线粒体功能异常在阿尔兹海默病中的研究进展

线粒体功能异常在阿尔兹海默病中的研究进展

王剑

王剑

（重庆医科大学附属第一医院神经内科重庆400016）

【摘要】越来越多的证据显示线粒体损伤在阿尔兹海默病中的重要作用，氧化应激和线粒体动力学失衡参与其早期病理进程，理解线粒体在AD中的发病机制有利于为研究以线粒体为靶点治疗AD提供理论实验依据。

【关键词】线粒体；阿尔兹海默病；功能异常；综述

【中图分类号】R74【文献标识码】A【文章编号】2095-1752（2016）18-0013-02

Theresearchprogressofmitochondrialdysfunctioninalzheimer'sdiseaseWangJian.

FirstAffiliatedHospitalofChongqingMedicalUniversity,Chongqing400016,China

【Abstract】Therearemoreandmoreevidencethatmitochondriadamageplaysanimportantroleinalzheimer'sdisease.Oxidativestressandmitochondrialdynamicsimbalancesinitsearlypathologicalprocess.UnderstandthemitochondriainthepathogenesisofAD,whichisbeneficialtoasresearchtargetsmitochondriaprovidetheoreticalexperimentbasisfortreatmentofAD.

【Keywords】Themitochondria;Alzheimer'sdisease;Dysfunction;Review

阿尔兹海默病（Alzheimerdisease,AD）是一种进行性神经系统变性疾病并最终将导致痴呆，细胞外淀粉样斑块的沉积和高磷酸化tau蛋白形成的神经纤维缠结是其两个重要的组织病理学特点。尽管进行了非常广泛的研究，但AD的发病机制仍不能得到很好的阐明。1991年Hardy和Allsop提出了淀粉样蛋白级联假说，代表了目前AD发病机制的主要流派，但随着近年来抗淀粉样斑块药物在临床研究中宣布失败，关于AD疾病的发病机制的认识再一次陷入了尴尬的地步。2004年，由Swerdlow和Khan共同提出的线粒体级联假说，强调了氧化应激引起的线粒体功能障碍在晚发性AD发病中的重要作用[1]。功能异常的线粒体可以产生高水平的氧化自由基对细胞的寿命及抗氧化防御系统产生打击，线粒体同时也是氧化应激的重要靶点，将进一步造成线粒体功能恶化，而线粒体功能障碍是AD的最早和最突出的特点之一。本文主要将重点阐述在AD中线粒体动力学、能量代谢及轴突运输的改变，而研究这些机制将会给AD的诊断和治疗带来新的思路。

1.线粒体动力学

线粒体是一个动态变化的细胞器，自身在不断的分裂和融合，保障线粒体的正常功能，这种分裂和融合的现象又称为线粒体动力学。有大量的证据表明在很多神经系统退行性疾病中存在线粒体动力学功能障碍，甚至有研究提示着线粒体动力学的改变可能是迟发性AD的病理原因，而非简单的一个结局。线粒体动力学受到几个GTP酶动态调节，线粒体融合蛋白1和2（Mfn1和Mfn2）及Opa1控制线粒体的融合伸长，而线粒体动力相关蛋白1（DRP1）、裂变蛋白（FIS1）和线粒体分裂因子（MFF）是线粒体分裂中主要功能蛋白。线粒体动力学是维持线粒体完整性和功能的基础，包括线粒体能量代谢、氧化自由基的产生和细胞凋亡的调控等。

与同年龄的对照组个体相比AD患者的脑组织样本分析显示有线粒体形态的改变，这一结果同样在使用M17神经母细胞瘤细胞系研究中得到证实，在瑞典突变型APP细胞中线粒体形态由正常薄的长形变的更碎片化，他们还发现在M17细胞中Aβ可以上调Drp1和Opa1的表达，降低FIs1的水平。Manczak报道在AD患者的额叶皮层线粒体分裂基因Drp1和Fis1在mRNA和蛋白质水平均有增加，而融合基因Mfn1、Mfn2及OPA1表达均显著减少[2]。从另一个方面来说，融合蛋白的功能缺失影响AD线粒体质量控制，这可能导致内质网应激，尤其是在一些Mfn2不足的情况下。目前尽管我们已知线粒体动力学的改变会影响生物的能量代谢和线粒体自噬，分裂/融合蛋白在AD的发病机制中的作用仍然难以捉摸。

Calkins研究发现在转基因AD小鼠初级神经元中轴突及树突空间线粒体数目的减少，而更多的神经元集中在神经元胞体中，同时他们还发现在转基因AD神经元与野生型相比较轴突线粒体的顺行传输的速度显著降低，而之前有相关研究显示在AD中轴突运输受损提示线粒体分裂因子（Drp1和Opa1）的缺乏，并因此导致突触的损失及大鼠培养神经元树突棘的减少，提示了AD中的线粒体分裂因子调控了线粒体分布及突触退行性改变[3]。

