线粒体轴突转运在神经系统疾病中的研究进展

吴文雪， 杨 春， 于小淇， 司 晗， 纪 娜 综述， 单海燕， 张明阳,3审校

中枢神经系统疾病是一类病因学和发病机制尚未阐明的疾病，具有高发病率、高死亡率、高致残率、高复发率等特点，但目前仍缺乏有效的手段。而线粒体作为细胞的能量供应器和代谢中心，尤其对于以高能量需求为特征的神经系统至关重要。此外，它在维持钙稳态、调节活性氧自由基产生、能量平衡与代谢、诱导程序性细胞死亡中均发挥重要作用。线粒体通过轴突转运至相应部位发挥其功能，并在神经系统中保持动态平衡以快速适应轴突不同部位的能量需求，对神经元的存活及其正常功能的发挥至关重要。近年来发现，许多中枢神经系统疾病的起因和进展可能都与线粒体轴突转运有重要的联系。因此，及时有效地发现并改善线粒体轴突转运障碍对治疗中枢神经系统疾病有重要意义。本文通过查阅国内外关于线粒体轴突转运机制的研究，综述线粒体轴突转运在神经系统疾病中的研究进展，有望以线粒体轴突转运为出发点为防治中枢神经系统疾病提供新的思路和方法。

1 线粒体轴突转运

1.1 线粒体轴突转运概况 线粒体为双层膜结构，由较光滑的外膜和可以向内折叠形成嵴的内膜组成的细胞器。线粒体的外膜和内膜之间的间隙称为线粒体间隙。线粒体内膜上有ATP合成途径的呼吸链酶和复合体，同时线粒体内膜包裹的基质内含有三羧酸循环所需的全部酶类。因此，线粒体在生物合成和生物能量途径中起着至关重要的作用，可以快速调节以满足细胞的代谢需求。线粒体是神经元存活的重要细胞器，神经元时刻需要通过轴突转运这一过程来保持线粒体在胞浆中的最适分布以维持细胞的正常功能。突触是神经元中能量消耗最高的区域，线粒体运输和锚定的调节可确保这些代谢活跃的区域得到充足的ATP。在神经元中，线粒体轴突转运通常分为3类：顺行转运(15%)、逆行转运(15%)和长时间保持静止的轴突线粒体(70%)。静止的线粒体充当局部能量站，产生ATP以支持突触功能。运动和静止线粒体之间是处于动态平衡中的，并且对轴突和突触生理的变化快速响应。但是，受损的线粒体运输和清除可能对神经元功能产生有害影响，并与多种神经系统疾病有关[1]。

1.2 线粒体轴突转运的分子机制 线粒体在轴突中转运主要依靠作为轨道的微管进行运输，微管可以和马达蛋白结合，然后马达蛋白通过衔接蛋白连接线粒体，这样就形成线粒体转运复合体，并且由马达蛋白水解ATP提供能量保证这一过程的顺利进行。α-和β-微管蛋白异二聚体的聚合是正确指导轴突转运方向的基础[2]。

1.2.1 线粒体运动的分子马达 分子马达的主要组成成分有Kinesin(驱动蛋白)、Dynein(动力蛋白)和Myosin(肌球蛋白)。不同的分子马达参与不同的线粒体轴突转运和调控机制，各个分子马达蛋白相互作用，维持轴突线粒体转运的正常进行。Kinesin调控线粒体沿着微管由胞体向轴突末端的顺行转运[3]。Kinesin通常是由两条轻链(KLC)和两条重链(KHC)构成的异源四聚体，KLC有助于Kinesin与线粒体关联和运动活动的调节；KHC则通过结合和水解ATP提供动力，并沿着微管进行轴突转运。Kinesin-1家族(统称为KIF5)是Kinesin超家族的14个蛋白家族中最重要的成员之一，线粒体通过Kinesin-1转运至突触端。在哺乳动物中，KIF5有3个亚型，分别为KIF5A、KIF5B以及KIF5C。KIF5B在所有细胞内表达，而KIF5A与KIF5C仅在神经元中选择性表达，并与线粒体转运相关。此外，还有研究发现，Kinesin-3家族的KIF1B与KLP6等分子参与了线粒体轴突转运[1,4]。胞质动力蛋白-1(cytoplasm dynein-1)调控线粒体沿着微管由轴突末端向胞体的逆行转运[3]。Dynein是由多条多肽链组成的复合物，通常需要与Dynactin(动力蛋白激活蛋白)结合形成Dynein-Dynactin复合体从而结合线粒体进行轴突转运[2]。

