葉群英 綜述 王艷云，羅紅波 審校

遵義醫(yī)科大學(xué)第五附屬(珠海)醫(yī)院神經(jīng)內(nèi)科，廣東 珠海 519100

阿爾茨海默病(Alzheimer's disease，AD)是一種以進(jìn)行性認(rèn)知功能障礙和行為學(xué)損害為主要臨床表現(xiàn)的神經(jīng)變性疾病。該病占癡呆癥患者總數(shù)的60%～80%[1-2]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，截止目前包括AD 在內(nèi)的全球癡呆患者約5 000 萬，估計(jì)到2050年將增長2 倍，并且基于AD生物學(xué)特性，甚至可能增加3倍[3]。但AD的病因是復(fù)雜、多元的，關(guān)于AD的具體發(fā)病機(jī)制尚不清楚。目前較為公認(rèn)的機(jī)制假說包括：淀粉樣蛋白假說、Tau蛋白假說、膽堿能假說、APOE4 基因?qū)W說及氧化應(yīng)激假說、線粒體功能障礙假說等[4]。目前，AD治療藥物的研發(fā)主要圍繞著“淀粉樣蛋白假說、Tau蛋白假說”，但仍不能有效延緩或者遏制AD的疾病進(jìn)程，因此充分研究AD的發(fā)病機(jī)制，找到合理的治療靶點(diǎn)，尋求有效的藥物，仍是當(dāng)前亟待解決的問題。近年來越來越多研究表明，線粒體功能障礙在AD發(fā)病機(jī)制中發(fā)揮的重要作用，對線粒體方面相關(guān)機(jī)制的研究已成為研發(fā)AD靶向治療藥物的熱點(diǎn)[5-7]。本文就線粒體能量代謝、Ca2+穩(wěn)態(tài)、氧化應(yīng)激、線粒體動(dòng)力學(xué)、線粒體DNA、線粒體自噬等方面，對線粒體功能障礙與AD的相關(guān)性研究進(jìn)行探討，以期為AD的臨床研究與治療方向提供科學(xué)依據(jù)。

1 線粒體結(jié)構(gòu)及功能

線粒體是一種真核生物的細(xì)胞器，為雙層單位膜構(gòu)成的封閉囊狀結(jié)構(gòu)，分為基質(zhì)、內(nèi)膜、膜間隙、外膜。內(nèi)膜上有氧化磷酸化相關(guān)的蛋白質(zhì)，包括呼吸鏈(復(fù)合物Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ)、ATP 合成酶及腺苷轉(zhuǎn)運(yùn)體等[8]。內(nèi)源性自由基主要由電子傳遞鏈產(chǎn)生，其可損傷蛋白質(zhì)、DNA和脂質(zhì)。此外，線粒體基質(zhì)有著完整的轉(zhuǎn)錄與翻譯體系，其包括線粒體DNA、tRNA、tRNA、70S型核糖體、DNA 聚合酶、氨基酸活化酶等。線粒體是機(jī)體的“能量工廠”，其通過合成ATP，調(diào)控Ca2+通道，調(diào)節(jié)氧化應(yīng)激(oxidative stress，OS)及細(xì)胞凋亡，維持著機(jī)體能量代謝[9]。同時(shí)，線粒體又可通過分裂、融合、轉(zhuǎn)運(yùn)與自噬維持自身的動(dòng)態(tài)平衡[10]。

