阿尔茨海默病的线粒体损伤机制*

于 罡，刘 鑫，何 蔚

(赣南医学院 1.2016级硕士研究生;2.2017级硕士研究生;3.药理学教研室;4.江西省脑血管药理重点实验室,江西 赣州 341000)

阿尔茨海默病(Alzheimer's disease, AD)临床表现为进行性的认知障碍及记忆力减退，进而逐渐危害患者整个大脑的健康。AD患者脑中以两种蛋白聚集为主要特征：淀粉样蛋白形成的SP和tau蛋白异常磷酸化形成的NFTs[1]。SP主要包括神经胶质细胞和β-淀粉样蛋白(Aβ)，Aβ有Aβ1-42和Aβ1-40两种形式，由淀粉样前体蛋白(Amyloid precursor protein，APP)在α、β、γ分泌酶的作用下被切割所形成；NFTs则是由神经元内的tau蛋白过度磷酸化形成的一种结构。Aβ可诱导神经元炎症和氧化应激，损害神经细胞和组织，同时tau蛋白的异常病理状态对神经元的各种功能如物质运输、自噬、信息交流等产生重要影响。有研究显示过度沉积的Aβ和异常磷酸化tau蛋白可影响神经元内的线粒体功能[2-4]。线粒体在细胞中具有能量供应、信息交流、抗氧化应激等多种生理作用，为细胞各种生命活动提供能量和安全保障，研究显示线粒体损伤在AD发病机制中占有重要的地位[5]。AD患者的线粒体损伤可能主要涉及三个方面：线粒体动力学、能量基础代谢及轴突运输。在这篇综述中我们将探讨有关线粒体损伤在AD中的作用及机制。

1 线粒体动力学与AD

1.1线粒体的分裂/融合蛋白线粒体是一个动态细胞器，在分裂/融合蛋白调解下不断发生变化。线粒体经过数次分裂、融合即发生缩短、延伸的过程称作线粒体分裂/融合周期或者是线粒体动力学[6]。5种主要蛋白控制着线粒体分裂与融合：线粒体动态相关蛋白1(Drp1)、Mfn1 and Mfn2、视神经萎缩蛋白1(Opa1)、线粒体分裂蛋白1(Fis1)[7]。Drp1主要位于细胞质中，少部分存在线粒体外膜。Drp1的功能是通过自组装和自身GTP酶(GTPase)活性压缩线粒体膜，使之分离[8]。Fis1介导线粒体分裂，在线粒体外模占主导地位，从细胞质中募集Drp1到线粒体外模发挥作用[9]。Opa1、Mfn1和Mfn2分别介导线粒体内外膜融合[10]。

1.2AD中Aβ与线粒体动力学异常线粒体动力学平衡是维持线粒体功能和形态正常的前提，Aβ沉积作为AD患者脑中的重要病理特征之一，可直接或间接地引起线粒体动力学改变，而线粒体动力学改变也是神经退行疾病的主要原因之一[11-12]。有研究使用M17神经母瘤细胞野生型和含APP蛋白过表达的瑞典突变体，发现细胞内线粒体结构出现改变，线粒体形态从薄而细长变为片状和点状，而线粒体形态、结构的改变反过来对细胞功能可产生更严重的影响，同时发现M17细胞中Aβ的过表达降低了Opa1的水平，增加了Drp1和Fis1水平[13]。对AD患者的脑皮质样本研究中显示Drp1和Fis1的mRNA水平升高，融合蛋白Opa1, Mfn1和Mfn2的mRNA水平降低[14]。有研究者使用神经母细胞瘤细胞经Aβ25-35处理后，出现线粒体融合基因水平下调，而分裂基因水平上调[15]。也有研究发现Aβ沉积后诱导Mfn1和Mfn2水平下降，随后线粒体发生分裂，线粒体动力学出现异常，线粒体发生片段化[16]。在APP转基因小鼠模型的脑皮质中，免疫沉淀和免疫荧光实验表明，Aβ与Drp1相互作用，诱导线粒体分裂，抑制线粒体融合，破坏线粒体分裂/融合平衡[17]。Aβ亦可引起大量钙离子通过载体蛋白进入线粒体，激活CaMKII，上调蛋白激酶B(Akt)活性，从而使Drp1磷酸化后被激活，启动线粒体的分裂[18]。以上种种迹象表明Aβ作用于线粒体后，可引起线粒体分裂蛋白的表达增高，融合蛋白的表达降低，促使线粒体过度分裂，发生碎片化，进而引起线粒体功能和结构障碍，进一步累及细胞的整体活力，导致神经退行性变。

