线粒体与帕金森病

[第1楼 PID1105] 2007-07-20 10:39 果冻 写道:

线粒体与帕金森病

杨勇 胡刚
(南京医科大学，南京，210029)
帕金森病(PD)是常见的中枢神经系统变性疾病，主要见于中老年人，疾病呈进行性发展，是中老年致残的主要原因之一。随着年龄增长其患病率逐渐增高，50岁为1%，60岁为2%。其病理改变为选择性中脑黑质多巴胺神经细胞缺失，残存的神经元变性，胞浆内出现特征的包涵体(Lewy小体)，临床表现为肌肉强直、肢体震颤和运动减少。
PD的病因还不是很清楚，但可以确定的是它是多因素的，包括遗传因素和环境因素。遗传因素包括-synuclein 、UCHL1(ubiquitin carboxy terminal hydrolase) 、Parkin(ubiquitin protein ligase)以及tau基因，-synuclein是在突触的末端高度表达的一种蛋白，和UCHL1以及Parkin一起参与了ubiquitin介导的蛋白降解途径；环境因素包括一些环境毒物如MPTP、Rotenone[2,25]等，并以此来制造动物模型。
目前为止PD的发病机制还不清楚。PD患者最显著的病理学特点是脑内选择性黑质致密区多巴胺能神经元死亡；综合来自死后尸解、动物模型和细胞模型的大多数资料表明：PD黑质多巴胺能神经元的死亡不是坏死(necrosis)，而是凋亡(apoptosis)[5]。线粒体功能失调、EAA的神经毒性作用和氧化应激等都与凋亡有关，而线粒体功能失调则是介导这一过程的中心环节[3]。
以下就线粒体与PD的相关性研究作一综述：
1．线粒体与能量代谢
PD患者死后尸检发现黑质的多巴胺能神经元中复合物I缺乏(Gu et al., 1998b; Janetzky et al., 1994; Schapira et al., 1989, 1990a,b)；早期研究还发现血小板线粒体功能低下,现代分子生物学进一步证实PD病人多种组织细胞内的线粒体复合体I、II、III甚至IV都存在功能缺陷。
线粒体存在于所有的细胞中，是细胞供能的主要细胞器。其氧化磷酸化体系(OXPHOS)位于线粒体内膜上，由五个复合物组成(复合物I～V)。自从发现MPTP的代谢产物MPP＋能够抑制线粒体呼吸链复合物I(Mizuno et al., 1987; Nicklas et al., 1985; Ramsay et al., 1986)，人们便开始研究线粒体与PD发生的相关性。最先发现药物滥用患者接触了MPTP后出现帕金森综合症的症状，包括运动迟缓和肌僵硬，并且左旋多巴有很好的疗效。MPTP也可以导致其它灵长类动物患帕金森病。MPTP可以通过单胺氧化酶(主要为单胺氧化酶B)转化为MPP+，后者可直接被多巴胺能神经元膜上的单胺转运体摄取进入胞内，然后进入线粒体，特异性的与复合物I结合并抑制其活性，进一步抑制ATP合成，并且产生大量自由基。与MPTP类似，Rotenone也能特异性的抑制复合物I。Rotenone是一种普通的杀虫剂，来源于植物，暴露可以导致多巴胺能神经元进行性缺失。目前已经通过慢性静脉内给药成功建立了PD的大鼠模型[1]，这些模型动物脑内出现Lewy样聚集物，该聚集物含有-synuclein，与人类患者脑内恶化的纹状体多巴胺能神经元类似 。
2．mtDNA和PD杂交细胞模型
线粒体是唯一含有核外DNA的细胞器。每个线粒体含有2～10个线粒体DNA(mtDNA) 分子，每条DNA分子含有16.5kb的环状双螺旋结构，包括一条重链(H)和一条轻链(L)，非常致密，93％的序列编码基因，而且没有内含子，没有组蛋白包裹，缺乏完整的修复机制来剔除突变DNA序列。mtDNA编码22个tRNA、12S、16S的rRNA以及13种蛋白质，所有的呼吸链以及氧化磷酸化系统(OXPHOS)。这13种多肽中，有7个是复合物I的亚基，1个是复合物III的亚基，3个是复合物IV的亚基，2个是复合物V的亚基。氧化磷酸化体系的其它70个亚基是由核DNA编码并导入线粒体内的。mtDNA的复制，转录，翻译，修复以及氧化磷酸化体系的调节所需蛋白质也是由核DNA编码的。
线粒体是一个高度活跃的代谢场所，通过氧化磷酸化生成ATP的同时也产生大量超氧离子，因此，有人认为活性氧簇(ROS)是导致mtDNA突变的罪魁祸首。