2 線粒體功能障礙與AD的相關(guān)性

2.1 線粒體能量代謝障礙與AD的相關(guān)性 人腦占機(jī)體體質(zhì)量的2%～3%，在耗氧量方面，約占機(jī)體的20%[11]，且ATP 是大腦唯一的能量使用形式。絕大部分ATP是依賴于線粒體內(nèi)膜上的氧化磷酸化的生成，氧化磷酸化需要電子傳遞鏈和ATP 合成酶的參與[12]。因此，復(fù)合體Ⅰ～Ⅳ和ATP 合成酶的活性改變或基因表達(dá)下降將直接影響著線粒體能量代謝。研究發(fā)現(xiàn)線粒體功能障礙導(dǎo)致的神經(jīng)元“饑餓”與進(jìn)行性認(rèn)知和運(yùn)動(dòng)退化有著密切的關(guān)系[13]。Terni等[14]發(fā)現(xiàn)，與正常人相比，在AD 患者的早期(Braak Ⅰ/Ⅱ期，MCI 發(fā)作前)，線粒體ATP 合成酶的α亞單位在內(nèi)嗅皮質(zhì)中被HNE修飾，可使ATP合成酶的活性下降約30%。Chou等[2]發(fā)現(xiàn)，在AD 小鼠(3xTg-AD)皮質(zhì)中進(jìn)行的蛋白質(zhì)組學(xué)測定顯示，與對照組相比，AD小鼠中ATP合成酶的β亞單位的表達(dá)是增加。根據(jù)上述可以推測，通過改變ATP 合成酶的α亞單位或者β亞單位表達(dá)可以影響ATP 酶的活性，從而來影響線粒體的能量代謝，但其具體的機(jī)制尚未闡明。與對照組比較，AD 晚期患者編碼線粒體電子傳遞鏈亞基的核基因在后扣帶皮層、海馬CA1 區(qū)、顳中回和內(nèi)嗅皮層中的表達(dá)是減少的[15]。在AD 中，線粒體功能障礙也可通過抑制線粒體呼吸鏈復(fù)合物Ⅰ、Ⅲ和Ⅳ的表達(dá)，從而影響其能量代謝[16]。因此，可以進(jìn)一步推測通過靶向性干預(yù)ATP合成酶或者其他復(fù)合體來提高ATP的產(chǎn)生，達(dá)到恢復(fù)其正常能量代謝的目的。

2.2 鈣離子穩(wěn)態(tài)失衡與AD的相關(guān)性 鈣離子穩(wěn)態(tài)(calcium homeostasis)是細(xì)胞中大部分生化反應(yīng)的基礎(chǔ)，鈣離子主要在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)儲(chǔ)存，在線粒體中發(fā)揮作用，調(diào)節(jié)細(xì)胞基本功能[17]。一方面，線粒體Ca2+攝取主要是受線粒體外膜上的電壓依賴性陰離子通道(VDAC)和線粒體內(nèi)膜上的線粒體Ca2+單轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白復(fù)合物(MCU)調(diào)節(jié)；另一方面，線粒體Ca2+排出主要通過線粒體內(nèi)膜的Na+/Ca2+/Li交換器(NCLX)和Ca2+/H+交換器(CHE/Letm1)調(diào)節(jié)[18-19](圖1)。研究發(fā)現(xiàn)，β淀粉樣蛋白(Aβ)聚集體通過調(diào)節(jié)MCU提高線粒體的Ca2+攝取，致使線粒體Ca2+超載；同時(shí)用特異性抑制劑Ru360 阻斷MCU 可以避免Ca2+超載[20]。研究發(fā)現(xiàn)，在AD 患者及3×Tg AD 小鼠中的NCLX 表達(dá)下降，造成線粒體Ca2+排出受阻，使得線粒體Ca2+超負(fù)荷，迫使開放線粒體通透性轉(zhuǎn)變孔(MPTP)，致使神經(jīng)元凋亡，促進(jìn)AD 的發(fā)展；同時(shí)恢復(fù)或者提高NCLX的表達(dá)能夠促使線粒體Ca2+正常排出，避免了線粒體Ca2+超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)、細(xì)胞凋亡，進(jìn)而改善AD 病理和認(rèn)知障礙[21]。上述證據(jù)表明在AD早期可通過靶向性調(diào)節(jié)線粒體Ca2+的攝入或排出,可避免線粒體Ca2+超載，恢復(fù)線粒體Ca2+穩(wěn)態(tài)，從而避免神經(jīng)元凋亡，達(dá)到預(yù)防治療AD的目的。

