施蘊(yùn)渝， 張 亮

(1. 教育部無(wú)膜細(xì)胞器重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 合肥230001；2. 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)生物醫(yī)學(xué)部生命科學(xué)學(xué)院， 合肥230001)

中國(guó)正步入老齡化社會(huì)。國(guó)際上通常看法是，當(dāng)一個(gè)國(guó)家或地區(qū)60歲以上老年人口占人口總數(shù)的10%，或65歲以上老年人口占總?cè)丝诘?%，即意味著這個(gè)國(guó)家或地區(qū)的人口處于老齡化社會(huì)[1]。第七次人口普查數(shù)據(jù)顯示，截至2020年11月，60歲以上中國(guó)老年人占總?cè)丝诒壤秊?8.70%[2]，預(yù)計(jì)該數(shù)字至2050年將為30%[3]。各種老年性疾病，包括神經(jīng)退行性疾病、糖尿病、心血管疾病、癌癥等，將嚴(yán)重影響人民健康，極大增加社會(huì)負(fù)擔(dān)。健康中國(guó)，是2016年8月習(xí)近平總書記在全國(guó)衛(wèi)生與健康大會(huì)上發(fā)表的重要講話內(nèi)容[4]。2017年10月18日，習(xí)近平同志在中共十九大報(bào)告中提出實(shí)施健康中國(guó)戰(zhàn)略[5]。研究老年性疾病機(jī)理和干預(yù)方法是國(guó)家的重大需求。

神經(jīng)退行性疾病，包括阿爾茨海默病、帕金森病、肌萎縮側(cè)索硬化癥、多系統(tǒng)萎縮、亨廷頓舞蹈癥、老年性黃斑變性等[6]。神經(jīng)退行性疾病的特點(diǎn)是突觸喪失和神經(jīng)元死亡，導(dǎo)致認(rèn)知功能下降、癡呆和運(yùn)動(dòng)功能喪失[7]。

線粒體是一種重要的細(xì)胞器，存在于幾乎所有真核細(xì)胞中，具有重要的生物學(xué)功能，在真核生物的能量產(chǎn)生和代謝中起重要作用。它整合了細(xì)胞中各種代謝途徑，通過(guò)呼吸鏈氧化磷酸化產(chǎn)生ATP為機(jī)體提供能量[8]。除此之外線粒體還有其他一些重要功能，與細(xì)胞凋亡、壞死、焦亡密切相關(guān)[9-11]。線粒體與反應(yīng)氧自由基(reactive oxygen species，ROS)產(chǎn)生，與脂代謝、鐵代謝、氨基酸、血紅素合成、鈣離子穩(wěn)態(tài)、天然免疫等有密切關(guān)系。線粒體參與了許多信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路(圖1)[12]。

圖1 影響衰老的線粒體調(diào)節(jié)機(jī)制的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)級(jí)聯(lián)[12]Figure 1 Linking signal transduction cascades that influenceageing with mitochondrial regulatory mechanisms [12]

衰老引起的線粒體功能障礙是許多神經(jīng)退行性疾病的重要原因。為了對(duì)神經(jīng)退行性疾病有更深入地了解，以達(dá)到診治的目的，需要對(duì)線粒體的生理、病理功能有更深入的了解。

1 線粒體基因組及線粒體基因轉(zhuǎn)錄，翻譯的遺傳與表觀遺傳調(diào)控

作為真核生物中特有的細(xì)胞器，線粒體在進(jìn)化上保留了獨(dú)特的大約16.5 kb的雙鏈環(huán)形線粒體DNA(mtDNA)，線粒體DNA編碼了22個(gè)線粒體tRNA，2個(gè)線粒體rRNA，以及線粒體內(nèi)膜上氧化磷酸化系統(tǒng)(OXPHOS)5個(gè)復(fù)合物中的13個(gè)蛋白質(zhì)組分對(duì)應(yīng)的mRNA[13]。線粒體有其獨(dú)特的RNA聚合酶體系，對(duì)線粒體環(huán)狀DNA基因組進(jìn)行轉(zhuǎn)錄[14]。

