帕金森病(Parkinson’s disease,PD)是一種嚴(yán)重危害中老年人健康,以黑質(zhì)-紋狀體多巴胺能神經(jīng)元進(jìn)行性丟失為主要病理特征的一類神經(jīng)退行性疾病。PD病人主要表現(xiàn)為運(yùn)動(dòng)遲緩、姿勢(shì)不穩(wěn)、靜止性震顫和肌肉僵硬等癥狀，有的病人還伴有不同程度的抑郁癥狀、言語不清、癡呆或生活不能自理[1]。在我國65歲以上人群中PD的發(fā)病率約2%,占世界PD病人總數(shù)的40%以上,且有逐年增高的趨勢(shì),預(yù)計(jì)未來10年內(nèi)我國罹患PD的人數(shù)將占全球病人總數(shù)的60%以上,給國家和家庭帶來更加沉重的負(fù)擔(dān)。PD主要與黑質(zhì)致密部多巴胺能神經(jīng)元的漸進(jìn)性變性壞死以及由α-突觸核蛋白構(gòu)成的被稱為路易小體的神經(jīng)炎性物質(zhì)在黑質(zhì)多巴胺神經(jīng)元內(nèi)的聚集密切相關(guān)[2]。盡管導(dǎo)致多巴胺能神經(jīng)元變性壞死的機(jī)制尚不清楚,但包括蛋白質(zhì)積聚、泛素-蛋白酶體通路受損、氧化應(yīng)激、自噬與線粒體功能失調(diào)以及神經(jīng)炎癥等在內(nèi)的多種因素已被證實(shí)與PD的發(fā)病機(jī)制密切相關(guān)。在臨床上,大多數(shù)PD病人都是散發(fā)的,且與PD發(fā)病機(jī)制相關(guān)的常染色體顯性和隱性基因突變的遺傳家系在過去的研究中已被證實(shí)。此外，環(huán)境因素也可能直接或間接對(duì)線粒體功能產(chǎn)生調(diào)控作用。

自噬是將功能失調(diào)的細(xì)胞器、錯(cuò)誤折疊的蛋白質(zhì)、多余或不必要的細(xì)胞質(zhì)內(nèi)容物運(yùn)送到溶酶體來降解的細(xì)胞分解代謝過程,是真核生物所特有的生命現(xiàn)象,對(duì)于維持細(xì)胞的正常功能具有重要意義[3]。線粒體自噬為自噬線粒體選擇性清除受損線粒體的唯一途徑,可通過減少呼吸活動(dòng)和降低膜電位來維持線粒體完整性,從而減少活性氧簇(reactive oxygen species,ROS)的產(chǎn)生,以保證細(xì)胞內(nèi)線粒體能夠正常發(fā)揮作用。越來越多的證據(jù)表明，自噬缺陷參與了PD的發(fā)病過程。線粒體功能障礙主要表現(xiàn)為ROS的過度產(chǎn)生、三磷酸腺苷(ATP)合成障礙、線粒體DNA(mtDNA)耗竭、含半胱氨酸的天冬氨酸蛋白水解酶(Caspase)釋放以及電子傳遞復(fù)合體(ETC)的缺陷等[4]。與PD相關(guān)的基因主要包括:(1)SNCA基因,其編碼的α-突觸核蛋白為路易小體的主要組成部分[5];(2)LRRK2基因,其編碼多域大蛋白物質(zhì),可導(dǎo)致超過10%的家族性和大約3%的散發(fā)性PD的發(fā)生[6];(3)PINK1和PARKIN基因,主要參與線粒體代謝的調(diào)節(jié)和細(xì)胞內(nèi)線粒體質(zhì)量和能量生成的維護(hù),它們的突變體與早發(fā)型PD密切相關(guān)[7];(4)DJ-1基因,可與活性氧反應(yīng),并通過降低自身的等電點(diǎn)來消除活性氧的毒性作用,可導(dǎo)致約1%～2%常染色體隱性遺傳性PD的發(fā)生。本文將討論P(yáng)D相關(guān)基因?qū)ψ允珊途€粒體功能調(diào)節(jié)的作用及其調(diào)節(jié)代謝途徑在PD進(jìn)展中的作用,同時(shí)也將對(duì)環(huán)境因素在自噬與線粒體功能障礙中的影響進(jìn)行初步探討。

