脂质在帕金森病发生中的作用及机制研究进展

郭 兴，胡明慧，孙亚男，崔振武，邢红霞，张 伟；单琳琳，李超堃

(1.新乡医学院第二附属医院,河南省生物精神病学重点实验室,河南 新乡 453002;2.新乡医学院基础医学院,河南 新乡 453003;3.新乡医学院第三附属医院神经内科,河南 新乡 453003)

脂质在许多生物过程中发挥作用,对大脑的发育及功能维持尤为重要。近年来,研究表明,脂质与第二大中枢神经系统退行性疾病——帕金森病(Parkinson′s disease,PD)的发生发展有关[1-3]。尽管具体机制尚不清楚,但脂质与α-突触核蛋白(alpha-synuclein,ASN)结合形成α-螺旋脂质-蛋白质复合物,从而形成不溶性聚集体的研究已得到广泛关注[4-5]。本文将对脂肪酸(free fatty acids,FFAs)、甘油脂类、磷脂酸、鞘脂及甾醇等脂质分子在PD发生、发展中的作用及机制相关研究进展进行综述,以期为PD的预防、治疗措施的研究提供参考。

1 脂质分子在PD发生中的作用

1.1 FFAs与PD的发生

研究显示,与健康对照者相比,PD患者血浆中FFAs代谢物显著减少[6]。短链脂肪酸(short-chain fatty acids,SCFAs)含有2～6个碳原子,是肠道微生物代谢的主要产物。临床研究发现,PD患者粪便中SCFAs水平明显降低,并具有性别依赖性,且PD发病年龄与SCFAs呈正相关[7];CHEN等[8]研究也发现,PD患者粪便中SCFAs水平明显降低,但血浆中SCFAs水平却呈上调趋势。SHIN 等[9]研究发现,血浆SCFAs在PD患者呈增加趋势,并与疾病的严重程度和抗PD药物相关。多不饱和脂肪酸(polyunsaturated fatty acids,PUFAs),尤其是n-3脂肪酸,是人体膳食中必需的营养脂肪酸,也是细胞膜的重要组成成分。研究发现,血浆中高水平PUFAs以及低饱和脂肪的饮食均可降低PD的风险,其中α-亚油酸和亚油酸水平与PD患者运动障碍严重程度呈负相关,而二十二碳六烯酸和花生四烯酸水平与PD非运动症状严重程度呈正相关,提示PUFAs与PD的发生发展有关[10]。HERNANDO等[11]研究发现,PD动物模型补充n-3 PUFAs,可对抗神经炎症和氧化应激,表明n-3 PUFAs的摄入可降低PD发生。总之,多种FFAs可能参与PD的发生。

1.2 甘油酯与PD的发生

三酰甘油(triacylglycerol,TAG)由1分子甘油和3分子脂肪酸组成。来自荷兰的一项研究使用多基因风险评分来评估PD患者血液中370种脂质和脂质相关分子水平与PD发生风险的关系,结果显示,TAG与PD发生风险呈负相关[12]。FU等[13]对血清中胆固醇或TAG与PD发生风险之间的关系进行评估,结果显示,血清TAG、胆固醇水平升高可能是PD发病的保护因素。2021年,一项研究使用代谢组学分析方法对PD患者皮脂中的脂质变化进行追踪,结果发现,神经酰胺、TAG和脂肪酰基类代谢物在PD患者中表达下调[14]。SNCHEZ CAMPOS等[15]对经典的PD动物模型(ASN A53T 小鼠)的血清代谢物进行分析发现,血清中胆固醇、TAG和非酯化脂肪酸水平显著下降。但GUERREIRO等[16]研究发现,大鼠多巴胺能神经元N27细胞中过表达ASN A53T 可激活催化TAG合成的酰基辅酶a合成酶,导致TAG水平升高,这似乎相悖于PD患者体内的研究结果。

