卜玉潔(綜述)，石正洪(審校)

(蘭州大學(xué)第二醫(yī)院神經(jīng)內(nèi)科，蘭州 730030)

線粒體是一類存在于真核細(xì)胞中具有雙層膜性結(jié)構(gòu)的細(xì)胞器，主要由外膜、內(nèi)膜、膜間隙和基質(zhì)組成。該細(xì)胞器能進(jìn)行多種細(xì)胞代謝活動，包括三羧酸循環(huán)、氧化磷酸化、大分子物質(zhì)代謝，其最主要的功能為產(chǎn)生三磷酸腺苷(adenosine triphosphate,ATP)。細(xì)胞內(nèi)的線粒體非?；钴S，積極地進(jìn)行分裂、融合，這對于正確發(fā)揮線粒體功能至關(guān)重要。線粒體通常分布于骨骼肌、腦等細(xì)胞生理功能旺盛的區(qū)域，通過多種途徑正確發(fā)揮其功能。當(dāng)線粒體出現(xiàn)功能障礙時，即可導(dǎo)致相關(guān)疾病的發(fā)生。大量研究顯示，帕金森病(Parkinson disease，PD)的發(fā)病機(jī)制與線粒體功能障礙相關(guān)[1]?，F(xiàn)對線粒體功能障礙的研究現(xiàn)狀作一綜述，旨在為治療PD提供靶點(diǎn)。

1 線粒體呼吸鏈功能障礙與PD

線粒體能產(chǎn)生細(xì)胞直接利用的能源ATP，因此被稱為細(xì)胞生命活動的“動力工廠”。線粒體呼吸鏈復(fù)合體，尤其是復(fù)合體I水平的功能缺陷與PD的發(fā)病機(jī)制密切相關(guān)。1-甲基-4-苯基-1,2,3,4-四氫吡啶(1-methyl-4-phenyl-1,2,3,4-tetrahydropyridine，MPTP)是線粒體復(fù)合體Ⅰ抑制劑，這首次在吸毒者誤食MPTP時被發(fā)現(xiàn)。注射MPTP等復(fù)合體Ⅰ抑制劑能夠選擇性殺傷非人類靈長類及嚙齒類動物黑質(zhì)致密部(the substantia nigra pars compacta，SNpc)多巴胺能神經(jīng)元，引起急性、不可逆的PD癥狀[2]。Wen等[3]研究發(fā)現(xiàn)，電子載體亞甲基藍(lán)能繞過損傷的復(fù)合體Ⅰ，直接將NADH中的電子傳遞給細(xì)胞色素C，從而改善魚藤酮誘導(dǎo)的大鼠線粒體功能障礙、行為變化以及多巴胺能神經(jīng)元的死亡，此研究進(jìn)一步明確了復(fù)合體Ⅰ功能障礙與PD的關(guān)系。

線粒體呼吸鏈損傷的直接后果是ATP產(chǎn)生減少，進(jìn)而導(dǎo)致生物能量衰竭。MPTP的活性代謝物1-甲基-4-苯基吡啶離子(1-methyl-4-phenylpyridinium，MPP+)能迅速引起嚴(yán)重的細(xì)胞內(nèi)ATP水平衰竭[4]。線粒體呼吸鏈功能障礙的另一個后果是活性氧類產(chǎn)生增加。正常情況下，線粒體內(nèi)豐富的抗氧化劑，如超氧化物歧化酶的線粒體亞型能夠有效清除體內(nèi)少量的活性氧類，當(dāng)復(fù)合體Ⅰ功能受損，呼吸鏈產(chǎn)生的活性氧逐漸增加，超出抗氧化劑的清除能力，過多的活性氧類幾乎能對所有的生物大分子造成氧化損傷。MPP+和魚藤酮能增加神經(jīng)元線粒體中活性氧類的產(chǎn)量，且與復(fù)合體Ⅰ的抑制程度相符[5]。在轉(zhuǎn)基因小鼠體內(nèi)，以線粒體為靶點(diǎn)的過氧化氫酶的過表達(dá)能夠降低MPTP誘導(dǎo)的活性氧類增加，并降低多巴胺能神經(jīng)元死亡[6]，再次證明了線粒體來源的活性氧類在PD中的病理作用。