1 PD相關(guān)基因參與細(xì)胞自噬和線粒體功能失調(diào)

1.1α-突觸核蛋白與SNCA基因α-突觸核蛋白由SNCA基因編碼,其功能多樣,可參與到突觸結(jié)構(gòu)的維持、神經(jīng)可塑性以及多巴胺的攝取與調(diào)控等多方面,能夠與線粒體內(nèi)膜結(jié)合,抑制線粒體復(fù)合體Ⅰ、Ⅸ的功能并增加自由基的釋放。α-突觸核蛋白可以通過與腺苷酸轉(zhuǎn)位作用或電壓依賴性陰離子通道來激活線粒體通透性轉(zhuǎn)換孔(mPTP),進(jìn)而通過開放mPTP破壞線粒體的膜電位引發(fā)多巴胺神經(jīng)元的損傷[8]。泛素-蛋白酶體系統(tǒng)(abiquitin proteasome system,UPS)可以特異性降解細(xì)胞內(nèi)突變、氧化損傷、錯(cuò)誤折疊或有害的蛋白質(zhì)。α-突觸核蛋白主要由UPS降解,UPS的功能缺陷可導(dǎo)致錯(cuò)誤折疊的α-突觸核蛋白單體及寡聚體降解受阻、胞漿內(nèi)路易小體形成及多巴胺神經(jīng)元變性壞死,而α-突觸核蛋白的過度聚集又可損害UPS功能,可見,α-突觸核蛋白的聚集和UPS功能缺陷互為因果,加速了中樞神經(jīng)系統(tǒng)的損傷。過多的α-突觸核蛋白還可通過抑制Rab1進(jìn)而干擾自噬小體的形成與降解。在PD病人死后的大腦組織研究中我們得知，α-突觸核蛋白的過度積聚激活了氧化應(yīng)激并且干擾了線粒體的自噬功能,更重要的是無論在體內(nèi)還是體外,α-突觸核蛋白的過度表達(dá)均可引起神經(jīng)元中線粒體的分裂和活性損傷,最終導(dǎo)致呼吸鏈功能的下降和神經(jīng)元的死亡[10]。α-突觸核蛋白的過表達(dá)可以通過細(xì)胞外信號(hào)調(diào)節(jié)激酶(ERK途徑)、誘導(dǎo)線粒體細(xì)胞色素C的釋放以及影響Caspase-9/-3活性顯著提高線粒體分裂蛋白DRP1的轉(zhuǎn)運(yùn)，進(jìn)而促進(jìn)細(xì)胞凋亡[11]。相反,在體外抑制α-突觸核蛋白的過表達(dá)可阻止1-甲基-4-苯基吡啶(MPP+)誘導(dǎo)的線粒體分裂。

