帕金森病的线粒体发病机制研究进展

杨智明 李煦照 卢 芳 刘树民

(黑龙江中医药大学中医药研究院，黑龙江 哈尔滨 150040)

帕金森病(PD)多发病于50岁以上的中老年人，病理改变主要是中脑黑质致密部多巴胺(DA)神经元发生退行性死亡，并导致纹状体中DA递质含量减少，其主要临床特征为静止性震颤、肌强直、动作迟缓及减少、姿势平衡障碍等。PD的病因主要与老龄化、遗传和环境等综合因素有关，其发病机制仍未十分清楚〔1,2〕。活跃的脑神经元细胞在代谢过程中需要大量能源，可见，神经元正常代谢活动需要建立在脑线粒体完整形态结构和稳定的功能的基础之上，实验证明在PD和其他神经退行性疾病中都可观察到线粒体异常现象〔3〕。Schapira等〔4〕首次在PD患者黑质中发现线粒体复合物Ⅰ缺陷，学者们围绕PD的脑线粒体发病机制进行了大量的研究。一些相关基因蛋白不仅与线粒体的内稳态、正常功能紧密相关，还和PD发病紧密相关，如：PTEN-induced putative kinase(PINKl)、Parkin、DJ-1、核突触蛋白(α-Synuclein)、富亮氨酸重复激酶2(LRRK2)等〔5〕。本文旨在阐明脑线粒体在PD发病中的作用机制。

1 线粒体异常

1.1线粒体形态结构损伤 线粒体肿胀，嵴模糊或减少，空泡化线粒体抗氧化能力显著降低，DA的释放功能受损，可引起体内纹状体DA代谢失衡，最终可能造成神经元发生一系列的损伤〔6～9〕。

1.2线粒体功能异常 能量代谢障碍线粒体复合物Ⅰ活性显著降低，诱导产生大量活性氧，可进一步引起其活性下降，形成恶性循环；脑能量长期供应不足，可导致神经元功能下降甚至死亡〔10〕。

1.3氧化应激 体内ROS大量堆积，可造成线粒体膜结构、线粒体DNA及电子传递链损伤进而抑制线粒体功能，最终又可导致神经元变性死亡〔11〕。

1.4钙调节异常 DA代谢加剧钙介导的氧化应激增加，进一步损伤神经元〔12〕。

1.5兴奋性毒性 NMDA受体激动活化，在线粒体内大量钙离子快速内流聚集，导致细胞变性死亡。NMDA受体的兴奋可增加NO合成酶的活性，并刺激NO合成增加，产生神经细胞的毒性作用〔13〕。

1.6细胞凋亡 膜电位下降，氧化磷酸化-电子传递耦联异常等线粒体功能下降，最终导致神经细胞凋亡，可导致多种神经退行性疾病发病〔14〕。

2 线粒体与PD相关蛋白异常

2.1呼吸链复合物缺陷 线粒体呼吸链复合物功能障碍，可导致大脑前皮质中的线粒体复合体Ⅰ减少30%〔15，16〕。在大脑前额叶皮层中，线粒体复合体Ⅰ的催化亚基发生氧化损坏，复合体I的结构和功能受损可能引发PD〔17〕。

2.2基因组改变 NADH脱氢酶辅酶Q黄素蛋白2存在遗传变异，它负责线粒体综合体Ⅰ的一个亚基编码，与自发性PD相关〔18〕。

2.3PINK1 增加DA神经元对于MPP+的敏感性，导致细胞死亡〔19〕。

2.4Parkin Parkin基因突变导致Parkin蛋白功能障碍，酶活性降低或消失，引起细胞内异常白沉积，最终导致DA神经元变性〔20，21〕。

2.5DJ-1 DJ-1基因突变引起DJ-1蛋白功能障碍，氧化应激反应增多，损伤神经元细胞〔22〕。

2.6α-Synuclein 大量α-Synuclein聚集引起细胞结构异常、线粒体膜电位下降，细胞色素C氧化酶及复合体Ⅳ的活性下降，线粒体相关代谢蛋白氧化，线粒体对神经毒素的敏感性提高〔23〕。

2.7LRRK2 LRRK2基因上G2019S因子突变，线粒体延长，互联性增加，线粒体膜电位下降，细胞内ATP总量减少〔24〕。LRRK2与DRP-1蛋白的表达紧密相关，LRRK2可增加DRP-1的活性，导致线粒体结构加速裂解。