線粒體轉(zhuǎn)錄出來(lái)的前體RNA需要被加工以獲得22個(gè)tRNA、2個(gè)rRNA和13個(gè)mRNA；這些RNA還要被進(jìn)一步修飾[15]。線粒體有其自身獨(dú)特的線粒體核糖體。人線粒體核糖體由28S小亞基(mt-SSU，含12S rRNA) 與39S大亞基(mt-LSU, 含16S rRNA) 裝配構(gòu)成線粒體中的55S核糖體，核糖體大小亞基需要組裝[16]。這些都發(fā)生在線粒體RNA顆粒中(mitochondrial RNA granules，MRGs) 。線粒體中的蛋白質(zhì)有兩大類：一類是核編碼的，基因承載在細(xì)胞核染色體上，經(jīng)轉(zhuǎn)錄、出核、在細(xì)胞質(zhì)核糖體上翻譯成蛋白質(zhì)后進(jìn)入線粒體；另一類包括13個(gè)蛋白質(zhì)，是線粒體基因組編碼的，它們是線粒體內(nèi)膜氧化磷酸化體系5個(gè)大復(fù)合物中的重要組分(圖2)[15, 17]。這兩類基因若發(fā)生突變，都會(huì)引起疾病。其中線粒體RNA顆粒是線粒體中的無(wú)膜亞細(xì)胞器。它是線粒體基因處理、加工，修飾，以及線粒體核糖體組裝的重要場(chǎng)所(圖3)。在成纖維細(xì)胞中,線粒體RNA顆粒中重要的RNA結(jié)合蛋白GRSF1敲低會(huì)造成細(xì)胞衰老，炎癥因子白介素6(IL6) 升高，從而引起慢性炎癥[18]。

圖2 人線粒體環(huán)形DNA及線粒體內(nèi)膜上的氧化磷酸化系統(tǒng)[15]Figure 2 Human mtDNA represented by a circle and OXPHOS[15]

隨著對(duì)表觀遺傳學(xué)的深入研究，RNA轉(zhuǎn)錄后修飾逐漸在細(xì)胞中被發(fā)現(xiàn)。已經(jīng)在tRNA，rRNA和mRNA以及在其他類型的非編碼RNA上鑒定了超過(guò)100種不同的RNA修飾(圖4)。在線粒體中，對(duì)線粒體rRNA及tRNA的修飾對(duì)于基因轉(zhuǎn)錄、翻譯起了關(guān)鍵作用，影響線粒體核糖體大小亞基的生成與組裝，進(jìn)而影響線粒體基因表達(dá)[19]。

圖3 線粒體中的RNA顆粒[18]Figure 3 Mitochondrial RNA granules (MRGs)[18]

圖4 修飾人線粒體tRNA的酶及其修飾位點(diǎn)(a)； 在人線粒體核糖體(PDB3J9M)上rRNA 修飾的分布[19] (b)Figure 4 Multiple mt-tRNA modification enzymes are associated with modification sites and human diseases (a); distribution of rRNA modifications on the human mitochondrial ribosome (PDB code: 3J9M)[19] (b)

MRM1、MRM2(FtsJ2)、MRM3(RNMTL)是3個(gè)對(duì)人的線粒體39S核糖體大亞基中16SrRNA上3個(gè)不同位置的核苷酸MRM1 (Gm1145)、MRM2(FtsJ2, Um1369)、MRM3(RNMTL, Gm1370)的2位核糖(2′-O-ribose)進(jìn)行甲基化修飾的甲基轉(zhuǎn)移酶。其中MRM2及MRM3修飾的位點(diǎn)在16S rRNA的A-loop上，敲低MRM2及MRM3，影響線粒體rRNA A-loop上的甲基化修飾，由于A-loop是肽酰轉(zhuǎn)移酶中心的主要組成部分，是氨酰tRNA結(jié)合的A位點(diǎn)，敲低MRM2及MRM3會(huì)影響線粒體氧化磷酸化復(fù)合物主要組成蛋白質(zhì)的翻譯，引起線粒體功能障礙[27-29]。

