黃心雨 綜述,孟德濤 審校

(1.首都醫(yī)科大學(xué)附屬北京康復(fù)醫(yī)院,北京 100144;2.首都醫(yī)科大學(xué)附屬北京康復(fù)醫(yī)院帕金森醫(yī)學(xué)中心,北京 100144)

帕金森病(PD)是以運(yùn)動(dòng)遲緩、肌強(qiáng)直、靜止性震顫等運(yùn)動(dòng)癥狀和焦慮、抑郁等非運(yùn)動(dòng)癥狀為主要表現(xiàn)的神經(jīng)退行性疾病,以黑質(zhì)致密部多巴胺能神經(jīng)元變性缺失及路易小體的形成為主要病理特征[1]。目前,缺乏有效的疾病修飾治療方法,尋求具有疾病修飾作用的治療方法是當(dāng)前PD治療中亟須解決的問(wèn)題之一。理解黑質(zhì)多巴胺能神經(jīng)元退行性病變及路易小體形成的機(jī)制是開(kāi)發(fā)具有疾病修飾治療方法的前提條件。鐵死亡是最近提出的一種受調(diào)控的細(xì)胞死亡方式,以鐵依賴(lài)的脂質(zhì)過(guò)氧化為主要特征[2]。PD中的鐵超載、脂質(zhì)過(guò)氧化物水平升高、谷胱甘肽(GSH)水平降低等,揭示鐵死亡可能參與PD形成的過(guò)程[3]。因此,闡明鐵死亡在PD發(fā)病中的作用對(duì)于開(kāi)發(fā)相關(guān)靶點(diǎn)的藥物至關(guān)重要。因此,本文簡(jiǎn)要回顧了當(dāng)前對(duì)鐵死亡的認(rèn)識(shí),并對(duì)其在PD發(fā)病中的作用進(jìn)行了歸納總結(jié)。

1 鐵死亡-鐵依賴(lài)的調(diào)節(jié)性細(xì)胞死亡

鐵死亡是以鐵依賴(lài)性脂質(zhì)過(guò)氧化為主要特征的細(xì)胞死亡方式[4]。在生理?xiàng)l件下,GSH過(guò)氧化物酶4(GPX4)可將LOOH轉(zhuǎn)換為脂質(zhì)醇(LOH)[5]。GPX4是其核心調(diào)控因子,可以被抑制劑RSL3所抑制[5]。敲除GPX4的小鼠會(huì)出現(xiàn)神經(jīng)退行性病變及過(guò)早死亡,過(guò)表達(dá)GPX4可以阻止由RSL3誘導(dǎo)的細(xì)胞死亡。為了將LOOH還原為L(zhǎng)OH,GPX4需要還原型GSH作為電子供體。GSH在細(xì)胞中由谷氨酸和半胱氨酸(Cys)合成。Cys通過(guò)轉(zhuǎn)硫化途徑由甲硫氨酸合成,也可以通過(guò)XcT反向轉(zhuǎn)運(yùn)體以氧化的胱氨酸二聚體的形式被吸收,然后被還原成胱氨酸。形成Xc-系統(tǒng)XcT單元(由SLC7A11編碼)的異源二聚體和將Xc-系統(tǒng)定位于質(zhì)膜的4F2單元(由SLC3A2編碼)是細(xì)胞內(nèi)胱氨酸運(yùn)輸所必需的[6]。通過(guò)Erastin抑制XcT反向轉(zhuǎn)運(yùn)體,使細(xì)胞內(nèi)Cys的含量降低,GSH的合成受損可以導(dǎo)致細(xì)胞鐵死亡[4]。利用Cys前體提高細(xì)胞內(nèi)GSH水平,可以預(yù)防鐵死亡。此外,研究發(fā)現(xiàn)輔酶Q10(CoQ10)氧化還原酶,即鐵死亡抑制蛋白1(FSP1),可以催化CoQ10重新生成其還原形式CoQ10-H2或泛素醇來(lái)抑制鐵死亡[7]。

