因線粒體功能障礙而引發(fā)的帕金森病

1、因線粒體功能障礙而引發(fā)的帕金森病摘要：約 85% 帕金森病患者未發(fā)現(xiàn)有明確的病因,為原發(fā)性帕金森病( PD) 。其發(fā)病原因可能為多種因素共同作用的結(jié)果,這些因素包括: 遺傳易感性、 衰老、 氧化應(yīng)激、 毒素、 線粒體功能缺陷及興奮毒性等。近年來發(fā)現(xiàn)線粒體功能缺陷在PD 中起重要作用。關(guān)鍵詞：帕金森；線粒體；功能障礙帕金森病(PD)是一種常見的神經(jīng)系統(tǒng)變性疾病, 其臨床表現(xiàn)為靜止性震顫、 肌強直、 運動徐緩。其神經(jīng)病理學(xué)特征包括黑質(zhì)致密區(qū)多巴胺能細胞變性和進行性脫失, 部分存活的神經(jīng)元內(nèi)出現(xiàn) lew y 體。早期的研究就曾發(fā)現(xiàn)PD病人血小板線粒體功能低下, 現(xiàn)代分子生物學(xué)進一步證實PD 病人多種

2、組織細胞內(nèi)的線粒體復(fù)合體 I、II、III甚至 I V都存在功能缺陷。自從發(fā)現(xiàn)黑質(zhì)毒素M PP+能抑制復(fù)合體I (C1)活性后, 線粒體就成為 PD 發(fā)病機制研究的熱點。1 PD 線粒體功能失調(diào)的證據(jù)有報道認為, PD 病人黑質(zhì)紋狀體系統(tǒng)的線粒體呼吸鏈C1 數(shù)量減少和活性降低, 但引起降低的主要原因尚不清楚。在腦組織內(nèi), 黑質(zhì)紋狀體系統(tǒng)C1 活性降低的結(jié)果基本相同。在骨骼肌, 有 5 個研究組報道為活性降低, 4 個研究組報道為活性正常。另外, 在28 例PD 和29 例對照組的靜息性肌肉31P 磁共振掃描的研究中, 發(fā)現(xiàn) P i/Pcr 率明顯不同, 其結(jié)果提示PD 病人骨骼肌能量代謝有輕度

3、損害。在血小板, 有 4 個研究組報道C1 活性降低而有 3 個研究報道C1 活性正常; 在淋巴細胞, 1 個研究組報道C1 活性降低而有2 個研究組報道C1 活性正常?？梢? 關(guān)于C1 活性有規(guī)律降低的結(jié)果大體相當。這些結(jié)果產(chǎn)生分歧的原因可能因測定酶活性的方法、 標本處理和尸檢時間不同所致。很多報道也提出方法學(xué)對于酶活性測定的有效性的問題。PD 尸檢腦組織的氧化磷酸化(OXPHO S)活性分析表明: 黑質(zhì)致密區(qū)的C1 活性下降了 37% , 還有報道少數(shù)病例CÊ、 Ë和三羧酸循環(huán)酶(A 2酮戊二酸脫氫酶(KGDHC)的免疫反應(yīng)性也有異常。PD 的C1 缺陷極其類似于甲基2

4、苯基2四氫吡啶(M PTP)誘發(fā)的生化損害, 這也為毒素模型與特發(fā)性病例提供了一個直接的比較。在分析 PD 的其他腦區(qū)并未發(fā)現(xiàn)OXPHO S 有任何缺陷。在用PD 病人線粒體轉(zhuǎn)染細胞的Ca2+內(nèi)穩(wěn)態(tài)研究中, PD 病人和對照者血小板線粒體轉(zhuǎn)染細胞(雜交體細胞)和 Eor 細胞(無線粒體)進行培養(yǎng)。PD 病人的雜交體細胞C1 活性下降了26%; PD 病人的雜交體細胞加碳恢復(fù)誘導(dǎo)增加細胞內(nèi)鈣, 結(jié)果發(fā)現(xiàn)比對照者減慢達 53%。綜合這些資料, 表明 PD 中腦黑質(zhì)線粒體特別是C1 活性確有異常, 其他組織細胞中復(fù)合體缺陷較輕微, 黑質(zhì)中出現(xiàn)的降低有顯著性意義。由此假設(shè), 一旦局部的影響如氧化應(yīng)激和

