TDP-43在帕金森病发病机制中作用的研究进展

侯晓祎，巴智胜，朱丽，罗勇

(1.遵义医科大学第三附属医院 a.神经内科，b.药物临床试验机构办公室，c.神经内科,贵州 遵义 563000；2.遵义医科大学医学与科技学院，贵州 遵义 563000)

帕金森病(Parkinson′s Disease，PD)是一种中老年人群中常见的神经系统退行性疾病，以静止性震颤、运动迟缓、肌强直和姿势平衡障碍为主要特征。PD在60岁以上人群中的发病率约为1.7%，仅次于阿尔茨海默病[1]。随着人口老龄化进展，PD发病率呈逐年升高趋势。由于PD的病因尚存在争议，诊断标准繁琐，无法在PD早期阶段做出准确的诊断，故很多患者错过最佳的治疗时期。而后期阶段运动障碍进行性加重，认知障碍及多种并发症的出现亦给PD的治疗造成很大的临床挑战。目前PD的治疗手段有限，无论是近年出现的物理疗法、手术疗法、康复疗法以及基因疗法还是临床最常用的左旋多巴药物替代疗法对PD的疗效均只局限于暂时缓解症状，不能有效减缓病程的进展[2]。因此，探寻治疗PD的新靶点成为近年的研究热点。

关于PD的发病机制尚未完全明确，α-突触核蛋白(α-synuclein，α-Syn)异常聚集、神经炎症、自噬、Tau的过度磷酸化及线粒体功能障碍等机制均被提及，其中α-Syn异常聚集形成路易小体(Lewy′s body，LB)被认为是PD的最主要发病机制[3-4]。然而Kokoulina和Rohn[5]通过对死亡PD患者的研究发现，其脑切片中LB的主要成分为TAR DNA结合蛋白43(TAR DNA-binding protein 43，TDP-43)。有报道指出，PD患者中存在TDP-43蛋白的编码基因(TAR DNA-binding protein gene,TARDBP)突变[6]。提示TDP-43可能是除α-Syn外与PD发病相关的另一种蛋白质，在PD复杂发病机制中扮演重要角色。现就TDP-43在PD发病机制中的作用予以综述。

1 TDP-43概述

1.1TDP-43的结构和功能 TDP-43是一种由定位于人类第1号染色体Chrlp36.2的TARDBP基因编码的DNA和RNA结合蛋白，包含414个氨基酸，分子量约为43 000。TDP-43的一级结构特点为C端包含甘氨酸富集区，可介导蛋白质之间的相互作用，使其结合DNA、RNA和蛋白质。N端包含核定位信号、核转移信号以及3个潜在的胱天蛋白酶(caspase)识别点。其特点为可与TDP-43蛋白分子结合，该功能与TDP-43在胞内形成同源二聚体有关。在某些应激刺激下，caspase作用于N端的caspase识别点后裂解TDP-43形成分子量为25 000的TDP-43片段，后者的异位表达导致细胞内TDP-43包涵体形成，产生细胞毒性[7]。TDP-43具有广泛的生理功能，参与“RNA代谢”的整个生命周期，包括RNA的剪接、RNA的转运、维持信使RNA(messenger RNA,mRNA)稳定性、微RNA的加工以及参与应激颗粒的组成[8]。

1.2TDP-43的病理改变 TDP-43在啮齿动物和人类组织中均有分布，在脊髓和大脑中以mRNA和蛋白质形式广泛表达[9]。生理性TDP-43主要分布在细胞核，少量出现在核周胞质，其表达受到定位信号和转移信号的调控并易受到机体生理状态的影响。在疾病和应激状态下，TDP-43可表现为核内包涵体、胞质聚集体、核周深染、胞质弥漫着色等一系列病理形态改变。病理性TDP-43可由TARDBP基因突变、磷酸化、泛素化以及N端截短等修饰过程所致。与生理结构相比，其状态不稳定更易聚集。异常的TDP-43水平和定位对神经元有毒性[10]，并损害多种细胞过程，包括轴突运输[11]、线粒体功能[12]和RNA代谢[13]。有研究者认为，升高神经元细胞中的TDP-43水平便会导致神经毒性反应[10]。然而有研究者提出不同的观点，认为破坏TDP-43介导的RNA代谢可能会极大地损伤神经元功能导致神经元丢失[14]。尽管目前TDP-43的神经毒性机制尚不清楚，但越来越多的神经退行性疾病中检测到病理性TDP-43，如PD、关岛-帕金森综合征、皮质基底节变性、阿尔茨海默病以及海马硬化症等[5,15]。已有实验数据证实，caspase剪切的TDP-43是PD中LB的主要成分，提示TDP-43与PD发病之间存在一定的联系[5]。

