运动通过改善线粒体功能预防和缓解AD的研究进展

徐 波，李百侠，赵 娜，闫清伟

1 前言

阿尔茨海默症（Alzheimer’s disease,AD）是一种与年龄有关的神经退行性疾病，该病多发于中老年时期，其病理改变主要表现为细胞外β-淀粉样蛋白(β-amyloid,Aβ)沉积形成的老年斑、过度磷酸化tau蛋白积聚形成的神经纤维缠结及神经元进行性减少，其临床表现为学习记忆和认知能力下降[6]。早期研究认为，AD脑神经元突触受损的“肇事者”是细胞外的Aβ沉积，近期研究发现[9]，Aβ不仅聚积在细胞外，而且也可进入线粒体，造成线粒体功能障碍。

脑内神经元作为高耗能细胞，需要大量的ATP维持细胞膜内外离子浓度及神经递质的释放，一旦线粒体功能发生障碍便可累及神经元。研究发现，线粒体内Aβ沉积直接介导脑神经元线粒体的损伤，引发线粒体氧化应激增加[54]，减弱线粒体生物发生[14]，诱发线粒体介导的细胞过度凋亡[48]，导致线粒体分裂融合失衡[57]，降低线粒体自噬活性[59]等一系列线粒体功能障碍，加重AD的病理性进程。

近年来，研究表明，运动锻炼可减少AD脑内Aβ沉积[1,26,40]和过度磷酸化tau蛋白的积聚[27,43]，促进大脑的神经元发生[15,34]，提高认知功能[12,16]，以脑线粒体为靶点，研究发现运动可改善AD脑线粒体功能障碍，起到预防和缓解AD的作用。

2 阿尔茨海默症与线粒体功能障碍

2.1 AD脑内线粒体氧化应激增加

Aβ可通过线粒体外膜转运蛋白40（(Translocase of the Outer mitochondrial Membrane 40，TOM40）、线粒体内膜转运蛋白23（ translocase of the inner mitochondrial membrane 23，TIM23）直接转运至线粒体基质，与Aβ乙醇脱氢酶（amyloid β-binding alcohol dehydrogenase,ABAD）结合，削弱Complex IV中的氧气传递，减少细胞色素C的释放，增加ROS产生，致使线粒体内的脂质过氧化产物丙二醛(Malonaldehyde,MDA)、4-羟基壬烯酸(4-hydroxynonenal,4-HNE)、8-羟基-2’-脱氧鸟苷（8-hydroxy-2’-deoxyguanosine,8-OHdG）及氧化型谷胱甘肽(oxidized glutathione,GSSG)等氧化产物水平增高[4,9]。

在正常生理条件下，当线粒体产生ROS时，线粒体内的抗氧化酶体系会发挥作用，以预防ROS过度增加致使脂质、蛋白质及DNA受损。然而，研究发现[47,50]，伴随着Aβ的沉积增加，AD小鼠脑内MDA、4-HNE等氧化产物增加，超氧化物歧化酶（superoxide dismutase,SOD）、过氧化氢酶(catalase,CAT)等抗氧化酶的活性降低。研究还发现[39]，缺乏依赖锰超氧化物歧化酶（manganese-dependent superoxide dismutase，Mn-SOD）等抗氧化酶也可反向加重Aβ沉积和tau蛋白的磷酸化水平，从而形成“恶性循环”，加重AD的病理变化。综上所述，Aβ沉积可诱发线粒体ROS产生增多，致使脑神经元内脂质、蛋白质、DNA的氧化产物增多，抗氧化酶活性下降，导致AD脑内氧化应激水平升高。

2.2 AD脑内线粒体生物发生减弱

当细胞能量需求超过线粒体的ATP产生时，便会诱发线粒体生物发生。一旦线粒体生物发生被启动，线粒体调节因子便会进入线粒体内启动线粒体DNA（mitochondrial DNA,mtDNA）复制和转录，引发线粒体网络扩张，以满足机体的能量代谢需求。mtDNA是独立于细胞核外的唯一遗传物质，能进行独立的复制、转录及蛋白质的合成，对维持线粒体生物发生发挥了重要作用。Podlesniy等[45]采用定量聚合酶链反应技术对AD患者的大脑额颞叶进行检测发现，mtDNA突变数量增多，对患者的脑脊液进行检测发现Aβ 42和磷酸化的tau蛋白增加，这一现象同样在APP/PS1小鼠脑脊液和皮层中得到了印证，这说明AD脑内突变及受损的mtDNA数量增加与Aβ沉积相关。在正常生理条件下，当mtDNA受损时，线粒体8-羟基鸟嘌呤DNA糖苷酶1（OGG1）便会和其他修复基因共同维护DNA的稳定性。然而研究发现[51]，AD患者脑内mtDNA受损的标志物8-OHdG表达增加，OGG1活性下降，mtDNA突变受损数量增加，提示AD脑内Aβ沉积、tau蛋白过度磷酸化诱发线粒体氧化应激水平增加和降低mtDNA修复酶活性，最终导致AD脑内mtDNA受损及突变数量增多。