線粒體基因組上基因的表達(dá)，除了與rRNA甲基化修飾有關(guān)外，還與一些被稱為核糖體裝配因子相關(guān)。它們與線粒體rRNA結(jié)合，調(diào)控核糖體組裝，從而調(diào)控基因表達(dá)。其中包括起RNA分子伴侶作用的小GTP酶ERAL1，它與12S rRNA的3′末端的莖環(huán)末端結(jié)合，敲除它影響線粒體核糖體小亞基的生成，影響線粒體呼吸鏈復(fù)合物上蛋白質(zhì)的表達(dá)[30-31]。還包括具有ATP酶活性的RNA解旋酶，如DDX28，它與線粒體核糖體大亞基中16S rRNA相互作用[32-33]，DHX30也參與人線粒體小亞基的裝配，它們也與線粒體呼吸鏈復(fù)合物上蛋白質(zhì)的表達(dá)密切相關(guān)[34-36]。

2 線粒體動(dòng)力學(xué)，融合，分裂，線粒體自噬

線粒體在代謝中起了關(guān)鍵作用，它通過(guò)氧化磷酸化產(chǎn)生ATP，調(diào)節(jié)細(xì)胞程序性死亡，鈣離子穩(wěn)態(tài)，控制反應(yīng)氧的產(chǎn)生。因此在各種組織中保持線粒體的穩(wěn)態(tài)是健康所必需的。線粒體的穩(wěn)態(tài)與線粒體的形態(tài)密切相關(guān)。線粒體形態(tài)可以為球形、短管、長(zhǎng)管、網(wǎng)狀。而這都由線粒體的質(zhì)量控制系統(tǒng)調(diào)控，平衡線粒體融合 (fusion)、分裂(fission)、線粒體自噬 (mitophagy)[37-39]。

線粒體融合是指兩個(gè)臨近的線粒體可以融合為一個(gè)長(zhǎng)的線粒體，這是一個(gè)兩步過(guò)程，需要3個(gè)Dynamin超家族的GTP酶 (GTPase) 參與(圖5)。首先由mitofusin 1和mitofusin 2(MFN1和MFN2)介導(dǎo)外膜融合，然后由Optic Atrophy 1 (Opa1) 介導(dǎo)內(nèi)膜融合。Opa1有兩種形式，一種是長(zhǎng)型 (L-Opa1) 和一種較短的加工型 (S-Opa1)[37, 40]。

圖5 MFN1和MFN2介導(dǎo)的線粒體外膜融合及Opa1介導(dǎo)的線粒體內(nèi)膜融合[37]Figure 5 MFN1 and MFN2 mediate mitochondriaouter membrane(OM) fusion; Opa1 mediates mitochondria inner membrane(IM) fusion[37]

線粒體分裂是指一個(gè)線粒體分裂為兩個(gè)較小的線粒體。線粒體分裂的中介物是Dynamin相關(guān)蛋白質(zhì) 1 (Drp1) ，它也是GTP酶。Drp1被應(yīng)激信號(hào)激活，并易位到線粒體表面，結(jié)合受體蛋白 (Mff，F(xiàn)is1，Mid49/Mid51) 。Drp1的寡聚化使其在線粒體表面形成環(huán)，線粒體小管收縮并最終導(dǎo)致線粒體分裂，線粒體分裂又是線粒體自噬的前提[41]。

另一個(gè)與線粒體分裂有關(guān)的蛋白就是MFF(線粒體分裂因子，mitochondrial fission factor) 。MFF是一種線粒體分裂所需的線粒體外膜 (OMM) 蛋白質(zhì)，通過(guò)招募上文提到的Drp1和SLC6A6(一種質(zhì)膜?；撬岜彼徂D(zhuǎn)運(yùn)體)發(fā)揮調(diào)節(jié)線粒體分裂，進(jìn)而調(diào)節(jié)線粒體自噬過(guò)程。而前人的研究通過(guò)對(duì)比年老和年輕人的肌肉組織、老鼠的肌肉組織和老鼠的腦皮層組織樣品，發(fā)現(xiàn)在衰老的組織樣品中，mff基因的調(diào)控蛋白PUM2的表達(dá)量均有所提高。并通過(guò)一系列細(xì)胞實(shí)驗(yàn)證實(shí)在衰老的過(guò)程中，PUM2蛋白的高表達(dá)會(huì)造成MFF的表達(dá)量降低，從而使線粒體的分裂能力降低，最終導(dǎo)致線粒體自噬過(guò)程受到影響，使衰老細(xì)胞無(wú)法清除受損的線粒體，線粒體穩(wěn)態(tài)無(wú)法維持(圖6)[42-43]。

