阿爾茨海默病患者線粒體功能障礙的發(fā)生機制研究進展

伊力亞斯·艾薩，付瑾，阿米娜·蘇建和

1 新疆維吾爾醫(yī)學(xué)專科學(xué)校藥學(xué)系，新疆 和田 848000；2 新疆和田特色中醫(yī)藥研究重點實驗室；3 新疆維吾爾自治區(qū)維吾爾藥材及制劑質(zhì)量控制工程研究中心；4 新疆維吾爾醫(yī)學(xué)?？茖W(xué)校醫(yī)療系

阿爾茨海默?。ˋlzheimer’s disease， AD）是日常生活中常見的神經(jīng)退行性疾病之一，其典型的特征是患者從偶發(fā)性記憶缺陷逐步發(fā)展成為嚴重的認知障礙［1］。雖然AD的確切發(fā)病機制尚不清楚，但普遍認為β樣淀粉蛋白（Amyloid β-Protein，Aβ）的大量聚集和大腦中累積的高度磷酸化Tau蛋白在AD的進展和癥狀中起主要作用［2］。值得注意的是，早在2004年就有SWERDLOW和KHAN兩位學(xué)者提出了“線粒體級聯(lián)假說”，指出線粒體功能障礙是晚期AD患者的主要病理學(xué)因素［3］。線粒體功能障礙可導(dǎo)致細胞能量缺乏、細胞內(nèi)鈣失衡和氧化應(yīng)激，從而進一步加重Aβ和Tau蛋白的影響，導(dǎo)致突觸功能障礙、認知障礙甚至記憶喪失。隨著對AD發(fā)病機制的不斷深入研究，線粒體動力學(xué)及線粒體自噬被認為與AD的發(fā)生發(fā)展過程密切相關(guān)，氧化應(yīng)激相關(guān)的線粒體受損會進一步導(dǎo)致Aβ蛋白的聚集和Tau蛋白的過度磷酸化，而Aβ蛋白的聚集和高度磷酸化的Tau蛋白可損害線粒體功能，從而形成惡性循環(huán)。GTP相關(guān)的動力相關(guān)蛋白1（Drp1）表達水平異常可導(dǎo)致線粒體過度分裂甚至碎片化，引起線粒體功能障礙和神經(jīng)元損傷，最終導(dǎo)致疾病的發(fā)生。線粒體自噬是維持細胞正常生理功能的過程，線粒體自噬功能的失調(diào)在AD疾病中發(fā)揮著重要的作用，有多種通路介導(dǎo)的線粒體自噬途徑參與了AD的發(fā)病，包括Aβ蛋白誘導(dǎo)的線粒體自噬途徑、氧化應(yīng)激誘導(dǎo)的線粒體自噬途徑、PINK1-Parkin通路介導(dǎo)的線粒體自噬途徑以及受體介導(dǎo)的線粒體自噬途徑等，均可引起異常線粒體的堆積導(dǎo)致線粒體功能障礙，進而誘導(dǎo)AD發(fā)病?，F(xiàn)將AD患者線粒體功能障礙的發(fā)生機制研究進展綜述如下。

1 氧化應(yīng)激

氧化應(yīng)激是活性氧（Reactive oxygen species，ROS）的產(chǎn)生和消除之間的不平衡所引起的。當(dāng)ROS的產(chǎn)生超過活性氧清除酶的中和能力時，細胞損傷就會發(fā)生，這會導(dǎo)致氧化應(yīng)激，并最終損害神經(jīng)細胞的線粒體功能，導(dǎo)致線粒體功能障礙。另外，ROS作為機體新陳代謝過程中不可避免的產(chǎn)物，在生物系統(tǒng)中發(fā)揮著雙刃劍的作用。在機體嚴密的調(diào)控下，微量ROS對細胞內(nèi)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)、轉(zhuǎn)錄因子的激活、基因的表達以及細胞凋亡等方面起著重要的作用［4-6］。然而，ROS含量過量時會通過氧化細胞內(nèi)所有主要生物大分子，包括核酸、蛋白質(zhì)和脂質(zhì)損傷細胞。由于大腦的高耗氧量、高水平不飽和脂肪酸（容易被自由基攻擊）和低水平抗氧化劑等特點，使得大腦特別容易受到ROS的氧化應(yīng)激損傷。同時，由于線粒體本身也是氧化應(yīng)激損傷的主要目標(biāo)，因此，氧化應(yīng)激導(dǎo)致的過量ROS通過氧化應(yīng)激損傷線粒體，引起線粒體功能發(fā)生障礙，從而引起AD疾病的發(fā)生［7］。需要注意的是，氧化應(yīng)激與線粒體功能障礙的關(guān)系不僅是因為線粒體本身產(chǎn)生ROS，還因為ROS可導(dǎo)致線粒體功能障礙的惡化。鑒于上述現(xiàn)象，氧化應(yīng)激引起的線粒體功能障礙被認為是AD發(fā)病機制中的一個重要因素。因此，通過飲食、運動和抗氧化藥物等策略降低ROS水平，可以保護神經(jīng)元線粒體免受氧化損傷，從而降低AD的風(fēng)險。