过氧化体增殖物激活型受体γ辅激活因子1 α（peroxisome proliferator-activated receptor γ coactivator1 α，PGC1 α）是线粒体生物发生的主要调控因子，它可激活不同的转录因子，使线粒体生物发生顺利进行[44]。PGC1a主要通过核呼吸因子1和2(nuclear respiratory factor 1 and 2,NRF1、NRF 2）及线粒体转录调控因子A（mitochondrial transcription factor A,TFAM）对线粒体蛋白进行编码、翻译和转录。研究发现[52]，在转染有APP基因的细胞中发现PGC1 α、NRF1、NRF2、TFAM表达下降，Aβ沉积增多，并发现PGC1α表达与Aβ沉积水平呈负相关，这表明Aβ沉积可导致线粒体生物发生减弱。在体外培养Tg2576小鼠海马神经元中，提高PGC1α表达可抑制Aβ的产生[46]。PGC1α可通过沉默信息调节因子1（Silent Information Regulator 1，SIRT1）去乙酰化调节线粒体生物发生，SIRT1-PGC1a信号通路在线粒体生物发生中起着重要的作用[18]。APP/PS1转基因AD小鼠在3～5个月时特异性敲除SIRT1，可导致小鼠死亡率增加，SIRT1去乙酰化酶活性降低，Aβ生成增多[60]。研究表明[8]，SIRT1-PGC1a信号通路主要依赖于AMP依赖性蛋白激酶（Adenosine Monophosphate Activated Protein Kinase,AMPK）的磷酸化发生作用。AD患者脑内AMPK、SIRT1、PGC1α的活性均下降，且线粒体数量减少[53]。综上所述，AD脑内Aβ、过度磷酸化tau蛋白可诱发的线粒体DNA受损，降低AMPK、SIRT1、PGC1α等线粒体生物发生调控因子的表达，最终导致线粒体生物发生减弱，加重线粒体功能障碍。

2.3 AD脑内线粒体介导细胞过度凋亡

细胞凋亡通路一般分为外源性凋亡通路和内源性凋亡通路。线粒体在细胞内源性凋亡通路中起了重要作用。内源性线粒体凋亡通路主要是以线粒体渗透转移通路为中心环节的细胞凋亡通路，主要途径为：线粒体受损-细胞色素C释放-Caspase9-Caspase3。研究发现[49]，当Aβ诱发线粒体损伤后，线粒体将细胞色素C释放至细胞质中，细胞色素C释放引起凋亡蛋白复合体的形成和Caspase9的激活，并通过一系列级联放大反应来活化下游的Caspase家族蛋白，启动细胞的凋亡过程。Aβ可通过caspase依赖途径引起细胞凋亡，其可直接和间接的与膜蛋白或受体结合激活caspase3介导的内在凋亡途径引起细胞凋亡。另外，Caspase家族也可直接参与Aβ、tau蛋白的切割，被caspase3剪切后的Aβ对细胞可产生毒性作用。细胞内的Bcl-2/Bax是抑制线粒体介导细胞凋亡的重要途径[2]。研究发现，AD脑内的Aβ沉积可提高Bax的表达，下调Bcl-2，促使细胞色素C溢出胞质，活化Caspase级联反应引起细胞过度凋亡，造成神经元丢失[42]。

热休克蛋白70（HSP70）是一种高度保守的蛋白质，此蛋白主要对蛋白的折叠、合成具有保护作用，其表达可降低细胞色素C的释放和caspase9的活性，可保护细胞抵御毒性和氧化损伤[21]。研究发现[24]，在AD转基因小鼠脑内HSP70的表达下降，细胞凋亡加重，增加脑内HSP70的表达，可以抑制脑线粒体介导细胞的过度凋亡，改善AD症状。综上所述，AD脑内的Aβ沉积可减弱HSP70对线粒体的保护作用，促使受损线粒体内的细胞色素C释放增加，继而通过Caspase9、Caspase3启动线粒体介导的细胞凋亡途径，引发神经元的内源性凋亡途径过度激活，造成神经元丢失。