圖6 在衰老組織細(xì)胞中PUM2和MFF介導(dǎo)的線粒體自噬改變[42]Figure 6 The alternation of mitophagy induced by expression changesof PUM2 and MFF in the aged tissue and cells[42]

線粒體自噬 (mitophagy) 是指衰老，受損傷的線粒體會(huì)被線粒體自噬機(jī)器吞噬，然后被溶酶體清除。線粒體自噬是細(xì)胞清除受損線粒體的重要機(jī)制。

2.1 PINK1/Parkin依賴性的線粒體自噬路徑(mitophagy pathway)

這是Parkin(E3 ubiquitin-protein ligase parkin)與線粒體外膜蛋白PINK1(PTEN-induced putative kinase 1)介導(dǎo)的線粒體自噬機(jī)制，是一種研究得比較清楚的線粒體自噬機(jī)制(圖7)。

在正常線粒體中，蛋白激酶PINK1通過(guò)線粒體外膜TOM/TIM復(fù)合體進(jìn)入線粒體，會(huì)被轉(zhuǎn)移至線粒體內(nèi)膜，被線粒體內(nèi)膜蛋白酶PARL( presenilin-associated rhomboid-like protein)切割，隨后被蛋白酶體清除。因此，正常情況下PINK1含量極低，很難被檢測(cè)到。Parkin是E3泛素連接酶，線粒體穩(wěn)態(tài)條件下，parkin處于被抑制的狀態(tài)。然而，在應(yīng)激情況下，線粒體受損，線粒體膜電位降低，PINK1進(jìn)入線粒體內(nèi)膜的路徑被阻斷，PINK1聚集于線粒體外膜，PINK1在228位和402位絲氨酸可以發(fā)生自磷酸化，從而使PINK1超激活[44]。而超激活態(tài)的PINK1可以使得泛素65位絲氨酸被磷酸化。另一方面，parkin的N端包含一個(gè)類泛素結(jié)構(gòu)域 (UBL domain) 也會(huì)被超激活態(tài)的PINK1磷酸化，從而使得parkin 的空間構(gòu)象發(fā)生改變，起催化作用的半胱氨酸暴露，parkin轉(zhuǎn)化為激活狀態(tài)的 E3泛素連接酶。Parkin被募集至受損線粒體，泛素化線粒體外膜蛋白，這些泛素化的線粒體外膜蛋白可被自噬小體識(shí)別，進(jìn)而被溶酶體降解，引發(fā)線粒體自噬[39,45-46]。

2.2 PINK1/Parkin 非依賴性的線粒體自噬路徑

人們發(fā)現(xiàn)除了PINK1/Parkin依賴性的線粒體自噬路徑外，還存在PINK1/Parkin 非依賴性的線粒體自噬路徑(圖8)。目前知道4種PINK1/Parkin 非依賴性的線粒體自噬路徑。

(1)受體介導(dǎo)的線粒體自噬：BNIP3、NIX/BNIP3L、FUNDC1、FKBP8、Bcl2L12和AMBRA1。其中Bcl2L12是線粒體外膜上的受體，包含Lir結(jié)構(gòu)域，可以與自噬小體中的LC3結(jié)合，使得自噬小體招募受損的線粒體，將其降解。AMBRA1定位到線粒體，也可以與LC3結(jié)合選擇性地消除受損的線粒體[47-50]。(2)脂質(zhì)介導(dǎo)的線粒體自噬：線粒體內(nèi)膜上的心磷脂可以通過(guò)PLS3的作用轉(zhuǎn)運(yùn)到線粒體外膜，一旦在線粒體外膜心磷脂結(jié)合LC3A招募自噬小體，消除受損的線粒體[51-52]。(3)E3泛素連接酶介導(dǎo)的線粒體自噬：MUL1、ARIH1和SIAH1是3種E3泛素連接酶。它們可定位于受損的線粒體，泛素化線粒體外膜蛋白質(zhì)，進(jìn)而招募自噬小體，消除受損的線粒體[50,53-54]。(4)泛素結(jié)合蛋白質(zhì)DRP1，以及Vps13D通過(guò)其泛素結(jié)合結(jié)構(gòu)域UBA結(jié)合到泛素K63鏈上，誘導(dǎo)受損的線粒體自噬[55]。