1.2 PINK1基因 PINK1是一種線粒體絲氨酸/蘇氨酸激酶蛋白,在整個(gè)大腦和大多數(shù)細(xì)胞類型中廣泛表達(dá),已知PINK1 基因中有40多個(gè)突變體與PD的常染色體隱性遺傳密切相關(guān)。在生理?xiàng)l件下,PINK1不能作為標(biāo)簽發(fā)揮作用,PINK1不斷的從胞漿輸入到線粒體中,在線粒體被最終降解。當(dāng)線粒體損傷時(shí),受損的線粒體膜電位阻斷了PINK1的線粒體輸入,導(dǎo)致其在外膜累積,成為受損線粒體的標(biāo)簽;當(dāng)PINK1在線粒體外膜累積時(shí),可磷酸化外膜上的Parkin,磷酸化的Parkin與泛素結(jié)合后發(fā)生構(gòu)象改變并被激活,活化Parkin泛素化電壓依賴性陰離子通道，融合蛋白Mfn1和Mfn2。這些線粒體泛素鏈可以與自噬受體相互作用,如OPTN(optineurin)和核點(diǎn)蛋白52,通過結(jié)合自噬體γ-氨基丁酸(GABA)A受體相關(guān)蛋白招募線粒體周圍的自噬體膜;最后,這些線粒體自噬體被運(yùn)到溶酶體清除。PINK1作為Parkin的上游因子,可通過線粒體的去極化作用積聚在線粒體表面，并可募集 Parkin到線粒體的表面[12]。作為一種線粒體蛋白,PINK1在線粒體自噬、線粒體轉(zhuǎn)運(yùn)、線粒體動(dòng)力學(xué)和復(fù)合體I活性中扮演著重要角色。線粒體的去極化可誘導(dǎo)PINK1/Parkin與可募集驅(qū)動(dòng)蛋白到線粒體表面的一種被稱為Miro的蛋白相互作用。PINK1磷酸化Miro蛋白來誘導(dǎo)依賴Parkin和蛋白酶體的Miro蛋白的降解,導(dǎo)致線粒體釋放驅(qū)動(dòng)蛋白,進(jìn)而抑制線粒體活性,這可能是線粒體自噬的起始步驟[13]。PINK1的缺乏可導(dǎo)致復(fù)合體I的缺陷及線粒體的裂解,降低細(xì)胞內(nèi)Ca2+的處理能力,導(dǎo)致對(duì)應(yīng)激損傷的敏感性增加。相關(guān)研究表明，PINK1蛋白具有神經(jīng)保護(hù)作用,未突變的野生型PINK1可保護(hù)SH-SY5Y細(xì)胞免受應(yīng)激誘導(dǎo)的線粒體功能障礙和凋亡性細(xì)胞死亡[14]。PINK1在體內(nèi)外的消耗被證明會(huì)加劇α-突觸核蛋白聚集誘導(dǎo)的毒性作用以及抑制蛋白酶體系統(tǒng)的降解。與之相反,在果蠅中恢復(fù)PINK1蛋白可以挽救α-突觸核蛋白誘導(dǎo)的病理表型,但是PINK1減輕α-突觸核蛋白毒性作用的機(jī)制仍不清楚[15]。最近的一項(xiàng)研究證明,PINK1還可以通過直接磷酸化自噬受體OPTN來促進(jìn)線粒體自噬[16]。

1.3 PARKIN基因 PARKIN是第1個(gè)被發(fā)現(xiàn)的與常染色體隱性遺傳性少年型PD相關(guān)的隱性基因,含有E3連接酶,可通過其介導(dǎo)的蛋白質(zhì)泛素化對(duì)多種細(xì)胞代謝過程進(jìn)行調(diào)節(jié)。其基因產(chǎn)物Parkin是必不可少的神經(jīng)保護(hù)蛋白,在維持多巴胺能神經(jīng)元的正常功能中發(fā)揮重要作用。在嚙齒動(dòng)物的大腦中，Parkin介導(dǎo)的GTP酶細(xì)胞分裂控制相關(guān)蛋白-1(CDCrel-1)的降解可誘導(dǎo)多巴胺神經(jīng)元變性[17]。Parkin介導(dǎo)的非降解信號(hào)通過泛素化底物K63或K48連接的泛素鏈導(dǎo)致PD發(fā)生,其另一個(gè)底物為PARIS(鋅指蛋白746),是過氧化物酶體增殖物激活受體γ共激活因子-1(peroxisome proliferator-activated receptorγcoactivator-1,PGC-1α)的最主要抑制因素。Parkin可通過泛素化作用調(diào)控PARIS的表達(dá)水平,間斷性影響PGC-1α水平來調(diào)節(jié)線粒體生物合成[18]。研究表明,在α-突觸核蛋白毒性、泛素-蛋白酶體系統(tǒng)功能障礙、Pael-R(Parkin的底物之一)的積累和Kainite(鉀鹽鎂礬,一種含有重鹽水合硫酸鎂和氯化鉀的白色礦物質(zhì))誘導(dǎo)的興奮性毒性等不同的細(xì)胞損傷模型中,Parkin的催化活性作用皆被證實(shí)具有神經(jīng)保護(hù)作用。在散發(fā)性PD病人中我們可以看到,由于氧化和硝酸化應(yīng)激的損傷作用,經(jīng)過翻譯修飾后的Parkin失活,導(dǎo)致Parkin底物如氨?；鵷RNA合成酶相互作用的多功能蛋白2(AIMP2)和遠(yuǎn)端上游元件結(jié)合蛋白1(FBP1)過度積累,進(jìn)而導(dǎo)致多巴胺能神經(jīng)元變性壞死[19 20]。

