阿尔茨海默病患者线粒体功能障碍的发生机制研究进展

伊力亚斯·艾萨，付瑾，阿米娜·苏建和

1 新疆维吾尔医学专科学校药学系，新疆 和田 848000；2 新疆和田特色中医药研究重点实验室；3 新疆维吾尔自治区维吾尔药材及制剂质量控制工程研究中心；4 新疆维吾尔医学专科学校医疗系

阿尔茨海默病（Alzheimer’s disease， AD）是日常生活中常见的神经退行性疾病之一，其典型的特征是患者从偶发性记忆缺陷逐步发展成为严重的认知障碍［1］。虽然AD的确切发病机制尚不清楚，但普遍认为β样淀粉蛋白（Amyloid β-Protein，Aβ）的大量聚集和大脑中累积的高度磷酸化Tau蛋白在AD的进展和症状中起主要作用［2］。值得注意的是，早在2004年就有SWERDLOW和KHAN两位学者提出了“线粒体级联假说”，指出线粒体功能障碍是晚期AD患者的主要病理学因素［3］。线粒体功能障碍可导致细胞能量缺乏、细胞内钙失衡和氧化应激，从而进一步加重Aβ和Tau蛋白的影响，导致突触功能障碍、认知障碍甚至记忆丧失。随着对AD发病机制的不断深入研究，线粒体动力学及线粒体自噬被认为与AD的发生发展过程密切相关，氧化应激相关的线粒体受损会进一步导致Aβ蛋白的聚集和Tau蛋白的过度磷酸化，而Aβ蛋白的聚集和高度磷酸化的Tau蛋白可损害线粒体功能，从而形成恶性循环。GTP相关的动力相关蛋白1（Drp1）表达水平异常可导致线粒体过度分裂甚至碎片化，引起线粒体功能障碍和神经元损伤，最终导致疾病的发生。线粒体自噬是维持细胞正常生理功能的过程，线粒体自噬功能的失调在AD疾病中发挥着重要的作用，有多种通路介导的线粒体自噬途径参与了AD的发病，包括Aβ蛋白诱导的线粒体自噬途径、氧化应激诱导的线粒体自噬途径、PINK1-Parkin通路介导的线粒体自噬途径以及受体介导的线粒体自噬途径等，均可引起异常线粒体的堆积导致线粒体功能障碍，进而诱导AD发病。现将AD患者线粒体功能障碍的发生机制研究进展综述如下。

1 氧化应激

氧化应激是活性氧（Reactive oxygen species，ROS）的产生和消除之间的不平衡所引起的。当ROS的产生超过活性氧清除酶的中和能力时，细胞损伤就会发生，这会导致氧化应激，并最终损害神经细胞的线粒体功能，导致线粒体功能障碍。另外，ROS作为机体新陈代谢过程中不可避免的产物，在生物系统中发挥着双刃剑的作用。在机体严密的调控下，微量ROS对细胞内信号转导、转录因子的激活、基因的表达以及细胞凋亡等方面起着重要的作用［4-6］。然而，ROS含量过量时会通过氧化细胞内所有主要生物大分子，包括核酸、蛋白质和脂质损伤细胞。由于大脑的高耗氧量、高水平不饱和脂肪酸（容易被自由基攻击）和低水平抗氧化剂等特点，使得大脑特别容易受到ROS的氧化应激损伤。同时，由于线粒体本身也是氧化应激损伤的主要目标，因此，氧化应激导致的过量ROS通过氧化应激损伤线粒体，引起线粒体功能发生障碍，从而引起AD疾病的发生［7］。需要注意的是，氧化应激与线粒体功能障碍的关系不仅是因为线粒体本身产生ROS，还因为ROS可导致线粒体功能障碍的恶化。鉴于上述现象，氧化应激引起的线粒体功能障碍被认为是AD发病机制中的一个重要因素。因此，通过饮食、运动和抗氧化药物等策略降低ROS水平，可以保护神经元线粒体免受氧化损伤，从而降低AD的风险。