有人将PD患者的血小板中受损的线粒体导入Ρo细胞(A549肺脏细胞)建立了PD的杂交细胞模型。这种PD杂交细胞的呼吸链复合物I有25％受损，提示PD患者血小板mtDNA是呼吸链受损的罪魁祸首。而且，通过PD患者和健康人群的对照研究发现，血小板和杂交细胞的呼吸链复合物I的功能具有高度的一致性。因此认为，杂交细胞的氧化磷酸化体系的受损很可能源于血小板mtDNA。
3．线粒体与氧化应激
如上所述，线粒体参与了机体的多种反应，这些细胞反应可以产生大量的超氧阴离子，羟基和过氧化氢，复合物I和复合物III与这些超氧化产物的生成更为密切，抑制了这些复合物可以导致自由基生成增加。虽然线粒体内含有一套完整的抗氧化体系，包括谷胱甘肽，过氧化氢酶以及超氧化物歧化酶，可以有效的清除这些自由基，维持氧化还原的平衡，但是大量的活性氧簇(ROS)可以产生氧化应激，损伤细胞内的各种组分[24]。
尸检发现PD患者黑质区细胞脂质过氧化、蛋白质以及DNA损伤均是由于自由基的作用[22,23]。另外，谷胱甘肽，还原型谷胱甘肽，谷胱甘肽过氧化氢酶和过氧化氢酶水平的降低，线粒体内氧化型谷胱甘肽(GSSG)水平的升高均表明自由基的生成增加，离子平衡失调。对MPTP和Rotenone建立的PD细胞模型研究均发现，ROS水平升高，脂质过氧化，进行性谷胱甘肽缺失，线粒体去极化，细胞色素C释放增加，激活caspase-3，最终细胞凋亡[26]；另外，MPTP和Rotenone还可以增加α-synuclein的含量，这也与氧化应激密切相关[24]。
4．线粒体与兴奋性毒性
线粒体能够调节细胞内钙的平衡：线粒体膜电位(∆Ψm)是质子电化学电位(∆P)的组成部分，它决定了是否对胞内Ca2＋进行扣留以及是否生成活性氧簇。如果线粒体损伤，则胞内钙平衡失调，细胞则由于兴奋性毒性作用而坏死。PD患者线粒体呼吸链复合物I损伤影响整个氧化磷酸化体系的功能，细胞供能不足，导致细胞静息膜电位降低。细胞膜去极化，膜电位从正常的－90mV降到－60～－30mV，导致电压依赖性NMDA受体被镁离子活化，进而被细胞周围的谷氨酸激活，进一步导致钙离子内流。胞内升高的Ca2＋触发一氧化氮合酶(NOS)，进而合成超氧化物合一氧化氮增加，并可能生成过(氧化)亚硝酸盐。无论是线粒体去极化后钙离子聚集还是过(氧化)亚硝酸盐生成增加，都与细胞的兴奋性毒性作用有关。免疫组化证实PD患者黑质多巴胺能神经元内存在蛋白硝化。NOS还可能参与了MPTP的对大鼠和灵长类动物的毒性作用，这种毒性作用可以被NOS抑制剂7-nitroindazol部分拮抗。研究还发现，如果细胞中不存在NOS，那么加入NOS后，MPP+对呼吸链复合物I的抑制更加严重。因此，假如黑质和纹状体存在NOS阳性的神经元，神经元上存在NMDA受体，那么，兴奋性毒性作用是PD的重要发病机制之一。
5．线粒体与细胞凋亡
凋亡，又称程序性细胞死亡，对健康和疾病都很重要。凋亡的形态学特征是细胞体积缩小，染色质浓缩，核裂解成碎片，胞膜完整。发生凋亡的细胞形成凋亡小体，内包含细胞成分，最终为巨噬细胞识别并清除。这些凋亡的细胞在发生形态学改变之前即激活了一系列的促凋亡蛋白caspases(半胱氨酸-天冬氨酸特异性蛋白激酶)。最终，活化的caspases-3使抑制蛋白与caspases激活DNA酶(ICAD)分离，该酶活性，且具有核酸内切酶的活性，能够消化DNA。
目前认为线粒体是细胞凋亡的调节和控制中心。其作用机制包括线粒体膜去极化，释放细胞色素C和凋亡诱导因子(AIF),激活caspase，细胞氧化还原环境改变，ATP合成减少以及促凋亡和抑凋亡的Bcl/Bax蛋白家族的参与等。其中线粒体膜转运通道(MTP)的开放和线粒体膜去极化可以看着是凋亡的开始部分。接着，细胞色素C以及凋亡诱导因子(AIFs)出现在线粒体中，并且激活促凋亡蛋白，使之向线粒体外膜靠近。抑凋亡蛋白，如Bcl-2也开始向外膜靠近，因此，线粒体外膜成为促凋亡和抑凋亡的场所。
目前我们已经知道了正常衰老的黑质多巴胺能神经元的凋亡信号通路。PD患者死后尸检发现黑质多巴胺能神经元发生核皱缩，染色质浓缩，形成凋亡小体，证明这种神经元死亡属于凋亡，而不是坏死。将MPTP注入大鼠黑质，神经元出现凋亡的改变，并且MPP＋能够开放肝脏和脑组织内的线粒体的MTP，释放细胞色素C。MPP＋能够上调培养的神经元的NF-KB，该转录因子在PD患者的多巴胺能神经元中亦被激活，可以抑制氧化应激所致的培养神经元的凋亡作用。Caspases抑制剂能够改善损毁动物移植的多巴胺能神经元的存活。MPTP作用后的猴以及小鼠，其中脑多巴胺能神经元内前列腺凋亡反应-4蛋白(Par-4，是神经元中的重要促凋亡蛋白)的水平升高。有研究表明通过反义寡核苷酸抑制Par-4的合成能够抑制培养的多巴胺能神经元发生凋亡。而且，DA可以诱导PC12细胞发生凋亡，氰化物可以增强DA的毒性。目前已经证明PD患者黑质多巴胺能神经元凋亡是由于氧化磷酸化体系功能失调以及自由基生成增多所致，这两种生化异常又都是通过线粒体释放细胞色素C来诱导凋亡的。因此，PD的致病因素是从导致多巴胺能神经元凋亡开始的。
