發布時間：2019-10-29所屬分類：醫學論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要 線粒體是真核細胞中最常見的細胞器, 具有高度動態性, 伴隨持續性的融合、分裂和運輸, 其動態性不但影響線粒體的形態與數量, 同時調控其定位與功能. 線粒體也是維持神經元功能與生存的基礎. 線粒體動態異常出現在多種神經退行性疾病的早期, 包括阿爾茲海
摘要 線粒體是真核細胞中最常見的細胞器, 具有高度動態性, 伴隨持續性的融合、分裂和運輸, 其動態性不但影響線粒體的形態與數量, 同時調控其定位與功能. 線粒體也是維持神經元功能與生存的基礎. 線粒體動態異常出現在多種神經退行性疾病的早期, 包括阿爾茲海默癥、帕金森綜合征、肌萎縮性脊髓側索硬化癥和亨廷頓舞蹈癥等. 本文就線粒體動態變化的分子機制進行了簡述, 分析了線粒體多態性與神經元功能的關聯; 詳述了不同疾病中線粒體動態變化的特點, 探討了以調控線粒體動態為基礎的新型治療策略.
關鍵詞 神經退行性疾病, 阿爾茲海默癥, 帕金森綜合征, 肌萎縮性脊髓側索硬化癥, 亨廷頓舞蹈癥, 線粒體動態變化, 線粒體碎裂, 線粒體分裂與融合
線粒體是絕大多數真核細胞所共有的細胞器, 具有高度動態性, 伴隨著持續性的分裂、融合與運輸, 這些動態變化不僅維持線粒體的完整性和合理的分布, 同時也是保證線粒體正常功能的根本. 線粒體還參與細胞內的多種信號通路, 包括ATP的合成、代謝產物的加工、活性氧類(reactive oxygen species, ROS)的生成、鈣離子平衡、細胞凋亡與壞死等[1~3]. 作為細胞的“能量工廠”, 線粒體負責整個生命體的能量供給. 大腦是人體內的高耗能器官, 重量占體重的2%, 卻消耗著20%的能量. 為維持有效的糖酵解與活躍的生理代謝, 大腦內的神經元需要充分地利用線粒體產生的能量[4]. 此外, 由于神經元擁有樹突、軸突等多種復雜的胞體延伸結構, 為了滿足不同位置的能量需求, 還要依靠線粒體合理的運輸與分布. 線粒體還參與穩定細胞內鈣離子儲量, 是突觸傳導、軸突和樹突內物質運輸以及突觸小泡循環等多項神經元活動順利進行的基礎[5,6].
神經退行性疾病是一種無法治愈的惡性神經障礙性疾病, 其主要特征是中樞神經系統和周圍神經系統中神經元的退化與死亡. 常見的神經退行性疾病包括阿爾茲海默癥(Alzheimer’s disease, AD)、帕金森綜合征(Parkinson’s disease, PD)、肌萎縮性脊髓側索硬化癥(amyotrophic lateral sclerosis, ALS)、亨廷頓舞蹈癥 (Huntington’s disease, HD)等. 研究表明, 神經退行性疾病病人患病早期, 即出現大腦內新陳代謝率下降、線粒體功能紊亂等病理特征[7], 說明線粒體功能紊亂在神經退行性疾病的發病過程中扮演著重要的角色. 另據發現, 神經退行性疾病病患的神經元中普遍存在線粒體碎裂現象, 同時還伴隨異常的線粒體分布[8,9]. 這些現象提示, 異常的線粒體動態變化可能是造成線粒體功能紊亂及退行性神經病變的關鍵誘因之一. 本文著眼于幾種常見的神經退行性疾病, 分析了其中的線粒體異常的動態變化.