2 线粒体动力学异常

细胞内的线粒体是动态的，其形状、大小、数量和位置经常发生变化，这些过程统称为线粒体动力学。线粒体动力学主要包括两个独特、严格控制的相对的过程，即裂变（分裂）和融合［8］。融合是一个线粒体与另一个线粒体通过膜的融合形成一个大的线粒体的过程。与之相反的过程则称为线粒体裂变或分裂，分裂导致线粒体数量增加、体积缩小。通常线粒体的融合或分裂是由一系列微管调控蛋白网络维持的，通过这些微管网络线粒体穿梭于整个细胞质中，以完成线粒体融合或分裂［9］。线粒体裂变和融合之间的平衡不仅对线粒体数量、体积以及形态发挥重要作用，而且对细胞活力和突触活动也至关重要。线粒体分裂过程主要涉及Drp1蛋白。Drp1蛋白是真核生物线粒体分裂的基本组成部分，是线粒体分裂的关键调节因子。Drp1蛋白由Dnm1基因编码，长度为736个氨基酸，有6种不同亚型。Drp1中存在一个高度保守的结构域，对几种重要的细胞功能很重要。越来越多的证据表明，Drp1蛋白参与多种功能，包括线粒体分裂、线粒体运输、磷酸化、泛素化和苏木化等。线粒体分裂过程中，Drp1蛋白被一些常驻蛋白受体，包括线粒体分裂因子（mitochondrial fission factor， Mff）、线粒体分裂1蛋白（mitochondrial fission 1 protein， Fis1）和线粒体动力学蛋白49/51（mitochondrial dynamics protein 49/51，MiD49/51），招募到线粒体外膜（Outer mitochondrial membrane， OMM）以促进线粒体分裂［10］。一般来说，Drp1蛋白在神经元中主要作为线粒体分裂因子，触发线粒体分裂［11］。各种神经系统疾病，包括AD、帕金森病（Parkinson’s disease，PD）以及亨廷顿舞蹈症（Huntington’s disease， HD）等，均是由于Drp1蛋白表达水平异常导致线粒体过度分裂甚至碎片化，引起线粒体功能障碍和神经元损伤，最终导致疾病的发生。

3 线粒体自噬异常

细胞自噬是溶酶体介导的自我降解过程，通过选择性清除功能失调的细胞器和蛋白质来保持细胞内环境的稳态［12］。当细胞内的自噬过程被破坏且得不到及时恢复时，便会引起细胞清除功能缺陷。线粒体自噬被认为是一种选择性自噬过程，作为机体内重要的清理机制，线粒体自噬通过清除受损线粒体进而维持细胞及代谢的稳态［13］。许多因素可以诱导细胞以线粒体为靶标的线粒体自噬程序，这些因素包括细胞色素C释放、ROS产生增加、线粒体通透性改变、氧化损伤等。研究［14］表明，线粒体自噬异常可能是AD中出现有功能缺陷线粒体的原因。对于大脑神经元而言，适当的线粒体自噬是一种细胞自我保护机制，然而当线粒体自噬通路发生异常，线粒体功能也会进一步出现障碍，加剧大脑神经元的损伤。在AD患者神经元中有大量的Aβ和Tau蛋白，这些毒性蛋白的聚集会引起线粒体DNA损伤、线粒体膜电位降低、线粒体ROS生成增加、线粒体轴突运输减少、线粒体ATP生成减少等，然而当损伤线粒体数量超出线粒体更新产生的新生线粒体数量时，则需要启动线粒体自噬程序予以清除受损严重的线粒体。此时，如果细胞内线粒体自噬过程出现异常，会引起异常线粒体的堆积导致线粒体功能障碍，进而促使AD病理改变加重。在过去的十年中，关于线粒体自噬过程的分子机制、相关的蛋白质和分子以及它们在正常和病理状态下的作用的认识已经大大增加。大量的研究［15］表明，多种蛋白质可通过多种途径参与线粒体自噬过程，这些蛋白质包括Drp1、Fis1、Mfn1、Mfn2、泛素、PINK1、Parkin、BNIP3、LC3、NIX和FUNDC1等。在AD中，几种主要的线粒体自噬途径被确定，主要包括Aβ蛋白诱导的线粒体自噬途径、氧化应激诱导的线粒体自噬途径、PINK1-Parkin介导的线粒体自噬途径和受体介导的线粒体自噬途径。其中，PINK1-Parkin受体介导的线粒体自噬作用得到了很好的研究，也是最为人所知的线粒体自噬途径。

3.1 Aβ蛋白积聚诱导的线粒体自噬异常 AD患者中一个典型的病理特征是神经元胞外Aβ积聚形成淀粉样斑块。研究［16］表明，外源性Aβ肽干预的PC12细胞表现出PINK1、Parkin和LC3-Ⅱ水平显著降低以及自噬底物p62积累为特征的线粒体自噬受损。在大鼠脑室内注射外源性Aβ同样会导致PINK1、Parkin和LC3-Ⅱ的水平降低和p62的积累。同样，在过表达Aβ蛋白的秀丽隐杆线虫神经元中也观察到了线粒体自噬活性降低［17］。因此，Aβ蛋白积聚可作为线粒体自噬功能受损的上游事件。当神经元内线粒体自噬功能发生障碍时，大量功能障碍的线粒体无法被及时清理，致使进一步加快神经元胞外Aβ蛋白的沉积进而加重线粒体自噬障碍，形成恶性循环，加速AD的发生进展，利用特异性药物调控Aβ蛋白可以为治疗AD提供新的治疗策略。

