线粒体功能障碍与癫痫发病机制

2018-01-16杨海燕综述吴丽文审校

中风与神经疾病杂志 2018年8期

杨海燕综述，吴丽文审校

线粒体是存在于真核细胞中双层膜包被的细胞器，人体的能量工厂，细胞内氧化磷酸化和合成三磷酸腺苷(Adenosine triphosphate，ATP)的主要场所，为细胞活动提供了化学能量。在中枢神经系统中，线粒体负责神经元正常电活动和突触传递所需能量以及神经递质的合成、钙离子内环境稳定、氧化还原信号、活性氧簇的生产和调节、神经元的凋亡。一方面，癫痫发作可导致线粒体损伤[1]；另一方面，线粒体功能障碍可导致癫痫发作[2],由此可见，线粒体功能障碍与癫痫有着千丝万缕的关系。因此了解线粒体功能障碍与癫痫发病机制之间的相互关系对于选择合适的抗癫痫药物治疗至关重要，并有可能为由线粒体功能障碍引起的癫痫开辟新的治疗途径。

1 线粒体生物氧化呼吸链功能障碍与癫痫

线粒体生物氧化呼吸链由5种线粒体呼吸链膜蛋白复合体Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ和辅酶Q细胞色素C共同组成，是氧化磷酸化的场所。线粒体呼吸链膜蛋白复合体是线粒体内膜中呼吸链的天然存在形式，主要功能是完成电子传递过程，驱动氢离子移出内膜转变成跨膜的氢离子梯度，用于三磷酸腺苷(Adenosine triphosphate，ATP)的生物合成，其中复合体Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ完全镶嵌在内膜中，复合体Ⅱ则镶嵌在内膜的内侧[3]，生物氧化呼吸链功能是由各种复合体共同作用的结果，因此，线粒体生物氧化呼吸链功能障碍可影响氧化磷酸化的功能，使ATP生成减少而致病，若累及中枢神经系统，则导致线粒体脑病，这类疾病通常存在癫痫发作[4]。相关实验性研究表明线粒体对癫痫十分敏感，癫痫存在着线粒体超微结构的损伤和线粒体生物氧化呼吸链复合体的缺陷，癫痫持续发作后，随时间延长线粒体损伤逐渐加重，根据损伤轻重程度可分为间隙肿胀，膜的结构尚完整；线粒体基质消失，结构破坏；线粒体明显空泡化，伴内外膜的崩解[5]。氧化磷酸化功能障碍可能源自核编码基因或线粒体编码基因的突变，编码Ⅰ型复合物的基因缺陷比其他4种复合物的基因缺陷更容易诱发癫痫，编码Ⅰ型复合物缺陷合并癫痫是最常见的，编码复合物Ⅰ的ND5亚基的MTND5中的致病性异质性突变m.13046T> C，该特定变异体可导致Leber遗传性视神经病变(Leber’s hereditary optic neuropathy,LHON)和线粒体脑肌病、乳酸酸中毒及卒中样发作综合征(Mitochondrial encephalomyopathy,lactic acidosis,and stroke-like episodes，MELAS)重叠综合征[6～8];编码Ⅱ型复合物的基因缺陷合并癫痫的病例较少;编码Ⅲ型复合物的基因缺陷合并癫痫很罕见，有过2例独立报道;编码Ⅳ型复合物的基因缺陷合并癫痫病例的较少，因为线粒体细胞色素C氧化酶2中的突变很罕见，并且相关的表型是可变的[9];Ⅴ型复合物在临床中应用较少，合并癫痫的表型有母系遗传性Leigh综合征(Maternally Inherited Leigh syndrome，MILS)和TIMM50基因中的错义突变致线粒体复合体Ⅴ缺乏症的癫痫[10]。