2 線粒體動力學(xué)異常

細胞內(nèi)的線粒體是動態(tài)的，其形狀、大小、數(shù)量和位置經(jīng)常發(fā)生變化，這些過程統(tǒng)稱為線粒體動力學(xué)。線粒體動力學(xué)主要包括兩個獨特、嚴格控制的相對的過程，即裂變（分裂）和融合［8］。融合是一個線粒體與另一個線粒體通過膜的融合形成一個大的線粒體的過程。與之相反的過程則稱為線粒體裂變或分裂，分裂導(dǎo)致線粒體數(shù)量增加、體積縮小。通常線粒體的融合或分裂是由一系列微管調(diào)控蛋白網(wǎng)絡(luò)維持的，通過這些微管網(wǎng)絡(luò)線粒體穿梭于整個細胞質(zhì)中，以完成線粒體融合或分裂［9］。線粒體裂變和融合之間的平衡不僅對線粒體數(shù)量、體積以及形態(tài)發(fā)揮重要作用，而且對細胞活力和突觸活動也至關(guān)重要。線粒體分裂過程主要涉及Drp1蛋白。Drp1蛋白是真核生物線粒體分裂的基本組成部分，是線粒體分裂的關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子。Drp1蛋白由Dnm1基因編碼，長度為736個氨基酸，有6種不同亞型。Drp1中存在一個高度保守的結(jié)構(gòu)域，對幾種重要的細胞功能很重要。越來越多的證據(jù)表明，Drp1蛋白參與多種功能，包括線粒體分裂、線粒體運輸、磷酸化、泛素化和蘇木化等。線粒體分裂過程中，Drp1蛋白被一些常駐蛋白受體，包括線粒體分裂因子（mitochondrial fission factor， Mff）、線粒體分裂1蛋白（mitochondrial fission 1 protein， Fis1）和線粒體動力學(xué)蛋白49/51（mitochondrial dynamics protein 49/51，MiD49/51），招募到線粒體外膜（Outer mitochondrial membrane， OMM）以促進線粒體分裂［10］。一般來說，Drp1蛋白在神經(jīng)元中主要作為線粒體分裂因子，觸發(fā)線粒體分裂［11］。各種神經(jīng)系統(tǒng)疾病，包括AD、帕金森?。≒arkinson’s disease，PD）以及亨廷頓舞蹈癥（Huntington’s disease， HD）等，均是由于Drp1蛋白表達水平異常導(dǎo)致線粒體過度分裂甚至碎片化，引起線粒體功能障礙和神經(jīng)元損傷，最終導(dǎo)致疾病的發(fā)生。

3 線粒體自噬異常

細胞自噬是溶酶體介導(dǎo)的自我降解過程，通過選擇性清除功能失調(diào)的細胞器和蛋白質(zhì)來保持細胞內(nèi)環(huán)境的穩(wěn)態(tài)［12］。當(dāng)細胞內(nèi)的自噬過程被破壞且得不到及時恢復(fù)時，便會引起細胞清除功能缺陷。線粒體自噬被認為是一種選擇性自噬過程，作為機體內(nèi)重要的清理機制，線粒體自噬通過清除受損線粒體進而維持細胞及代謝的穩(wěn)態(tài)［13］。許多因素可以誘導(dǎo)細胞以線粒體為靶標(biāo)的線粒體自噬程序，這些因素包括細胞色素C釋放、ROS產(chǎn)生增加、線粒體通透性改變、氧化損傷等。研究［14］表明，線粒體自噬異常可能是AD中出現(xiàn)有功能缺陷線粒體的原因。對于大腦神經(jīng)元而言，適當(dāng)?shù)木€粒體自噬是一種細胞自我保護機制，然而當(dāng)線粒體自噬通路發(fā)生異常，線粒體功能也會進一步出現(xiàn)障礙，加劇大腦神經(jīng)元的損傷。在AD患者神經(jīng)元中有大量的Aβ和Tau蛋白，這些毒性蛋白的聚集會引起線粒體DNA損傷、線粒體膜電位降低、線粒體ROS生成增加、線粒體軸突運輸減少、線粒體ATP生成減少等，然而當(dāng)損傷線粒體數(shù)量超出線粒體更新產(chǎn)生的新生線粒體數(shù)量時，則需要啟動線粒體自噬程序予以清除受損嚴重的線粒體。此時，如果細胞內(nèi)線粒體自噬過程出現(xiàn)異常，會引起異常線粒體的堆積導(dǎo)致線粒體功能障礙，進而促使AD病理改變加重。在過去的十年中，關(guān)于線粒體自噬過程的分子機制、相關(guān)的蛋白質(zhì)和分子以及它們在正常和病理狀態(tài)下的作用的認識已經(jīng)大大增加。大量的研究［15］表明，多種蛋白質(zhì)可通過多種途徑參與線粒體自噬過程，這些蛋白質(zhì)包括Drp1、Fis1、Mfn1、Mfn2、泛素、PINK1、Parkin、BNIP3、LC3、NIX和FUNDC1等。在AD中，幾種主要的線粒體自噬途徑被確定，主要包括Aβ蛋白誘導(dǎo)的線粒體自噬途徑、氧化應(yīng)激誘導(dǎo)的線粒體自噬途徑、PINK1-Parkin介導(dǎo)的線粒體自噬途徑和受體介導(dǎo)的線粒體自噬途徑。其中，PINK1-Parkin受體介導(dǎo)的線粒體自噬作用得到了很好的研究，也是最為人所知的線粒體自噬途徑。