圖7 PINK1/Parkin 依賴的線粒體自噬路徑[39]Figure 7 The Parkin/PINK1 dependent mitophagypathway[39]

圖8 PINK1/Parkin 非依賴性的線粒體自噬路徑[39]Figure 8 Parkin-independent mitophagy pathways can be induced through four main mechanisms[39]

線粒體通過(guò)融合、分裂、線粒體自噬，在生理和病理?xiàng)l件下頻繁改變其形狀，改變線粒體間的網(wǎng)絡(luò)連接，將損傷的線粒體通過(guò)自噬小體清除。線粒體動(dòng)力學(xué)對(duì)保持其功能至關(guān)重要。線粒體自噬受損將會(huì)使得功能障礙的線粒體增多，ATP減少，反應(yīng)氧ROS增多，導(dǎo)致Aβ斑塊和神經(jīng)元纖維纏結(jié)的形成。導(dǎo)致神經(jīng)系統(tǒng)突觸功能障礙，認(rèn)知功能缺陷。

3 線粒體在神經(jīng)突觸上的輸運(yùn)

線粒體是細(xì)胞的動(dòng)力學(xué)工廠，為大腦和神經(jīng)系統(tǒng)的生長(zhǎng)、功能、再生提供ATP。神經(jīng)細(xì)胞有很長(zhǎng)的軸突，復(fù)雜的樹突，在神經(jīng)細(xì)胞生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中突觸、生長(zhǎng)錐、郎飛氏結(jié)都需要大量能量。因此需要將線粒體輸運(yùn)及錨定到這些區(qū)域，以保證給這些代謝活躍區(qū)域提供ATP。人腦質(zhì)量只占人體質(zhì)量的2%，但人腦消耗的ATP量占總產(chǎn)生ATP量的20%。在大腦皮層77%的ATP用于灰質(zhì)，在其中96%被神經(jīng)元消耗掉。ATP的主要來(lái)源是線粒體通過(guò)電子傳遞鏈和氧化磷酸化將葡萄糖和丙酮酸轉(zhuǎn)化為ATP。線粒體還在維持Ca2+穩(wěn)態(tài)中起作用。在神經(jīng)細(xì)胞中線粒體主要在胞體中產(chǎn)生，通過(guò)微管在軸突和樹突中輸運(yùn)。這實(shí)際上是一個(gè)十分困難的任務(wù)。神經(jīng)元使用特殊的機(jī)制根據(jù)代謝狀況、生長(zhǎng)狀態(tài)及突觸活性將健康的線粒體輸送到特定位置。而將老化的或受損的線粒體清除掉[56]。

