魚藤酮致帕金森病的機制研究進展

李慧珍,牛丕業(yè),陳 麗,宋冬梅,張媛媛,馬俊香

(首都醫(yī)科大學公共衛(wèi)生學院勞動衛(wèi)生與環(huán)境衛(wèi)生學系，環(huán)境毒理學北京市重點實驗室,北京 100069;*通訊作者,E-mail:majxiang83@ccmu.edu.cn)

帕金森病(parkinson’s disease,PD)是一種常見的神經(jīng)退行性疾病,主要癥狀是震顫,僵硬,運動遲緩,步態(tài)異常。主要病理改變是黑質致密部多巴胺(dopamine,DA)神經(jīng)元退行性變和被稱為路易氏小體(Lewy body,LB)的細胞包含物的形成,黑質神經(jīng)元減少和不同程度的膠質細胞增生。研究顯示,90%以上的PD患者的致病因素都與環(huán)境污染物密切相關,其中殺蟲劑魚藤酮接觸尤為明顯。

魚藤酮是一種植物性殺蟲劑,屬于異黃酮家族的一員,主要存在于醉魚豆屬植物毛魚藤的植物根莖,研究表明,用魚藤酮染毒可誘發(fā)動物出現(xiàn)類似PD的典型臨床癥狀:運動遲緩、僵直、震顫;用魚藤染毒小鼠在黑質紋狀體的細胞中也可出現(xiàn)α突觸蛋白(α-synuclein)聚集和DA神經(jīng)元的丟失現(xiàn)象[1],而α-synuclein的異常堆積是LB的主要組成成分。這些研究提示魚藤酮可通過引起α-synuclein沉積或聚集和黑質DA神經(jīng)元的丟失,進而導致PD疾病的發(fā)生,但具體機制尚不清楚。本文從魚藤酮的理化性質、毒性作用及其導致PD的可能機制進行簡單綜述,為PD的治療提供理論參考。

1 魚藤酮的理化性質及其毒性作用

魚藤酮是一種殺蟲劑,又被稱為毒魚藤,分子式為C23H22O6,無色六角板狀晶體,存在于魚藤屬植物根皮部,脂溶性很強。難溶于水,易溶于氯仿、甲醇、丙酮等有機溶劑?？梢圆唤柚魏屋d體蛋白直接穿透血腦屏障和細胞膜。其主要生物學效應是抑制細胞呼吸鏈NADH脫氫酶(即復合物I,complex I)的活性,影響細胞呼吸鏈對氧的利用,造成細胞內(nèi)呼吸抑制性缺氧。

2 魚藤酮導致帕金森病的機制

PD患者的一個顯著病理特點是在黑質和其他腦干內(nèi)存在LB。α-synuclein的異常積累是LB的主要成分,也是直接導致DA神經(jīng)元變性壞死的主要原因,但α-synuclein在細胞質中的異常聚集機制尚不清楚。細胞降解途徑如自噬的異常,可能使細胞更容易形成因α-synuclein的異常積累或其他未折疊或錯誤折疊蛋白的聚集而引起的蛋白質聚集體。自噬在PD中的作用仍存在爭議,自噬功能的異常與α-synuclein的聚集和毒性的關系尚需要進一步研究[2]。在星形膠質細胞系中過表達α-synuclein可以促進細胞自噬抑制和細胞凋亡。研究發(fā)現(xiàn),魚藤酮、百草枯等多種殺蟲劑都可以直接和α-synuclein作用,促進其聚集[1],但具體機制不清。此外,研究發(fā)現(xiàn),魚藤酮可能通過神經(jīng)炎癥而引發(fā)PD發(fā)病[3,4]。因此本文將從細胞凋亡、細胞自噬和神經(jīng)炎癥反應三個方面介紹魚藤酮致PD的可能機制。

2.1 細胞凋亡

細胞凋亡(apoptosis)是神經(jīng)元細胞退變或丟失的主要途徑之一。細胞凋亡又稱細胞程序性死亡,是多細胞生物在生長發(fā)育過程中調控機體發(fā)育,維持內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)出現(xiàn)的主動死亡的過程。魚藤酮是一種細胞毒性物質,可選擇性地阻斷線粒體呼吸鏈復合物I,使呼吸鏈不能將NADH氧化為NAD、生成的ATP減少,質子傳遞障礙,進而增加細胞中活性氧的含量,導致脂質過氧化和自由基形成[5],自由基含量的升高可以促進細胞凋亡。魚藤酮可以通過直接和間接兩種方式促進細胞凋亡。用魚藤酮處理PC12細胞,發(fā)現(xiàn)魚藤酮可通過誘導過氧化氫酶表達,增加細胞內(nèi)ROS的水平,阻斷mTOR介導的S6K-1和4E-BP1/eIF4E通路,導致神經(jīng)細胞凋亡[6]。研究發(fā)現(xiàn),降低細胞中過氧化氫酶的含量可以抑制魚藤酮引起的細胞凋亡,提示H2O2參與了細胞凋亡。魚藤酮也可能通過提高ROS含量,促進鈣離子內(nèi)流間接地促進細胞凋亡。褪黑素可以阻止與氧化應激相關的DA神經(jīng)元變性[7],Swamkar等[8]發(fā)現(xiàn)褪黑素雖然可以清除ROS,卻不能阻斷魚藤酮引起的細胞核和DNA的損傷,因此魚藤酮也可能通過誘導ROS產(chǎn)生,進而提高細胞內(nèi)鈣離子的濃度,從而引起細胞凋亡。除了ROS和細胞內(nèi)鈣離子濃度,魚藤酮可能通過減少ATP的生成降低線粒體膜電位(ΔΨm),改變膜的通透性,位于線粒體膜間隙的細胞色素c進入胞漿[9,10],從而引發(fā)細胞的凋亡通路。綜上所述,細胞內(nèi)ROS、鈣離子濃度增高、ΔΨm改變在魚藤酮誘導細胞凋亡過程中起著重要的作用。