1.2.2 线粒体衔接蛋白 在神经元中，Syntabulin、Milton、Miro等衔接蛋白通过将马达蛋白衔接在线粒体外膜上调节沿微管的线粒体运输。衔接蛋白对线粒体轴突转运具有广泛的调节作用，并通过不同的机制发挥作用。例如，Syntabulin作为外周膜结合蛋白，可与Kinesin形成复合体，在线粒体顺行转运中发挥关键作用；Milton(在果蝇中)的丢失和过表达通过选择性削弱Kinesin或Dynein介导的运动而降低了顺行和逆行线粒体运输的有效性。在哺乳动物中，有两种Milton直系同源物，Trak1和Trak2。虽然Trak2的过表达可以强有力地增强线粒体的运动性，但Trak1的丢失或其突变体的表达会导致线粒体的轴突转运减少。Miro1和Miro2是Miro在哺乳动物中的两种直系同源物。Miro1-Trak2衔接复合物是海马神经元线粒体运输的重要调节器。Miro1的表达升高可能增加了线粒体的Trak2和KIF5马达，从而增加了线粒体的运动性[5]。

1.2.3 其他分子的调控 钙离子参与一切生命活动过程，是生命体不可缺少的离子。胞浆中钙离子调控线粒体轴突转运的研究已取得重大进展，有研究表明神经递质介导的钙离子浓度升高可以通过Miro-Ca2+感应途径特异性抑制线粒体的轴突转运。钙离子主要通过改变衔接蛋白Miro的EF手形结构域而调控Kinesin-1介导的顺行转运，并存在两种模型：一种为钙离子与Miro的EF结构域结合后介导KHC与Miro结合，从而阻止KHC结合到微管，但在线粒体表面保留了Miro-Milton-KHC复合物；另一种为钙离子结合Miro后介导的Kinesin与Miro-Milton复合体的解离，使线粒体脱离了运动轨道，从而抑制了线粒体轴突转运。线粒体钙单向转运蛋白(MCU)是线粒体摄入钙离子的重要分子机器，对线粒体的能量代谢和神经元中的线粒体运输起着关键作用，研究发现Miro1是MCU复合物的新成分，并且MCU是线粒体运输的重要调节剂。MCU通过其N末端域与Miro1相互作用，且证实MCU-Miro1相互作用是维持线粒体运输所必需的[6]。

2 线粒体轴突转运在神经系统疾病中的作用

2.1 急性损伤

2.1.1 脑外伤(traumatic brain injury，TBI) 脑外伤(TBI) 是由于头部撞击、敲打或颠簸等引起的后天性脑损伤。TBI是全球年轻人发病和死亡的主要原因之一。基本上所有临床上重症的TBI病例都存在轴突损伤，这与TBI引起的继发性损伤密切相联，轴突细胞骨架的某些修饰中断了轴突运输机制，线粒体等细胞器因轴突运输受阻而逐渐聚集导致轴突肿胀，继而引发继发性轴突脱节和Wallerian变性[7]。TBI引起弥漫性轴索损伤(diffuse axonal injury，DAI)，使其发病率和死亡率大大增加。观察表明，在随后的DAI发病过程中，由钙稳态的改变影响线粒体的轴突转运，线粒体等细胞器因轴突转运受损而聚积逐渐发展为轴突肿胀和轴突断裂并伴有轴突能量衰竭[7,8]。同时，TBI后局部轴突细胞骨架降解导致轴突转运受损后，淀粉样前体蛋白(amyloid precursor protein，APP)的轴突运输受到损害并积聚在受损部位。此外，TBI原发性损伤可能引起Tau蛋白的病理性沉积和高度磷酸化，使线粒体轴突转运障碍进而引发其功能障碍，从而导致神经退行性疾病的发生[9]。

2.1.2 脑出血(intracerebral hemorrhage，ICH) 脑出血(ICH)主要由脑实质内血管破裂引起，其特征为严重的神经功能障碍，因其高致残率，高死亡率一直备受关注。Hijioka[10]等人发现在脑出血小鼠中，ICH诱导3 h后轴突运输受损，同一时间小鼠运动能力急剧下降，提示轴突运输受损导致线粒体轴突转运障碍，并且引发一系列代谢及与线粒体功能相关的问题。脑出血引起的脑损伤中，介导线粒体自噬的主要路径为Pink1/Parkin，并发现Pink1位于Parkin的上游[11]，通过Pink1介导的磷酸化和Parkin介导的蛋白酶体降解线粒体衔接蛋白(Miro)影响线粒体转运，从而促进线粒体自噬去除受损的线粒体[12]。在ICH早期阶段，线粒体自噬可能对神经细胞具有保护作用并减轻脑损伤程度，但随着疾病进展，过度的自噬则会诱导启动凋亡机制，促进细胞坏死，加剧损伤[11,13]。