2.4 AD脑内线粒体质量控制受损

生理状态下，线粒体可通过分裂融合及线粒体自噬等自身修复机制维持线粒体各项生理功能的正常进行，这些机制被称为“线粒体质量控制”（mitochondrial quality control，MQC）。线粒体质量控制是细胞防御线粒体受损的重要机制。线粒体是高度动态变化的细胞器，线粒体可通过分裂产生两个不同膜电位的子线粒体，正常膜电位的线粒体可与线粒体网络融合，维持线粒体的正常功能；而膜电位较低的线粒体可通过线粒体自噬被清除，以减少受损线粒体在细胞内的聚集，因此，线粒体的分裂融合平衡及线粒体自噬的正常进行是维持线粒体数量和质量的重要保证[10]。在AD患者脑神经元中存在着大量的片段化线粒体，脑神经元的分裂相关蛋白（Dynamin-related protein 1,Drp1）和分裂蛋白1（Fission1,Fis1）表达上调，线粒体融合蛋白1/2（mitofusin 1/2，Mfn1/2)和视神经萎缩蛋白（Optic atrophy1,OPA1）下降，提示，AD脑神经元内线粒体的高分裂低融合是造成线粒体片段聚集的主要原因[25]。另外，在AD转基因小鼠的脑中可见Aβ与Drp1免疫共沉淀，两者之间相互作用也可引起线粒体片段增加[32]。综上说明，AD脑神经元内的线粒体分裂融合失衡，造成大量线粒体片段堆积在神经元中，影响神经元功能。

当线粒体出现分裂融合障碍，受损脑区便会出现大量的线粒体片段。此时，受损的线粒体可被特异性的包裹进自噬体内，并与溶酶体融合，最终被溶酶体内的降解酶降解，这便是“线粒体自噬”[17]。线粒体分裂与融合是线粒体自噬的前提，线粒体自噬是保证线粒体数量和质量的关键。丝氨酸/苏氨酸激酶PTEN诱导激酶1（PTEN-induced putativekinase 1，PINK1）与E3泛素连接酶Parkin是目前公认的介导线粒体自噬的主要途径[22]。在受损线粒体中，PINK1定位于线粒体外膜，从细胞质中募集Parkin至受损线粒体外膜以标记受损线粒体，进而引发线粒体自噬。研究表明，AD小鼠脑内的Aβ沉积可诱发线粒体内PINK1、parkin表达增加，导致神经元内含有线粒体自噬囊泡增多[58]。同样，在AD患者椎体神经元中，含有线粒体的自噬囊泡增加，且受损mtDNA和线粒体自噬降解底物出现聚集[41]。随后研究还发现，通过使用白藜芦醇或过表达线粒体自噬相关蛋白等手段进一步增强线粒体自噬活性后，可减少受损线粒体，改善AD相关症状[29,58]。综上所述，AD脑内线粒体分裂融合失衡、线粒体自噬活性减弱等质量控制障碍，导致受损线粒体无法清除而聚集在神经元中，加重AD的症状。

3 运动通过改善脑内线粒体功能障碍预防和缓解AD的研究

3.1 运动可降低AD脑内的氧化应激水平

脑神经元的抗氧化系统受损是AD脑神经元氧化应激水平增高的重要原因。Lu等[35]发现，4周的跑台运动显著促进了链脲霉素诱发的AD模型大鼠脑神经元发生，减少了脑内的Aβ沉积和磷酸化的tau蛋白，并且研究发现，运动显著减少了AD大鼠脑内的4-HNE、8-OHDG等氧化产物，降低了ROS水平，提示，运动可显著降低AD脑内的氧化应激水平，改善AD病理症状。Leem等[33]采用3月龄的Tg-NSE/htau23小鼠脑内出现过度磷酸化tau蛋白的聚集，脑线粒体内Cu/Zn SOD（copper/zinc superoxide dismutase）和CAT等抗氧化酶活性下降，但其进行3个月的跑台运动后，小鼠脑内Cu/Zn SOD和CAT等抗氧化酶活性得到提高，过度磷酸化tau蛋白减少。Gimenez等[23]采用6月龄的3×Tg-AD转基因小鼠进行为期5周的跑台运动，发现运动显著降低了小鼠皮层的脂质氧化产物MDA、4-HNE，以及显著提高了小鼠皮层的Mn-SOD、Cu/Zn SOD的水平。Garcia等[19]采用12月龄的3×Tg-AD雌性转基因小鼠进行为期3个月的自主跑轮运动，发现运动显著减少了Aβ沉积和磷酸化tau蛋白，并降低了转基因小鼠海马内的GSSG等氧化因子，提高了Cu/Zn-SOD等抗氧化酶表达。综上表明，长期的运动可增强脑神经元的抗氧化酶活性，减少线粒体ROS的释放，改善脂质、蛋白质、DNA的过度氧化，继而减轻脑线粒体造成的氧化应激水平。