1.4 DJ-1基因 DJ-1是另一個(gè)與PD相關(guān)的基因,在大腦細(xì)胞質(zhì)、線粒體和細(xì)胞核中作為同型二聚體廣泛表達(dá),其錯(cuò)意突變或缺失與常染色體隱性PD相關(guān)。DJ-1能夠與活性氧反應(yīng),通過降低自身的等電點(diǎn)來降低ROS對(duì)細(xì)胞的損傷作用,亦可通過促進(jìn)合成還原型谷胱甘肽(Glutathione,GSH)發(fā)揮抗氧化作用。DJ-1基因可與復(fù)合物I相互作用,減少線粒體依賴性氧化應(yīng)激的產(chǎn)生,通過維持線粒體的完整性來發(fā)揮細(xì)胞保護(hù)作用,其缺失可致線粒體出現(xiàn)膜電位降低、碎片增加和自噬標(biāo)志物的積累等病態(tài)化表現(xiàn)。在經(jīng)過半胱氨酸C106的氧化、賴氨酸K130的泛素化和半胱氨酸殘基C46、C53以及C106的亞烷基化反應(yīng)的翻譯修飾后，DJ-1的保護(hù)作用才得以形成,尤其是C106殘基的硝基化反應(yīng),可使NO基團(tuán)轉(zhuǎn)移到磷酸酶和張力蛋白同源物(PTEN)上,降低磷酸酶活性,從而有助于神經(jīng)元的存活[21]。此外,包括α-突觸核蛋白聚集和控制、SOD1的激活、對(duì)轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子P53、轉(zhuǎn)錄因子NF-E2相關(guān)因子2、蛋白質(zhì)相關(guān)剪接因子(PSF)166的調(diào)節(jié)等在內(nèi)的多種因素亦可對(duì)DJ-1的功能產(chǎn)生重要影響[22-23]。在氧化應(yīng)激損傷反應(yīng)過程中,DJ-1與PINK1/Parkin對(duì)線粒體起同等重要的保護(hù)作用,除通過抗氧化損傷的機(jī)制參與PD的病理過程外,最近的研究表明DJ-1可通過影響Parkin以及α-突觸核蛋白參與PD的發(fā)病[24]。

