黄容 曾爱源（桂林医学院研究生学院 广西 桂林 541001）
【摘要】帕金森病（parkinson’s disease,PD）是目前临床上发病率仅次于阿尔茨海默病, 具有致命、遗传性的神经退行性疾病。患者的主要临床表现为运动迟缓、静止性震颤、肌强直、姿势异常等。其病理特质神经元内路易小体（lewy body，LB）的出现。该疾病的致病机理尚未完全弄清楚，大量证据证实PD 细胞中发生线粒体形态改变和功能障碍。线粒体氧化呼吸链复合物蛋白活性或表达水平降低，线粒体自噬清除受损，线粒体未折叠蛋白反应等与PD 的致病机制密切相关。本文将探讨PD 中线粒体的一系列变化，为阐明PD 的病理发生机制和治疗提供一些启发。
【关键词】帕金森病；线粒体；氧化应激反应；自噬；未折叠蛋白反应【中图分类号】 R2 【文献标号】 A 【文章编号】 2095-9753（2016）5-0017-02
帕金森病的发生、发展是环境、年龄、基因突变或缺失、细胞凋亡、线粒体异常、氧化应激诸多因素的作用结果，但对其具体病因和发病机制迄今尚未完全阐述清楚。线粒体是细胞代谢的能量的中枢，在ATP 的动态平衡扮演着重要角色。大脑组织的重量仅占人体重量的2%，但是其耗氧量却占到人体总耗氧量的20%，说明线粒体的能量代谢对大脑组织尤为重要[1]。随着对线粒体的研究越来越深入，发现线粒体不仅作为“细胞的能量工厂”，还参与调控细胞的凋亡、蛋白合成和降解等多个过程。目前研究中发现许多的PD 相关的致病基因使线粒体的形态和功能发生紊乱[2]，其中包括：PINK1、parkin、DJ-1、SNCA、ATP1342 等。。因此， 线粒体在帕金森病中的作用越来越受关注。
PD 致病基因导致线粒体形态和功能障碍Valent 等[3] 发现PINK1 基因是编码Ca2 +/ 钙调蛋白家族高度保守的丝氨酸- 苏氨酸激酶，PINK1 定位于l 号染色体短臂，编码581 个氨基酸，是一个常染色体隐性遗传性帕金森病的连锁基因，PINK1 蛋白定位于线粒体的内膜和外膜上，抑制氧化应激和线粒体毒素诱导的细胞凋亡，发挥神经保护作用。同时PINK1 蛋白介导Parkin 参与线粒体自噬过程。文献报道PINK1 蛋白能使线粒体上的热休克蛋白75（TRAP1）磷酸化，抑制了细胞色素C 的释放，从而达到抗氧化或热休克的保护作用[4]。
Parkin 基因是常染色体隐性遗传青少年型帕金森病（autosomalresessive juvenile parkinson’s Disease，AR-JP）的致病基因。Parkin基因定位在6 号染色体长臂，编码由465 个氨基酸构成的E3 泛素蛋白连接酶（E3 ubiquitin ligase）[5]。E3 泛素蛋白连接酶促进蛋白通过泛素- 蛋白酶体系降解，维持细胞内蛋白质稳态系统。Parkin基因突变导致泛素- 蛋白酶体系失活而不能有效清除机体内的异常聚集的蛋白，后者选择性堆积在大脑黑质纹状体的多巴胺能神经元内，抑制了多巴胺递质释放和往下运输，从而产生细胞毒性作用，导致细胞死亡[6]。除此之外，Kuroda 等[7] 实验证明在增殖状态的细胞中过表达Parkin 使线粒体膜电位加强，线粒体复合物I 表达上调，促进有氧代谢生成更多ATP 和02，减少产生活性氧。
SNCA 是首个被发现的导致常染色体显性PD 和与路易小体病(lewy body disease，LBD ) 形成相关的基因。SNCA 定位在4 号染色体长臂，编码140 个氨基酸构成的α- 突触核蛋白（α-Synuclein）。