圖1 鈣離子通道穩(wěn)態(tài)及鈣超載示意圖Figure 1 Schematic diagram of calcium homeostasis and calcium overload

2.3 氧化應(yīng)激與AD的相關(guān)性 氧化應(yīng)激(oxidative stress，OS)是指體內(nèi)活性氧(reactive oxygen species，ROS)或活性氮(reactive nitrogen species，RNS)的產(chǎn)生和蓄積與機(jī)體對其清除能力的不對等所引起的現(xiàn)象[22]。線粒體是內(nèi)源性ROS的主要產(chǎn)生場所[23]。在線粒體正向電子傳遞中，呼吸鏈上的復(fù)合物Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ產(chǎn)生不可避免的電子泄漏，泄漏的電子與氧氣相互作用形成超氧陰離子(superoxide anion radical，O2-或過氧化氫(H2O2)[24]；在線粒體反向電子傳遞中，隨著質(zhì)子動(dòng)力上升，可驅(qū)動(dòng)電子通過輔酶Q從復(fù)合物Ⅱ轉(zhuǎn)移到復(fù)合物Ⅰ，將NAD+還原成NADH，導(dǎo)致NADH/NAD+比值增大，使線粒體處于過氧化狀態(tài)，從而極大提高O2-含量，升高了線粒體ROS水平[25]。Mclellan 等[26]采用多光子成像技術(shù)對AD動(dòng)物腦內(nèi)Aβ沉積物進(jìn)行成像,發(fā)現(xiàn)自由基產(chǎn)生的熒光分布在淀粉斑周圍。Lovell 等[27]利用Cu2+和Fe2+發(fā)生經(jīng)典的芬頓反應(yīng)造成原代大鼠皮層神經(jīng)元的氧化應(yīng)激，使得Tau蛋白的構(gòu)象發(fā)生改變，并使蛋白激酶C 的α、β異構(gòu)體失活，而蛋白激酶C 調(diào)節(jié)GSK-3β，誘導(dǎo)Tau 蛋白磷酸化，促使神經(jīng)元凋亡。由于線粒體DNA離線粒體內(nèi)膜更近，故更易遭到自由基的破壞，同時(shí)缺乏了組蛋白保護(hù)與損傷修復(fù)系統(tǒng)，故比nDNA更易發(fā)生突變[28]。上述證據(jù)表明線粒體氧化應(yīng)激可通過上調(diào)Aβ表達(dá)、上調(diào)P-Tau 蛋白表達(dá)及損傷線粒體DNA等生物分子，進(jìn)一步促進(jìn)了AD的發(fā)生發(fā)展。由此，可以認(rèn)為通過干預(yù)線粒體氧化應(yīng)激靶向性治療AD具有一定的可行性。