2 TDP-43与PD的关系

TARDBP基因的遗传突变是家族性和散发性肌萎缩侧索硬化症的病因。但近年来关于TARDBP基因突变存在于其他神经退行性疾病中的报道逐渐出现。Quadri等[6]对撒丁岛人群调查研究发现，TARDBP(c.G1144A；p.A382T)基因突变患者可表现为PD样症状。TARDBP(p.A382T)基因突变导致临床表现为PD的患者占撒丁岛家族性和散发性肌萎缩侧索硬化症患者的30%以上。而327例撒丁岛PD患者中8例(2.5%)p.A382T基因携带者均被诊断为典型的迟发性PD。因此，TARDBP基因突变是否与PD发病存在直接的关系值得进一步探究。Gagliardi等[16]在意大利南部的散发性PD患者中首次检测出TARDBP(p.N267S)基因突变。Rayaprolu等[17]对692例美国PD患者进行TARDBP基因的筛查，在家族性PD患者中亦检测到TARDBP(p.N267S)基因突变。这些发现为TARDBP基因突变可导致PD发病提供了新的依据，提示TARDBP基因突变与PD发病之间可能存在联系。目前尚无病理学研究证实，PD患者的大脑中存在LB及TDP-43阳性包涵体。由此，能否找到TDP-43病理学存在于PD患者大脑中的证据成为验证两者关系的关键。caspase剪切TDP-43的C端形成分子量为25 000的TDP-43片段，其异位表达易形成不溶性包涵体，产生细胞毒性。Kokoulina和Rohn[5]将TDP半胱天冬酶裂解产物抗体(TDP caspase cleavage product antibody，TDPccp)应用于PD患者死后的脑切片定位。结果显示，所有定位的脑切片中LB内均存在caspase剪切的分子量为25 000的TDP-43片段。该发现为TDP-43与PD之间存在相关性提供了重要依据。然而，多数研究认为PD患者黑质多巴胺能神经元缺失与LB内α-Syn包涵体相关。为进一步验证LB内主要成分包含TDP-43，Kokoulina和Rohn[5]利用TDPccp与α-Syn抗体同时定位于PD患者脑切片发现，TDPccp检测到的LB数量较 α-Syn 抗体更多，且半定量分析显示caspase剪切的TDP-43标记LB的百分比约为α-Syn标记百分比的2倍(分别为34.6%和17.6%)。这些数据证实，caspase剪切的TDP-43是PD中LB的主要成分[5]。这一重要发现提示TDP-43极有可能是PD的另一种病理标记蛋白，但其在PD复杂的发病机制中如何发挥重要作用值得深入研究。Toyoshima和Takahashi等[18]指出，TDP-43病理改变可能在LB疾病中具有共病作用，且Tau、α-Syn及TDP-43等疾病蛋白可能最初共享相互关联的生理途径。这为证实TDP-43在PD发病机制中可能发挥重要作用提供了新的证据。综上，PD患者的TARDBP基因突变，PD患者脑切片中分子量为25 000的TDP-43异常聚集，以及TDP-43与Tau、α-Syn等病理蛋白之间的相互关联均提示TDP-43与PD的发病关系密切。

3 TDP-43在PD发病机制中的作用

TDP-43与PD发病密切相关，其可能不仅是PD病理蛋白，还在PD发病机制中充当至关重要的角色。因此，了解TDP-43在PD发病机制中的作用将为PD的诊断和治疗提供更好的方法。