1 線粒體動態變化
1.1 線粒體分裂
線粒體分裂與融合是兩個相反的生物學過程, 二者的平衡性對整個線粒體網絡形態的維護至關重要. 融合和分裂過程受多種動力相關GTP酶的調節. 線粒體分裂蛋白1(Drp1/DLP1)是一種大分子GTP酶, 定位于細胞質中[10]. 在線粒體分裂過程中, Drp1被線粒體表面受體蛋白Mff, Fis1, MiD48/51等招募至線粒體外膜, 通過自我裝配, 形成寡聚化的環狀結構, 利用GTP 水解酶活力實現對線粒體膜的切割[11~14](圖1A). 最新研究指出, 在Drp1募集和裝配后, 另有動力蛋白Dyn2 參與后期膜分裂過程[15]. 分裂結束后, Drp1復合物滯留在其中一個子線粒體上[16], 喪失繼續切割線粒體的能力[17,18]. 失活的Drp1寡聚復合物被空泡蛋白VPS35 優先結合, 從線粒體直接運輸至溶酶體降解[19]. 目前, 針對線粒體分裂的分子機制研究已取得不小的進展, 但引發線粒體分裂的誘因至今不明. 有研究顯示, 內質網與肌動蛋白微絲可能對Drp1在線粒體表面富集位點的選擇起到決定性作用[20,21]. 另外, 溶酶體與線粒體的接觸位置也可能是線粒體分裂的起始位點[22].
1.2 線粒體融合
線粒體融合包括內膜融合和外膜融合兩部分. 這一過程主要通過3種大分子GTP酶調控, 包括促進外膜融合的Mfn1和Mfn2, 以及協助內膜融合的OPA1[23]. 與 Drp1類似, 這3種蛋白也是利用GTP酶活性和蛋白質自我組裝能力, 實現對線粒體膜結構的重編輯. 在線粒體外膜融合過程中, Mfn1或Mfn2的卷曲螺旋域通過相互作用結合, 形成純合或雜合的寡聚體復合物, 從而促進膜融合[24,25](圖1B). 除此之外, 線粒體膜上的磷脂質也參與膜融合過程. MitoPLD是磷脂酶D家族的一員, 它通過水解雙磷脂酰甘油產生磷脂酸, 調節線粒體融合[26]. 另有MIGA通過促進MitoPLD二聚體的形成, 間接調控線粒體的融合[27].
1.3 線粒體運輸
為滿足不同的生理需求, 線粒體被運送至細胞內的特定位置發揮功能. 按照運動速度, 線粒體運輸分為通過微管進行的快速運輸和由肌動蛋白絲實現的緩慢運輸. 按照運動方向分為遠離胞體的正向運輸和靠近胞體的逆向運輸. 正、逆向運輸的實現, 主要依靠線粒體選擇性結合不同的馬達蛋白復合物[28]. 例如, 協助正向運輸的Kinesin-1復合物, 以及參與逆向運輸的Dynein/Dynactin復合物, 它們與線粒體表面Miro和 Milton蛋白直接相互作用, 帶動線粒體沿微管朝固定方向運動[29,30](圖1C). 線粒體還能在Myo2, Myo19等肌動蛋白的幫助下, 在微絲上進行短距離運輸[31,32]. 另外, 線粒體在細胞內的分布也受其動態變化的影響[33]. 例如, 線粒體動態相關蛋白Drp1和Mfn2就曾被報道參與調節線粒體在軸突中的運輸[34,35]. 敲除細胞中線粒體融合相關蛋白Maf和OPA1, 明顯抑制了線粒體在軸突中的運輸, 此時若同時敲除Drp1將逆轉線粒體運輸缺陷[36]. 除了細胞內的運輸, 線粒體還能在不同類型的細胞之間進行運輸. 例如, 損傷的線粒體被神經元釋放, 運輸至星形膠質細胞中并通過自噬清除[37,38]. 反之, 星形膠質細胞也能夠利用特殊機制釋放功能正常的線粒體, 然后被神經元吸收利用[39].
