阿尔茨海默病线粒体损伤机制的研究进展

阿尔茨海默病线粒体损伤机制的研究进展【关键词】 阿尔茨海默病；线粒体损伤；机制　　阿尔茨海默病〔AD〕是临床较为常见的神经系统退行性病变，也是老年性痴呆的一种主要类型〔1～3〕AD患者在出现神经元丧失、认知功能明显减退等临床病理病症之前，海马和大脑顶颞叶皮层的糖代谢出现异常，氧化磷酸化系统已遭到破坏〔4〕由于能量代谢障碍是AD的根本病因之一，因此认为线粒体损伤是AD潜在的发病原因〔5〕线粒体损伤引起的细胞凋亡亦与其他多种神经退行性疾病有关，如亨廷顿病、帕金森病、线粒体肌病等线粒体不仅能合成ATP，还能产生自由基，并起到调节胞内凋亡通路的蛋白质的储藏库的作用但线粒体呼吸功能紊乱和线粒体损伤引起细胞凋亡的机制及其诱发的应激性信号转导仍不清楚本文就AD线粒体损伤、机制及线粒体损伤和AD发病机制之间潜在的关联作一综述　　1 AD中的线粒体损伤　　1.1 电子传递链〔ETC〕的损伤 　　AD线粒体损伤最主要表现为ETC的损伤，而ETC损伤主要是电子传递酶——细胞色素C氧化酶〔cytochrome C oxidase，COX〕的缺陷，该缺陷在受神经纤维缠结影响的神经元中表现尤为突出COX的异常会使反响性氧化物〔ROS〕含量升高、神经元能量存储减少并打破能量代谢平衡，COX活性的降低及其所导致的线粒体功能障碍会选择性损伤AD病人脑中的某些神经元〔6〕。

现已证明β淀粉样蛋白〔β amyloid,Aβ〕可使COX活性降低，通常COX活性低的区域ROS引起的损伤会加重，但在AD病人脑中Aβ聚集的区域ROS的损伤减弱，这可能是因为Aβ通过下调ROS而使ETC活性降低，此种解释仍然需要解决AD脑中ROS量升高的起源问题线粒体DNA〔mtDNA〕突变会导致ETC功能损伤，继而降低ATP合成量、增多毒性氧化自由基的合成量并破坏钙离子内环境的稳定，这些会持续加剧线粒体内蛋白及脂质的氧化并开启线粒体转运通道，此与神经元的衰老和死亡有关〔7〕　　1.2 mtDNA突变的增多 　　AD线粒体损伤其次表现为mtDNA突变的增多mtDNA突变可以是遗传的也可以是后天发生的，通常具有组织特异性，即虽然mtDNA突变存在于所有组织，但只有一局部表现出致病性mtDNA的突变会导致ETC活性的降低、加剧ROS对周围细胞成分的损伤从AD病人死后组织中别离出的mtDNA D区点突变明显增多〔8〕，这些突变可能参与线粒体功能损伤、增加自由基的生成并提高细胞对凋亡的易感性有研究提示，AD患者的ETC功能障碍存在于从血小板到脑的很多组织〔4〕，由此说明mtDNA突变似乎不能解释体内广泛发生的ETC异常；而另一种推测是mtDNA突变发生较早，随时间推移慢慢积累，干细胞是此突变基因克隆扩增的源泉，这或许可以解释体内广泛发生的ETC异常，与该推测一致的是有报道发现体内存在非等摩尔dNTP的区域mtDNA聚合酶、PolG错误率明显增高〔9〕，活体内dGTP、dCTP的过表达会使聚合酶不能充分修复mtDNA核酸内切酶区域的突变从而导致mtDNA突变增多4倍〔7〕。