5、內(nèi)源性神經(jīng)毒素在黑質(zhì)形成, 就可能促進黑質(zhì)紋狀體系統(tǒng)C1 的缺陷。2PD 線粒體功能失調(diào)的可能原因2 . 1線粒體DNA 的突變每一線粒體都有幾個環(huán)形DNA 拷貝, 由 16569 個堿基對組成。因為41 個線粒體復(fù)合體 I的亞單位中的七個是由m tDNA 所編碼的,m tDNA 分析發(fā)現(xiàn)存在刪除和突變。首先, 在 5 個尸檢PD 病人和 6 個對照者紋狀體DNA 中,發(fā)現(xiàn)有共同的 52 kbm tDNA 刪除。最近的研究表明, 52kb 刪除僅是很小的一部分,m tDNA 刪除的增多則可能是加速黑質(zhì)細胞死亡的因素之一。關(guān)于PDm tDNA 發(fā)生的點突變, 分析5 例PD 病人整個m tDNA

6、 序列, 并與30 多例患者和正常對照者進行比較。雖然未發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致 PD 的特異性突變, 但是在PD 中仍發(fā)現(xiàn)了許多點突變, 而正常對照者中極少。2 . 2編碼線粒體蛋白質(zhì)的核基因組的突變2 . 2 . 1PD 的C1 亞單位基因的突變C1 由三個不同片段組成: 黃素蛋白、 鐵硫蛋白和疏水基團。黃素蛋白是一水溶性的, 由 3 種蛋白組成(51Kda、24Kda 和 10Kda)。黃素蛋白具有NADH2脫氫酶活性,NADH 結(jié)合位點在51Kda 亞單位內(nèi)。人類 C1 31 . 5Kb、 由 8 個編碼順序組成。篩選 PD 病人NDU FV 2 所有編碼順序, 發(fā)現(xiàn)了在24Kda 前體蛋白的信號肽(

7、A la29V al, CT 替換)有一新的多態(tài)性突變。突變的等位基因, 123 例 PD 病人為 32 . 7% , 113 例對照者為 38 .9% , 突變的等位基因出現(xiàn)頻率兩組無顯著性差異(P > 0 .05) , 而異型分布兩組顯著不同(P < 0 . 05)。2 . 2 . 2PDA 2酮戊二酸脫氫酶基因的突變KGDHC 由三個酶組成: E1 (-酮戊二酸脫羧酶)、 E2 (二氫硫辛酸轉(zhuǎn)琥珀酸酶)、 E3 (二氫硫辛酸脫氫酶)。E2 是此復(fù)合體的關(guān)鍵酶。最近, E2 的基因被克隆出來, 其基因組序列已確定。E2 的基因位點定位于染色體14的14q24 . 2q24 .

8、3。在研究 PD 病人的基因組DNA 時, E2 基因的編碼順序 8 中有 2 個等位基因的多態(tài)性已被發(fā)現(xiàn)。核苷酸序列揭示編碼順序 8bp 134 出現(xiàn)一單核苷酸替換發(fā)生在 G(allele1)和A (allele2)。這一單核苷酸替換并沒有引起基因翻譯產(chǎn)物氨基酸序列的改變。與對照組相比, PD 病人等位基因 2 的頻率較高(41%對 28 . 7% , P < 0 . 001)。2 . 2 . 3PDM n-SOD 基因的突變Mn-SOD 在線粒體功能失調(diào)和氧化應(yīng)激中都處于核心地位。有報道散發(fā)性PD中M n-SOD活性升高。 如果M n-SOD 活性太低, 超氧陰離子就在線粒體內(nèi)積聚。