軸突中線粒體依賴Kinesin 及 Dynein 這兩種馬達(dá)蛋白沿著微管分別向兩個(gè)不同方向輸運(yùn)線粒體，微管是有極性的，微管作為軌道用于線粒體長(zhǎng)距離輸運(yùn)(圖9)。將線粒體從神經(jīng)元胞體向神經(jīng)軸突遠(yuǎn)端順向輸運(yùn)主要由馬達(dá)蛋白kinesin-1 family (KIF5A, B,C)家族驅(qū)動(dòng),馬達(dá)蛋白結(jié)合的ATP水解為線粒體輸運(yùn)提供能量。分子馬達(dá)蛋白Kinesin是一個(gè)四聚體復(fù)合物，由兩條重鏈 (KHC) 和兩條輕鏈(KLC)組成。KHC的N端有一個(gè)motor結(jié)構(gòu)域，可以結(jié)合微管，水解ATP[57-58]。C端可以與KLC相互作用，也可以通過(guò)適配體蛋白與線粒體相互作用。適配體蛋白主要是Miro(Miro-1, Miro-2)及Milton,它們將線粒體裝載到馬達(dá)蛋白上。Miro是Rho-GTPase,它有一對(duì)可與Ca2+結(jié)合的EF-hand motif，2個(gè)GTPase結(jié)構(gòu)域，1個(gè)羧端跨膜結(jié)構(gòu)域，整合到線粒體外膜上。Milton有1個(gè)可與Miro結(jié)合的結(jié)構(gòu)域，及1個(gè)與Kinesin結(jié)合的結(jié)構(gòu)域，它將Miro，線粒體與馬達(dá)蛋白KHC聯(lián)系起來(lái)[59]。哺乳動(dòng)物中有兩個(gè)Milton直系同源物TRAK1、TRAK2。馬達(dá)蛋白kinesin與適配體蛋白質(zhì)Miro-TRAK1 組成復(fù)合物，這是線粒體在微管上順向輸運(yùn)的蛋白質(zhì)機(jī)器[60]。在軸突中線粒體依賴馬達(dá)蛋白Dynein沿著微管朝反向輸運(yùn)。Dynein有兩條重鏈 (DHC) ,它具有ATP酶的活性。還有 intermediate (DIC)、light-intermediate (DLIC)及輕鏈(DLC)。線粒體通過(guò)適配體蛋白質(zhì)TRAK1、TRAK2與Dynein結(jié)合。Ca2+濃度增加會(huì)使得馬達(dá)蛋白脫離微管，或者脫離線粒體[61-62]。Syntaphilin可將線粒體錨定在微管上，也可以使得馬達(dá)蛋白脫離線粒體。線粒體短距離輸運(yùn)依賴肌動(dòng)蛋白 (actin) 微絲[63-64]。深入研究在神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育與成熟過(guò)程中，線粒體如何在軸突、樹突上輸運(yùn)至特定的位置，并錨定在正確的位置，分布在神經(jīng)突觸、生長(zhǎng)錐、郎飛氏結(jié)，為神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育與成熟提供能量十分重要。當(dāng)神經(jīng)元受到生理或病理應(yīng)激，如在衰老或受傷，線粒體輸運(yùn)將會(huì)發(fā)生改變，如何重新分布以保證能量供應(yīng)的穩(wěn)態(tài)，使得神經(jīng)再生。這些都是重要的前沿科學(xué)問(wèn)題。

圖9 線粒體通過(guò)馬達(dá)蛋白沿著微管在神經(jīng)軸突上輸運(yùn)[55]Figure 9 Mitochondrial transport in neurons[55]

4 線粒體功能障礙-激活天然免疫系統(tǒng)-引起慢性炎癥-導(dǎo)致神經(jīng)退行性疾病

線粒體是行使能量代謝的重要細(xì)胞器，它對(duì)調(diào)節(jié)細(xì)胞凋亡、壞死，鈣離子穩(wěn)態(tài)、磷脂代謝，以及天然免疫等方面也起關(guān)鍵作用(圖10)。

圖10 cGAS-STING天然免疫路徑[65]Figure 10 cGAS-STING innate immunity pathway[65]

天然免疫系統(tǒng)是生物體對(duì)病原體(病菌、病毒)，以及環(huán)境中各種危險(xiǎn)因素(紫外輻射、放射性射線、化學(xué)藥物)的天然防衛(wèi)系統(tǒng)[65]。它通過(guò)各種模式識(shí)別受體 (pattern recognitionreceptor,PRR)起作用。模式識(shí)別受體包括：Toll樣受體(Toll—like receptors,TLR)、C型凝集素受體 (C-type lectin receptors，CLRs)、NOD樣受體 (NOD-like receptors，NLRs)、AIM樣受體 (AIM2-like receptors，ALRs)、RIG-I樣受體 (RIG-I-like receptors，RLRs，包括RIG-I、MDA5、LGP2)、DNA sensors、STING[66]。