鐵在鐵死亡過(guò)程中發(fā)揮重要作用,主要以與轉(zhuǎn)鐵蛋白(Tf)結(jié)合的方式進(jìn)行運(yùn)輸。銅藍(lán)蛋白(CP)通過(guò)氧化二價(jià)鐵離子(Fe2+)產(chǎn)生三價(jià)鐵離子(Fe3+),并通過(guò)轉(zhuǎn)鐵蛋白受體1(TfR1)以Tf-Fe3+復(fù)合物的形式被細(xì)胞內(nèi)吞[8]。鐵進(jìn)入核內(nèi)體后,由于其酸性環(huán)境,鐵從Tf中釋放出來(lái),金屬還原酶STEAP3將不溶性Fe3+還原為可溶的Fe2+。通過(guò)二價(jià)金屬轉(zhuǎn)運(yùn)體1(DMT1)進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)中,Tf和TfR1被回收到膜中以供使用。神經(jīng)元對(duì)鐵的攝取也可以通過(guò)質(zhì)膜上的DMT1通道直接發(fā)生[8]。構(gòu)成不穩(wěn)定鐵池(LIP)的胞質(zhì)游離Fe2+參與芬頓反應(yīng),與過(guò)氧化氫(H2O2)產(chǎn)生反應(yīng)生成具有高度活性的羥基自由基(·OH)。鐵蛋白的部分功能是儲(chǔ)存細(xì)胞質(zhì)中多余的鐵,神經(jīng)黑色素是位于多巴胺能神經(jīng)元中的一種關(guān)鍵的鐵儲(chǔ)存蛋白。鐵唯一已知的出胞途徑是通過(guò)膜鐵轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白(FPN),被鐵氧化物酶(如CP)氧化成Fe3+后離開(kāi)細(xì)胞。除芬頓反應(yīng)外,鐵還可以作為脂氧合酶(LOX)家族的輔助因子介導(dǎo)脂質(zhì)過(guò)氧化物的生成。15-LOX可在長(zhǎng)鏈多不飽和脂肪酸(PUFA)上酶促生成額外的LOOH,主要是位于質(zhì)膜上含有花生四烯酸(AA)或腎上腺酸(AdA)的磷脂酰乙醇胺(PE)[9-10]。質(zhì)膜的脂質(zhì)組成可以決定細(xì)胞對(duì)鐵死亡的易感性,含有AA的長(zhǎng)鏈PUFAs可以增加脂質(zhì)過(guò)氧化的風(fēng)險(xiǎn)[11]。PUFAs要融入質(zhì)膜的磷脂(PL)中,首先需要通過(guò)?；o酶A合成酶長(zhǎng)鏈家族成員4(ACSL4)與輔酶A(CoA)結(jié)合。PUFA-CoAs可以通過(guò)溶血磷脂酰膽堿?；D(zhuǎn)移酶3(LPCAT3)整合到質(zhì)膜中,其中15-LOX專(zhuān)門(mén)氧化PLs,使質(zhì)膜更具滲透性和脆性。ACSL4是鐵死亡凋亡途徑中的關(guān)鍵角色,抑制或通過(guò)遺傳方式耗盡ACSL4可阻止鐵依賴(lài)的脂質(zhì)過(guò)氧化及鐵死亡[12]。

2 PD中的鐵死亡

2.1鐵在PD形成中的作用 鐵在代謝過(guò)程中發(fā)揮輔助因子的作用,對(duì)大腦健康尤其重要,參與神經(jīng)遞質(zhì)合成、線粒體呼吸、髓鞘合成和硫簇蛋白合成等過(guò)程[13]。由于大腦的高代謝活性和對(duì)鐵的依賴(lài),隨著年齡的增長(zhǎng),鐵在大腦中沉積增加,此種沉積較多發(fā)生在與神經(jīng)退行性疾病相關(guān)的區(qū)域[8]。PD患者黑質(zhì)致密部膠質(zhì)細(xì)胞和多巴胺能神經(jīng)元中鐵的升高尤為明顯,并且鐵的水平與疾病的嚴(yán)重程度相關(guān)。鐵的異常沉積最可能是由于鐵調(diào)控蛋白改變引起的鐵穩(wěn)態(tài)失衡引起的[14]。攜帶導(dǎo)致鐵相關(guān)蛋白功能失調(diào)(如Tf)突變的患者患PD的風(fēng)險(xiǎn)增加[15]。