1.3AD中tau蛋白与线粒体动力学异常Tau蛋白异常病理变化所引起的线粒体动力障碍在AD发病机制中发挥重要作用。异常磷酸化的tau蛋白被caspase家族切割，并脱落、聚集、缠绕形成NFTs，被Asp421切割的tau可单独诱导线粒体分裂，降低线粒体运动性，伴有线粒体长度的缩短[19]。被caspase切割的tau在永生化的皮质神经元中的短暂表达可导致线粒体变圆润，分裂成碎片状[20]。Pérez M J等[21]将小鼠tau基因敲除后，使用含绿色荧光蛋白(GFP)标记的不同形式tau的质粒进行转染，研究发现表达截短tau的细胞出现Opa1水平明显减低，线粒体发生片段化。而Manczak M等[22]用三重转基因小鼠3xTg-AD(含有三种突变体APPswe，TauP301L和PS1M146V基因)和APP/PS1转基因小鼠的脑皮质分解物进行免疫沉淀反应，显示过磷酸化tau和Drp1之间存在显著的共定位，这些研究结果在对皮质和海马的双标记免疫荧光实验中也得到证实。有最新报道显示通过降低Drp1的表达可减少tau的过度磷酸化，减轻线粒体损伤，维持线粒体动力学，提高线粒体的生物功能和突触活动[23]。值得注意的是，有研究发现tau基因的过表达可增加融合蛋白Opa1、Mfn1、Mfn2的水平，导致线粒体过度融合，累积，而这也会引起线粒体功能障碍[24]。综上可知，线粒体动力学是在分裂、融合蛋白的精准调解下达到平衡，而过度的分裂或者融合，或者融合不足，都将会破坏这一平衡，致使线粒体结构和功能发生改变。

2 线粒体生物能代谢与AD

2.1线粒体的生物能线粒体作为细胞中重要的细胞器，为细胞源源不断提供能量和抗氧化剂，这对维持细胞活力和功能，预防AD的神经元损伤至关重要[25]。在线粒体内膜上存在复合体酶I(NADPH-泛醌)、Ⅱ(琥珀酸-泛醌还原酶)、Ⅲ(泛醌-Cytc还原酶)、Ⅳ(细胞色素C氧化酶)和Ⅴ(ATP合成酶)，氢和电子通过质子浓度差逐级被复合体酶传递到ATP酶复合体，并伴有复合体酶的氧化磷酸化，最终生成ATP。这一整套系统构成了线粒体的电子呼吸链(electron transport chain，ETC)[26]。过氧化物酶体增殖物激活受体γ辅助激活因子-1α(PGC-1α)可诱导线粒体生物能发生，激活下游的不同转录因子，包括核呼吸因子1/2(NRF-1/NRF-2)，线粒体转录因子A(TFAM)，NRF-1/NRF-2可调节下游抗氧化基因的编码、翻译，增强细胞的抗氧化能力，TFAM则参与线粒体DNA(mtDNA)的转录激活，增加mtDNA的拷贝数[27]。当线粒体生物能发生任何的一个环节受到破坏时，不仅ATP生成减少，影响细胞供能，而且会产生大量的ROS，细胞的抗氧化能力也会被削弱，引起氧化应激。

2.2AD中Aβ和线粒体生物能代谢障碍有数据表明AD中的线粒体损伤是由Aβ直接影响线粒体的生物能量代谢所致[28]。在AD中Aβ可诱导ROS的大量产生，引起氧化应激，在Aβ和ROS的双重作用下可加重线粒体的ETC功能损伤[29]。ETC是ATP产生的核心，其组成的酶复合物系统(复合酶Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ)是ROS生成的来源。Aβ的沉积可直接破坏线粒体电子传递及降低复合酶活性，阻碍氧化磷酸化过程，导致ATP生成减少，ROS产生增多[30]。另外，Aβ可诱导线粒体膜通透性转换孔(mitochondrial permeability transition pore，MPTP)的开放，释放Ca2+、细胞色素C(Cytochrome c，cytc)等促凋亡因子，使线粒体发生肿胀、分裂、破坏细胞的整体活力[31]。

另外，有研究报道细胞内线粒体生成的ROS与Aβ的产生相互作用。Leuner等[32]使用呼吸抑制剂鱼藤酮和抗霉素处理神经元细胞，引起线粒体损伤，可增加ROS的水平，同时发现Aβ的水平也在提高。通过抗氧化进行处理，可防止线粒体功能障碍，降低Aβ在神经元内的生成水平。由此看来Aβ与ROS以线粒体为交叉点相互作用，形成恶性循环，加重线粒体破坏。