2.2 細胞自噬

細胞自噬(autophagy)是生物體內(nèi)清除功能異常的細胞器、被氧化的脂類、錯誤折疊的蛋白質等有害大分子物質的重要途徑,越來越多的研究表明自噬失調可能與神經(jīng)退行性疾病如阿爾茨海默病(Alzheimer’s disease,AD)、帕金森癥(Parkinson’s disease,PD)等相關[5,6]。被氧化的脂類、錯誤折疊的蛋白質等若不能被及時有效地清除,就會造成積聚,可引起神經(jīng)細胞功能喪失、乃至死亡,是導致神經(jīng)退行性變的主要原因[7]。根據(jù)底物進入溶酶體的方式不同將自噬方式分為三種：大自噬(macroautophagy),小自噬(microautophagy),分子伴侶介導的自噬(CMA)[11]。大自噬是最主要的自噬方式,主要是由雙層膜包裹被部分胞質和細胞內(nèi)需降解的細胞器,蛋白質等物質形成自噬體,運輸?shù)饺苊阁w被降解。大自噬中有一種特殊方式的自噬方式即為線粒體自噬。小自噬是不形成自噬體,溶酶體膜內(nèi)陷,被降解物直接被溶酶體降解。CMA降解特定的蛋白質,最終也是在溶酶體內(nèi)完成降解[11-13]。

2.2.1 分子伴侶自噬與大自噬 魚藤酮通過阻斷α-synuclein的降解途徑使α-synuclein聚集[14]。野生型α-synuclein的降解主要通過CMA途徑或者大自噬途徑[15],當這兩種降解途徑被阻斷時,α-synuclein就會聚集。魚藤酮可以通過影響上述兩種途徑導致帕金森病的發(fā)生。

研究發(fā)現(xiàn),魚藤酮可以通過降低Hsc70表達程度阻斷CMA過程[16],Hsc70參與CMA降解蛋白質的過程,但魚藤酮導致Hsc70水平下降的機制尚不清楚?？赡芘c線粒體功能受抑制有關。其次發(fā)現(xiàn),提高自噬水平可以緩解魚藤酮導致的PD癥狀[17-19],證明自噬參與了帕金森的發(fā)病過程。在實驗中發(fā)現(xiàn)被魚藤酮處理過的PC12細胞中與細胞自噬有關的蛋白質LC3和p62水平都有所上升[19,20],LC3通常用來檢測細胞的自噬水平。LC3升高表明自噬水平提高,p62作為自噬的底物通常用來檢驗自噬流的完整性,p62含量升高說明自噬流的不完整性[21],自噬流不完整使α-synuclein的降解受限,同時α-synuclein聚集反過來也會阻斷自噬流形成惡性循環(huán)嚴重影響細胞的正常功能,最終DA神經(jīng)元受損導致帕金森病的發(fā)生。

雖然自噬流被阻斷可以很好地解釋DA神經(jīng)元損傷,但也有實驗發(fā)現(xiàn)p62含量降低,同時發(fā)現(xiàn)自噬水平的提高是有時間依存性的,處理前期自噬水平提高,后期自噬水平有所下降同時發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)細胞凋亡[22]。出現(xiàn)結果差異的原因可能是檢測時間不同,用魚藤酮處理前期α-synuclein開始堆積,細胞通過提高自噬水平來降解堆積的蛋白質維持細胞正常水平,LC3升高,p62的含量下降,隨著時間的增長α-synuclein的堆積超過細胞的負荷,凋亡程序被啟動,因此提高自噬水平的預處理可以減輕魚藤酮對細胞的損傷[23]。魚藤酮損傷自噬過程可能與線粒體損傷,膜通透性改變導致胞漿Ca2+升高有關[14],有文獻證明鈣離子參與了自噬的調節(jié)過程[24]。