2.2氧化應(yīng)激在PD形成中的作用 氧化應(yīng)激是導(dǎo)致PD形成的主要因素之一[16]。通過(guò)誘導(dǎo)氧化應(yīng)激反應(yīng)可以形成PD模型。氧化應(yīng)激由氧化還原狀態(tài)的失衡引起,包括活性氧(ROS)的過(guò)度產(chǎn)生和抗氧化系統(tǒng)反應(yīng)不足以抵抗ROS引起的危害。ROS是由氧衍生而來(lái)的高度活性分子,包括超氧化物(O2-)和·OH等自由基及H2O2等非自由基分子?！H是最具揮發(fā)性的ROS之一,具有氧化應(yīng)激下的細(xì)胞毒性效應(yīng),由H2O2和Fe2+通過(guò)芬頓反應(yīng)產(chǎn)生。線粒體是H2O2和ROS(尤其是O2-)產(chǎn)生的主要場(chǎng)所之一[17]。大腦中大部分的O2-由復(fù)合體I產(chǎn)生的,在PD患者的黑質(zhì)和額葉皮層及成纖維細(xì)胞和血小板中存在功能失調(diào)的復(fù)合體I,導(dǎo)致超氧化物生成增加[17]。復(fù)合物I的缺陷與CoQ10缺失相關(guān),促進(jìn)線粒體ROS的產(chǎn)生和膜脂過(guò)氧化。

細(xì)胞中存在抗氧化系統(tǒng)來(lái)維持氧化還原狀態(tài)的平衡,如其受損,會(huì)導(dǎo)致氧化應(yīng)激反應(yīng)過(guò)度和細(xì)胞死亡。GSH是大腦大量使用的一種抗氧化劑,通過(guò)直接作用清除具有高度活性的O2-和·OH自由基來(lái)清除ROS。氧化應(yīng)激在PD中的發(fā)生部分原因是GSH水平的降低,在黑質(zhì)中尤為明顯。VALLERGA等[18]研究發(fā)現(xiàn),細(xì)胞內(nèi)GSH水平下降可以增加對(duì)鐵死亡的敏感性。GSH水平降低可以促進(jìn)LOOH的積累。此外,由于GSH是Fe2+的天然配體,其在黑質(zhì)水平的降低還可以減弱多巴胺能神經(jīng)元的抗氧化能力,促進(jìn)·OH和ROS的產(chǎn)生。DJ-1是另一種細(xì)胞抗氧化酶,在調(diào)節(jié)氧化應(yīng)激、ROS形成和線粒體功能中發(fā)揮關(guān)鍵作用。DJ-1基因(PARK7)功能突變與常染色體隱性早發(fā)性PD相關(guān),伴有線粒體氧化應(yīng)激增加、基礎(chǔ)細(xì)胞呼吸下降和氧化多巴胺的積累[19]。DJ-1可以通過(guò)保存硫化轉(zhuǎn)硫途徑,促進(jìn)Cys和GSH的生物合成,起到鐵死亡抑制劑的作用。DJ-1降低導(dǎo)致脂質(zhì)ROS積累,可以提高細(xì)胞對(duì)鐵死亡的敏感性[20]。此外,GSH水平的變化和LOOH的增加會(huì)影響關(guān)鍵抗氧化酶(如GPX4)的表達(dá)。