2.1.3 脑缺血再灌注损伤(cerebral ischemia-reperfusion injury，CIRI) 缺血性脑卒中在脑卒中发病率中占首位，也是脑卒中死亡的首要原因[14]。CIRI是指缺血脑组织在恢复血液供应后，会加重原本缺血区域的急性损伤[15]。研究发现，缺血再灌注神经元中轴突线粒体通过逆向轴突转运至胞体进而被自噬清除。神经元经过氧糖剥夺-再灌(oxygen-glucose deprivation/reperfusion,OGD/R)处理后，线粒体顺行性轴突转运在数量上没有明显差异，但线粒体逆行性轴突转运得到加强。OGD/R过程中线粒体逆行性轴突转运是随着锚定蛋白Syntaphilin(SNPH)表达的逐渐增加而受到抑制的，这样阻断了线粒体转运至胞体进行线粒体自噬而加重神经元损伤。如果促进OGD/R损伤后神经元线粒体逆行性轴突转运可发现，线粒体自噬水平明显提高并能改善缺血再灌注神经元死亡。进一步研究发现OGD/R过程中线粒体逆行性轴突转运伴随氧化应激水平升高，提示氧化应激可能是促进线粒体逆向转运的机制[16]。CIRI中线粒体自噬的典型途径为PINK1/Parkin通路。OGD/R可激活PINK1介导的线粒体自噬。此外，脑缺血再灌注后影响线粒体的轴突转运，造成线粒体自身DNA的表达紊乱，线粒体蛋白质和酶活性降低，线粒体能量合成障碍，最终导致神经元细胞死亡，从而引发损伤[17]。受损的线粒体是加重脑CIRI的关键因素。因此，以CIRI过程中功能异常的线粒体为治疗靶点，阐明其发生机制，寻求干预方法，打断损伤后的恶性循环，对于减轻缺血再灌注过程中的脑损伤至关重要。

2.2 慢性损伤

2.2.1 阿尔茨海默病(Alzheimer disease，AD) AD是最常见的神经退行性疾病之一，65岁以上老年人群的发病率达4%～7%。其主要临床表现为认知功能障碍、记忆力衰退等，且常常伴有运动和精神失常[18]。AD的病理改变包括β-淀粉样蛋白(β-amyloid，Aβ)的产生和沉积、由高磷酸化形式的Tau蛋白形成的神经原纤维缠结，突触及神经元的损伤等。AD发病机制复杂，在众多病因中，线粒体轴突转运障碍可能是AD发病的早期病理现象并在AD的发病机制中起关键作用。在3xTg-AD小鼠中的研究表明，在Aβ沉积或丝状Tau聚集之前，轴突转运和轴突肿胀均存在缺陷，表明这种缺陷可能是AD的早期事件[19]。线粒体轴突转运障碍可能通过多条信号通路参与了AD的发病过程。而且Aβ的过度积聚和Tau蛋白的异常磷酸化引起线粒体轴突运输障碍，进而影响神经元能量代谢和物质转运，导致学习和记忆障碍。研究显示Aβ寡聚体累积能迅速地特异性减少AD患者神经元运动线粒体数量并显著降低线粒体轴突转运速度，尤其是线粒体的顺行转运[20,21]。KIF5A是kinesin-1的关键同工型，它是促进轴突线粒体顺行转运的关键分子机制。Wang[22]等人发现死后AD患者颞叶中KIF5A的下调。对Aβ处理的原代神经元和5×FAD小鼠的进一步研究表明，Aβ毒性与KIF5A丢失密切相关。KIF5A的下调促进了Aβ诱导的轴突线粒体转运障碍，表明KIF5A缺乏在AD相关的轴突线粒体转运中的潜在作用。重要的是，KIF5A水平的恢复可减轻Aβ诱导的轴突线粒体转运障碍，主要是顺行转运的调控，而对逆行转运几乎无影响。该发现提示KIF5A在减轻AD的功能损伤的治疗中起了重要作用并为AD的临床治疗提供新思路。有研究显示，AD转基因小鼠原代神经元中表达的hAPP会导致线粒体轴突转运功能障碍，但通过下调Tau蛋白的表达可改善神经元线粒体的轴突转运[23]。这些结果提示Tau蛋白介导了Aβ损害轴突运输过程并在神经元线粒体轴突转运过程中起着非常重要的作用，所以降低Tau蛋白水平有可能改善Aβ损害神经元轴突运输。此外，还有研究表明将重组人Tau的单体和丝状形式灌注到鱿鱼腋质中，Tau细丝通过激活蛋白磷酸酶1(PP1)和糖原合酶激酶3(GSK-3)介导轴质囊泡释放Kinesin从而选择性抑制顺行性轴突转运[24]。半胱天冬酶裂解的Tau可能通过增加TRAK2-线粒体结合和减少这些细胞器运动过程ATP的产生来影响线粒体运输，且减少神经元轴突转运过程中线粒体的数量，而不影响其速度[25]。在线粒体慢性轻度应激的早期，轴突中功能异常的线粒体选择性释放SNPH促进轴突约80%的去极化线粒体逆向转运，此过程发生在PARK2/Parkin介导的自噬作用之前，并对其有激活作用。这种SNPH介导的反应在AD相关的皮质神经元的早期疾病阶段被强烈激活，出现在轴突中线粒体质量控制系统早期。因此，该途径有利于在几种主要的神经退行性疾病的早期阶段开发新的治疗策略以减轻疾病的病理损害[26,27]。此外，随着疾病进展，成熟神经元中SNPH的过表达与线粒体逆向转运水平下降相关[28]。