3.1TDP-43与α-Syn α-Syn是一种脑内含量丰富的神经蛋白，生理状态是天然未折叠的，主要参与囊泡的运输和释放。在应激条件下，α-Syn发生错误折叠形成单体、寡聚体、多聚体。而α-Syn寡聚体是LB的主要成分，可导致PD神经元变性[19-20]。有研究证实，caspase剪切的TDP-43为PD中LB的主要成分，TDPccp抗体是检测LB的有效标志物[5]。探索TDP-43对转基因小鼠α-Syn神经毒性影响的研究发现，与单基因转基因小鼠相比，TDP-43和α-Syn同时过表达导致双转基因小鼠中多巴胺能神经元的损失更严重，TDP-43增强α-Syn对活体动物中多巴胺能神经元的毒性[21]。多种神经退行性疾病中存在聚集体及蛋白质之间的分子相互协同作用，导致神经元中发生多种病理改变[22]。Nonaka等[23]将α-Syn纤维注射入野生型小鼠脑的纹状体中，在注射后仅1个月内即可检测到磷酸化的TDP-43，提示α-Syn与磷酸化的TDP-43具有协同作用。可见，TDP-43在PD的疾病进展中与α-Syn的聚集存在联系。

3.2TDP-43与Tau Tau是一种微管相关蛋白，在维持轴突运输和神经元完整性方面具有重要作用，可稳定微管并促进微管组装。Tau的磷酸化使微管解离以及神经原纤维缠结[24]。15%～30%的PD患者在疾病晚期发生认知功能障碍乃至痴呆，多达50%的PD痴呆患者会产生大量含有Tau的神经元纤维缠结[25]。Tau-微管蛋白激酶1/2可以促进病理性TDP-43的积聚[26]，而TDP-43的异常积聚也可导致Tau异常表达[27]，提示TDP-43与Tau的过度磷酸化和聚集相关[28]。PD-痴呆综合征患者中提取的Tau蛋白包含3R和4R-tau[29]。Gu等[30]研究发现，Tau外显子10的剪接失调导致两种Tau亚型3R-tau和4R-tau的比例发生改变。而TDP-43异常聚集可提高Tau外显子10的包涵性，增加4R-tau同工型的产生，导致Tau的同种型3R-tau和4R-tau的比例失调，提示病理性TDP-43与Tau比例失调相关，可能导致PD患者痴呆症状。

3.3TDP-43与线粒体功能障碍 线粒体是一种通过氧化磷酸化产生ATP供给细胞能量的重要细胞器，亦参与其他功能，如细胞凋亡、清除自由基和钙稳态。线粒体功能障碍在PD中起关键作用[31]。病理性TDP-43可引起线粒体形态和动力学的缺陷进而导致功能障碍[32]。TDP-43 M337V转基因小鼠中，TDP-43的错误定位导致线粒体功能障碍。而TDP-43线粒体定位抑制酶清除细胞质中TDP-43的聚集，使线粒体功能恢复，并改善TDP-43M337V小鼠的运动协调和认知缺陷[33]。在NSC-34细胞中，TDP-43过表达增加线粒体自噬导致线粒体功能障碍[34]。成纤维细胞中病理性A382T TDP-43突变体的过表达诱导线粒体形态变化，导致线粒体的碎裂[35]。而在TDP-43的某些小鼠模型中，不仅存在线粒体形态改变，也存在线粒体动力学的明显变化[36]。线粒体融合蛋白2是一种线粒体动力学调节蛋白，Wang等[37]研究发现线粒体融合蛋白2过表达可减轻TDP-43诱导的线粒体功能障碍。此外，线粒体具有缓冲钙的作用，携带A315T TDP-43的患者衍生的成纤维细胞中线粒体功能异常导致钙摄取增加[32]。因此，推测病理性TDP-43可导致线粒体功能障碍，进一步诱发PD。