2 線粒體裂解、融合以及自嗜

線粒體并不是結(jié)構(gòu)固定的細(xì)胞器，它們不斷地融合、分裂、移動，并進(jìn)行自我更新，以適應(yīng)細(xì)胞活動的需要，維持細(xì)胞穩(wěn)態(tài)。若這種平衡被打亂，可導(dǎo)致PD等相關(guān)的神經(jīng)系統(tǒng)疾病。Schon等[7]研究顯示：功能損傷的線粒體通過與鄰近線粒體融合，能夠減輕錯誤折疊蛋白或突變的線粒體基因潛在的有害影響。

在由6-羥基多巴、魚藤酮和MPP+誘導(dǎo)的PD細(xì)胞模型中，細(xì)胞死亡均與線粒體碎片有關(guān)。促裂解基因Drp1的基因抑制或促融合蛋白Mfn1的過表達(dá)能夠阻止此類神經(jīng)毒物誘導(dǎo)的細(xì)胞死亡，這一研究支持線粒體碎片的病理學(xué)作用[8]。引起遺傳性PD的Parkin基因和PINK1基因的病理性突變與功能障礙破碎的線粒體有關(guān)，而誘導(dǎo)Drp1失活可減輕這種突變[9]。

線粒體還可通過自噬降解受損的線粒體，調(diào)節(jié)自身數(shù)量以適應(yīng)代謝需要。在PD實(shí)驗?zāi)Ｐ秃褪瑱z時發(fā)現(xiàn)，受損神經(jīng)元胞質(zhì)中早就存在損傷線粒體的聚積，提示減少的自嗜不能有效地降解損傷的線粒體[10-11]。功能障礙線粒體的異常聚集可能是通過增加活性氧類和凋亡因子的釋放來促進(jìn)多巴胺能神經(jīng)元的死亡。相關(guān)研究亦表明，與PD有關(guān)的PINK1和Parkin基因的突變可擾亂其在自嗜降解中的協(xié)調(diào)作用，從而導(dǎo)致線粒體自嗜缺陷[12]。

3 線粒體與鈣離子穩(wěn)態(tài)

細(xì)胞內(nèi)鈣離子(Ca2+)調(diào)節(jié)著一系列的細(xì)胞過程，并對信號傳遞具有重要作用。在神經(jīng)元中，Ca2+作為第二信使發(fā)送去極化信號及突觸活動[13]。聚集、保存、釋放Ca2+是線粒體的基本作用。進(jìn)入神經(jīng)元內(nèi)的Ca2+迅速與線粒體或內(nèi)質(zhì)網(wǎng)結(jié)合，或者通過細(xì)胞膜濃度梯度泵回，以維持Ca2+穩(wěn)態(tài)，此過程需要大量的ATP。線粒體內(nèi)Ca2+的聚集導(dǎo)致氧化磷酸化的激活和隨后的ATP產(chǎn)量增加，從而有助于滿足與神經(jīng)元電活動有關(guān)的代謝需求[13]。

在正常突觸活動中，Ca2+的濃度會出現(xiàn)短暫的無害性的增加。在缺乏突觸輸入的情況下，電壓依賴的L型Ca2+通道的SNpc多巴胺能神經(jīng)元胞質(zhì)Ca2+濃度持續(xù)升高，巨大的Ca2+超載最終影響線粒體功能，并導(dǎo)致線粒體氧化應(yīng)激和線粒體膜電位改變，進(jìn)而影響ATP的產(chǎn)生，表明成年SNpc多巴胺能神經(jīng)元中持續(xù)的線粒體Ca2+超載可能導(dǎo)致機(jī)體更易患PD[14]。與此不同，鄰近的腹側(cè)被蓋區(qū)多巴胺能神經(jīng)元不依賴L型Ca2+通道，因此對PD具有相對的抵抗力[15]?？梢餚D樣癥狀的神經(jīng)毒物MPP+和魚藤酮能誘導(dǎo)細(xì)胞中線粒體Ca2+攝取減少并使胞質(zhì)自由Ca2+濃度增加，進(jìn)一步支持線粒體Ca2+穩(wěn)態(tài)改變在PD中的作用[16-17]。研究表明，Ca2+平衡紊亂可導(dǎo)致線粒體內(nèi)活性氧類產(chǎn)生增加、線粒體呼吸降低、線粒體膜電位降低以及降低依賴Ca2+的線粒體通透性轉(zhuǎn)換孔復(fù)合體的閾值，最終增加細(xì)胞凋亡[18]。