有重要的研究显示，Aβ聚集通过与线粒体直接作用而产生神经毒性，Aβ可以通过外膜转运酶进入线粒体内并不断聚集，此外，在APP/Aβ小鼠皮层神经元里发现Aβ与突触线粒体有关，且在Aβ/PS1小鼠模型皮层裂解液的免疫沉淀和免疫荧光研究表明Aβ与Drp1有相互作用，这个同时也在AD患者大脑皮层裂解液和脑片中得到一致结果。近期在小鼠皮层细胞研究表明Tau过表达可以引起线粒体运动活性降低及线粒体长度缩短，而在3xTg-AD和APP/PS1皮层和海马免疫共沉淀显示tau蛋白与Drp1有显著共定位，这些结果也在AD患者脑组织中得到相同结果[4]。以上表明tau蛋白的病理变化可以与Drp1相互作用影响了线粒体的动力学，但tau蛋白病理变化具体如何影响线粒体分裂/融合蛋白活性及表达仍需要进一步探索。

2.线粒体能量代谢

全基因组转录组研究提示，AD患者大脑的糖代谢的下降与编码线粒体电子传递链亚基的核基因在神经元里的表达减少有关，事实上，几个氧化磷酸化反应关键的酶包括α-酮戊二酸脱氢酶复合体、丙酮酸脱氢酶复合物和细胞色素氧化酶在AD神经元的活性表达均不同程度的受损，受损的程度与AD的临床病程和斑块数量相关。糖代谢在基线和纵向水平的降低已越来越多的被用于监测AD和轻度认知障碍（MCI）的认知功能改变的敏感指标。

发生在线粒体中的三羧酸循环是生物体内普遍存在的代谢途径，有大量的文献表明2-酮戊二酸脱氢酶（2-OGDH），早先称为α-酮戊二酸脱氢酶是三羧酸循环中的一个关键调控点，其功能在AD的患者神经元被抑制，在转基因小鼠AD中2-OGDH复合物相比野生型较低。2-OGDH复合物包含三种不同的酶：2-酮戊二酸脱羧酶（E1）、二氢硫辛酰胺琥珀酰转移酶（E2）和二氢硫辛酰胺脱氢酶（E3），有研究发现在AD病人的颞叶皮层及海马、顶叶皮质2-OGDH复合物和三个亚单位均有显著降低。在敲除了二氢硫辛琥珀酰转移酶（(DLST）杂合子AD小鼠中发现Aβ寡聚体和斑块升高，而这些小鼠的空间学习和记忆均有不同程度损害，提示2-OGD可能是氧化应激的敏感靶点。同样在其他的实验中也发现通过基因调控或者特定抑制剂降低2-OGDH的活性可以影响神经元能量代谢及氨基酸的合成，Trofimova[5]等用2-OGDH的抑制剂琥珀磷酸酯处理了大鼠神经元，结果显示2-酮戊二酸和丙酮酸含量增加，提示三羧酸循环活性被被抑制，与此同时，也发现丙氨酸、谷氨酸和GABA的水平明显升高，这是由于合成氨基酸原料2-酮戊二酸水的增加。在另一项研究发现将2-OGDH的关键成分DLST的敲除后大鼠脑内葡萄糖的利用率会降低，这些结果提示了三羧酸循环受损会负反馈影响大脑葡萄糖的代谢，而越来越多的证据从影像学研究表明，大脑糖代谢进行性下降是AD早期有效的诊断参数。在大脑里胆碱能区域是最易引起葡萄糖代谢减退，而有趣的是，在胆碱能神经元含有丰富的2-OGDH复合物，比如大鼠海马锥体神经元CA1和CA2区域。

氧化磷酸化反应（OXPHOS）是发生在线粒体内膜上4个呼吸复合物和ATP复合酶将电子从NADH和FADH2转移到分子氧并生成ATP的过程，氧化磷酸化的紊乱降低ATP的生成和活性氧的堆积，并进一步破坏线粒体的动力学引起线粒体分裂。在AD患者大脑中老年斑聚集的神经突触缺乏细胞色素C氧化酶（复合物IV），Nagy等研究AD患者大脑组织时观察发现含有神经原纤维缠结的海马神经元较其附近健康的神经元表现出低水平的细胞色素C氧化酶。Xie等在转基因AD小鼠中观察到β淀粉样斑块周围的神经元的线粒体更加碎片化，且细胞色素C氧化酶亚基4的表达更低，所以这些神经元合成ATP的效率也更低，这些研究提示了在AD大脑中似乎复合物IV，尤其是其亚基4对于呼吸链酶复合体影响较大[6]。

3.线粒体轴突运输

线粒体能通过微管运动在多种不同蛋白质复合物帮助之下实现将物质从胞体运输到神经末端纤维，即轴突运输，主要包括两种方式：（1）用来转运细胞质及细胞骨架蛋白的慢运输；（2）用来转运具有膜结构的细胞器的快运输，包括囊泡和线粒体[7]。此外运送到神经纤维末端称为顺向运输，而沿着向胞体运输称为逆向运输。