α-Synuclein 是中枢神经元突触前膜末梢释放表达的可溶性蛋白，其在神经信号传导、神经元的可塑性及线粒体方面的作用已得到共识。Chu 等［8］研 究 发现,α-Synuclein 的聚集和沉积使电压依赖性阴离子通道1( voltage-dependent anion channel 1，VDAC1) 蛋白表达下调。VDAC1 是线粒体外膜的主要成分，维持线粒体膜的通透性，参与能量代谢和调控细胞凋亡。因此推断α-Synuclein 变异蛋白使VDAC1 表达下调导致的线粒体功能障碍可能是PD 发病机制之一。
PARK7 基因定位于染色体1 号染色体短臂，编码含189 个氨基酸的DJ-1 蛋白，是常染色体隐性遗传性早发性PD 的致病基因。
DJ -1 蛋白是一种具有抗氧化作用的胞浆蛋白。最近研究证实DJ-1蛋白通过结合线粒体复合物I 并维持其活性，对抗线粒体膜电位的氧化应激［9］。PARK7 突变导致DJ-1 表达下降或活性丧失，降低线粒体膜电位，促使细胞清除氧自由基的功能减弱和增加活性氧物质对神经元细胞的损伤，最终导致PD 患者体内神经元的凋亡[10]。
除了细胞核DNA 突变或缺失可以导致PD 发生，线粒体DNA突变或缺失与PD 发生、发展也有关联。线粒体DNA 是细胞内除了细胞核DNA 外的一套独立遗传基因体系，编码线粒体中13 种氧化磷酸化亚单位蛋白。当受损线粒体遭受氧化应激时激，线粒体DNA 极易发生DNA 重排和缺失。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆Huerta 等［11］调查发现线粒体中A10398G 基因可以对抗PD，突变为T4336G 基因后会增加PD 的发病风险。Bender 等人[12] 的调查结果显示PD 患者的线粒体DNA缺失使神经元变性或丢失，加速脑部衰老进程。因此，线粒体自身DNA 突变或缺失同样会使线粒体功能障碍，增加PD 的患病风险。
线粒体形态和功能障碍对PD 的影响线粒体参与细胞内生成ATP、产生活性氧、促进细胞凋亡等过程，需要通过不断的分裂和融合来维持其形状和功能的稳态，维持细胞内环境稳定。研究证实粒体融合蛋白1 和2（mitofusin1/2,Mfn1/2)和视神经蛋白1(optic atrophy 1,Opa1) 促进线粒体融合, 发动蛋白相关蛋白1（dynamin-related protein 1,Drp1）介导Fis1 促进线粒体的分裂，生理情况下线粒体的分裂和融合处于平衡状态。 在PINK1敲除的PD 转基因果蝇模型中过表达Drp1，发现能减轻线粒体嵴结构的融合程度，进一步研究发现线粒体一方面磷酸化Mfn 或者Opa1 抑制线粒体的融合, 另一方面磷酸化Drp1 和Fis1 促进线粒体的分裂，同时消耗大量能量来减轻线粒体嵴的结构的融合程度，改善PD 线粒体的病理症状[13]。但是线粒体形态变化对PD 的保护机制仍需进一步探讨。
线粒体呼吸链复合物I(Complex I,CI) 即NADH- 辅酶Q 还原酶，催化辅酶I 由还原态NADH 向氧化态NAD+ 转化，并将电子向下传递至辅酶Q，3- 磷酸甘油醛脱氢酶(glyceraldehyde-3-phosphatedehydrogenase，GAPDH) 是此过程的关键酶[14]。据研究发现在PD 患者脑细胞中的线粒体呼吸链复合物I(Complex I,CI) 活性显著下降，进一步研究发现GAPDH 酶蛋白的巯基被NO 氧化修饰形成SNO-GAPDH, 与泛素E3 连接酶Siah1 结合发生核转位，降解Siah1 的多种核蛋白底物引发细胞毒性作用，最多巴胺神经元细胞凋亡[15]。但是GAPDH 酶蛋白介导线粒体在细胞凋亡通路中的作用有待进一步研究。