二酰基甘油 (diacylglycerol,DAG) 是细胞膜的重要组成成分,可以在Ca2+的参与下激活蛋白激酶C(protein kinase C,PKC),而活化PKC可磷酸化下游目标蛋白,参与包括神经元突触传递等许多重要的生理活动[17]。WOOD等[18]对神经退行性疾病患者体内脂质分子水平进行检测发现,不仅PD患者大脑额叶皮质中DAG水平升高,阿尔茨海默病(Alzheimer′s disease,AD)及路易体病患者大脑额叶皮质中DAG水平同样也明显升高,表明,DAG异常在疾病早期并伴随皮质功能性障碍的发生被放大。二酰甘油激酶Q (diacylglycerol kinases,DGKs)可磷酸化DAG,使其转变为磷脂酸(phosphatidic acid,PA)[19]。DGKs家族共有10种亚型,其中二酰甘油激酶 (diacylglycerol kinases theta,DGKQ)位于染色体4p16.3区,GAK/TMEM175/DGKQ区域是全基因组关联分析发现的PD第三大风险位点,与PD的易感性相关[20],这可能与DGKQ活性的改变打破了DAG与PA之间的平衡有关,提示DAG-PA轴的异常可能是PD和AD的共同特征。

1.3 磷脂与PD的发生

磷脂既是组成生物膜的基本成分,又可作为重要的信号分子参与细胞信号转导,在多种疾病的病理生理过程中发挥重要作用[21-25]。LPEZ DE FRUTOS 等[26]研究发现,与健康对照组相比,葡糖脑苷脂酶(glucocerebrosidase,GBA)缺陷病和PD患者的血清磷脂水平均明显增加,表明磷脂在此类疾病发展中发挥一定作用,血清磷脂水平可能是PD的生物标志物。甘油磷脂(glycerophospholipids,GPL)是基于甘油的磷脂,包含至少1个连接到甘油部分的O-酰基残基,如磷脂酰胆碱、磷脂酰乙醇胺(phosphatidylethanolamine,PE)和磷脂酰丝氨酸(phosphatidylserine,PS)等。这些甘油磷脂丰富并存在于哺乳动物细胞膜上,对大脑的结构形成和认知功能的发育至关重要[27]。研究发现,在精神分裂症、亨廷顿症和AD患者细胞膜中GPL水平明显升高[28-29];PD患者额叶皮层和初级视觉皮质中PS和PE水平显著升高,但黑质中磷脂酰肌醇、PS和PE水平显著降低[18,30-31]。WANG等[32]研究发现,低水平PE具有促进脂质囊泡与 ASN结合的作用。综上,磷脂水平改变可能与PD的发生相关。

1.4 鞘脂与PD的发生

细胞内鞘脂类和鞘糖脂物质既是细胞膜的重要组成成分,也参与许多细胞内信号通路调节,包括细胞增殖、凋亡等[33-35]。鞘脂类化合物的脂质部分为鞘氨醇,可被鞘氨醇激酶 1(sphingosine kinases 1,SK1)和鞘氨醇激酶 2(sphingosine kinases 2,SK2)磷酸化,转化为1-磷酸鞘氨醇 (sphingosine-1-phosphate,S1P)[35]。神经酰胺和S1P均是重要的生物活性鞘脂,共同参与神经元生存与死亡的调控,参与神经退行性疾病的生理病理过程[36]。PÉPIN等[37]在细胞实验中发现,S1P通过激活S1P受体1来增强线粒体生物生成,可保护多巴胺能神经元免受1-甲基-4-苯基吡啶诱发的细胞死亡。另有研究发现,PD小鼠黑质中SK2表达显著下调,使用S1P激动剂可产生神经保护作用,提示,SK/S1P/S1P可能是有希望的神经保护靶点[38-39]。ABBOTT等[40]通过对1例去世的PD 患者脑组织进行分析发现,前扣带皮层表现出显著的PD 病理学改变,分布在该区域的神经酰胺合酶-1基因表达显著上调。MIELKE等[41]研究发现,PD伴认知障碍患者血浆中多种神经酰胺(如C16：0、C18：0、C22：0、C24：1)水平升高。

GBA是PD的重要遗传风险因素,5%～15% 的PD患者携带GBA1基因类型变异,这可能是由于GBA基因突变造成其底物葡萄糖神经酰胺(葡萄糖脑苷脂)在多种组织中贮积有关[42]。有研究报道,携带富亮氨酸重复激酶2(leucine-rich repeat kinase 2,LRKK2)基因突变的PD患者脑脊液中神经鞘脂水平显著升高[42-43]。HU等[44]采用非靶向代谢组学和蛋白质组学分析发现,PD患者血浆中的差异代谢物中鞘脂类占25%,参与鞘磷脂代谢的6种代谢物均显著增加,提示PD患者中鞘磷脂代谢通路被激活。