2.2.2 線粒體自噬 在上述魚藤酮的理化性質及其毒性作用中已經(jīng)提到,魚藤酮可抑制細胞呼吸鏈complex I的活性,減少ATP的生成,降低ΔΨm,增加線粒體膜的通透性[9],損傷線粒體,誘導細胞自噬和線粒體自噬的發(fā)生[25]。線粒體自噬是大自噬的一種,能及時清除細胞內(nèi)受損的線粒體進而維持細胞的正常功能。魚藤酮誘導線粒體自噬發(fā)生的機制有Parkin途徑和非Parkin途徑,非Parkin途徑是指研究發(fā)現(xiàn)魚藤酮可通過誘導心磷脂(CL)從線粒體內(nèi)膜到線粒體外膜的轉位同時LC3在線粒體外膜上與CL結合,導致線粒體自噬的發(fā)生。CL是線粒體內(nèi)膜上的特有脂類,在穩(wěn)定線粒體呼吸鏈復合物和線粒體嵴的作用方面發(fā)揮重要的作用,CL和LC3結合在線粒體自噬中發(fā)揮重要作用[26]。用RNAi降低CL,可降低魚藤酮毒染的細胞中線粒體自噬水平。有趣的是,在魚藤酮處理的細胞中p62、Parkin和PINK1含量并無明顯變化,提示魚藤酮可能不是通過Parkin途徑誘導線粒體自噬[27]。但Alvin等[28]也發(fā)現(xiàn)在魚藤酮處理的小鼠神經(jīng)細胞中Parkin途徑相關的線粒體自噬途徑被激活,ROS含量升高在Parkin途徑的激活過程中發(fā)揮重要作用。綜上所述,在魚藤酮致PD過程中,線粒體自噬可能發(fā)揮著重要的作用,但激活線粒體自噬的途徑尚存在爭議,可能是與細胞種類、觀測時間和實驗條件等因素有關,因此,在魚藤酮致PD過程中,線粒體自噬的作用機制尚需要進一步深入的探討。

2.2.3 溶酶體功能紊亂 不管是CMA、大自噬,還是線粒體自噬,三者的最終通路都是在溶酶體內(nèi)完成,因此,溶酶體的正常功能對維持自噬的正常水平具有很重要的意義。魚藤酮不僅可以通過提高胞質Ga2+含量阻斷自噬流,還可通過損傷溶酶體阻斷自噬。這種損傷作用與ROS含量升高有關,ROS能增加溶酶體膜通透性[27],引起細胞凋亡蛋白酶(cathepsins)的釋放和激活,實驗中發(fā)現(xiàn)cathepsinD從溶酶體到細胞液的重新分布[4],溶酶體中cathepsinD含量減少說明其儲存功能下降,溶酶體功能障礙會阻斷自噬流[29]。另外還有實驗發(fā)現(xiàn)魚藤酮可以通過提高自噬小泡的pH值阻斷自噬流。這可能與ATP生成量減少,依賴ATP的酸化過程受到抑制有關。

2.3 神經(jīng)炎癥反應

越來越多的研究發(fā)現(xiàn)神經(jīng)炎癥在PD發(fā)病機制中起著很重要的作用。魚藤酮可通過MAPK通路直接激活小神經(jīng)膠質細胞,進而導致神經(jīng)元的損傷[30]。小神經(jīng)膠質細胞是中樞神經(jīng)系統(tǒng)中的巨噬細胞和抗原呈遞細胞,約占成熟大腦膠質細胞總數(shù)的10%-15%,活化的小膠質細胞能釋放多種炎癥因子如TNF-α、IL-1β,這些炎癥因子能直接或間接損傷神經(jīng)細胞。實驗發(fā)現(xiàn)魚藤酮能活化激酶MAPK,引起轉錄因子NF-κB從細胞質到細胞核的轉位?？赡艿臋C制是:魚藤酮提高活性氧水平,活性氧活化MAPK[31],從而激活NF-κB通路,進而激活小膠質細胞[32]。而Heather等[33]卻發(fā)現(xiàn)在LPS(脂多糖)和魚藤酮處理的小膠質細胞中,用LPS處理的實驗組出現(xiàn)了TNF-α、IL-1β水平升高、小膠質細胞形態(tài)學改變等現(xiàn)象,但用魚藤酮處理的實驗組并沒有出現(xiàn)上述炎癥因子增多等現(xiàn)象,提示魚藤酮可能不能直接活化小膠質細胞,該觀點在Gao等[34]的研究中也得到了證實。對于上述兩種截然不同的結論目前尚沒有一個合理的解釋[35]。

3 展望

綜上所述,魚藤酮可能主要從細胞凋亡、細胞自噬、神經(jīng)炎癥反應方面導致PD的發(fā)生,但目前關于魚藤酮導致PD的發(fā)病機制還不是十分清晰,了解該機制對治療魚藤酮導致的DA神經(jīng)元損傷和丟失具有十分重要的意義,同時越來越多的研究表明自噬和神經(jīng)炎癥參與了帕金森發(fā)病過程,因此,如何特異性地提高神經(jīng)細胞的自噬能力和抑制神經(jīng)炎癥,為有效治療PD提供可能的方向。