3.2 运动可促进AD脑内线粒体生物发生

线粒体生物发生是维持线粒体数量的基础，是满足神经元能量代谢需要的保证。mtDNA受损是造成AD脑线粒体生物发生障碍的重要原因之一。Clark等[13]采用3月龄的mtDNA突变小鼠进行为期6个月的跑台运动发现，运动显著降低了mtDNA小鼠脑内的GSSG等氧化因子水平，并显著增加了突变小鼠脑线粒体的代谢水平。Garcia-Mesa等[20]采用6月龄3×Tg-AD转基因小鼠进行为期6周的跑台运动和二甲双胍联合治疗，发现运动和二甲双胍联合治疗组小鼠脑内Aβ和磷酸化tau蛋白减少，SOD和CAT酶活性升高，受损mtDNA减少，学习记忆能力得到提高，这提示，运动可通过减少mtDNA受损改善AD小鼠的学习记忆能力。Bo等[7]采用3月龄的APP/PS1小鼠进行为期20周的跑台运动，运动组AD小鼠脑内Aβ沉积和ROS产生减少，MnSOD酶活性和ATP产生增加，并且发现OGG1表达也显著增加，提示，运动可提高OGG1酶的活性修复mtDNA。

Bayod等[5]等采用6月龄的SAMP8雌性快速衰老小鼠进行为期2周的自主跑轮运动，发现自主跑轮运动显著提高了小鼠海马内SIRT1和氧化磷酸化底物表达，提示增加SIRT1表达促进了海马内线粒体生物发生。Koo等[30]采用12月龄的NSE/APPsw的转基因AD小鼠进行8周的跑台运动，发现AD小鼠运动后大脑皮层中SIRT1-PGC1α信号通路激活，Aβ沉积减少，学习记忆能力提高。Azimi等[3]发现4周的跑台运动显著提高了AD模型大鼠脑内AMPK、PGC1α等线粒体生物发生调控因子的表达，减少了AD大鼠脑内的Aβ沉积水平，提高了其学习记忆能力。综上表明，运动一方面通过提高线粒体DNA修复酶的活性减少mtDNA受损，增加mtDNA数量。另一方面，运动通过AMPK-SIRT1-PGC-1α信号通路增加脑线粒体生物发生的调控因子，最终促进AD脑线粒体的生物发生。

3.3 运动可抑制AD脑内线粒体介导的细胞凋亡途径

线粒体介导的内源性细胞凋亡是造成AD脑神经元缺失的重要原因之一。Kang等[28]采用24月龄的PS2突变AD小鼠进行12周的跑台运动，发现运动组小鼠脑内的caspase3、caspase9、Bax等细胞凋亡标志物下降，学习记忆能力得到改善，Aβ42减少。与其研究结果相似，Cho等[11]人采用NSE/APPsw转基因AD小鼠进行16周的运动锻炼与α-硫辛酸结合治疗，发现运动锻炼与α-硫辛酸结合治疗组小鼠不仅增加了GLUT1和BDNF等神经元因子的表达，而且下调了Bax和caspase3表达，这提示长期运动可有效减少细胞凋亡因子的释放，增加神经元营养因子的表达，继而起到保护神经元的作用。UM等[56]采用12月龄的NSE/PS2m转基因AD小鼠进行为期12个月的跑台运动，发现运动组小鼠脑内磷酸化Tau蛋白减少，小鼠学习记忆能力得到提高，细胞色素C、Caspase3的表达减少，提示运动可减少线粒体内细胞色素C释放，进而抑制了线粒体介导的细胞凋亡途径。M等[55]的另一研究中，采用NSE/APPsw转基因AD小鼠进行16周的跑台运动，发现AD小鼠运动后脑内Aβ42减少，细胞色素C、caspase3、caspase9及Bax等细胞凋亡标志物的表达下降，Bcl-2和HSP70等抑制细胞凋亡因子增加，提示运动可通过提高HSP70的表达减少线粒体细胞色素C的释放，进而抑制线粒体介导的细胞凋亡途径。综上表明，运动可上调脑内的HSP70以增强线粒体蛋白质保护作用，减少线粒体内细胞色素C释放，从而抑制线粒体介导的内源性细胞凋亡途径，降低caspase3、caspase9等细胞凋亡因子的表达，改善AD脑神经元过度凋亡。