3.2 氧化应激诱导的线粒体自噬异常 氧化应激是AD等神经退行性疾病中发挥神经毒性的主要因素。一般来说，当体内ROS的产生和蓄积超过机体对其清除能力时，便会导致细胞内ROS水平增加或氧化应激［18］。氧化应激过程中，ROS作为线粒体代谢副产品，是衰老、代谢和神经退行性疾病发生的物质基础。研究［19］发现，TRPML1蛋白是神经元内氧化应激的感受器，TRPML1蛋白接受到神经元内ROS含量异常增多的信号后，能促进神经元的线粒体自噬活性，加速对受损线粒体的清除，从而减少线粒体产生自由基。另外，关于AD的相关研究结果显示，脑内存在一种可以产生ROS的糖基化终产物（advanced glycation end products， AGEs）。AGEs及其受体均在星形胶质细胞、小胶质细胞和神经元中表达，并且在AD脑组织样本中可检测到高水平AGEs受体的表达。AGEs与其受体结合后可诱导ROS的产生并显著促进氧化应激诱导的线粒体自噬［20］。然而，虽然适度增加的ROS能作为信号能诱发线粒体自噬，但是ROS过度增加反而引起蛋白质和脂质分子氧化损伤，进一步加重AD患者神经元的损伤，促使AD的病理性改变。

3.3 PINK1-Parkin通路介导的线粒体自噬异常PINK1-Parkin通路是众多线粒体自噬途径中的一条，其异常与多种疾病的发生密切相关。研究［21］显示，PINK1蛋白锚定并招募Parkin到线粒体，进而触发线粒体自噬作用。在正常生理条件下，当机体细胞线粒体遭受氧化应激、炎症反应等刺激时，线粒体外膜上累积PINK1蛋白，使功能失调的线粒体外膜去极化，并与线粒体内膜上产生质子浓度梯度［22］。在去极化线粒体中，PINK1蛋白激酶在线粒体外膜积累，通过泛素的磷酸化激活Parkin。Parkin作为线粒体自噬信号的“增强子”，具有E3泛素连接酶活性，它可以泛素化线粒体外膜中的几种底物，与泛素链（如衔接蛋白p62、OPTN、NDP52）相互作用，从而通过与LC3结合进行线粒体自噬。然而，在AD等神经退行性疾病中，神经元遭受持续性氧化应激，造成线粒体持续去极化，引起PINK1向线粒体运输受到抑制，阻碍线粒体自噬启动程序。另外，也有研究［23］显示，在氧化应激的条件下，自噬溶酶体系统障碍影响线粒体自噬功能，阻碍受损线粒体通过线粒体自噬途径降解，促进神经退行性疾病的发生。因此，在AD治疗过程中，靶向激活PINK1-Parkin通路介导的线粒体自噬程序，可加速功能障碍线粒体的清除，改善神经元线粒体的正常生理功能，从而缓解AD疾病的发生、发展过程。

3.4 受体介导的线粒体自噬异常 线粒体自噬异常与AD发病密切相关，但其机制极其复杂，除了经典的PINK1-Parkin通路相关的线粒体自噬外，在哺乳动物中还发现了其他受体介导的线粒体自噬通路，如NIX/BNIP3介导的线粒体自噬［24］。在哺乳动物细胞中，NIX和BNIP3都具有锚定LC3相互作用区，因此被定义为线粒体自噬受体。在受体介导的线粒体自噬中，线粒体的外膜蛋白BNIP和NIX启动受体依赖性线粒体自噬。这些受体蛋白直接与LC3结合，并介导线粒体清除过程。研究［25-26］显示，氧化应激产生的ROS和线粒体自噬受体NIX通过增强Parkin在受损线粒体上的易位来促进线粒体自噬的诱导和启动，表明PINK1/Parkin介导的线粒体自噬和受体介导的线粒体自噬途径可能是相互依赖的。另外，在AD发生发展过程中，脑组织内Aβ的增加导致Parkin蛋白表达水平减低，进而影响PINK1-Parkin途径诱导的线粒体自噬活性的下降［27］。因此，受体介导的线粒体自噬在AD疾病的发生过程中，可能通过抑制PINK1/Parkin介导的线粒体自噬信号通路，降低线粒体自噬活性，致受损线粒体无法被自噬溶酶体降解而堆积，导致AD病程的加重。

综上所述，我们总结归纳了部分引起线粒体功能障碍的研究结果，包括氧化应激、线粒体动力学、线粒体自噬等。可溶性Aβ蛋白的聚集和高度磷酸化的Tau蛋白可损害线粒体功能，如细胞色素C氧化酶活性、ATP生成和自由基清除。氧化应激相关的线粒体受损反过来会进一步导致Aβ蛋白的聚集和Tau蛋白的过度磷酸化，从而形成恶性循环。线粒体自噬是维持细胞正常生理功能的过程，线粒体自噬功能的失调在AD疾病中发挥着重要的作用，有多种通路介导的线粒体自噬途径参与AD的发生发展，包括Aβ蛋白诱导的线粒体自噬途径、氧化应激诱导的线粒体自噬途径、PINK1-Parkin介导的线粒体自噬途径以及受体介导的线粒体自噬途径等，但其机制尚未完全清楚，相信随着进一步的深入和系统的研究，越来越多的研究揭示线粒体自噬与AD之间的关系，并作为一个新的靶点，为AD的治疗提供可行的策略。