2.3脂質(zhì)過(guò)氧化在PD形成中的作用 脂質(zhì)代謝和細(xì)胞脂質(zhì)組成決定細(xì)胞對(duì)鐵死亡的敏感性。含有磷脂的PUFA,特別是質(zhì)膜中含有AA或AdA的PE是最容易發(fā)生鐵死亡的脂質(zhì)[21]。細(xì)胞發(fā)生鐵死亡的能力取決于PUFA的數(shù)量和細(xì)胞定位,富含AA的細(xì)胞對(duì)鐵死亡敏感[21]。游離PUFAs經(jīng)ACSL4酯化后,通過(guò)LPCAT3結(jié)合到膜磷脂[22]。雙烯丙基碳是脂質(zhì)驅(qū)動(dòng)鐵死亡的關(guān)鍵,可以增加活性ROS、LOX和周?chē)|(zhì)過(guò)氧化物攻擊的易感性[21]。脂質(zhì)過(guò)氧化過(guò)程包括起始、增殖和終止3個(gè)步驟?；钚訰OS首先從雙烯丙基碳中抽象出一個(gè)氫原子,形成碳中心脂質(zhì)自由基(PL·)。該自由基迅速與氧反應(yīng),形成脂質(zhì)過(guò)氧自由基(PLOO·),隨后從鄰近的脂質(zhì)中進(jìn)一步提取氫,繁殖出新的PLOO·和脂質(zhì)過(guò)氧自由基(PLOOH)。脂質(zhì)過(guò)氧化反應(yīng)可以被FSP1-CoQ10H2系統(tǒng)所抑制,也可以由抗氧化酶(如GPX4)將PLOOH轉(zhuǎn)化為PLOH所抑制。大腦中脂質(zhì)濃度僅次于脂肪組織,其高耗氧狀態(tài)使其對(duì)脂質(zhì)過(guò)氧化特別敏感,脂質(zhì)過(guò)氧化是PD患者黑質(zhì)細(xì)胞死亡的原因之一。尸檢分析顯示,PD患者黑質(zhì)中脂質(zhì)過(guò)氧化的毒性副產(chǎn)物丙二醛(MDA)水平升高,血漿中LOOH水平也升高。此外,另一種脂質(zhì)過(guò)氧化代謝物4-羥基-2-壬烯醛(HNE)及壬烯醛蛋白加合物也出現(xiàn)相應(yīng)增加,PD患者的腦脊液中HNE升高與黑質(zhì)中鐵沉積相關(guān)[23]。SHCHEPINOV等[24]研究發(fā)現(xiàn),MPTP處理的小鼠在補(bǔ)充D-PUFAs后,黑質(zhì)紋狀體的損傷會(huì)得到保護(hù),D-PUFAs可以減緩自由基的生成。YANG等[25]研究證實(shí)用D-PUFA預(yù)處理細(xì)胞可以防止PUFA氧化和鐵死亡。鐵的升高與多巴胺能神經(jīng)元內(nèi)高水平的PUFAs結(jié)合,創(chuàng)造了一個(gè)對(duì)脂質(zhì)過(guò)氧化特別敏感的環(huán)境,這意味著鐵、多巴胺或脂質(zhì)穩(wěn)態(tài)的輕微失衡,多巴胺能神經(jīng)元便會(huì)出現(xiàn)鐵死亡。

鈣非依賴(lài)磷脂酶A2β(PLA2G6)是另一個(gè)鐵死亡相關(guān)的關(guān)鍵酶,這種酶水解甘油磷脂的sn-2?；?釋放出游離脂肪酸和溶血磷脂[26]。PLA2G6純合突變患者表現(xiàn)出的神經(jīng)變性,與PD的神經(jīng)病理學(xué)相似。KINGHORN等敲除果蠅PLA2G6基因的同源物iPLA2VIA發(fā)現(xiàn)果蠅出現(xiàn)存活率降低、運(yùn)動(dòng)障礙及機(jī)體對(duì)氧化應(yīng)激(尤其是線粒體)的超敏反應(yīng),并與脂質(zhì)過(guò)氧化水平的增加有很強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性。