2.2.2 帕金森疾病(Parkinson’s disease，PD) 帕金森疾病(PD)是继阿尔茨海默病之后的第二大神经退行性疾病，主要临床特征为静止性震颤、运动迟缓、肌强直和姿势平衡障碍，60岁以上人群发病率约为2%[29]。PD的病理特征包括黑质中多巴胺能神经元的丢失和由α-突触核蛋白(α-Syn)组成的路易小体(Lewy bodies，LBs)的存在。寡聚的α-Syn可通过引起亚细胞中运输调节的蛋白变化和能量缺乏，破坏线粒体的顺行轴突转运。Prots等人[30]的研究证明，增加α-Syn的剂量导致α-Syn积聚，进而导致轴突运输中断和能量不足，促进人类神经元的突触丢失，并进一步表明通过抑制α-Syn寡聚体的形成可以恢复轴突线粒体顺行转运，提示α-Syn低聚物是触发突触早期轴突功能障碍的关键靶点。另有研究显示，暴露于线粒体毒素[包括农用化学品百草枯(PQ)、代森锰(MB)和鱼藤酮(Rot)]的SNCA-A53T突变的神经元中产生的NO通过硝化α-微管蛋白(α-Tub)选择性地抑制线粒体顺行转运，这与PD的发生发展密切关联[31]。Lin等人[27]提出，在轻度线粒体应激条件下(低剂量抗霉素A触发的线粒体去极化)，溶酶体介导的自噬可能不是去除受损线粒体的主要机制。在这种情况下，受损的轴突线粒体通过逆行转运至胞体去除，而轴突线粒体锚定蛋白突触素从线粒体中的释放增强了线粒体逆行运输过程。Dukes等人[32]的研究结果显示，在线粒体应激早期，低浓度MPP(+)暴露导致受损线粒体逆行转运在早期代偿性增加，以促进线粒体在细胞体内的降解。相反，较高浓度的MPP(+)暴露导致线粒体转运总体下降，可能是由于细胞生物能学受到严重损害。PTEN诱导PINK1突变与早发的家族性帕金森氏病相关。同样，在PD患者运动神经元中通过激活Pink1/Parkin途径促进受损线粒体的自噬(线粒体逆行轴突转运)[33]。

3 展 望

综上所述，线粒体轴突转运与中枢神经系统疾病的发生和发展密切相关，但目前尚无有效治疗方案应用到临床实践中。线粒体具有能量供应、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，而能量代谢障碍是许多神经系统疾病早期阶段的关键因子，轴突功能的完成需要ATP的支持，而线粒体轴突转运至特定部位能够满足ATP的供给，因此线粒体对轴突形态和功能的维持具有重要影响，轴突运输的严格调控对于维持神经元的正常结构和功能非常重要。对线粒体轴突转运机制的研究及其在神经系统疾病中的作用研究，有望突破神经系统疾病治疗瓶颈，对神经系统疾病进行预防、诊断及治疗提供潜在靶点，为广大神经系统疾病患者带去希望，这也将为许多神经系统疾病的预防及治疗提供新的方向和依据。