6．mitoKATP通道与神经保护
1991年，I.Inoue等人利用膜片钳单通道记录在鼠肝细胞线粒体内膜发现了mitoKATP通道[4]；后来，人们成功的重组了含有部分纯化的牛心肌细胞线粒体内膜mitoKATP通道蛋白的脂质体，该脂质体具有mitoKATP通道的活性[5]。该通道能够被ATP、抗糖尿病药磺脲类以及5-HD抑制，还能被一些钾通道开放剂(KCO)如diazoxide所激活[6]。
MitoKATP通道的分子特征目前还不清楚，但应用免疫荧光和免疫金染色技术发现Kir6.1大量存在于线粒体内膜，提示Kir6.1可能与组成线粒体KATP通道有关[7]；
MitoKATP通道在生理条件下处于开放状态，其已知的生理和病理生理功能如下[8]：首先，mitoKATP通道能够维持线粒体内钾离子的平衡从而控制线粒体的体积。体积变化的调节对于线粒体的代谢控制很重要，线粒体体积的变化足以调节诸如瓜氨酸合成、丙酮酸羧化和脂肪酸氧化等代谢过程，因此阐明mitoKATP通道对线粒体代谢的调节作用尤为重要；KATP通道和其他 K+通道可能参与线粒体体积变化的调节；其次，线粒体在产能的过程中通过钾离子的再摄取，可部分补偿质子泵产生的电荷转移，从而维持跨膜电位和PH梯度的形成。
起初人们认为胞膜KATP通道在心肌IPC(缺血预适应)中起重要作用[17,18]。随着研究的不断深入，尤其是对mitoKATP研究的加深，这一观点逐渐引起了人们的怀疑。Galid等[16]比较了胞膜KATP通道与mitoKATP通道的异同，结果发现心肌细胞mitoKATP通道对diazoxide的敏感性是胞膜KATP通道的2000倍，这就是说，当一定剂量的diazoxide在线粒体发挥心肌保护作用的同时，对胞膜KATP通道并无效应。这一发现有力地支持mitoKATP通道可能是ATP敏感性钾通道开放剂心肌保护效应的效应器。心肌细胞mitoKATP通道的激活不仅引起膜的除极化，而且也使ATP的合成速率降低并增加耗氧，参与了心肌缺血预适应和心肌缺血保护[12]；最近有关diazoxide和 5-HD在心肌线粒体上作用特异性的研究将使对mitoKATP通道的进一步研究变得方便。由于这些工具药的应用，Toskiaki Sato等人[17]最近明确提出mitoKATP通道是早期和延迟性的心肌保护效应的最终效应分子，而不是胞膜KATP通道。现在普遍认为mitoKATP在心肌缺血保护中起着核心作用[18]。
目前人们在对中枢神经系统中部分神经元的胞膜KATP通道进行了一系列的研究后发现，胞膜KATP通道在大脑缺血IPC及一些神经变性性疾病中起重要作用，而对mitoKATP的研究才刚刚起步。Paucek P等人[13]刚刚研究了mitoKATP通道在大鼠脑内的分布，发现mitoKATP通道在脑内大量存在(其含量是肝脏或心肌的6~7倍)，并且能够被diazoxide激活。该通道与心肌和肝脏细胞mitoKATP通道非常相似，而且在大脑缺血预适应中同样起着重要作用[14]。最近Dong Liu等人[21]发现适当开放mitoKATP可以使大鼠海马神经元线粒体去极化，抑制细胞色素C的释放，升高Bcl2的水平，抑制Bax与线粒体结合，从而调节线粒体的功能，对神经元产生有效的保护作用；Kwok-Keung Tai等人[20]最近研究发现，KATP通道开放剂Pinacidil能够有效的削弱Rotenone对PC12细胞的毒性作用，并且认为它可能为帕金森病以及其它神经退行性疾病提供治疗靶标。不仅如此，由于线粒体的普遍存在及其在不同疾病过程中的重要作用，使mitoKATP通道有可能成为治疗从肥胖到早老症的各种疾病的有用靶点[19]。
综上所述，线粒体与PD的关系极为密切，是研究PD以及其它神经退行性疾病的病因，发病机制和治疗策略的重要靶标。

[第2楼 PID1105] 2012-08-20 19:27 Robot :

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