因线粒体功能障碍而引发的帕金森病

因线粒体功能障碍而引发的帕金森病

摘要：约85% 帕金森病患者未发现有明确的病因,为原发性帕金森病( PD) 。其发病原因可能为多种因素共同作用的结果,这些因素包括: 遗传易感性、衰老、氧化应激、毒素、线粒体功能缺陷及兴奋毒性等。近年来发现线粒体功能缺陷在PD 中起重要作用。

关键词：帕金森；线粒体；功能障碍

帕金森病(PD)是一种常见的神经系统变性疾病, 其临床表现为静止性震颤、肌强直、运动徐缓。其神经病理学特征包括黑质致密区多巴胺能细胞变性和进行性脱失, 部分存活的神经元内出现lew y 体。早期的研究就曾发现PD病人血小板线粒体功能低下, 现代分子生物学进一步证实PD 病人多种组织细胞内的线粒体复合体I、II、III甚至I V都存在功能缺陷。自从发现黑质毒素M PP+能抑制复合体I (C1)活性后, 线粒体就成为PD 发病机制研究的热点。

1PD 线粒体功能失调的证据

有报道认为, PD 病人黑质纹状体系统的线粒体呼吸链C1 数量减少和活性降低, 但引起降低的主要原因尚不清楚。在脑组织内, 黑质纹状体系统C1 活性降低的结果基本相同。在骨骼肌, 有5 个研究组报道为活性降低, 4 个研究组报道为活性正常。另外, 在28 例PD 和29 例对照组的静息性肌肉31P 磁共振扫描的研究中, 发现P i/Pcr 率明显不同, 其结果提示PD 病人骨骼肌能量代谢有轻度损害。在血小板, 有 4 个研究组报道C1 活性降低而有3 个研究报道C1 活性正常; 在淋巴细胞, 1 个研究组报道C1 活性降低而有2 个研究组报道C1 活性正常。可见, 关于C1 活性有规律降低的结果大体相当。这些结果产生分歧的原因可能因测定酶活性的方法、标本处理和尸检时间不同所致。很多报道也提出方法学对于酶活性测定的有效性的问题。

PD 尸检脑组织的氧化磷酸化(OXPHO S)活性分析表明: 黑质致密区的C1 活性下降了37% , 还有报道少数病例CÊ、Ë和三羧酸循环酶(A 2酮戊二酸脱氢酶(KGDHC)的免疫反应性也有异常。PD 的C1 缺陷极其类似于甲基2苯基2四氢吡啶(M PTP)诱发的生化损害, 这也为毒素模型与特发性病例提供了一个直接的比较。在分析PD 的其他脑区并未发现OXPHO S 有任何缺陷。在用PD 病人线粒体转染细胞的Ca2+内稳态研究中, PD 病人和对照者血小板线粒体转染细胞(杂交体细胞)和Eor 细胞(无线粒体)进行培养。PD 病人的杂交体细胞C1 活性下降了26%; PD 病人的杂交体细胞加碳恢复诱导增加细胞内钙, 结果发现比对照者减慢达53%。

综合这些资料, 表明PD 中脑黑质线粒体特别是C1 活性确有异常, 其他组织细胞中复合体缺陷较轻微, 黑质中出现的降低有显著性意义。由此假设, 一旦局部的影响如氧化应激和内源性神经毒素在黑质形成, 就可能促进黑质纹状体系统C1 的缺陷。

2 PD 线粒体功能失调的可能原因

2 . 1线粒体DNA 的突变

每一线粒体都有几个环形DNA 拷贝, 由16569 个碱基对组成。因为41 个线粒体复合体I的亚单位中的七个是由m tDNA 所编码的,m tDNA 分析发现存在删除和突变。首先, 在5 个尸检PD 病人和6 个对照者纹状体DNA 中,发现有共同的52 kbm tDNA 删除。最近的研究表明, 52kb 删除仅是很小的一部分,m tDNA 删除的增多则可能是加速黑质细胞死亡的因素之一。关于PDm tDNA 发生的点突变, 分析5 例PD 病人整个m tDNA 序列, 并与30 多例患者和正常对照者进行比较。虽然未发现导致PD 的特异性突变, 但是在PD 中仍发现了许多点突变, 而正常对照者中极少。