2 線粒體動態變化與線粒體功能和神經元功能的關聯
線粒體動態變化除了能直接影響線粒體的形狀、數量和定位之外, 還參與維護線粒體完整性和功能性. 線粒體融合可以實現膜脂質和線粒體內容物在不同線粒體之間的交換, 有利于代謝產物的平均分配和線粒體DNA(mtDNA)的相互補償, 從而有效避免基因突變, 保證線粒體的正常功能. 反之, 線粒體分裂可以隔離受損傷的線粒體, 促進其通過自噬途徑降解[40~42]. 線粒體動態失衡可能導致線粒體延長或縮短, 最終降低線粒體的代謝活力. 例如, 抑制Drp1表達可促使線粒體延長, 導致氧化磷酸化(oxidative phosphorylation, OXPHOS)復合物Ⅳ活力下降, ATP合成受阻[43]. 在出現線粒體碎裂的細胞中, 線粒體鈣離子吸收能力和線粒體內鈣離子擴散能力均有下降, 說明線粒體動態平衡異常影響鈣離子穩態[44,45]. 還有證據顯示, 線粒體形態變化與OXPHOS復合物的裝配、嵴的重塑、基質空間的凝聚以及ROS的產生都密切相關[46~49]. 另外, 線粒體動態平衡還與線粒體非折疊蛋白應答反應(mitochondrial unfolded protein response, mtUPR)一同參與維護線粒體內蛋白質的穩態[50,51].
鑒于神經元結構與功能的特殊性, 其對線粒體動態變化更加敏感. 例如, 線粒體動態相關蛋白的缺失可干擾線粒體運輸與定位功能, 導致神經元軸突、樹突和突觸小體內線粒體的缺失, 最終引發樹突棘和突觸的消失[52~54]. 線粒體動態變化對神經元功能的影響還體現在線粒體動態調節蛋白突變引發的各類遺傳性神經類疾病, 如與Mfn2相關的2A型腓骨肌萎縮病[55,56], 以及由于OPA1突變引發的1型視神經萎縮癥[57,58]等. 線粒體動態變化異常還是多種神經損傷性疾病的早期病理特征, 如腦缺血、中風、腦外傷等, 這一特征在神經退行性疾病中尤其明顯, 如ALS, AD, PD和HD等[7,59,60]. 以下綜述了幾種常見的神經退行性疾病中線粒體異常動態變化的情況及相關的研究進展.
3 神經退行性疾病中的異常線粒體動態變化
3.1 AD中的線粒體異常動態變化
AD是一種常見于老年人中的癡呆癥, 患病者大腦內的記憶、學習、意識思維和語言區域的神經元持續退化與死亡. 患者腦內出現的老年斑(senile plaque, SP) 和神經纖維纏結(neurofibrillary tangle, NFT)是AD的兩個最主要的病理特征, 其中NFT是由超磷酸化的微管相關蛋白Tau組成的細胞內聚集體, SP是細胞外的β-淀粉樣(amyloid-β, Aβ)沉積. 目前, 針對AD病人中線粒體動態性的研究已取得初步進展. 研究發現, 除了AD病人, 在過表達Aβ或Tau的AD動物模型中, 線粒體碎裂和膜結構不完整是非常典型的早期病理特征之一[61~66], 且伴隨Drp1, OPA1, Mfn1/2和Fis1等蛋白表達量的改變. 早老素蛋白(presenilin, PS)突變是引發AD 的誘因之一, 攜帶PS1 E280A突變的AD病人大腦中, 從顳葉區到海馬區的神經元中都出現了線粒體形態的異常變化[67], 說明PS可能涉及調控線粒體動態. APP是 Aβ的前體蛋白, 在APP轉基因小鼠(Mus musculus)模型中, 研究人員發現碎裂線粒體以及線粒體產能缺陷等現象先于SPs出現[68,69]. 近期另兩項研究還發現, 在 APP或Tau轉基因老鼠模型中, 通過降低Drp1含量抑制線粒體碎裂的發生, 能緩解線粒體功能紊亂以及防止突觸的丟失[70,71]. 暗示線粒體形態異常對疾病進程產生關鍵性影響, 線粒體動態變化可作為潛在的治療靶點.