線粒體與固有免疫響應(yīng)密切相關(guān)。病原體感染、衰老、環(huán)境毒物均可直接或間接引起線粒體功能障礙。線粒體功能障礙的表現(xiàn)包括氧化磷酸化過(guò)程受損，代謝異常、非折疊蛋白積累、線粒體膜電位改變、活性氧 (mROS) 產(chǎn)量增加等，這些過(guò)程會(huì)破壞線粒體膜的完整性，導(dǎo)致線粒體配基包括N-甲?；嚯牡尼尫?，心磷脂暴露，線粒體DNA(mtDNA)的釋放。它們作為模式識(shí)別受體的配體，分別被天然免疫系統(tǒng)中的不同模式識(shí)別受體，炎癥小體或者cGAS/STING特異性識(shí)別，病原體的DNA或者受損的線粒體或細(xì)胞核的DNA都可以激活細(xì)胞質(zhì)中的cGAS, cGAS生成2′-3′環(huán)狀GMP-AMP(cGAMP),它與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)蛋白質(zhì)STING結(jié)合。細(xì)胞也可以通過(guò)位于質(zhì)膜上的cGAMP的轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，或通過(guò)細(xì)胞間縫隙從鄰近細(xì)胞中輸入cGAMP。與cGAMP結(jié)合的STING將離開內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜，輸運(yùn)到高爾基氏體或后高爾基氏體間隔。在那里激活激酶TBK1。TBK1磷酸化轉(zhuǎn)錄因子IRF3。STING可激活NF-κB，它進(jìn)入細(xì)胞核在那里起作用。STING與IRF3一起誘導(dǎo)I型干擾素及許多與免疫及炎癥反應(yīng)相關(guān)的基因表達(dá)(圖11)。天然免疫系統(tǒng)被激活，誘導(dǎo)激活NF-κB，干擾素信號(hào)通路，產(chǎn)生細(xì)胞因子，趨化因子，觸發(fā)一系列炎癥反應(yīng)，包括中性粒細(xì)胞活化與遷移，NF-κB，白介素IL-1β, IL-18等炎癥因子加工與分泌，引起慢性炎癥。在中樞神經(jīng)系統(tǒng)中，固有免疫反應(yīng)發(fā)生在小膠質(zhì)細(xì)胞中，上述各種風(fēng)險(xiǎn)因子會(huì)使得小膠質(zhì)細(xì)胞或星型細(xì)胞活化，進(jìn)而引起神經(jīng)元細(xì)胞死亡(凋亡/壞死/焦亡)，這些可能是神經(jīng)退行性疾病的病因[67-70]。

圖11 線粒體功能障礙引起帕金森病的代表性病理生理路徑[70]Figure 11 Representative pathways of mitochondrial dysfunction involved in Parkinson’s disease pathophysiology[70]

4.1 線粒體功能障礙與帕金森病的發(fā)病機(jī)制

可能與帕金森病相關(guān)的機(jī)制：線粒體損傷影響線粒體生成，活性氧增加，線粒體在微管上輸運(yùn)受影響，電子傳遞鏈功能障礙，鈣離子濃度失衡，線粒體動(dòng)力學(xué)改變，線粒體自噬受影響。多種復(fù)雜因素相互作用，最終導(dǎo)致帕金森病發(fā)生發(fā)展(圖11)[71]。

lrrk2基因編碼的蛋白質(zhì)LRRK2具有犰狳重復(fù)序列 (ARM) 區(qū)域、錨蛋白重復(fù)序列 (ANK) 區(qū)域、富含亮氨酸重復(fù)序列 (LRR) 域、激酶域、RAS域、GTPase域和WD40域。LRRK2主要存在于細(xì)胞質(zhì)中，但也與線粒體外膜及線粒體泛素連接酶parkin有關(guān)。LRRK2的COR結(jié)構(gòu)域與parkin的C末端R2RING結(jié)構(gòu)域相互作用。突變LRRK2的表達(dá)誘導(dǎo)神經(jīng)母細(xì)胞瘤細(xì)胞和小鼠皮層神經(jīng)元凋亡。G2019S和R1441C是廣泛存在于帕金森病人中的LRRK2突變，而這兩個(gè)突變都會(huì)導(dǎo)致突觸后鈣失衡，導(dǎo)致線粒體通過(guò)有絲分裂吞噬從樹突過(guò)度清除，從而導(dǎo)致體內(nèi)和體外培養(yǎng)的神經(jīng)元中樹突的縮短和復(fù)雜度的降低[72-74]。目前針對(duì)LRRK2研究的帕金森病相關(guān)藥物也已經(jīng)在臨床階段實(shí)驗(yàn)中[75-76]。