线粒体结构损伤和氧化呼吸链酶活性改变导致线粒体生物氧化呼吸链功能障碍，ATP生成耗竭，人体的大脑组织是高耗能区，在很短时间能量供应不足便会出现相应的中枢神经系统症状，长期脑组织能量供应不足会导致细胞凋亡或死亡，从而导致中枢神经系统疾病，尤以癫痫最为显著，而癫痫发作的过程本身又有着巨大的能量需求，二者相互影响，加剧病情变化，导致癫痫持续状态难以控制，产生持续脑损伤并导致慢性癫痫的形成。

2 线粒体氧化应激损伤与癫痫

线粒体氧化应激损伤是指线粒体活性氧产生和脂质过氧化，伴随着由于烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(nicotinamide adenine dinucleotide phosphate，NADPH)氧化酶的激活引起的线粒体超微结构的损伤。生理状态下线粒体是活性氧的主要产生部位，线粒体中的氧自由基主要在呼吸链中产生;线粒体也可以生成多种活性氮，并在线粒体内各种酶催化作用下衍生成过氧亚硝基阴离子(ONOO-)，ONOO-是一种活性很强的自由基，极易对线粒体造成损伤。和其它组织相比，人脑的一些本身特性可造成更多自由基的产生，例如人脑要消耗人体内20%的氧，脑内氧化磷酸化过程会产生大量的自由基，脑中铁含量较高，也可促进自由基大量产生，再加上脑中抗氧化物酶本身较低，这就造成人脑清除自由基能力的相对不足,正是由于这些特性导致脑组织易受氧化应激损伤，导致超负荷的活性氧(reactive oxygen species,ROS)、活性氮(reactive nitrogen species,RNS)物质，诱导神经元凋亡和死亡,进而导致癫痫发作[11,12]。未成熟脑中相关研究的癫痫发生期高达4 w，与氧自由基的显著增加相关，癫痫发作后产生大量自由基，造成氧化应激损伤，产生细胞毒性作用[13,14]。线粒体既是癫痫发作后自由基的重要生产场所，又是应激的靶点;同时线粒体的氧化损伤和机能障碍可增加癫痫易感性，加重癫痫造成的神经损伤。目前在线粒体氧化应激损伤导致的癫痫的治疗上，针对氧化应激损伤和捐献健康线粒体拯救具有缺陷线粒体功能的细胞能力的方法,可能会为线粒体氧化应激损伤导致的癫痫的治疗带来新思路。

3 谷氨酸增加、钙超载与癫痫

癫痫发作的临床特征主要表现为中枢神经系统局部以及整个脑区神经元的异常同步放电，神经网络的电活动平衡主要依赖于兴奋性神经元和抑制性神经元的活动彼此牵制抗衡，脑内兴奋性活动的增强或抑制性活动的减弱均会影响整个神经网络的电平衡,而这种电活动失衡是癫痫发生的关键因素[15,16]。早期研究表明，谷氨酸水平异常与癫痫患者过度兴奋有关，谷氨酸受体异常增加致使中枢神经系统大量神经元一直处于过度兴奋状态，在癫痫患者脑组织和癫痫动物模型中都发现谷氨酸水平升高，并证实谷氨酸引起的兴奋性毒性可导致神经元死亡[17]。钙离子作为重要的胞内第二信使，可以影响神经元的多种功能。例如通过直接调控转录因子或通过钙离子依赖的激酶磷酸酶作用于转录因子影响基因转录[18]，启动苔藓纤维出芽、调节蛋白及翻转速度、改变脑源性神经营养因子(brain derived neurotrophic factor，BDNF)表达量、启动神经发生及重组等；钙离子升高可以活化钙调神经磷酸酶并与γ-氨基丁酸A受体的β2/3亚单位或γ2亚单位结合发生去磷酸化，加速受体内化，同时压制抑制性突触传递功能；此外还可激活钙离子-钙调蛋白依赖性蛋白激酶Ⅱ，激活的钙离子-钙调蛋白依赖性蛋白激酶Ⅱ会促使α-氨基-3-羟基-5-甲基-4-异恶唑丙酸受体(α-amino-3-hydroxy-5-methyl-4-isoxazole-propionic acid receptor，AMPAR)亚单位谷氨酸受体1(glutamate receptor 1，GluR1)插入细胞膜，从而促进钙离子内流及兴奋性突触长时程增强(long-term potentiation，LTP)[19]等。癫痫发生时谷氨酸释放增加并激活突触后膜的N-甲基-D-天冬氨酸受体(N-methyl-D-aspartic acid receptor,NMDAR)，增加钙离子内流，使后续的一些信号转导通路中的关键分子的表达及活性改变并影响一系列信号转导，最终使脑内兴奋-抑制平衡被打破[20]。最新研究指出，线粒体功能失常会破坏神经元胞内的钙离子动态平衡，大量钙离子内流，长期持续细胞内钙超载，会引起细胞结构及功能发生可塑性改变，从而影响神经元的兴奋性和突触传递，最终导致癫痫发作[21]。因此线粒体功能障碍引起钙泵活动障碍神经细胞钙平衡与脑内兴奋-抑制平衡被打破，使大脑神经元兴奋性增强而诱发癫痫。在治疗上抑制谷氨酸水平的升高增加大脑抑制性神经递质水平，抑制钙超载是治疗癫痫的重要途径。

