线粒体轴浆转运障碍在帕金森病发病中的作用

石郑浩 王洪财 葛汝丽

滨州医学院附属医院神经内科 山东 滨州 256603

轴浆运输是神经元向远端轴浆和神经终末提供必需的成分、并将蛋白质回收到细胞体内的一个过程，线粒体作为轴浆运输细胞器的组成成分，通过轴浆运输提供神经元活动所需的能量，它们对包括神经元在内的所有有氧细胞的功能是必不可少的，它们产生ATP，缓冲胞浆钙和隔离凋亡因子，当轴浆转运线粒体出现障碍时，可导致线粒体定位或功能缺陷，神经元变性或者死亡[1]，因此，线粒体和许多其他细胞器一样，必须正确定位以满足细胞的需要。线粒体传递一般在代谢需求较高的区域，例如突触、远端起始段、髓鞘边界、脱髓鞘区域、轴浆蛋白合成等部位，这些部位具有较高的能量活动水平，因此，线粒体的适当定位和分布对维持神经元的稳定至关重要，严格调节线粒体轴浆运输对于维持神经元的结构和功能是重要的。

线粒体的功能破坏可能与其在轴浆中的转运方式不断改变有关，其转运的方式主要有两种：一是由运动蛋白介导的从胞体向轴浆末端进行的顺行转运，其主要在突触处提供能量；二是从轴浆末端向细胞体进行的逆行轴浆转运，其主要涉及清除受损的线粒体[2-3]。在轴浆的整个运动过程中，线粒体的运动是双向的，线粒体可以在顺行和逆行运动之间快速切换，主要以顺行转运为主[1]。根据轴浆转运的速度，其还可分为快速转运和缓慢转运两部分，线粒体在轴浆中的运输主要为快速转运[2]。

1 线粒体轴浆转运的调控机制

1.1 线粒体轴浆转运的内在调控机制 线粒体转运需要一种蛋白质复合物，其主要包括线粒体外膜蛋白、适配器蛋白和运动蛋白，驱动蛋白(kinesin)和结合蛋白(dynein)作为适配器蛋白有助于线粒体和微管之间的连接，从而促进线粒体的轴浆转运[1]。有大量直接和间接的证据表明Kinesin主要参与线粒体的顺行轴浆转运，而dynein主要参与线粒体的逆行轴浆转运，且已证明dynein的重链和副蛋白与线粒体的运动有关，抑制dynein蛋白可以改变轴浆中线粒体的运动和分布[4]。此外线粒体的复杂、协调的运动表明，它们有一个更大的蛋白质工具包用于调节运输，六个运动蛋白家族的成员1、2、3、4、13和14参与了轴浆细胞器的转运，其中两个参与了线粒体的运动[5]。广泛表达的与线粒体有关的运动蛋白1家族参与了线粒体运动，运动蛋白1家族的特异性抑制使果蝇轴浆中大多数线粒体的运动停止，并能显著改变其分布。运动白-3家族的一个成员与小鼠的线粒体转运更相关，它在神经元中富集线粒体，在那里它与线粒体共定位并结合[6-7]。

1.2 线粒体轴浆转运的外在调控机制 神经元的外在干扰可以阻止整个轴浆的线粒体运动，两种神经毒性药物培养可抑制神经元中线粒体的运动，即谷氨酸可通过N-甲基-D-天冬氨酸受体(N-methyl-D-aspartate receptor，NMDA)触发Ca2+通道，减少线粒体运动，细胞内锌离子的升高在不影响跨膜电位浓度的情况下可使线粒体运动停止[8]。局部刺激轴浆还可导致线粒体的局部积累，这依赖于胞内磷脂酰肌醇激酶(phosphatidylinositide 3-kinases，PI3K)活性和肌动蛋白的完整性。上述证据提示外在因素在线粒体轴浆转运中也发挥着重要作用。