另外目前已研制出一种散发性AD线粒体胞质杂种神经细胞模型cybrid来研究线粒体损伤，其原理是在剔除了线粒体基因的同种神经元宿主细胞内选择性表达来自具有典型临床特征的AD病人的线粒体基因，最终产生的杂合细胞系与原细胞相比具有相同的核基因和环境背景，只有线粒体基因来源不同，此种杂合细胞能复制出AD脑中不同种类的功能障碍，如线粒体功能下降且Aβ沉积加重，这些病症可被抗氧化治疗逆转〔10〕AD cybrid突发性凋亡增多说明线粒体损伤会引起神经元凋亡，参与AD的发病　　2 AD线粒体损伤的机制　　2.1 Aβ和线粒体 　　Aβ来源于膜蛋白Aβ前体蛋白〔β amyloid precursor protein，APP〕，在AD转基因鼠中其嵌合体N端终止信号选择性作用于皮质和脑中某些区域的神经元，它的不完全易位结构及其粒体膜上的积累是AD线粒体功能异常的主要原因〔11〕Aβ1-42在粗面内质网和间隔室内形成〔12〕，故线粒体附近Aβ的浓度较细胞内其他区域要高，典型的如AD模型鼠脑线粒体区显示出很高的Aβ免疫原性Aβ可潜在性抑制线粒体功能，继而提高膜的渗透性导致细胞色素C和smac的释放增加〔13〕，细胞色素C和smac的释放又促进Aβ寡聚化。

在正常神经元中，Aβ能抑制ROS损伤，可能通过抑制带有ROS神经元中的COX而保护神经，促进电子传递 Aβ引起线粒体毒性损伤的直接作用因子是位于线粒体基质中Aβ乙醛复原酶〔Aβ binding alcohol dehydrogenase，ABAD〕〔14〕,其属于神经元内短链脱氢酶复原酶超家族ABAD起何种作用取决于Aβ是否存在：①当无Aβ存在时，ABAD在内环境稳定的情况下具有细胞保护作用转基因小鼠神经元内ABAD的过表达会造成ATP 量的增多并提高β-羟丁酸的有效利用度，而β-羟丁酸是一种在营养缺乏和其他应激刺激下被激活的底物虽然仍不知何种确切的ABAD底物与脑生理有关，但可以确定高水平的ABAD对脑能量代谢有促进作用ABAD亦可通过控制胞溶质蛋白D对细胞起保护作用，而当该蛋白不受其控制时，ABAD那么不能转移至线粒体内膜，也不能与膜转运通道的其他组件相互作用，最终可以破坏线粒体②当Aβ大量存在时，ABAD那么无这种细胞保护特性因ABAD的NAD结合位点缺失且酶催化部位有明显改变，而这些结构改变与其对不同底物活性的抑制作用有关，故在此环境下ABAD的活性下降对脑部能量代谢具有负面影响，也可能还涉及到其他功能，如改变雌激素的代谢等〔15〕。

ABAD-Aβ复合体促使氧自由基从线粒体的泄漏，而该复合物与呼吸联复合物Ⅳ的功能丧失具有密切关系，可能会在复合物Ⅲ环节引起自由基泄漏，过量表达ABAD和APP的转基因鼠显示出较强的氧化应激水平和记忆功能的损伤〔16〕因此，在Aβ存在的情况下，ABAD作为代谢平衡中细胞保护酶的作用被干扰，ABAD-Aβ复合物会导致线粒体的损伤　　2.2 tau蛋白和线粒体 　　tau蛋白主要在神经元轴突中表达，其通过与微管结合可促进微管装配与集合，同时tau蛋白磷酸化程度决定了其与微管的结合能力，磷酸化程度越高结合能力越低，故调节tau蛋白的磷酸化程度对调节微管的动态不稳定至关重要〔17〕在培养细胞中，类似于线粒体和溶酶体等细胞器的顺向转运可被tau蛋白的过表达抑制〔18〕在初级视网膜神经节细胞，转染tau蛋白后会抑制线粒体、APP小囊泡和其他细胞组件的轴突运输，使得轴突营养中断且对应激具有易感性，这种抑制作用可通过微管亲和力调节激酶使tau蛋白磷酸化来解除〔19〕在果蝇幼虫运动神经元内过表达人类tau蛋白会引起神经肌肉接头显著的形态学和功能异常，且突触前终末的线粒体功能也出现明显障碍敏感性神经元的线粒体和溶酶体活性下降会损伤突触终末的功能，同时会导致突触终末的变性，为AD典型病症〔20〕。