4 线粒体的移动变化障碍与癫痫

线粒体的平均寿命10 d左右，线粒体在细胞内不断运动、分裂、融合、以及自噬以达到动态的平衡，线粒体移动变化可将受损伤线粒体逆行转运至胞体被降解和回收,同时将正常线粒体顺向运动至神经元的作用部位而发挥功能。线粒体功能正常情况下,线粒体通过移动来使得其分布正常,而且不仅如此,其还能够将线粒体移动到合适的位置来应对其损伤[22]。当线粒体移动变化障碍时，会导致线粒体生物氧化呼吸链功能障碍，氧化应激损伤,线粒体的DNA发生突变,导致细胞内堆积的大量变性蛋白质和受损细胞器不能被降解，线粒体膜电位下降明显,伴随着线粒体通透性转运增加,细胞色素C(Cytochrome C,Cyt C)和凋亡诱导因子(apoptosis inducing factor，AIF)被释放到细胞质中诱导细胞凋亡,细胞凋亡促使神经元对于癫痫损伤更加敏感，增加了癫痫的易感性，这会导致恶性循环的形成，因此,对受损的线粒体进行及时的清除非常重要。此外相关性研究还证实了线粒体自噬与难治性颞叶癫痫、海马硬化相关[23]。

5 线粒体遗传物质突变与癫痫

线粒体是细胞内唯一存在于细胞核外又带有遗传物质的细胞器，与核基因不同，线粒体DNA(Mitochondrial DNA,mtDNA)结构简单，仅含16569个碱基，编码2种核糖体RNA(ribosomal RNA,rRNA)、22种转运RNA(Transfer Ribonucleic Acid，tRNA)和13种参与呼吸链形成的多肽，通常裸露且不含内含子，既缺乏组蛋白保护和完善的自我修复系统，又靠近内膜呼吸链，极易受环境影响，突变频率比核基因组高10～20倍，呈母系遗传[24]。线粒体DNA的突变可导致线粒体功能缺陷，线粒体DNA只有过度复制产生数量惊人的拷贝才能补偿此缺陷[25]，此外，线粒体病有累加效应，有随着年龄的增加病情会越来越严重。已有大量的研究证实线粒体基因突变与许多疾病相关[26]，目前发现的有100余种，与癫痫密切相关的主要有Leber遗传性视神经病变(Leber's hereditary optic neuropathy,LHON)、肌阵挛性癫痫伴肌肉破碎红纤维(myoclonic epilepsy with ragged red fibers,MERRF)综合征、线粒体脑肌病、乳酸酸中毒及卒中样发作综合征(Mitochondrial encephalomyopathy,lactic acidosis,and stroke-like episodes，MELAS)、Leigh综合征、POLG(聚合酶)突变相关综合征[27,28]。线粒体DNA(Mitochondrial DNA,mtDNA)发生突变，造成线粒体功能障碍或缺失，机体能量供应不足，致使疾病的发生，尤其易累及能量需求较大的脑组织而出现癫痫发作。反之，反复或持续的癫痫发作引起的氧化应激使线粒体DNA(Mitochondrial DNA,mtDNA)暴露于高活性氧的环境中，使其更容易被攻击受损而出现核酸链断裂或碱基改变[29]，此外脑创伤性损伤后引起的线粒体遗传物质突变与癫痫也有相关性[30]。