2.4其他調(diào)節(jié)因子在PD形成中的作用 核轉(zhuǎn)錄因子(Nrf2)是抗氧化反應(yīng)的主要調(diào)節(jié)因子,可以預(yù)防細(xì)胞發(fā)生鐵死亡[27]。在氧化應(yīng)激條件下,Nrf2易位到細(xì)胞核,誘導(dǎo)內(nèi)源性抗氧化蛋白的表達(dá),防止脂質(zhì)過(guò)氧化。Nrf2活動(dòng)下降導(dǎo)致GSH水平降低。Nrf2在對(duì)抗內(nèi)在的氧化應(yīng)激中發(fā)揮作用。Nrf2定位于PD患者黑質(zhì)中的細(xì)胞核,而其他神經(jīng)退行性疾病(如阿爾茨海默病)定位于受影響腦區(qū)的細(xì)胞質(zhì)。PD中的這種核易位表明,氧化應(yīng)激下多巴胺能神經(jīng)元的內(nèi)在脆弱性導(dǎo)致了Nrf2的細(xì)胞和(或)疾病依賴(lài)性招募。在果蠅PD模型中,Nrf2的激活和核易位對(duì)MPP+損傷具有保護(hù)作用,可以阻止果蠅運(yùn)動(dòng)障礙和神經(jīng)元丟失的發(fā)生。NADPH是一種參與LOOH消除的細(xì)胞內(nèi)還原劑。細(xì)胞內(nèi)NADPH水平被認(rèn)為是鐵死亡敏感性的生物標(biāo)志物。研究表明,PD患者體液中氧化NADPH生成氧氣的一種酶復(fù)合體NADPH氧化酶水平發(fā)生了改變,其亞單位NADPH氧化酶1和4在黑質(zhì)中均有所增加[28]。CoQ10及其還原形式CoQ10-H2是有效的線粒體和脂質(zhì)ROS抗氧化劑,也被認(rèn)為是內(nèi)源性的鐵死亡抑制劑[2]。最近研究證實(shí),CoQ10能夠在不依賴(lài)GPX4的情況下抑制磷脂過(guò)氧化和鐵死亡[7]。CoQ10水平降低會(huì)導(dǎo)致ROS生成增加,從而促進(jìn)鐵死亡。補(bǔ)充CoQ10可以降低PD小鼠模型血漿、肝臟和大腦中的脂質(zhì)過(guò)氧化標(biāo)志物,并保護(hù)MPTP誘導(dǎo)的多巴胺能神經(jīng)退行性變和α-syn聚集。硒是細(xì)胞抗氧化系統(tǒng)的關(guān)鍵元素,對(duì)硒半胱氨酸的形成和硒蛋白(如GPX4)的合成至關(guān)重要[29]。硒可以影響鐵死亡的敏感性,補(bǔ)充硒可以增加對(duì)鐵死亡抵抗能力,缺硒導(dǎo)致敏感性增加,主要通過(guò)調(diào)節(jié)GPX4的水平和活性來(lái)實(shí)現(xiàn)[30]。大腦中硒的水平在黑質(zhì)和尾狀核中最高。硒對(duì)PD具有保護(hù)作用,即補(bǔ)充硒可減少百草枯誘發(fā)PD大鼠模型的運(yùn)動(dòng)障礙和DNA損傷,足以逆轉(zhuǎn)紋狀體多巴胺及其代謝物的消耗。

2.5α-syn在鐵死亡中的作用 聚集的α-syn是路易小體的主要成分之一,被認(rèn)為是PD關(guān)鍵的病理標(biāo)志。了解α-syn與鐵死亡的關(guān)系,對(duì)理解鐵死亡在PD形成中的作用非常重要。α-syn對(duì)調(diào)節(jié)與鐵死亡途徑相關(guān)的鐵和脂質(zhì)代謝方面發(fā)揮作用。鐵螯合劑、D-PUFAs和鐵抑素ferrostatin都能抑制毒性α-syn寡聚物誘導(dǎo)的細(xì)胞死亡[2,21]。