2.3AD中tau蛋白和线粒体生物能代谢障碍线粒体功能障碍是AD发病的基础，包括线粒体形态改变、能量代谢活性下降及促凋亡蛋白的释放。在AD老鼠大脑的不同区域表达病理tau蛋白可引起线粒体功能受损[33]。来自一种过表达tau蛋白突变体P301的pR5转基因小鼠的脑样本显示线粒体复合酶活性降低，线粒体去极化、呼吸受损及ROS水平增高[34]。另外，有研究显示3月龄的3xTg-AD小鼠的脑细胞线粒体出现损伤，线粒体呼吸和丙酮酸脱氢酶(PDH)活性降低，脂质过氧化和过氧化氢产生增加，发生氧化应激[35]。各种证据表明tau蛋白在AD发病过程中起着重要作用，在AD动物模型中降低tau蛋白表达水平，可减弱神经元损伤[36]。线粒体复合酶活性的降低可影响氧化磷酸化，ATP 生成减少，促进tau蛋白的异常磷酸化，导致NFTs形成增加，而tau蛋白的异常磷酸化也可引起线粒体功能损伤，破坏电子呼吸链，ROS生成增加，二者互为因果，最终可引起神经退行性变[37-38]。

3 线粒体轴突转运与AD

3.1线粒体的轴突运输在细胞中有两种轴突运输类型：缓慢型和快速型，前者主要转运细胞质和细胞骨架蛋白，后者主要运输膜性细胞器，包括囊泡和线粒体。分子由胞体向神经末梢经微管运输的方式称为顺向运输，反之称为逆向运输[39-40]。线粒体在轴突中的运动是借助微管、微丝和衔接蛋白作为转运轨道发挥作用。线粒体顺向运输通过驱动蛋白-1(Kinesin-1家族，统称为KIF5)介导进行，指导线粒体由负端向正端运动。线粒体逆向运输则由动力蛋白(Dynein)所介导，牵引线粒体由微管正极向负极运动[41-42]。KIF5和Dynein称为线粒体在神经元中的马达蛋白，在神经元胞浆中，线粒体需要借助衔接蛋白(如syntabulin、milton、miro等)连接到相应的马达蛋白上，马达蛋白再与轨道相连，利用水解ATP提供驱动力，使线粒体沿轨道转运，在细胞中执行相应的功能[43]。

3.2AD中线粒体的轴突运输缺陷有效的轴突运输对维持正常的突触线粒体密度和突触活动至关重要，轴突运输受损在AD的发病机制中起着重要作用[44]。Tau蛋白在轴突中参与调节微管的动力学、神经元极性及轴突稳定性，辅助细胞器在转运轨道上运动。对来自不同AD动物模型的神经元研究显示线粒体数目减少，其中一些结果表明Aβ沉积和丝状tau蛋白聚集后引起轴突肿胀及转运障碍[45-46]。Calkins等[47]研究者用Aβ处理小鼠海马神经元观察到线粒体顺向转运功能明显下降，发现Aβ处理组线粒体长度缩短，突触素(突触前蛋白)的表达降低，表明Aβ可能通过引起线粒体数目或使线粒体顺向转运功能下降影响突触发育，导致学习、记忆障碍。更有研究表明Aβ寡聚体的进行性积累影响线粒体形态学，降低线粒体顺向运输，引起突触传递障碍[48]。

另一项关于野生型和tau蛋白基因缺陷的鼠海马神经元的对比研究显示在野生型组中，暴露于Aβ的神经元，线粒体和神经营养因子受体TrkA在轴突中的移动受到抑制，尤其是顺向转运，而在tau蛋白缺陷组这些抑制作用明显改善[49]。另有文献报道来自表达hAPP的AD转基因小鼠的原代神经元显示线粒体轴突运输功能缺陷，而通过遗传消融或产后敲除降低tau蛋白的表达，可阻止神经元中的线粒体的轴突转运障碍[50]。这也说明tau蛋白水平在Aβ存在的轴突运输中至关重要，Aβ可能需要通过tau破坏轴突转运，而tau蛋白的减少则防止了Aβ所诱导的轴突运输障碍。过度积聚的Aβ和异常形式的tau蛋白均可破坏线粒体轴突转运，影响营养物质运输和神经突触的信息交流，这可能是引起学习、记忆障碍的主要原因。

4 总 结

线粒体损伤在AD的发病中起着重要作用，tau蛋白和Aβ与AD密切相关，它们参与了线粒体损伤的形成，了解线粒体损伤机制对于防治AD具有重要意义(图1)。线粒体动力学改变即分裂/融合平衡被打破，线粒体功能和细胞整体活力会受到破坏，而生物能量代谢受损，将会影响线粒体抗氧化能力，无法为细胞提供足够的能量供应，线粒体轴突运输缺陷将会影响突触间的信息传递和信息交流，导致学习和记忆发生障碍。相关基础研究提示线粒体损伤发生在AD发病的早期，因此，通过改善线粒体动力学、生物能代谢和轴突运输可作为神经退行性病变早期干预治疗的有效手段之一，这也为今后AD药物靶点的研发提供新的思路。

图1 阿尔茨海默病的线粒体损伤机制