4.2 阿爾茨海默癥病人大腦小膠質(zhì)細(xì)胞線粒體異常(圖12)

圖12 阿爾茨海默氏癥患者大腦中的線粒體異常[76]Figure 12 Mitochondrial abnormalities in an Alzheimer’s diseasebrain[76]

阿爾茨海默癥病人大腦小膠質(zhì)細(xì)胞線粒體功能障礙(圖13)[77]。淀粉樣蛋白-β (Aβ)與小膠質(zhì)細(xì)胞上的不同受體相互作用[78]。受損的TREM2導(dǎo)致哺乳動(dòng)物雷帕霉素靶蛋白(mTOR)通路受損。受損的mTOR通路增加自噬并減少線粒體的數(shù)量進(jìn)一步減少ATP的產(chǎn)生。Aβ與P2X7相互作用激活NF-κB，導(dǎo)致NLRP3的激活和釋放細(xì)胞色素c (cytc)來(lái)源于線粒體(機(jī)制不明)和細(xì)胞凋亡。Aβ通過(guò)不同的受體被吞噬，如TREM2, toll樣受體(TLRs)，晚期糖基化終末產(chǎn)物(RAGE)的受體和CD36，以及內(nèi)化的Aβ與線粒體鈣單胞體(MCU)相互作用線粒體導(dǎo)致細(xì)胞毒性。通過(guò)未知受體，Aβ減少線粒體自噬，并增加活性氧(ROS)的產(chǎn)生。所有這些機(jī)制通過(guò)炎癥或其他機(jī)制促進(jìn)阿爾茨海默病(AD)的發(fā)病[79-82]。

圖13 阿爾茨海默氏癥患者大腦中小膠質(zhì)細(xì)胞線粒體功能障礙[77]Figure 13 Mitochondrial dysfunction of microglia in the brain ofAlzheimer’s disease patients[77]

其中的TREM2，尤其是2016年報(bào)道的在AD病人中廣泛存在的TREM2的R47H突變[83]，使得TREM2成為AD的高風(fēng)險(xiǎn)因子，也成為針對(duì)AD靶向藥物研發(fā)的明星分子，但是TREM2的激活機(jī)制至今仍不是很明確，潛在的激活分子包括Aβ、載脂蛋白ApoE、Clu以及TDP-43。同時(shí)，針對(duì)TREM2胞外區(qū)的特異性抗體分子的篩選工作也取得了一定的進(jìn)展，為將來(lái)針對(duì)阿爾茨海默病的預(yù)防及早期干預(yù)治療提供理論基礎(chǔ)[84-85]。

5 未來(lái)與展望

綜上，在衰老的發(fā)生和發(fā)展過(guò)程中，線粒體的功能和內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)的破壞是關(guān)鍵因素，也是臨床診斷的一個(gè)重要指標(biāo)及可能的治療靶點(diǎn)。線粒體的功能障礙會(huì)導(dǎo)致神經(jīng)系統(tǒng)的損害，并與多種神經(jīng)退行性疾病直接相關(guān)。但調(diào)節(jié)線粒體狀態(tài)以緩解衰老相關(guān)功能異常的潛在益處尚未被明確描述。所以，研究線粒體在神經(jīng)退行性疾病的發(fā)生、發(fā)展、轉(zhuǎn)變、恢復(fù)的過(guò)程中所起的重要作用仍然任重道遠(yuǎn)。與此同時(shí)，在近10年的研究過(guò)程中，用于神經(jīng)保護(hù)和神經(jīng)再生的線粒體療法正在迅速?gòu)囊粋€(gè)理論概念轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N可能的臨床方法[86]。因此，利用線粒體為對(duì)象，針對(duì)神經(jīng)退行性疾病的早期診斷、干預(yù)及后期的線粒體療法將成為下個(gè)十年可預(yù)見的突破。