1.5 LRRK2(PARK8)基因 LRRK2是含有一個(gè)催化中心的多結(jié)構(gòu)域蛋白,由Ras復(fù)合物、GTPase蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)域、Roc結(jié)構(gòu)域和激酶結(jié)構(gòu)域組成。在已知的LRRK2突變體中，以激酶結(jié)構(gòu)域中的G2019S突變體最多見。LRRK2基因的G2019S突變?cè)斐闪?%～6%的常染色體遺傳性PD以及近1%的沒有已知家族史的散發(fā)性PD[25]。LRRK2 G2019S可通過解偶聯(lián)蛋白水平來使線粒體的膜電位去極化,使其對(duì)MPP+損傷的敏感性增加,進(jìn)而導(dǎo)致線粒體功能異常。LRRK2 G2019S亦可通過磷酸化DIP1加速線粒體的分裂,導(dǎo)致線粒體的片段化來損傷線粒體功能。Tau是一種微管相關(guān)蛋白,主要表達(dá)于中樞神經(jīng)系統(tǒng),可通過調(diào)節(jié)微管蛋白的裝配和微管穩(wěn)定性來調(diào)節(jié)軸突生長和軸突運(yùn)輸,因此Tau蛋白的正常功能對(duì)于神經(jīng)元的可塑性和記憶鞏固至關(guān)重要。LRRK2通過GSK-3β或Ste20激酶直接或間接磷酸化Tau蛋白,或直接使β-微管亞單位磷酸化影響微管的穩(wěn)定,加速神經(jīng)元的變性[26]。

2 環(huán)境因素與自噬和線粒體功能障礙

除上述提及的基因遺傳因素外,PD的發(fā)生與環(huán)境因素密切相關(guān)。與之相關(guān)的環(huán)境因素主要包括1-甲基-4-苯基-1,2,3,6-四氫吡啶(MPTP)、6-OHDA以及除草劑、魚藤酮、百草枯和含氯殺蟲劑等。MPTP的毒性作用主要由其毒性代謝產(chǎn)物MPP+引起的。積聚在線粒體內(nèi)的MPP+可通過抑制復(fù)合體I活性來干擾電子傳遞鏈,并導(dǎo)致ATP合成障礙和活性氧的產(chǎn)生。魚藤酮和百草枯的結(jié)構(gòu)模型與MPTP相似,并且研究表明這兩種藥物不僅可以損傷多巴胺能神經(jīng)元,也可以通過抑制復(fù)合體I活性造成活性氧產(chǎn)生增多來誘導(dǎo)PD的發(fā)生。ROS的產(chǎn)生可損傷復(fù)合體Ⅰ和復(fù)合體Ⅲ,使線粒體和細(xì)胞質(zhì)中的蛋白質(zhì)發(fā)生氧化,導(dǎo)致線粒體功能障礙[27-28]。同時(shí)氧化應(yīng)激損傷了UPS,可導(dǎo)致線粒體的損傷和錯(cuò)誤折疊的蛋白質(zhì)的累積[25]。線粒體呼吸鏈?zhǔn)?-OHDA的直接作用靶位,6-OHDA可通過抑制線粒體復(fù)合體I而產(chǎn)生氧自由基,使線粒體膜失去濾過控制，造成線粒體失能,從而誘導(dǎo)自噬過度活躍,CathepsinB表達(dá)增加,Bcl-2表達(dá)下降,促進(jìn)線粒體膜電位下降,形成惡性循環(huán),最終導(dǎo)致細(xì)胞死亡。有研究表明H2S與自噬也具有一定的相關(guān)性,硫化氫(H2S)可通過下調(diào)HIF-1α蛋白表達(dá)和轉(zhuǎn)錄活性介導(dǎo)神經(jīng)細(xì)胞自噬抑制,但具體機(jī)制目前有待進(jìn)一步探究。

3 總結(jié)與展望

自噬活性和線粒體穩(wěn)態(tài)在PD的發(fā)病機(jī)制中扮演著重要角色,目前仍未發(fā)現(xiàn)有效的治療方法來阻止PD病人多巴胺能神經(jīng)元的進(jìn)行性丟失。更好地理解自噬和線粒體功能障礙之間的分子相互作用,可為PD的預(yù)防和改善提供新的治療方案。此外,在PD的發(fā)病機(jī)制中,特別是在識(shí)別多種神經(jīng)退行性疾病發(fā)病機(jī)制的共同分子通路以及自噬和線粒體功能障礙之間的詳細(xì)分子相互作用方面仍存在著巨大挑戰(zhàn),需進(jìn)一步的研究以闡明其機(jī)制。