在AD實驗模型中, 除了形態的異常變化, 線粒體分布也受到影響. 超磷酸化或突變(P301L)的Tau蛋白可導致神經元中線粒體運輸異常[72,73]. 在AD病人和 APP轉基因小鼠中, Parkin介導的線粒體自噬途徑是引起線粒體運輸缺陷的潛在原因[74,75]. 另外, 在Aβ處理或過表達APP的神經元內, 線粒體在軸突中的運輸能力和密度均有所下降[76,77], 這一現象可以通過抑制線粒體分裂而緩解[65,77], 說明線粒體運輸功能的減弱很可能是由于線粒體碎裂引發的. 在AD病人中, 線粒體動態變化異常還出現在神經元的胞體、軸突、突觸末梢等各個不同區域. 由此可能造成局部能量的缺乏, 觸發神經元功能紊亂及死亡. 目前, AD患者中線粒體動態變化異常的具體機制還不明確, 但有證據顯示, Aβ 和Tau皆能在線粒體中與Drp1等線粒體融合、分裂調節蛋白相結合, 暗示其可能直接影響線粒體動態平衡, 從而引起神經毒性, 誘發退行性病變[61,64,78]. 線粒體內 Aβ的積累不僅影響線粒體動態平衡, 還是線粒體功能異常的重要誘因之一. 激活線粒體內蛋白酶水解活力, 能夠促進Aβ的清除并恢復線粒體正常功能[79].
3.2 PD中的線粒體異常動態變化
PD是全球第二大神經退行性疾病, 僅次于AD, 罹患PD的病人, 出現特有的運動能力障礙, 臨床表現為運動遲緩、靜止性震顫、機體僵硬等癥狀. PD的病理學特征主要表現為黑質區多巴胺能(dopaminergic, DA)神經元的退化和死亡, 以及DA神經元胞質中由α- synuclein組成的包涵體的出現[80]. 最早期的PD分子病理研究主要依賴于1-甲基-4苯基-1,2,3,6-四氫吡啶(1- methyl-4-phenyl-1,2,3,6-te-trahydropyridine, MPTP)的毒理學模型. MPTP作為一種嗜神經毒性物質, 在大腦內轉化為高毒性的MPP+, 并在DA神經元中富集, 通過多巴胺轉運體特異性抑制線粒體OXPHOS復合物I [81], 誘發DA神經元的神經退行性病變[82]. 有趣的是, MPP +還能夠促進線粒體分裂, 并導致線粒體碎裂現象, 而該過程發生在神經元死亡之前[83]. 說明線粒體動態失衡可能是MPP+引起神經毒性的重要誘因之一.
不僅在DA神經元內, PD病人的其他細胞中的線粒體也呈現多態性變化和功能紊亂情況[84~86]. 過去10 年, 不斷有關于PD相關蛋白失活引發線粒體碎裂的研究. 例如, 在PD病人的肌肉和DA神經元中, PINK1, Parkin或DJ-1等PD相關蛋白的減少都能引起異常的線粒體多態性[87,88]. 此外, 在PD相關實驗模型中, 突變的 α-synuclein蛋白錯誤定位于線粒體上, 誘發線粒體功能紊亂和線粒體碎裂[89,90]. LRRK2基因突變作為引起 PD病發的另一關鍵性因素也會誘發線粒體碎裂[91]. 另有PD相關蛋白VPS35突變后通過促進線粒體上無活性的Drp1寡聚物的清除, 導致線粒體碎裂[92].
在PD相關遺傳和毒理模型中, 不僅有線粒體形態的異常, 同時軸突中的線粒體運輸功能也受到影響, 這一現象可通過抑制線粒體分裂而得到緩解[83,91]. 推測在PD中線粒體運輸功能損傷是線粒體分裂、融合的下游效應. 研究人員還發現Parkin和PINK1參與介導 Miro1降解途徑, 更進一步地證實線粒體運輸功能可能受到PD相關蛋白的直接調控[93].