2.4 線粒體動(dòng)力學(xué)失衡與AD的相關(guān)性 線粒體動(dòng)力學(xué)是指線粒體通過分裂和融合的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)化，來維持自身穩(wěn)態(tài)的過程，其受多種相關(guān)蛋白的調(diào)控。包括線粒體有絲分裂蛋白1(動(dòng)力蛋白相關(guān)蛋白1)、視神經(jīng)萎縮相關(guān)蛋白1 (OPA1)和線粒體融合蛋白1 和2(mitofusion1/2)。線粒體融合主要由Opa1、Mfn1 和Mfn2共同調(diào)控，Opa1位于線粒體內(nèi)膜上，推進(jìn)線粒體內(nèi)膜融合；Mfn1 位于線粒體外膜，促進(jìn)線粒體外膜融合；Mfn2在線粒體外膜和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上促進(jìn)線粒體外膜融合及協(xié)調(diào)線粒體-內(nèi)質(zhì)網(wǎng)交互作用[29-30]。線粒體轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)是由細(xì)胞骨架(微絲、微管)、馬達(dá)蛋白(驅(qū)動(dòng)蛋白、動(dòng)力蛋白、肌球蛋白)及銜接蛋白(Miro/Milton 等)組成[31-33]。研究發(fā)現(xiàn)，在哺乳動(dòng)物中，Drap1、MFF、MiD49和MiD51共同調(diào)控線粒體分裂，Drp1在某些特定細(xì)胞信號(hào)傳導(dǎo)下由細(xì)胞質(zhì)招募到線粒體外膜，同時(shí)與線粒體外膜上的線粒體分裂因子(MFF)、線粒體動(dòng)力蛋白(MiD49h、MiD51)結(jié)合。Drp1 通過環(huán)狀結(jié)構(gòu)寡聚水解GTP提供能量使該環(huán)狀結(jié)構(gòu)收縮，離斷雙層膜結(jié)構(gòu)，以致線粒體分裂[34-35]。有研究發(fā)現(xiàn)，將3 個(gè)月、6個(gè)月、9 個(gè)月、12 個(gè)月的APPsw/PS1dE9 基因鼠與同月齡的C57BL/6 小鼠相比，從第3 個(gè)月開始基因鼠海馬組織中的線粒體形態(tài)出現(xiàn)改變，并伴有Opa1 和Mfn2及Drap1 的改變[36]。同時(shí)有研究發(fā)現(xiàn)，在Aβ及Tau 蛋白出現(xiàn)之前可觀察到軸突腫脹及線粒體軸突運(yùn)輸減少，這揭示線粒體運(yùn)輸功能障礙可能也是AD 的早期生物學(xué)標(biāo)記物[37]。根據(jù)上述研究，可以推測線粒體分裂、融合及運(yùn)輸?shù)母淖兛赡苁窃缙贏D發(fā)展的標(biāo)志，其通過靶向性調(diào)控Opa1、Mfn2、Drap1等蛋白的表達(dá)，可阻止AD的進(jìn)一步發(fā)展，達(dá)到逆轉(zhuǎn)或延緩AD的可能。

2.5 線粒體DNA異常與AD的相關(guān)性 人類的線粒體DNA 共有37 個(gè)基因，分別編碼22 個(gè)tRNA、2 個(gè)rRNA 及13 種氧化磷酸化酶復(fù)合體亞基(NADH-CoQ還原酶的7個(gè)亞基、泛醌-細(xì)胞色素C還原酶的1 個(gè)亞基、細(xì)胞色素C氧化酶的3個(gè)亞基及ATP合成酶的2個(gè)亞基)[38]。由于線粒體DNA離線粒體內(nèi)膜更近，更易受到自由基的破壞，同時(shí)其缺乏組蛋白保護(hù)和損傷修復(fù)機(jī)制，故比nDNA更易發(fā)生變異[39]。線粒體DNA中唯一的非編碼區(qū)是D環(huán)區(qū)，負(fù)責(zé)線粒體DNA復(fù)制與轉(zhuǎn)錄，是最易受氧化損傷而發(fā)生變異的區(qū)域[40]。在AD等神經(jīng)變性疾病中，線粒體DNA拷貝數(shù)水平變化與線粒體DNA甲基化水平的動(dòng)態(tài)調(diào)控和線粒體DNA復(fù)制轉(zhuǎn)錄因子的表達(dá)下降有關(guān)[41]。研究發(fā)現(xiàn)，在AD 患者的額葉皮層中，D 環(huán)區(qū)突變顯著增加了63%，線粒體DNA 拷貝數(shù)同時(shí)下降了50%[42]。研究顯示，早期AD患者大腦內(nèi)嗅皮層中，D環(huán)區(qū)甲基化水平明顯增加，且早期甲基化水平高于晚期[43]。Sheng 等[44]研究發(fā)現(xiàn)，AD 患者海馬組織中線粒體轉(zhuǎn)錄因子A 水平下降43%，并引起mt DNA 拷貝數(shù)的減少。根據(jù)以上證據(jù)可以認(rèn)為，D環(huán)區(qū)突變、甲基化及線粒體DNA復(fù)制轉(zhuǎn)錄因子下降均可導(dǎo)致線粒體DNA異常，致使線粒體DNA拷貝數(shù)減少，從而導(dǎo)致線粒體功能障礙。因此，可以以挽救線粒體DNA 異常、恢復(fù)線粒體DNA 拷貝數(shù)水平、避免線粒體功能障礙來阻止AD的發(fā)生發(fā)展。