2 . 2编码线粒体蛋白质的核基因组的突变

2 . 2 . 1PD 的C1 亚单位基因的突变

C1 由三个不同片段组成: 黄素蛋白、铁硫蛋白和疏水基团。黄素蛋白是一水溶性的, 由3 种蛋白组成(51Kda、24Kda 和10Kda)。黄素蛋白具有NADH2脱氢酶活性,NADH 结合位点在51Kda 亚单位内。人类C1 31 . 5Kb、由8 个编码顺序组成。筛选PD 病人NDU FV 2 所有编码顺序, 发现了在24Kda 前体蛋白的信号肽(A la29V al, C→T 替换)有一新的多态性突变。突变的等位基因, 123 例PD 病人为32 . 7% , 113 例对照者为38 .9% , 突变的等位基因出现频率两组无显著性差异(P > 0 .05) , 而异型分布两组显著不同(P < 0 . 05)。

2 . 2 . 2PDA 2酮戊二酸脱氢酶基因的突变

KGDHC 由三个酶组成: E1 (α-酮戊二酸脱羧酶)、E2 (二氢硫辛酸转琥珀酸酶)、E3 (二氢硫辛酸脱氢酶)。E2 是此复合体的关键酶。最近, E2 的基因被克隆出来, 其基因组序列已确定。E2 的基因位点定位于染色体14的14q24 . 2～q24 . 3。在研究PD 病人的基因组DNA 时, E2 基因的编码顺序8 中有 2 个等位基因的多态性已被发现。核苷酸序列揭示编码顺序8bp 134 出现一单核苷酸替换发生在G(allele1)和A (allele2)。这一单核苷酸替换并没有引起基因翻译产物氨基酸序列的改变。与对照组相比, PD 病人等位基因 2 的频率较高(41%对28 . 7% , P < 0 . 001)。

2 . 2 . 3PDM n-SOD 基因的突变

Mn-SOD 在线粒体功能失调和氧化应激中都处于核心地位。有报道散发性PD中M n-SOD活性升高。如果M n-SOD 活性太低, 超氧阴离子就在线粒体内积聚。如果太高,SOD 催化反应的中间产物过氧化氢就大量积聚。所以M n2SOD 活性只有处于适当水平才能避免自由基损害。成熟M n-SOD 蛋白是一种四聚体, 由四个前体肽组成。M n-SOD前体肽需要一信号肽以跨过线粒体膜, 信号肽由24 个氨基酸组成。在20 例PD 病人基因组DNA 进行测序, 与正常序列进行比较, 发现了线粒体靶序列新的多态性突变, 它可能引起信号肽16 位V al与A la 氨基酸替换。突变基因的等位基因频率在PD 中明显高于对照组, 这可能是导致PD 的遗传危险因素之一。

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3 线粒体毒素

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3 . 1外源性线粒体毒素

如果C1 缺陷是一有规律性异常, 那么C1 的抑制可能是由外源性线粒体毒素所致。关于M PTP 的作用机制的报道很多, 更多地清楚显示M PTP 是通过它的活性形式M PP+, 不仅是C1 的抑制剂还可引起自由基产生增多。M PP+是一种C1 的可逆性抑制剂, 引起A TP 水平降低。如果细胞色素氧化酶(CⅣ)被抑制, 则M PTP 诱导较严重的和不可逆性C1 抑制。这种抑制作用可被自由基清除剂所阻止,提示C1 在这些情况下的氧化损害。C1 抑制导致呼吸链产生自由基增多, 因而M PP+动物模型提示C1 缺陷和损害的自我扩大循环可能导致进行性细胞损害。此情况更符合用18 荧光多巴PET 检查接触M PP+病人时出现的进行性纹状体损伤。M PP+可能直接产生自由基。另外, 在灵长类动物和鼠观察NO 合酶抑制剂72硝基吲哒唑能对抗M PTP 毒性, 提示NO 产生是这一毒性效应的介质。然而,另一NO 合酶抑制剂L-N G-硝基精氨酸甲酯确没有保护作用。最近证实7-硝基吲哒唑是一种MAO-A 抑制剂,MAO 是催化M PTP 转化为M PP+的。NO 也显示有直接抑制C1、CⅡ和CⅢ的作用, 然而这需要在特定情况下。最近的研究发现NO 能增强M PP+对C1的结合作用并能被过氧化氢酶、还原型氧合血红蛋白(HbO 2)和还原型GSH所阻止。因而具有NO 参与M PTP 毒性的因素并能促进毒性, 这一作用更得到7-硝基吲哒唑抑制MAO- B 的证实。

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3 . 2内源性线粒体毒素

如果C1 缺陷仅限于在黑质, 那么可能此C1缺陷是由于在黑质区形成的对黑质起神经毒性作用的物质所致。最近, 发现一种酶能反向地从多巴胺合成R-猪毛菜酚。猪毛菜酚是多巴胺和乙醛化合而成的, 将甲基转移到猪毛菜酚氨基端的酶也被证实。因此,调节这些化合物