3.1 Aβ蛋白積聚誘導(dǎo)的線粒體自噬異常 AD患者中一個典型的病理特征是神經(jīng)元胞外Aβ積聚形成淀粉樣斑塊。研究［16］表明，外源性Aβ肽干預(yù)的PC12細胞表現(xiàn)出PINK1、Parkin和LC3-Ⅱ水平顯著降低以及自噬底物p62積累為特征的線粒體自噬受損。在大鼠腦室內(nèi)注射外源性Aβ同樣會導(dǎo)致PINK1、Parkin和LC3-Ⅱ的水平降低和p62的積累。同樣，在過表達Aβ蛋白的秀麗隱桿線蟲神經(jīng)元中也觀察到了線粒體自噬活性降低［17］。因此，Aβ蛋白積聚可作為線粒體自噬功能受損的上游事件。當(dāng)神經(jīng)元內(nèi)線粒體自噬功能發(fā)生障礙時，大量功能障礙的線粒體無法被及時清理，致使進一步加快神經(jīng)元胞外Aβ蛋白的沉積進而加重線粒體自噬障礙，形成惡性循環(huán)，加速AD的發(fā)生進展，利用特異性藥物調(diào)控Aβ蛋白可以為治療AD提供新的治療策略。

3.2 氧化應(yīng)激誘導(dǎo)的線粒體自噬異常 氧化應(yīng)激是AD等神經(jīng)退行性疾病中發(fā)揮神經(jīng)毒性的主要因素。一般來說，當(dāng)體內(nèi)ROS的產(chǎn)生和蓄積超過機體對其清除能力時，便會導(dǎo)致細胞內(nèi)ROS水平增加或氧化應(yīng)激［18］。氧化應(yīng)激過程中，ROS作為線粒體代謝副產(chǎn)品，是衰老、代謝和神經(jīng)退行性疾病發(fā)生的物質(zhì)基礎(chǔ)。研究［19］發(fā)現(xiàn)，TRPML1蛋白是神經(jīng)元內(nèi)氧化應(yīng)激的感受器，TRPML1蛋白接受到神經(jīng)元內(nèi)ROS含量異常增多的信號后，能促進神經(jīng)元的線粒體自噬活性，加速對受損線粒體的清除，從而減少線粒體產(chǎn)生自由基。另外，關(guān)于AD的相關(guān)研究結(jié)果顯示，腦內(nèi)存在一種可以產(chǎn)生ROS的糖基化終產(chǎn)物（advanced glycation end products， AGEs）。AGEs及其受體均在星形膠質(zhì)細胞、小膠質(zhì)細胞和神經(jīng)元中表達，并且在AD腦組織樣本中可檢測到高水平AGEs受體的表達。AGEs與其受體結(jié)合后可誘導(dǎo)ROS的產(chǎn)生并顯著促進氧化應(yīng)激誘導(dǎo)的線粒體自噬［20］。然而，雖然適度增加的ROS能作為信號能誘發(fā)線粒體自噬，但是ROS過度增加反而引起蛋白質(zhì)和脂質(zhì)分子氧化損傷，進一步加重AD患者神經(jīng)元的損傷，促使AD的病理性改變。