PD的发病可由其中一种因素引起，也可由其中的两种或以上的因素同时引起，多种因素通过多种机制联合作用。PD发病机制主要与线粒体形态结构异常及其功能异常(线粒体能量代谢障碍、氧化应激、神经元兴奋毒性、细胞凋亡)，基因蛋白PINK1、Parkin、DJ-1、α-Synuclein、LRRK2等相关，在PD发病的整体机制上来看，这些因素与发病机制并非孤立的，而是相互关联、相互影响的。

线粒体在细胞内和细胞凋亡过程中发挥重要的作用，它是支持细胞活动并决定细胞死亡的重要通路。线粒体超微结构的融合或裂变、脑线粒体形态结构异常、功能下降及其能量代谢衰减是PD等神经退行性病变的早期信号〔25，26〕。

线粒体功能异常可导致一系列损伤的过程，线粒体能量代谢障碍、氧化应激、细胞内钙超载、兴奋性氨基酸释放过量等都可能导致PD发病或恶化。线粒体发生能量代谢障碍时，合成的ATP不足会导致蛋白质和脂质降解，降解产物可进一步触发或发生氧化代谢，最终又会加重黑质损伤。线粒体既作为ROS产生的主要场所，也作为ROS作用的重要靶标。打破了ROS的产生和清除平衡，可形成恶性循环，自由基可诱发线粒体缺陷，同时又会导致线粒体损伤。而细胞内钙离子同自由基、能量代谢又可以相互影响，形成螺旋型线粒体循环，其中任何一方的异常都会引起另两方的损伤，钙通道与线粒体功能和氧化应激都涉及PD的发病机制〔27，28〕。谷氨酸的毒性与引发PD的其他机制如线粒体DNA缺陷、自由基形成过量和GSH耗竭等紧密相关。线粒体能量代谢的缺陷随年龄老化而加重，同时也会提高神经元对兴奋性毒性损伤的敏感性。线粒体功能下降，包括膜电位下降、氧化磷酸化-电子传递耦联异常等功能的改变，最终也会导致神经细胞凋亡〔14〕。

PD患者黑质mtDNA突变的水平显著升高，证实了mtDNA突变与线粒体功能障碍与DA细胞死亡密切相关〔29～31〕。线粒体DNA是独立于核染色体DNA以外的基因组，其基因产物与细胞氧化磷酸化相关。ATP是脑细胞的主要能源，在调节细胞内钙稳态及细胞存亡中起关键作用〔32〕。此外线粒体DNA突变可引起电子传递链的功能缺陷，进而促进线粒体中反应性氧自由基的生成增多，形成反应性氧自由基的恶性循环，同时，线粒体功能障碍，能量供给不足，可引起DA能神经元细胞死亡、组织细胞发生退行性病变。PINK1数量减少对线粒体形态和功能和影响具有方面性，其中包括线粒体形态结构异常，线粒体膜电位下降，ATP产生减少，线粒体复合物Ⅰ和Ⅳ活性降低，线粒体DNA水平降低和ROS增加等〔33〕。Parkin基因突变是早发型染色体隐性家族性PD的主要病因，其庞大的分子结构在泛素-蛋白水解酶复合体通路中发挥关键作用，还可通过线粒体释放细胞色素C导致异常线粒体自噬而参与线粒体的维护，修复损伤的线粒体DNA，是一种具有特效的神经保护剂〔34，35〕。DJ-1的表达分布于脑和外周组织的线粒体中，主要参与转录调控一些线粒体相关蛋白。在氧化应激环境中，DJ-1与PINKl/parkin通路一样，可维持线粒体的正常功能，起到保护神经元的作用〔36〕。还有研究表明，DJ-1在脑中的丰富表达可能跟PD的发病机制以及参与其他脑活动有关〔37〕。LRRK2与晚发性PD相关，是突变频率最高的PD染色体显性致病基因。LRRK2参与调控细胞稳态，LRRK2突变可通过细胞退化通路的损伤导致细胞死亡引发PD，导致突触核蛋白聚集，LRRK2丢失还可引起氧化性损伤、炎性反应、细胞凋亡等〔38〕。PINK1与LRRK2可共同引起线粒体磷酸化异常，这也与PD发病紧密相关。目前学者们普遍认为PD并非由单一因素引起，而是由多种因素之间联合作用，此外还应包括文中未有讨论的遗传因素、环境因素、老年化、免疫缺陷等多种因素联合作用的结果。若结合考虑多种因素与多种机制的联合作用，进一步将动物模型试验、细胞模型试验和临床试验结合形成完整的研究体，是否会取得更好的成效？

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