9、如果太高,SOD 催化反應(yīng)的中間產(chǎn)物過氧化氫就大量積聚。所以M n2SOD 活性只有處于適當水平才能避免自由基損害。成熟M n-SOD 蛋白是一種四聚體, 由四個前體肽組成。 M n-SOD前體肽需要一信號肽以跨過線粒體膜, 信號肽由 24 個氨基酸組成。在 20 例PD 病人基因組DNA 進行測序, 與正常序列進行比較, 發(fā)現(xiàn)了線粒體靶序列新的多態(tài)性突變, 它可能引起信號肽 16 位V al與A la 氨基酸替換。突變基因的等位基因頻率在 PD 中明顯高于對照組, 這可能是導(dǎo)致PD 的遺傳危險因素之一。2 . 3線粒體毒素2 . 3 . 1外源性線粒體毒素如果C1 缺陷是一有規(guī)律性異常, 那

10、么C1 的抑制可能是由外源性線粒體毒素所致。 關(guān)于M PTP 的作用機制的報道很多, 更多地清楚顯示M PTP 是通過它的活性形式M PP+, 不僅是 C1 的抑制劑還可引起自由基產(chǎn)生增多。M PP+是一種C1 的可逆性抑制劑, 引起A TP 水平降低。如果細胞色素氧化酶(C )被抑制, 則M PTP 誘導(dǎo)較嚴重的和不可逆性C1 抑制。 這種抑制作用可被自由基清除劑所阻止,提示C1 在這些情況下的氧化損害。C1 抑制導(dǎo)致呼吸鏈產(chǎn)生自由基增多, 因而M PP+動物模型提示C1 缺陷和損害的自我擴大循環(huán)可能導(dǎo)致進行性細胞損害。此情況更符合用 18 熒光多巴PET 檢查接觸M PP+病人時出現(xiàn)的進行

11、性紋狀體損傷。M PP+可能直接產(chǎn)生自由基。另外, 在靈長類動物和鼠觀察NO 合酶抑制劑 72硝基吲噠唑能對抗M PTP 毒性, 提示NO 產(chǎn)生是這一毒性效應(yīng)的介質(zhì)。然而,另一NO 合酶抑制劑L-N G-硝基精氨酸甲酯確沒有保護作用。最近證實 7-硝基吲噠唑是一種MAO-A 抑制劑,MAO 是催化M PTP 轉(zhuǎn)化為M PP+的。NO 也顯示有直接抑制C1、 C和C的作用, 然而這需要在特定情況下。最近的研究發(fā)現(xiàn)NO 能增強M PP+對C1 的結(jié)合作用并能被過氧化氫酶、 還原型氧合血紅蛋白(HbO 2)和還原型 GSH所阻止。因而具有NO 參與M PTP 毒性的因素并能促進毒性, 這一作用更得到

12、 7-硝基吲噠唑抑制MAO- B 的證實。2 . 3 . 2內(nèi)源性線粒體毒素如果C1 缺陷僅限于在黑質(zhì), 那么可能此C1 缺陷是由于在黑質(zhì)區(qū)形成的對黑質(zhì)起神經(jīng)毒性作用的物質(zhì)所致。最近, 發(fā)現(xiàn)一種酶能反向地從多巴胺合成R-豬毛菜酚。豬毛菜酚是多巴胺和乙醛化合而成的, 將甲基轉(zhuǎn)移到豬毛菜酚氨基端的酶也被證實。因此,調(diào)節(jié)這些化合物的合成和代謝的酶的水平?jīng)Q定了這些物質(zhì)在組織中的水平, 酶水平的不同可能也反映了此酶基因的多態(tài)性。2 . 4氧化應(yīng)激PD C1 缺陷可能繼發(fā)于氧化應(yīng)激。黑質(zhì)存在氧化應(yīng)激早有報道。最近, PD 神經(jīng)元水平的脂質(zhì)過氧化物增高被檢測羥化修飾蛋白的免疫組化方法所證實。羥化物是一不飽和