4 線粒體與細(xì)胞程序性死亡

細(xì)胞程序性死亡(programmed cell death，PCD)是所有多細(xì)胞生物所具備的一種基本生理過程，對于個體發(fā)育、器官形態(tài)、組織穩(wěn)態(tài)以及抵抗感染極為重要。然而，過度或不正常的PCD可導(dǎo)致神經(jīng)退行性疾病。線粒體在調(diào)節(jié)PCD中起著重要的作用，當(dāng)線粒體外膜通透性增加，線粒體向胞質(zhì)內(nèi)異常釋放一系列分子會激活胱天蛋白酶(caspase)依賴的或非caspase依賴的PCD途徑。Bcl-2家族蛋白能防止(如Bcl-2和Bcl-xL)或增加(如Bax和Bak)膜通透性改變及隨后的細(xì)胞死亡。雖然促凋亡蛋白增加膜通透性的機(jī)制尚不清楚，但它們引起線粒體促凋亡因子釋放至少有兩種不同的機(jī)制：一種涉及線粒體通透性轉(zhuǎn)換孔復(fù)合體；另一種則依賴于這些蛋白直接進(jìn)入線粒體膜通道[19]。

在PD的實(shí)驗?zāi)Ｐ椭卸喟桶纺苌窠?jīng)元的退行性至少部分是通過激活線粒體依賴的PCD途徑發(fā)生的[20]。在MPTP誘導(dǎo)的PD小鼠體內(nèi)，caspase-9、caspase-3和促凋亡因子被激活后，出現(xiàn)時間依賴和區(qū)域特異的線粒體內(nèi)細(xì)胞色素C釋放[5]。這些分子事件由促凋亡蛋白Bax調(diào)節(jié)，它們與Bax從線粒體轉(zhuǎn)移出來一致，而在Bax基因消融時被阻止[21]。Bcl-2過表達(dá)能減輕小鼠內(nèi)由MPTP引起的多巴胺能神經(jīng)元退行性變，進(jìn)一步證實(shí)在PD中涉及依賴線粒體的PCD[22]。這些研究結(jié)果表明，線粒體依賴的PCD途徑的激活會促進(jìn)PD中多巴胺能神經(jīng)元的退行性變。

5 小 結(jié)

線粒體在細(xì)胞活動中起重要作用，其功能和結(jié)構(gòu)改變能夠?qū)е录?xì)胞功能障礙和細(xì)胞死亡。在線粒體損傷時，神經(jīng)元，尤其是SNpc多巴胺能神經(jīng)元顯得尤為脆弱，因為它們對能量的需求來源于線粒體糖酵解途徑或線粒體在軸突和樹突之間的轉(zhuǎn)移產(chǎn)生。一直以來，研究者們都認(rèn)為線粒體呼吸缺陷與PD的發(fā)病機(jī)制有關(guān)[1]。然而，線粒體在PD中的作用卻非僅限于單獨(dú)的呼吸鏈缺陷。在PD中線粒體功能障礙是主要事件還是次要事件，或者線粒體功能障礙是否只是PD多因素致病過程的一部分還有待證明，但是在這一目前尚無法治愈的神經(jīng)退行性疾病中，以線粒體功能障礙為靶點(diǎn)，能夠為以治愈或延緩多巴胺能神經(jīng)元退行性變進(jìn)程為目的的新治療策略發(fā)展帶來希望。

[1] Winklhofer KF,Haass C.Mitochondrial dysfunction in Parkinson′s disease[J].Biochim Biophys Acta,2010,1802(1):29-44.

[2] Dauer W,Przedborski S.Parkinson′s disease:mechanisms and models[J].Neuron,2003,39(6):889-909.