α-syn可以與Fe2+和Fe3+很強(qiáng)的結(jié)合,通過(guò)將無(wú)序的蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)化為β-片層結(jié)構(gòu)促進(jìn)其寡聚。鐵暴露于過(guò)表達(dá)α-syn的神經(jīng)元培養(yǎng)物中,會(huì)增加聚集體形成及其對(duì)鐵死亡的敏感性。此外,α-syn寡聚物與神經(jīng)元中鐵的相互作用可誘導(dǎo)ROS和脂質(zhì)過(guò)氧化的產(chǎn)生,降低GSH水平,通過(guò)鐵依賴(lài)的脂質(zhì)過(guò)氧化誘導(dǎo)鐵死亡[31]。因?yàn)镻D患者多巴胺能神經(jīng)元鐵含量高,并且由于多巴胺代謝具有內(nèi)在的高氧化環(huán)境。鐵螯合劑不僅對(duì)PD相關(guān)的神經(jīng)毒素?fù)p傷具有神經(jīng)保護(hù)作用,而且可以減少體外α-syn聚集,拯救α-syn聚集小鼠模型中由鐵暴露引起的行為缺陷[30,32]。鐵可以調(diào)節(jié)α-syn的生物物理特性,在神經(jīng)元鐵穩(wěn)態(tài)中發(fā)揮作用。α-syn在其5′UTR mRNA區(qū)域包含一個(gè)鐵反應(yīng)元件(IRE),在鐵超載時(shí)調(diào)節(jié)神經(jīng)元參與調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)翻譯的結(jié)合位點(diǎn)。作為一種鐵調(diào)節(jié)蛋白,鐵消耗導(dǎo)致α-syn的翻譯減少,而神經(jīng)元中α-syn過(guò)表達(dá)導(dǎo)致Fe2+水平升高。α-syn作為一種鐵還原酶,將Fe3+還原為Fe2+,并增加了鐵依賴(lài)ROS和LOOH產(chǎn)生的敏感性。BAKSI等[33]提出,α-syn通過(guò)促進(jìn)鐵蛋白結(jié)合鐵的攝取直接介導(dǎo)鐵代謝,并與TfR1在質(zhì)膜中共定位。α-syn的消耗會(huì)導(dǎo)致TfR在核內(nèi)體中滯留,并消耗細(xì)胞鐵儲(chǔ)備,而α-syn的增加會(huì)通過(guò)干擾溶酶體水解酶的運(yùn)輸和破壞鐵自噬來(lái)影響溶酶體的活性。α-syn調(diào)控細(xì)胞鐵輸入的另一種機(jī)制是通過(guò)上調(diào)鐵轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白DMT1的能力。BI等[34]的研究表明,α-syn誘導(dǎo)的p38絲裂原活化蛋白激酶(MAPK)磷酸化parkin使其E3泛素連接酶活性失活,通過(guò)泛素化減少DMT1的降解。

α-syn除了與PD中的鐵代謝相關(guān)之外,也與鐵死亡的脂質(zhì)代謝相關(guān)。α-syn與載脂蛋白具有高度的序列同源性。當(dāng)暴露于游離或與磷脂結(jié)合的PUFAs時(shí),α-syn會(huì)經(jīng)歷結(jié)構(gòu)變化。PUFA的脂質(zhì)過(guò)氧化產(chǎn)物可誘導(dǎo)α-syn的修飾,促進(jìn)細(xì)胞中毒性寡聚物的形成[35]。其次,α-syn可以調(diào)節(jié)某些膜PUFAs的代謝。當(dāng)α-syn在神經(jīng)元或腦組織中過(guò)表達(dá)時(shí),PUFAs在質(zhì)膜中的脂質(zhì)比和膜流動(dòng)性都增加。而α-syn KO小鼠的腦內(nèi)細(xì)胞質(zhì)脂肪酸組成發(fā)生改變,膜流動(dòng)性降低。α-syn還可以通過(guò)感知脂質(zhì)堆積缺陷和誘導(dǎo)脂質(zhì)橫向擴(kuò)張,有助于膜重構(gòu)。上述研究表明,α-syn在膜脂肪酸組成中發(fā)揮作用,可以調(diào)節(jié)膜流動(dòng)性、囊泡組裝和突觸傳遞。綜上所述,α-syn在多巴胺能神經(jīng)元中會(huì)產(chǎn)生促進(jìn)鐵死亡的環(huán)境。

3 小結(jié)與展望

通過(guò)對(duì)鐵死亡認(rèn)識(shí)的不斷深入使人們對(duì)PD的形成過(guò)程有了進(jìn)一步的理解。PD形成過(guò)程中的脂質(zhì)過(guò)氧化升高,GSH水平降低,DJ-1和CoQ10缺乏,GPX4減少,鐵沉積和α-syn聚集均考慮與鐵死亡過(guò)程相關(guān)。PD患者黑質(zhì)細(xì)胞鐵死亡是PD形成的關(guān)鍵。揭示鐵死亡過(guò)程參與PD形成的病理生理過(guò)程是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)之一。開(kāi)發(fā)抵抗鐵死亡的策略可能是對(duì)PD患者進(jìn)行疾病修飾治療的關(guān)鍵之一。