1.5 胆固醇与PD的发生

胆固醇是细胞膜中不可缺少的成分,大脑中胆固醇在人体总胆固醇中占比较高。有研究报道,胆固醇水平过高会增加患PD的风险,提示血清胆固醇水平与神经变性疾病相关[45]。但是,ASCHERIO等[46]通过队列研究发现,高血清胆固醇患者罹患PD的风险较低。而一项meta分析对8项前瞻性研究和13项回顾性研究的数据进行分析发现,总胆固醇对PD具有保护作用[13]。出现结果不一致的原因可能与不同的研究招募研究对象的条件不同有关。

2 脂质失调促进PD发病的分子机制

2.1 脂质通过结合并促进ASN聚集参与PD发生发展

ASN是广泛表达在突触前轴突末梢的可溶性蛋白,可通过与突触蛋白和突触前膜相互作用调节囊泡内神经递质的聚集和释放[47-49]。研究表明,ASN的异常聚集可形成PD中常见的路易氏小体的主要蛋白质成分,单体ASN发生异常聚集并错误折叠成低聚物,从而形成路易小体,是典型的PD病理标志[50]。ASN可结合带有负电荷的脂质促进自身异常聚集可能是其参与PD发生的机制之一。

ASN由140个氨基酸残基组成,N端(1～95 号氨基酸残基)脂质结合区域甘油酯、脂肪酸、磷脂、心磷脂、鞘脂和其他酸性磷脂(磷脂酸)均能与ASN结合,结合脂质后ASN的前95个氨基酸残基从无规则卷曲转变为2个两亲性α螺旋,这种结构转变导致ASN蛋白质的异常聚集[51-52]。在PD不同细胞和动物模型中已经证明,脂肪酸、鞘磷脂、胆固醇衍生物等特定脂质水平的变化与聚集性的ASN增多有关,而且脂质性质和水平的改变也对ASN的聚集倾向产生影响[53]。因此,在PD进程中,脂质可能是通过影响ASN异常折叠而参与PD进程。

2.2 ASN掺入细胞膜导致脂质过氧化参与PD发生发展

不平衡的氧化还原状态会引起氧化应激,包括活性氧(reactive oxygen species,ROS)的过度生成或抗氧化系统功能障碍。大脑富含容易过氧化的磷脂及多不饱和脂肪酸,且对氧的需求量较高,抗氧化系统功能障碍时,神经元膜磷脂易受ROS攻击发生过氧化。磷脂酶A 2γ(phospholipase A 2γ,PLA 2γ)是参与甘油磷脂分解的重要酶。研究发现,PLA 2γ功能缺失可使线粒体ROS增加、脂质过氧化增强、ATP合成减少、谷胱甘肽水平降低及线粒体膜缺陷等病理变化,从而参与PD的发生发展[54]。在在体及离体PD模型中也观察到聚集性ASN 在细胞膜内产生ROS和脂质过氧化物[55-56]。 因此,磷脂过氧化及抗氧化酶的活性降低或丧失,可能是中脑多巴胺能神经元脆弱和进行性运动功能障碍的原因。ANGELOVA等[57]研究发现,降低PD小鼠细胞内或线粒体ROS水平,可抑制小胶质细胞的激活和脂质过氧化,增加纹状体中酪氨酸羟化酶活性,表明降低ROS及抑制脂质过氧化可发挥神经保护作用。

3 结论

PD患者存在不同程度、不同种类的脂质代谢差异,而脂质的种类以及构成可以调控ASN积聚。甘油磷脂、鞘磷脂、甾醇等不同种类的脂质是细胞膜、线粒体膜、内质网膜及高尔基复合体的主要成分。因此,细胞内膜组成中脂质成分的改变可能通过影响神经递质的囊泡运输、ASN的聚集等重要过程参与PD的发生发展。总之,脂质代谢途径和膜脂组成中一些生物活性脂质的改变可能在PD发生发展中起着重要作用,关注PD患者脂质代谢途径及脂质组学变化可为PD的治疗提供潜在靶点和生物标志物。