[3] Wen Y,Li W,Poteet EC,etal.Alternative mitochondrial electron transfer as a novel strategy for neuroprotection[J].J Biol Chem,2011,286(18):16504-16515.

[4] Kwok KH,Ho PW,Chu AC,etal.Mitochondrial UCP5 is neuroprotective by preserving mitochondrial membrane potential,ATP levels,and reducing oxidative stress in MPP+and dopamine toxicity[J].Free Radic Biol Med,2010,49(6):1023-1035.

[5] Perier C,Tieu K,Guégan C,etal.Complex I deficiency primes Bax-dependent neuronal apoptosis through mitochondrial oxidative damage[J].Proc Natl Acad Sci,2005,102(52):19126-19131.

[6] Perier C,Bové J,Dehay B,etal.Apoptosis-inducing factor deficiency sensitizes dopaminergic neurons to parkinsonian neurotoxins[J].Ann Neurol,2010,68(2):184-192.

[7] Schon EA,Przedborski S.Mitochondria:the next (neurode)generation[J].Neuron,2011,70(6):1033-1053.

[8] Meuer K,Suppanz IE,Lingor P,etal.Cyclin-dependent kinase 5 is an upstream regulator of mitochondrial fission during neuronal apoptosis[J].Cell Death Differ,2007,14(4):651-661.

[9] Cui M,Tang X,Christian WV,etal.Perturbations in mitochondrial dynamics induced by human mutant PINK1 can be rescued by the mitochondrial division inhibitor mdivi-1[J].J Biol Chem,2010,285(15):11740-11752.

[10] Dehay B,Bové J,Rodríguez-Muela N,etal.Pathogenic lysosomal depletion in Parkinson′s disease[J].J Neurosci,2010,30(37):12535-12544.

[11] Vila M,Bové J,Dehay B,etal.Lysosomal membrane permeabilization in Parkinson disease[J].Autophagy,2011,7(1):98-100.

[12] Geisler S,Holmstr?m KM,Skujat D,etal.PINK1/Parkin-mediated mitophagy is dependent on VDAC1 and p62/SQSTM1[J].Nat Cell Biol,2010,12(2):119-131.

[13] Gleichmann M,Mattson MP.Neuronal calcium homeostasis and dysregulation[J].Antioxid Redox Signal,2011,14(7):1261-1273.

[14] Guzman JN,Sanchez-Padilla J,Wokosin D,etal.Oxidant stress evoked by pacemaking in dopaminergic neurons is attenuated by DJ-1[J].Nature,2010,468(7324):696-700.

[15] Chan CS,Gertler TS,Surmeier DJ.A molecular basis for the increased vulnerability of substantia nigra dopamine neurons in aging and Parkinson′s disease[J].Mov Disord,2010,25(Suppl 1):S63-S70.

[17] Park HJ,Kim HJ.Inhibitory effect of nicardipine on rotenoneinduced apoptosis in SHSY5Y human neuroblastoma cells[J].Mol Med Rep,2013,7(3):941-946.

[18] Gandhi S,Wood-Kaczmar A,Yao Z,etal.PINK1-associated Parkinson′s disease is caused by neuronal vulnerability to calcium-induced cell death[J].Mol Cell,2009,33(5):627-638.

[19] Galluzzi L,Blomgren K,Kroemer G.Mitochondrial membrane permeabilization in neuronal injury[J].Nat Rev Neurosci,2009,10(7):481-494.

[20] Perier C,Bové J,Vila M.Mitochondria and programmed cell death in Parkinson′s disease:apoptosis and beyond[J].Antioxid Redox Signal,2011,16(9):883-895.

[21] Perier C,Bové J,Wu DC,etal.Two molecular pathways initiate mitochondria-dependent dopaminergic neurodegeneration in experimental Parkinson′s disease[J].Proc Natl Acad Sci U S A,2007,104(19):8161-8166.

[22] Park G,Park YJ,Yang HO,etal.Ropinirole protects against 1-methyl-4-phenyl-1,2,3,6-tetrahydropyridine (MPTP)-induced neurotoxicity in mice via anti-apoptotic mechanism[J].Pharmacol Biochem Behav,2013,104:163-168.