2.6 線粒體自噬異常與AD的相關(guān)性 線粒體自噬是一種控制線粒體質(zhì)量的選擇性自噬途徑，其通過雙膜自噬體結(jié)構(gòu)吞噬受損或去極化的線粒體，與溶酶體融合，完成受損或去極化線粒體的降解[45]。有研究發(fā)現(xiàn)，線粒體自噬主要受同源磷酸酶張力蛋白誘導(dǎo)的蛋白激酶1(PINK1)/Parkin信號(hào)通路的調(diào)節(jié)[46]。PINK1是位于線粒體外膜的絲氨酸/蘇氨酸激酶；Parkin是位于胞質(zhì)內(nèi)的E3泛素連接酶。其大致過程為：在健康機(jī)體中，某一因素致使線粒體膜電位下降時(shí)，PINK1可迅速聚集并招募Parkin 至線粒體外膜上進(jìn)行激活，活化的Parkin 可介導(dǎo)受損線粒體外膜蛋白泛素化，促進(jìn)自噬小體初始化形成，并誘導(dǎo)微管相關(guān)蛋白1 輕鏈3(LC3)至LC3 相互作用區(qū)(LC3-interation region，LIR)，促使受損的線粒體形成線粒體自噬體，再與溶酶體融合后加速受損線粒體的降解及清除[47-48]。Ye 等[13]發(fā)現(xiàn)，在AD患者大腦中Parkin水平會(huì)隨著Braak分期的增加而逐漸下降。還有研究發(fā)現(xiàn)，與健康對照組相比，AD 患者腦組織中線粒體自噬的基礎(chǔ)水平低于50%[49]。新的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，微管相關(guān)蛋白tau 和Aβ代謝可能干擾線粒體自噬機(jī)制[49-50]。有研究進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，通過上調(diào)誘導(dǎo)轉(zhuǎn)錄因子EB (transcription factor EB，TFEB)的表達(dá)，將提高溶酶體蛋白的有效表達(dá)，關(guān)于線粒體自噬的介導(dǎo)標(biāo)記物也會(huì)同步增加，由此可推測溶酶體功能缺陷可能會(huì)降低線粒體自噬，故溶酶體功能缺陷被認(rèn)為是AD狀態(tài)下線粒體自噬異常的重要機(jī)制之一[51]。上述證據(jù)可以推測線粒體自噬異常與微管相關(guān)蛋白tau、Aβ代謝及溶酶體功能缺陷存在密切關(guān)系；其通過干預(yù)微管相關(guān)蛋白tau 和Aβ代謝或溶酶體蛋白表達(dá)水平，提高線粒體自噬，能夠進(jìn)一步延緩AD的發(fā)生發(fā)展。

3 結(jié)語

AD發(fā)病機(jī)理復(fù)雜?，F(xiàn)有研究表明，線粒體是AD發(fā)病進(jìn)程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，多個(gè)線粒體相關(guān)要素參與調(diào)控了AD的發(fā)展，其中包括線粒體能量代謝、線粒體Ca2+穩(wěn)態(tài)、線粒體氧化應(yīng)激、線粒體動(dòng)力學(xué)、線粒體DNA、線粒體自噬等，針對線粒體功能障礙的靶向性治療的基礎(chǔ)研究取得了一定的進(jìn)展，今后需繼續(xù)從不同的層面深入研究線粒體功能障礙與AD之間的具體機(jī)制，明確線粒體異常與AD病理生理之間的關(guān)系，將有利于尋找線粒體的靶向防治策略，為臨床上AD 的診療提供新思路及科學(xué)依據(jù)，對AD 的防治及延緩該疾病的進(jìn)展有著重大的價(jià)值。