此外，轴突运输速度减慢会影响APP等蛋白质的适当分配，tau蛋白过表达和易位引起的运输抑制可能会使Aβ1-42生成增多，通过Aβ对线粒体造成损伤 过量表达P301L突变的人类tau蛋白的转基因鼠表现出磷酸化tau蛋白的聚集并有神经纤维缠结形成，对该小鼠组织进行蛋白组学分析显示代谢相关的蛋白质出现改变，这些蛋白质主要包括：线粒体呼吸链复合物组件、抗氧化酶和突触蛋白，同时功能分析显示该转基因鼠线粒体功能异常伴有NADH-辅酶Q10氧化复原酶的活性降低，且随着年龄增长线粒体呼吸链和ATP合成功能受损线粒体功能异常和老龄转基因鼠的ROS水平升高有关，在老龄纯合子P301L转基因鼠体内tau蛋白磷酸化程度的升高显示出较缓和的脂质过氧化反响水平和抗氧化酶的上调，该种转基因鼠的线粒体受Aβ损伤的易感性明显提高，说明tau蛋白和Aβ在对线粒体损伤方面具有协同作用且tau蛋白磷酸化这一病理过程参与线粒体的功能紊乱　　2.3 早老蛋白〔presenilin,PS〕和线粒体 　　PS突变与家族性AD的早期发病和Aβ42的过量表达有关PS主要有PS1、PS2两种，分别由常染色体14和1编码与AD发病相关的最主要的是PS1，其在人脑各核团和周围组织都有表达，目前已报道的PS1突变多于100种，与近一半家族性AD的早期发病有关〔21〕。

PS1突变主要集中于蛋白质序列的跨膜区，会影响线粒体膜的渗透性，PS1粒体的内膜有大量表达，同时PS1的突变和APP处理过程的异常有关，进而引起Aβ生成增多在PS1突变的小鼠的突触小体，由于Aβ的刺激，线粒体膜去极化程度和半胱天冬酶的活性均比野生型小鼠高〔22〕PS1相关蛋白是线粒体凋亡前体蛋白，其通过与PS1C末端相互作用而特异性影响PS1的功能，PS1相关蛋白过表达可促进线粒体内细胞色素C的释放，活化激酶3进而导致细胞凋亡〔23〕，这些结果说明未受损的PS1可通过调节线粒体膜的通透性潜在保护细胞使其免于凋亡，而PS1突变细胞ROS水平升高、钙离子内环境稳定被打破、并对代谢损伤敏感及易引起线粒体的损伤〔24，25〕PS蛋白亦是一种伴侣分子，它可与一系列的分子形成复合物，这些复合物属于蛋白复合体，包括线粒体内的γ-分泌酶样复合物，可活化激酶进而诱导神经元凋亡，它们还可与β连环蛋白相互作用，结合Bcl-XL/Bcl-2家族的成员〔26～28〕，提示这些蛋白可引起线粒体损伤，导致细胞凋亡　　3 结 语 AD线粒体损伤表现为ETC的损伤与mtDNA突变的增多，而Aβ、tau蛋白和PS均可导致线粒体损伤，是AD神经元中引起线粒体损伤的主要机制，这些路径同时亦可作为治疗AD药物的作用靶点。

线粒体既是AD的病因之一，亦是AD发病的早期征兆，对AD线粒体损伤机制进一步说明不仅能为研究AD的病理机制提供新思路，而且可为AD及其他神经退行性疾病的治疗提供新依据参考文献】 　　1 Evans DA，Funkenstein HH，Albert MS,et al.Prevalence of Alzheimer′s disease in a community population of older persons.Higher than previously reported〔J〕.JAMA,1989;262(18):25516.　　2 Hebert LE，Beckett LA，Scherr PA,et al.Annual incidence of Alzheimer disease in the United States projected to the years 2000 through 2050〔J〕.Alzheimer Dis Assoc Disord,2001;15(4):16973.　　3 Hebert LE，Scherr PA，Bienias JL,et al.Alzheimer disease in the US population:prevalence estimates using the 2000 census〔J〕.Arch Neurol,2003;60(8):111922.　　4 Bubber P，Haroutumian V，Fish G,et al.Mitochondrial abnormalities in Alzheimer brain：mechanistic implications〔J〕.Ann Neurol,2005;57(5)：695703.　　5 Blass J，Gibson GE.Cerebrometabolic aspects of delirium in relationship with dementia〔J〕.Dement Geriatr Cogn Disord,1999;10(5):3358.　　6 Davis RE，Miller S，Herrnstadt C,et al.Mutations in mitochondrial cytochrome C oxidase genes 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