线粒体机制中亲环蛋白D（CyclophilinD，CypD）是线粒体通透性转换孔（mitochondrialpermeabilitytransitionpore，MPTP）的一个重要组成成分，最近的一项研究旨在确定CypD依赖的mPTP导致的线粒体功能障碍是否与Aβ导致的轴突运输损伤的联系显示，CypD的缺失显著保护了线粒体动力和轴突运动，降低了Aβ毒性损害而增加了轴突线粒体密度和分布，并提高了轴突线粒体双向运输能力[8]。研究者由此提出Aβ-CypD介导的线粒体轴突运输损伤的假设，即在Aβ存在下，CypD介导的MPTP的开放增加，导致Ca2+平衡紊乱和自由基产生增多。

3xTg-AD小鼠研究显示在Aβ沉积和tau聚集之前就发现轴突运输受损和轴突肿胀，这种轴突运输缺陷可能是AD早期的病理表现。用Aβ处理的小鼠海马神经元线粒体顺行运输明显降低，线粒体长度缩短和突触前蛋白表达减少，表明Aβ可能通过线粒体损伤引起突触可塑性改变。另一项研究显示Aβ处理的野生型和tau缺陷小鼠的海马神经元相比较，野生型轴突线粒体和神经营养蛋白受体TrkA活性抑制更明显，这种现象在观察轴突顺行运输更显著，而部分或tau完全敲除可以防止这种缺陷，提示了tau在Aβ损害轴突运输有较为关键作用。另外，Aβ寡聚体还可以通过活化NMDA受体、糖原合酶激酶3β（GSK3β），和酪蛋白激酶2（CK2）来引起轴突运输功能障碍[9]。

在AD共表达Aβ1–42和人过磷酸化tau蛋白的果蝇模型中tau磷酸化水平进一步增加而轴突运输功能更加恶化，由此我们推测，Aβ和tau协同共同引起AD的轴突运输功能改变，它们共同的关系错综复杂，其独立的机制却仍不明晰，有待进一步研究。

4.总结

这里我们讨论了线粒体损伤在阿尔兹海默病重的重要性，在AD中，线粒体功能异常可以在3个不同方面受到影响：（1）线粒体结构和形态（线粒体动力学）（2）能量代谢（ATP和氧化应激）（3）轴突运输。线粒体形态学改变即长度更短更碎片化可以伴有能量代谢及抗氧化能力降低，这将无法为神经元提供足够的能量供应，线粒体轴突运输是建立神经元极性的关键所在，传输缺陷可以通过突触可塑性来影响神经元各种信号通路。有趣的是，相关基础研究提示线粒体损伤发生在AD的早期病理改变，因此，通过改善线粒体动力学、生物能和轴突传输应作为神经退行性病变早期干预治疗的有效手段之一。总体来说，目前阿尔兹海默病中线粒体相关发病机制和治疗的研究仍在探索中，但线粒体对于阿尔兹海默病的重要性不言而喻，也为今后AD药物靶点的开放提供新的思路。

【参考文献】

[1]Swerdlow,R.H.andS.M.Khan,A"mitochondrialcascadehypothesis"forsporadicAlzheimer'sdisease.MedHypotheses,2004.63(1):p.8-20.

[2]Manczak,M.,M.J.Calkins,andP.H.Reddy,ImpairedmitochondrialdynamicsandabnormalinteractionofamyloidbetawithmitochondrialproteinDrp1inneuronsfrompatientswithAlzheimer'sdisease:implicationsforneuronaldamage.HumMolGenet,2011.20(13):p.2495-509.

[3]Calkins,M.J.,etal.,Impairedmitochondrialbiogenesis,defectiveaxonaltransportofmitochondria,abnormalmitochondrialdynamicsandsynapticdegenerationinamousemodelofAlzheimer'sdisease.HumMolGenet,2011.20(23):p.4515-29.

[4]Manczak,M.andP.H.Reddy,AbnormalinteractionbetweenthemitochondrialfissionproteinDrp1andhyperphosphorylatedtauinAlzheimer'sdiseaseneurons:implicationsformitochondrialdysfunctionandneuronaldamage.HumMolGenet,2012.21(11):p.2538-47.

[5]Trofimova,L.K.,etal.,Consequencesofthealpha-ketoglutaratedehydrogenaseinhibitionforneuronalmetabolismandsurvival:implicationsforneurodegenerativediseases.CurrMedChem,2012.19(34):p.5895-906.

[6]Xie,H.,etal.,MitochondrialalterationsnearamyloidplaquesinanAlzheimer'sdiseasemousemodel.JNeurosci,2013.33(43):p.17042-51.

[7]Wang,Z.X.,L.Tan,andJ.T.Yu,AxonaltransportdefectsinAlzheimer'sdisease.MolNeurobiol,2015.51(3):p.1309-21.

[8]Guo,L.,etal.,CyclophilinDdeficiencyrescuesaxonalmitochondrialtransportinAlzheimer'sneurons.PLoSOne,2013.8(1):p.e54914.

[9]Vossel,K.A.,etal.,TaureductionpreventsAbeta-induceddefectsinaxonaltransport.Science,2010.330(6001):p.198.