13、性醛, 由脂質(zhì)過氧化物的不飽和脂肪酸所釋放。羥化物與蛋白質(zhì)的半胱氨酸、 組氨酸、 賴氨酸殘基反應(yīng), 誘導(dǎo)這些蛋白發(fā)生結(jié)構(gòu)改變和功能失常。羥化物也是重要的自由基損害的介質(zhì)。免疫活性羥化物修飾蛋白在 PD 病人黑質(zhì)神經(jīng)元的胞漿中顯著增加。 因為90%的氧是被線粒體所利用, 在PD 線粒體就很易出現(xiàn)氧化應(yīng)激。如果是這樣, C1 可能在疾病的早期階段就發(fā)生損傷。事實上, Zhang 等15 報道了自由基對C1 和C有損害。如果氧化應(yīng)激在 PD 是先發(fā)生, 然后才出現(xiàn)線粒體功能失調(diào), 那么就存在可能有其他原因觸發(fā)氧化應(yīng)激。鐵積聚可能是導(dǎo)致氧化應(yīng)激的因素之一, 然而, 鐵積聚并不局限于 PD。鐵也能增加M

14、 PTP 誘發(fā)猴的PD 綜合征。過氧化氫似乎是 PD 氧化應(yīng)激的重要介質(zhì), 但過氧化氫自身并無大的毒性。3 線粒體功能失調(diào)在PD 發(fā)病機制中的作用 研究資料顯示 PD 病人存在線粒體功能失調(diào), 特別是C1 缺陷。 至少在部分病例中C1 缺陷是由m tDNA 缺陷所導(dǎo)致的?？梢酝茰y, 在PD 存在著先天缺陷和后天代謝異常等因素誘發(fā)多巴胺能神經(jīng)元死亡, 而線粒體則是兩方面因素都攻擊的目標。其他因素, 如外源性毒素包括左旋多巴, 可能加重C1 缺陷、 進一步引起m 降低以及促使細胞死亡。相似地, 其他因素也可通過此途徑發(fā)揮作用, 如內(nèi)源性毒素包括多巴胺、NO 和自由基。上述過程可能與部分病例有關(guān)。A

15、 -synuclein 基因突變引起神經(jīng)元死亡的機制還不清楚, 可能涉及完全不同的通路。雖然呼吸鏈缺陷的方式能提供一些線索, 但是必須對整個m tDNA 基因組進行測序。與此相似, 有人既使存在與 PD 相關(guān)的m tDNA 突變也不會發(fā)病, 可能因為他們沒有接觸導(dǎo)致嚴重多巴胺能神經(jīng)元死亡的其他內(nèi)源性或外源性毒素?？傊? 線粒體功能失調(diào)也許是眾多導(dǎo)致黑質(zhì)細胞死亡通路中的一條, 對其作用的研究有助于全面認識 PD 的發(fā)病機制和發(fā)現(xiàn)新的治療手段。參考文獻1 原相麗. PINK1基因突變與氧化應(yīng)激、線粒體功能障礙在帕金森病發(fā)病機制中的作用研究D.中南大學(xué), 2008，（11）.2 任海剛. 帕金森病和癌癥相關(guān)蛋白DJ-1在自噬和線粒體的功能研究D. 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué), 2010(03).3耿榮,李國君. 線粒體基因組在帕金森病發(fā)病機制中的作用J國外醫(yī)學(xué)(分子生物學(xué)分冊), 2002, (05) . 4彭潔,管濤,高洪. 線粒體超微病變與線粒體病J中國畜牧獸醫(yī), 2006, (08) .5 真國輝,姜波,安利佳. 線粒體復(fù)合物抑制與帕金森病J. 中國老年學(xué)雜志, 2008, (15) .6 梁源,楊慧. 線粒體、-突觸核蛋白在帕金