已知的多數PD相關蛋白, 如α-synuclein, PINK1, Parkin, LRRK2, DJ-1和VPS35等都能夠定位在線粒體或線粒體相關膜結構上[91,92,94~97], 推測這些蛋白很可能是線粒體分裂、融合等動態變化的直接參與者. 例如, Parkin和PINK1參與介導包括Drp1, Mfn1, Mfn2和 Miro1 在內的多個線粒體動態性調節蛋白的降解[93,98~100]; LRRK2和VPS35可分別與Drp1發生直接相互作用, 調節線粒體動態變化和功能. 現已有越來越多的證據顯示, 線粒體動態變化異常可能是導致線粒體功能紊亂和神經元退化的常規機制之一[101].
線粒體動態變化與線粒體自噬也密切相關. 多項研究證實, 線粒體碎裂先于自噬過程發生[42,102~105]. 抑制線粒體分裂將阻礙線粒體自噬過程[102]. PINK1/Parkin介導的線粒體形態變化是線粒體自噬過程中的早期步驟. 隨著線粒體膜電勢的下降, 蛋白激酶PINK1在線粒體表面積累, 通過招募并活化Parkin, 選擇性降解線粒體融合相關分子, 瓦解受損傷線粒體的正常融合機制, 避免其與健康線粒體的融合[106~109]. 在PINK1/ Parkin缺失或者突變的細胞和動物模型中, 線粒體形態異常和受損傷線粒體的積累是其典型的病理特征[110~112]. 鑒于其在PD發生發展中的重要作用, 線粒體自噬將會成為治療PD的新型藥物開發靶點.
3.3 ALS中的線粒體異常動態變化
ALS又被稱為Lou Gehrig’s病, 患者腦干和脊髓內的運動神經元退化, 導致肌無力、肌萎縮以及言語、吞咽和呼吸困難等癥狀. ALS的典型病理標志是運動神經元內出現以RNA/DNA結合蛋白TDP-43為主要成分的包涵小體[113]. 遺傳學上, SOD1, TDP-43, FUS, C9orf34等基因的突變均可誘發ALS的產生. 研究發現, ALS病人的神經元和其他細胞中均出現線粒體形態異常現象[114~116]. 除此以外在多種ALS動物模型中也可觀察到線粒體碎裂情況的發生. Cu/Zn超氧化物歧化酶1(SOD1)是第一個從ALS病人中檢驗出的遺傳性突變. 在突變SOD1轉基因實驗模型中, 線粒體呈現碎裂現象, 且線粒體分裂、融合調節因子Drp1, OPA1, Mfn1和Fis1的表達量發生改變. FUS突變和TDP-43突變也能造成線粒體碎裂, 以及線粒體分裂、融合調節因子的表達量變化[117~121]. 有趣的是, 多功能干細胞誘導產生的攜帶TDP-43和C9orf72突變的人運動神經元內也被證實發生線粒體碎裂現象[115,122]. 綜上所述, 線粒體動態變化異常在ALS病人和ALS模型中具有一定的普遍性[123].
在ALS病人中, 線粒體運輸出現異常, 導致其聚集在脊髓運動神經元的胞體和近胞體軸突丘中[124]. 此外, 在SOD1突變或TDP-43突變的轉基因動物中, 神經元細胞核周圍以及近胞體的軸突也出現異常的線粒體簇[119,120,125~127]. 在體外培養的神經元中, 表達突變的 SOD1或-TDP43蛋白, 導致軸突內線粒體運輸功能損傷[119,120,128,129]. 在ALS病人以及突變的SOD1或TDP-43 轉基因動物的脊髓中Miro1的表達量大大降低[130], 說明在ALS中Mrio1表達量的下降可能是造成線粒體運輸異常的關鍵因子. 有趣的是, 在表達TDP-43或SOD1 突變基因的運動神經元中, 通過過表達無活性的Drp1 或Mfn2抑制線粒體分裂, 能有效防止線粒體運輸缺陷的發生[120,131]. 說明在ALS中, 除了Mrio1缺乏之外, 線粒體分裂融合的異常也是導致線粒體轉運功能損傷的誘因之一. 未來針對線粒體動態變化對ALS疾病進程的影響將是很有價值的研究方向.