3.3 PINK1-Parkin通路介導(dǎo)的線粒體自噬異常PINK1-Parkin通路是眾多線粒體自噬途徑中的一條，其異常與多種疾病的發(fā)生密切相關(guān)。研究［21］顯示，PINK1蛋白錨定并招募Parkin到線粒體，進而觸發(fā)線粒體自噬作用。在正常生理條件下，當(dāng)機體細胞線粒體遭受氧化應(yīng)激、炎癥反應(yīng)等刺激時，線粒體外膜上累積PINK1蛋白，使功能失調(diào)的線粒體外膜去極化，并與線粒體內(nèi)膜上產(chǎn)生質(zhì)子濃度梯度［22］。在去極化線粒體中，PINK1蛋白激酶在線粒體外膜積累，通過泛素的磷酸化激活Parkin。Parkin作為線粒體自噬信號的“增強子”，具有E3泛素連接酶活性，它可以泛素化線粒體外膜中的幾種底物，與泛素鏈（如銜接蛋白p62、OPTN、NDP52）相互作用，從而通過與LC3結(jié)合進行線粒體自噬。然而，在AD等神經(jīng)退行性疾病中，神經(jīng)元遭受持續(xù)性氧化應(yīng)激，造成線粒體持續(xù)去極化，引起PINK1向線粒體運輸受到抑制，阻礙線粒體自噬啟動程序。另外，也有研究［23］顯示，在氧化應(yīng)激的條件下，自噬溶酶體系統(tǒng)障礙影響線粒體自噬功能，阻礙受損線粒體通過線粒體自噬途徑降解，促進神經(jīng)退行性疾病的發(fā)生。因此，在AD治療過程中，靶向激活PINK1-Parkin通路介導(dǎo)的線粒體自噬程序，可加速功能障礙線粒體的清除，改善神經(jīng)元線粒體的正常生理功能，從而緩解AD疾病的發(fā)生、發(fā)展過程。

3.4 受體介導(dǎo)的線粒體自噬異常 線粒體自噬異常與AD發(fā)病密切相關(guān)，但其機制極其復(fù)雜，除了經(jīng)典的PINK1-Parkin通路相關(guān)的線粒體自噬外，在哺乳動物中還發(fā)現(xiàn)了其他受體介導(dǎo)的線粒體自噬通路，如NIX/BNIP3介導(dǎo)的線粒體自噬［24］。在哺乳動物細胞中，NIX和BNIP3都具有錨定LC3相互作用區(qū)，因此被定義為線粒體自噬受體。在受體介導(dǎo)的線粒體自噬中，線粒體的外膜蛋白BNIP和NIX啟動受體依賴性線粒體自噬。這些受體蛋白直接與LC3結(jié)合，并介導(dǎo)線粒體清除過程。研究［25-26］顯示，氧化應(yīng)激產(chǎn)生的ROS和線粒體自噬受體NIX通過增強Parkin在受損線粒體上的易位來促進線粒體自噬的誘導(dǎo)和啟動，表明PINK1/Parkin介導(dǎo)的線粒體自噬和受體介導(dǎo)的線粒體自噬途徑可能是相互依賴的。另外，在AD發(fā)生發(fā)展過程中，腦組織內(nèi)Aβ的增加導(dǎo)致Parkin蛋白表達水平減低，進而影響PINK1-Parkin途徑誘導(dǎo)的線粒體自噬活性的下降［27］。因此，受體介導(dǎo)的線粒體自噬在AD疾病的發(fā)生過程中，可能通過抑制PINK1/Parkin介導(dǎo)的線粒體自噬信號通路，降低線粒體自噬活性，致受損線粒體無法被自噬溶酶體降解而堆積，導(dǎo)致AD病程的加重。

綜上所述，我們總結(jié)歸納了部分引起線粒體功能障礙的研究結(jié)果，包括氧化應(yīng)激、線粒體動力學(xué)、線粒體自噬等。可溶性Aβ蛋白的聚集和高度磷酸化的Tau蛋白可損害線粒體功能，如細胞色素C氧化酶活性、ATP生成和自由基清除。氧化應(yīng)激相關(guān)的線粒體受損反過來會進一步導(dǎo)致Aβ蛋白的聚集和Tau蛋白的過度磷酸化，從而形成惡性循環(huán)。線粒體自噬是維持細胞正常生理功能的過程，線粒體自噬功能的失調(diào)在AD疾病中發(fā)揮著重要的作用，有多種通路介導(dǎo)的線粒體自噬途徑參與AD的發(fā)生發(fā)展，包括Aβ蛋白誘導(dǎo)的線粒體自噬途徑、氧化應(yīng)激誘導(dǎo)的線粒體自噬途徑、PINK1-Parkin介導(dǎo)的線粒體自噬途徑以及受體介導(dǎo)的線粒體自噬途徑等，但其機制尚未完全清楚，相信隨著進一步的深入和系統(tǒng)的研究，越來越多的研究揭示線粒體自噬與AD之間的關(guān)系，并作為一個新的靶點，為AD的治療提供可行的策略。