目前随着医学基因诊断技术的发展，通过新一代测序技术和全外显子测序技术对成千上万的患者的基因组进行测序研究将大大提高对线粒体遗传物质突变导致的癫痫的诊断率，同时，也揭示了大量新的突变位点和先前未知的遗传和致病机制[31]。与线粒体功能障碍相关的基因突变相继也被报道与癫痫易感相关，肌阵挛性癫痫伴肌肉破碎红纤维(myoclonic epilepsy with ragged red fibers,MERRF)综合征、线粒体脑肌病、乳酸酸中毒及卒中样发作综合征(Mitochondrial encephalomyopathy,lactic acidosis,and stroke-like episodes，MELAS)由于线粒体tRNA基因突变所致[32,33]；一个新的纯合子c.925G>A(G309S)错义突变的基因FARS2可被认为是早发性癫痫性脑病(Early onset epileptic encephalopathies，EOEE)的遗传原因之一[34]。也有学者在癫痫患者中发现了线粒体编码多肽基因的突变，包括ATP酶6基因、细胞色素C氧化酶Ⅲ基因,和NDⅠ基因[35]。其它mtDNA的突变主要位于赖氨酸(Lysin)、丝氨酸(Ser)、亮氨酸(Leucin)、异亮氨酸(isoleucin)或半胱氨酸(cystein)的tRNA上，均与癫痫表型有关[36]。癫痫可引起线粒体编码的细胞色素氧化酶Ⅰ亚基和蛋白水平的表达改变，而核基因编码的细胞色素氧化酶Ⅳ亚基改变不明显，说明癫痫可导致线粒体功能紊乱，线粒体编码的基因更易受痫性发作的影响。

目前对于线粒体遗传物质突变导致的癫痫的治疗主要就是各种维生素、辅酶因子、运动饮食疗法(生酮饮食)、对症治疗[37]，但效果并不理想。近年来，随着分子生物学的不断发展，推动了线粒体病的基因治疗研究，给患者带来了新的希望。如运用基因组编辑技术通过突变修复方法修复线粒体突变基因；运用人工生殖技术通过生殖系基因治疗将线粒体DNA和核DNA的遗传进行分离，大大降低了患病母亲子代发生线粒体遗传物质突变的几率[38]；以及运用腺病毒作为载体通过基因异位表达的方法来达到治疗目的等。但到目前为止，基因疗法还处于临床试验和动物模型阶段，真正运用于临床还需大量严谨的临床试验来证明其有效性。

6 结论

癫痫与线粒体功能障碍之间有一个复杂的关系，线粒体生物氧化呼吸链功能障碍导致三磷酸腺苷(Adenosine triphosphate，ATP)生成减少，三磷酸腺苷(Adenosine triphosphate，ATP)耗竭导致神经元细胞极易发生去极化而兴奋，从而导致癫痫发作。而癫痫发作的过程本身又有着巨大的能量需求，二者相互影响，加剧病情变化，导致癫痫持续状态难以控制，产生持续脑损伤并导致慢性癫痫的形成；线粒体氧化应激损伤增加癫痫易感性，加重癫痫造成的神经损伤；谷氨酸增加与钙超载引起钙泵活动障碍神经细胞钙平衡与脑内兴奋-抑制平衡被打破，使大脑神经元兴奋性增强而诱发癫痫；线粒体遗传物质突变，突变的累积效应使线粒体基因编码的蛋白和受体功能障碍导致线粒体功能障碍，线粒体编码的基因更易受痫性发作的影响。