，阻止其在线粒体的聚集，可延缓小鼠运动和认知功能的下降[21]。TDP-43蛋白进入到线粒体的过程造成线粒体DNA(mtDNA)向胞质的释放，后者促发cGAS/STING信号通路，导致下游以IFNβ、TNF和IL6为代表的炎性反应，从而造成运动神经元的死亡[20]。以上这些说明线粒体损伤在cGAS/STING信号通路所介导的炎性反应中起着至关重要的始发作用，TDP-43蛋白聚集体通过诱发线粒体DNA的释放启动细胞炎性反应，造成运动神经元死亡，这可能是ALS患者中普遍存在的一种神经元死亡机制。

4 线粒体自噬障碍在ALS发病中的作用

衰老或损伤的线粒体需要通过线粒体自噬作用被及时清除才能保证细胞的正常功能。线粒体自噬的异常存在于ALS的患者和动物模型中，目前对于线粒体自噬作用在疾病状态中是增强还是减弱仍存在争议。超氧化物歧化酶1(superoxide dismutase 1, SOD1)的ALS相关突变蛋白可以通过结合线粒体自噬的关键蛋白Optineurin影响其正常功能，减弱线粒体自噬作用，造成线粒体自噬障碍和神经损伤，并加速了ALS动物模型的死亡[22]。蛋白激酶TBK1也参与到线粒体的自噬过程中，当ALS相关突变可以同时影响其激酶活性和二聚化功能时，会显著影响其在线粒体周围的聚集和其介导的线粒体自噬过程[23]。但过度增强的自噬作用同样被发现于SOD1和TARDBP突变的ALS患者的细胞和动物模型中[24]。当用药物诱导TDP-43WTxQ331K小鼠体内的线粒体自噬作用后，小鼠体内的神经元丢失更加显著，且疾病进展更迅速，提示过度增强的自噬作用对于神经元同样有伤害[25]。所以线粒体自噬的异常虽然会影响ALS的起病和进展，但是其具体的机制还有待进一步探索。

5 问题与展望

ALS作为一种年龄相关的神经退行性疾病，晚期起病的特点让研究人员希望找到一种损伤累积模型。不断产生氧自由基的线粒体一直是损伤累积模型的重点之一。本文总结了近年来有关线粒体在ALS发病机制中作用的研究进展，其机制包括线粒体氧化应激正反馈、线粒体诱导的细胞炎性反应、电子传递链复合体的不稳定、钙离子转运功能障碍、线粒体蛋白水平失稳态和线粒体自噬功能异常等。这些机制之间相对独立又相互联系，共同导致了神经元细胞的死亡。比如C9orf72突变所致的线粒体电子传递链的缺陷造成患者体内更高水平的氧化应激，氧化应激损伤会触发TDP-43蛋白的聚集，其对核编码的线粒体蛋白表达的影响会进一步加剧氧化应激损伤和能量代谢失调，并且可能是钙离子转运体活性下降的原因。进入线粒体的TDP-43蛋白进一步诱发mtDNA的释放，起始下游的炎性反应。线粒体自噬则是作为线粒体的质量控制机制对损伤的线粒体进行及时清理，中断细胞损伤的过程，对损伤的线粒体清除障碍或者过度清除都会造成神经元损害。综合上述研究结果，TDP-43蛋白聚集体所致的线粒体氧化应激损伤和线粒体损伤诱发的炎性反应可能在ALS的发病中起关键的作用。这些机制是否也存在于ALS患者中还需要更多的研究加以证实，在线粒体诱发的细胞损伤过程的起始阶段进行阻断可能是治疗的潜在方向。