3.4 HD中的線粒體異常動態變化
HD是遺傳性神經退行性疾病, 患病者伴有多種神經、認知和運動方面的病癥. HD是由突變的CAG基因編碼的N端攜帶多聚谷氨酰胺鏈的Htt蛋白所引發[132]. HD的主要病理特征包括紋狀體和大腦皮層內神經元的退化與死亡以及細胞內包涵小體的出現. 這類包涵體由泛素化蛋白和帶有多聚谷氨酰胺鏈的截短型Htt 蛋白組成[133]. 大量證據顯示, HD病人的細胞內存在線粒體碎裂現象[134,135]. 在HD病人的大腦中, 線粒體分裂、融合調節蛋白Drp1, MFN和Fis1的表達量或翻譯后修飾發生極大的改變[135~137]. 另外, 在HD病人和突變Htt轉基因小鼠模型的紋狀體中, S-亞硝基化Drp1的表達量上升, 該形式的Drp1擁有更加高效的GTPase活力, 導致線粒體碎裂情況越發明顯, 最終引起樹突棘的消失以及突觸損傷的加重[138,139]. 線粒體動態異常現象還在多種HD相關動物模型中被發現. 例如, 3-NP是線粒體OXPHOS復合體Ⅱ的抑制劑, 用3-NP處理神經元, 可見線粒體碎裂和線粒體功能紊亂相繼發生, 最終誘發類似HD病理的紋狀體神經退行性病變和運動能力損傷[140~142]. 有趣的是, 在3-NP毒理模型中, 抗氧化劑的使用能抑制線粒體動態異常的發生, 暗示線粒體動態變化異常也可能是線粒體產能缺乏的結果[141,142]. 在這些HD毒性或遺傳性模型中, 除了線粒體形態的變化之外, 同時伴有線粒體運輸功能障礙.
近期一些關于突變Htt和線粒體動態調節蛋白的相互作用的研究, 進一步揭示了Htt與線粒體動態性之間可能的直接聯系. 突變的Htt蛋白能和Drp1在線粒體上發生相互作用[38,135], 而在表達突變Htt基因的神經元中Drp1的失活, 以及Fis1和Drp1相互作用的減弱都能緩解線粒體異常動態變化的發生. 另外, 突變Htt蛋白能選擇性地隔離和失活肌動蛋白Kinesin和Dynactin, 或通過與HAP1的相互作用干擾肌動蛋白與微管之間的聯系, 從而導致線粒體運輸功能損傷[143,144]. 綜合多項發現, 說明突變的Htt能對線粒體的動態變化產生多種不同形式的干擾, 導致線粒體形態和功能的紊亂, 以及神經元死亡, 這一過程可能是引起HD發生與發展的主要途徑之一.
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4 總結與展望
AD, PD, ALS, HD以及多種其他神經退行性疾病的主要特征都是神經元的退化和死亡. 而線粒體是維持神經元存活的必要條件. 現如今, 已在多種神經退行性疾病中發現了線粒體多態性現象, 這一早期常見的病理特征可能是線粒體和神經元功能紊亂的主要誘因之一[145]. 雖然引發線粒體動態異常的誘因眾多, 但多項新興的研究顯示, 在多種神經退行性疾病模型中, 抑制線粒體碎裂, 皆能有效減少神經元死亡, 改善運動能力. 例如, 在表達Tau或APP的轉基因AD模型動物中, 通過降低Drp1的表達量抑制線粒體碎裂, 可實現對神經元的保護以及行為能力的改善[70,71]. Drp1的小分子抑制劑Mdivi-1也能在PD動物模型中成功抑制線粒體碎裂, 恢復多巴胺的釋放, 阻止DA神經元的死亡[146]. 除此之外, 封閉Drp1和Fis1相互作用的抑制劑P110, 也實現了改善HD神經毒性和行為缺陷的目的[146](圖2). 這些以調控線粒體動態為基礎的病理研究成果, 為未來神經退行性疾病的研究和治療提供了良好的新方向.
SCISSCIAHCI