3.4 运动可改善AD脑线粒体的质量控制障碍

AD脑线粒体出现的高分裂低融合及自噬活性降低导致大量的受损线粒体片段聚集在神经元内。因此，促进脑线粒体的分裂融合平衡，提高线粒体自噬活性对改善AD脑线粒体质量控制障碍至关重要。Luo等[36]采用3月龄的SD大鼠进行10周的游泳训练，发现游泳组大鼠脑线粒体PGC1α、Mfn1/2和Drp1的表达水平增加，线粒体自噬标志物LC3II/I、Parkin表达增加，自噬底物P62减少，这提示运动可以促进线粒体分裂融合平衡和提高线粒体自噬活性。与Luo结果相似，Aleixo等[37]采用3周龄SD大鼠分别进行为期12周的跑台运动和跑轮运动，运动后的大鼠大脑皮层中不仅线粒体生物合成蛋白表达增多（PGC1α、TFAM升高），并且其还发现线粒体融合蛋白Mfn1/2和OPA1表达升高，线粒体分裂相关蛋白Drp1、Fis1表达下降，线粒体自噬标志物Beclin1、LC3II/I及PINK1的表达升高，自噬底物P62的聚集下降。以上研究提示运动可增强正常鼠线粒体分裂融合动态平衡，提高线粒体自噬活性，促进线粒体的更新，进而维持脑的健康。

Aleixo的另一项研究[38]使用3周龄SD大鼠注射阿霉素（DOX）造模，注射DOX组大鼠学习记忆能力下降，神经元出现凋亡，并且在大脑皮层中出现了自噬体堆积，P62表达也升高，提示注射DOX可导致脑内自噬出现异常，损伤神经元，这与AD脑内出现的病理改变相似。然而，12周的跑台和跑轮运动均提高了DOX组大鼠的学习记忆能力，促进了线粒体生成，线粒体自噬也得到了改善，其主要表现为脑内的自噬体堆积减少，P62表达降低，提高了Beclin1、Pink1、parkin、LC3-II/I比值的表达。Kang等[27]采用18月龄的NSE/htau23转基因AD小鼠进行为期12周的跑台运动，发现运动显著增加了小鼠脑内的LC3-II的表达，减少了P62的聚集，提示运动显著增加了NSE/htau23小鼠脑内的自噬活性。Kou等[31]也发现，游泳运动可显著改善D-半乳糖诱导的AD模型大鼠的学习记忆能力，并且其发现运动可通过上调miR-34A提高自噬，促进mfn2的表达以改善线粒体质量控制障碍。综上研究提示，运动可促进AD脑线粒体分裂融合平衡，提高线粒体自噬活性，预防和改善AD脑内的线粒体质量控制障碍。运动改善AD脑线粒体功能障碍的具体机制如下图所示：

4 小结

脑神经元内的线粒体功能障碍是AD发生的重要原因之一。运动可改善AD脑线粒体功能障碍，其主要作用如下：1）运动可提高脑线粒体内抗氧化酶的活性，减少氧化产物的生成，降低AD脑内的氧化应激水平；2）运动可增加AD脑内的mtDNA数量，并可通过激活AMPK-SIRT1-PGC1α信号通路促进AD脑内线粒体生物发生；3）运动可改善线粒体介导的细胞过度凋亡，减少AD脑神经元丢失；4）运动可促进线粒体分裂融合的动态平衡，以及提高线粒体自噬活性控制AD脑线粒体质量。总之，运动可通过以上作用改善Aβ诱发的线粒体功能障碍，诱导线粒体自我更新，以此预防和缓解AD。

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