线粒体参与的物质代谢过程，会产生一定数量的活性氧（reactiveoxygen species，ROS）。线粒体受损增加细胞内ROS 产生，加速衰老进程，氧自由基学说是衰老调控机制之一[16]。线粒体自噬是细胞内一种自我保护行为，使受损线粒体及时被清除而避免细胞凋亡的。研究证实mTOR 信号通路通过感应能量变化参与线粒体氧化过程,mTOR 通路中起始因子4E 结合蛋白1（4E-BP）的活性降低与PD 的发生有一定相关性[17]。在果蝇研究中发现饮食限制提高4EBP1 活性，进而引起线粒体内泛过氧化物酶体增殖物激活受体（PPAR）及转录激活因子(PGC1) 表达水平增高，降低ROS 的含量,促进线粒体自噬而清除细胞内的受损线粒体[18]。另外雷帕霉素可使4E-BP 活化，可改善 PINK1 和Parkin 等基因突变引起的线粒体受损，通过促进线粒体自噬改善其病理表现，但机制尚仍需进一步研究证实。
细胞核DNA 编码的线粒体相关蛋白以未折叠的形式转运到线粒体，在分子伴侣协助下完成正确折叠而执行相应功能。正常情况下未折叠蛋白和线粒体分子伴侣受到严格监控。当线粒体功能发生紊乱，运输到线粒体的未折叠蛋白超出线粒体分子伴侣的负荷，线粒体蛋白稳态系统被破坏，诱发线粒体未折叠反应（unfoldedprotein response,UPRmt）。UPRmt 一方面通过刺激细胞DNA 的核转录反应，使线粒体分子伴侣HSP70、HSP60 及ClpP 的蛋白表达量增多，另一方面通过GCN-2 促使真核细胞翻译起始因子eIF2a发生磷酸化，抑制蛋白翻译，减少非必需蛋白质进入线粒体，减轻了线粒体负荷，从而发挥细胞保护作用[19]。最近研究发现，在PD 线虫模型研究中敲除与线粒体氧化磷酸化亚单位蛋白翻译、合成功能相关关的线粒体核糖体基因Mrps5（ribosomal protein S5）延长了线虫寿命并且ATP 生成增加，进一步研究发现其作用与诱发UPRmt 相关[20]。UPRmt 与线粒体对PD 机制的作用需要进一步探讨。
目前在临床上对PD 以药物治疗为主。常见的药物包括：DA受体激动剂、单胺氧化酶抑制剂、金刚烷胺类药物以及某些中成药等。但是部分药物的毒性作用较强，安全范围范围小，长期服用还会出现“开关效应”。现明确PD 的疾病机制与线粒体的形态和功能紧密关联，因此维护线粒体形态完整和功能正常可以作为PD 的一个治疗靶标。近年来随着线粒体的形态和功能在PD 疾病机制和治疗作用成为研究热点，一系列临床试验证实补充线粒体酶的激活剂可以改善PD 的症状且其毒副作用小。但是线粒体对PD 的具体作用机制还有待进一步完善，为临床治疗PD 提供有效的靶点。
参考文献[1]Finsterer J.Parkinson's syndrome and Parkinson's disease inmitochondrial disorders.[J].Movement disorders,2011,26(5):784-791.[2] Hegde ML,Gupta VB,Anitha M et al.Studies on genomic DNAtopology and stability in brain regions of Parkinson's disease[J].Archives ofBiochemistry and Biophysics,2006,449(1/2):143-156.Sci, 2005, 236(1-2): 49-54.
论文作者:黄容 曾爱源
论文发表刊物:《中国医学人文》2016年第5期
论文发表时间:2016/6/17
标签：线粒体论文; 蛋白论文; 细胞论文; 基因论文; 染色体论文; 神经元论文; 作用论文; 《中国医学人文》2016年第5期论文;