3.4TDP-43与自噬 自噬是自噬溶酶体囊泡结构降解细胞内物质的一种分解代谢机制，可避免错误折叠的蛋白质积累。有研究证实，自噬对维持体细胞稳态至关重要[38]。而自噬损伤在PD中发挥重要作用[39]。有研究证明，TDP-43以哺乳动物雷帕霉素复合物靶标1依赖性和哺乳动物雷帕霉素复合物靶标1独立性方式调节自噬[40]。TDP-43在多形性胶质母细胞瘤细胞中过表达抑制自噬[41]。有研究证实，在过表达TDP-43片段的转基因小鼠模型中自噬因子减少[42]。Xia等[43]在PC12和SH-SY5Y等细胞系中发现，TDP-43的下调促进自噬。此外，有研究指出TDP-43通过稳定3种不同的mRNA(atg7、raptor和dynactin)来调节基础自噬，然而在TDP-43下调后这些自噬mRNA的细胞水平降低[44]。Wang等[45]在携带TDP-43 A315T突变的肌萎缩侧索硬化症患者的皮肤活组织检查中证实，该致病性TDP-43突变可能诱导自噬。TDP-43对自噬发挥促进作用还是抑制作用尚未统一，但自噬抑制引起TDP-43聚集物的加剧累积，增强细胞应激并诱导细胞死亡[44]，可导致PD的发生和进展。

3.5TDP-43与神经炎症 神经炎症的特征是小胶质细胞活化，而活化后的小胶质细胞促进细胞碎片的清除及神经营养因子的分泌，但其释放的炎症物质亦可造成神经元损伤[46]。多巴胺能神经元退化伴随着小胶质细胞的活化，以及炎症的产生增加。已有研究者提出小胶质细胞介导的炎症过程参与PD的早期阶段[47]。有研究显示，血清肿瘤坏死因子-α、白细胞介素-6与PD非运动症状(如疲劳、抑郁和睡眠困难)之间存在正相关[48]。而TDP-43过表达促进神经炎症的生成，导致神经元细胞的丢失。TDP-43过表达的神经胶质细胞被脂多糖或活性氧类物质刺激后导致促炎因子增多[49]。TDP-43在小胶质细胞中显著上调环加氧酶2和前列腺素E2水平并引发神经毒性。此外，给予特异性环加氧酶2抑制剂塞来昔布可大大减少TDP-43导致的神经毒性[50]。上述研究表明，TDP-43与神经炎症存在联系，如果能以TDP-43为靶点，找到抑制PD中炎症物质产生的方法可能同时治疗PD的运动和非运动症状。

4 小 结

目前，TDP-43被认为是阿尔茨海默病、肌萎缩侧索硬化症和伴有泛素阳性包涵体的额颞叶变性的主要标志物[51]。但近年不断有关于PD患者中检测到TARDBP基因突变的报道。此外，TDP-43在PD患者死后脑组织切片中被发现，TDPccp甚至比α-Syn抗体检测到的LB数量更多，提示TDP-43极可能是PD的另一种标记蛋白，为PD的诊断提供新的重要线索。TDP-43可在PD多种发病机制中发挥作用，可能是其中的重要环节，具体作用包括：①TDP-43可促进α-Syn聚集，使多巴胺能神经元的丢失更严重；②TDP-43促进Tau过度磷酸化，并可参与Tau剪切使其比例失调，导致PD痴呆症状；③病理性TDP-43可引起线粒体形态学和动力学的缺陷，增加线粒体自噬，导致线粒体功能障碍；④TDP-43对自噬的抑制引起TDP-43聚集物的加剧累积，增强细胞应激并诱导神经元细胞死亡；⑤TDP-43的异常聚集促进神经炎症产生，使PD非运动症状加重。虽然TDP-43在PD发病机制中发挥作用，但致病路径及靶点仍不明确。因此，深入研究TDP-43与PD的关系，可能对探讨PD发病机制及治疗具有重要意义。期待揭示TDP-43在PD发病机制中的作用亦将给PD的治疗带来新的希望。