2 线粒体轴浆转运障碍与PD

2.1 α-突触核蛋白聚集与PD α-突触核蛋白(α-synuclein, α-syn)在多巴胺神经元中聚集是PD主要病理特征[2]，α-syn聚集被证明通过破坏微管和运动蛋白之间的相互作用直接干扰线粒体的轴浆运输[9]，此外，在神经元丢失之前，在α-syn过度表达聚集的小鼠和PD患者中，观察到介导线粒体顺行转运的Kinesin水平降低[10]，这些研究都表明，α-syn聚集导致的轴浆转运线粒体障碍可能是PD发病的早期事件。除了α-syn聚集直接影响线粒体的轴浆运输，α-syn聚集可能通过损伤线粒体间接干扰线粒体的轴浆转运[11]。此外，与氧化应激相关的线粒体损伤可以触发突触核蛋白的积累进而干扰线粒体的轴浆运输[12]。以上研究提示，α-syn的聚集直接或间接的干扰了线粒体的轴浆转运，线粒体的转运障碍导致了线粒体难以被传递到轴浆代谢需求较高的区域，例如突触、远端起始段、髓鞘边界、脱髓鞘区域、轴浆蛋白合成部位，进而导致多巴胺能神经元出现代谢不足、氧化损伤甚至死亡[13]。

2.2 线粒体轴浆转运障碍与PD轴突变性 与传统观念认为黑质多巴胺能神经元(DA)凋亡是PD发病机制不同，我们发现无论是PD患者还是神经毒素介导的PD模型中，多巴胺能神经元轴突变性是PD早期关键病理变化，而且慢性轴突损伤得不到纠正，即可引起轴突变性甚至导致逆行性神经元死亡[14]，其变性的原因可以归结为轴突膜通透性增强、线粒体功能障碍及轴浆运输中断这三大因素，其中线粒体功能障碍及轴浆运输中断在其中扮演了重要角色[15]。线粒体负责产生ATP，以促进各种能量依赖的细胞过程，线粒体的损伤降低了ATP的产生，损害了它们定位到高能量需求位点的能力，导致能量稳态失衡和轴突变性[16]。线粒体功能的损害可能会导致线粒体逆行转运的净增加，进而导致线粒体发生远离突触的转运和随后突触ATP水平的耗尽，导致能量的缺乏和轴突的变性[17]。虽然改变的线粒体转运和PD的神经变性之间的直接联系尚未被证明，但这与黑质纹状体多巴胺神经元死亡是通过从终端到细胞体的“死亡”机制是一致的[13]。因此，线粒体膜去极化、活性氧(ROS)的产生过量、ATP的产生减少导致的线粒体的损伤影响了线粒体轴浆转运进而导致轴突变性，多巴胺能神经元死亡等[18]，进一步导致了PD的发生。

2.3 线粒体轴浆转运障碍与PD中胶质细胞活化间的关系 胶质细胞，包括小胶质细胞、星形胶质细胞和少突胶质细胞，都可能在神经退行性疾病中发挥直接或间接作用，特别是其释放的炎症细胞因子如肿瘤坏死因子(TNF)，被证明通过启动神经元炎症级联反应来干扰线粒体的轴浆转运[19]。神经元分泌的α-syn激活小胶质细胞，增强神经炎症过程中小胶质细胞产生的炎症反应，也可能是一种导致PD轴浆损伤的继发性机制[20]。总之，这表明活化的小胶质细胞释放的炎症分子可以通过激活细胞因子受体信号通路直接干扰神经元中线粒体的轴浆转运，导致PD的早期发生。

综上，线粒体的适当定位和正确分布在神经元发挥了重要作用，因为这种细胞器提供了维持细胞功能所必需的能量和代谢物，而其适当定位及分布则受轴浆转运的制约，其中α-syn聚集及线粒体损伤在线粒体轴浆转运障碍中扮演了重要角色，其最终导致的线粒体的定位或分布异常，进而导致多巴胺能神经元出现代谢不足、氧化损伤甚至死亡[21]。