线粒体变化机制与阿尔茨海默病

　　作者：武福军 詹永乐 朱飞奇1 董倩洋2 作者单位：1 郧阳医学院附属太和医院神经内科 2 山西医科大学晋中学院(安徽农业大学生命科学院，安徽 合肥 230036)

　　【关键词】 阿尔茨海默病;β淀粉样蛋白;线粒体;载脂蛋白E;Tau蛋白

　　阿尔茨海默病(AD)亦称老年性痴呆症，是一种常见的中枢神经系统退行性疾病，临床主要表现为进行性记忆力减退、认知功能障碍以及人格改变等症状。AD的主要病理特征有：大脑皮层和海马出现β淀粉样蛋白(Aβ)聚集形成的老年斑(SP)、Tau蛋白常聚集形成的神经纤维缠结(NFTs)以及脑皮层和海马区神经细胞大量减少丢失〔1〕。最近研究表明，AD病变过程与线粒体能量代谢障碍有着密切的联系，本文综述了AD病变与线粒体结构功能异常间的联系。

　　1 AD病变与线粒体异常

　　随着研究的逐渐深入，越来越多的数据表明，线粒体能量代谢障碍在AD的发生中占有重要地位。正电子断层扫描(PET)检查显示AD患者脑组织氧化和能量代谢受损，与正常人相比，AD患者脑部对葡萄糖的吸收和利用减少约21%～28%，脑葡萄糖代谢水平下降会发生轻度认知障碍〔2〕，此外，AD患者脑脊液中乳酸含量增高，琥珀酸、延胡索酸等含量降低，患者脑中线粒体呼吸链上复合物Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ都降低，细胞色素氧化酶活性降低，表明AD患者脑细胞线粒体氧化代谢过程受到损伤〔3〕。有研究表明，在神经纤维缠结形成之前，线粒体内细胞色素氧化酶(COX)与线粒体DNA的水平有所改变〔3〕，进而得到线粒体异常是AD病理的早期特征〔4〕。

　　1.1 线粒体形态结构异常

　　电镜下正常的线粒体是由两层单位膜套叠而成的封闭囊状结构，从外向内依次分为外膜、膜间隙、内膜、基质。而与病变有关的线粒体结构发生两个方面的改变，一是线粒体的体积肿胀增大，嵴变短、减少或消失;二是线粒体变性，主要为水变性，基质稀薄，可见空泡。研究发现，AD大鼠神经元线粒体平均体积增大、比表面减小，表明神经元线粒体肿胀;而线粒体数密度减低，揭示其线粒体数目减少;此外，可见AD患者脑神经元线粒体轻度肿胀，结构模糊不清，部分出现空泡样变，在电子显微镜可以观察到线粒体嵴的形态和在线粒体中的排列上发生了变化，严重时嵴发生裂解现象〔5〕。

　　1.2 线粒体基因突变

　　造成线粒体功能损伤、能量代谢异常的原因很多，而线粒体DNA突变是其中最重要的因素之一。研究表明线粒体DNA是遗传信息最紧凑的结构之一，它的某些基因甚至是重叠的，这使得线粒体DNA具有不稳定性，随年龄的增长可出现线粒体DNA片段丢失或突变的现象。Hamblet等〔6〕研究表明，与正常人相比，AD患者中线粒体DNA的突变的几率增加，编码细胞色素c氧化酶亚基的基因出现了突变，另外，AD患者大脑颞叶细胞色素氧化酶基因coI与coⅡ的mRNA水平仅为对照组的50%。患者细胞色素氧化酶基因的突变率比同龄老年人高32%，约有1/5的AD患者有细胞色素氧化酶基因的缺陷，其脑中该酶活性皆有所下降〔7〕。由于每个细胞中含有很多个线粒体，当细胞内线粒体DNA的突变达到一定范围时很可能使得线粒体产生ATP的功能受到损伤，造成AD病理〔8〕。

　　2 淀粉样前体蛋白及β淀粉样蛋白对线粒体的影响

　　2.1 淀粉样前体蛋白对线粒体的影响

　　线粒体改变与淀粉样前体蛋白(APP)的过表达有着密切的关系。研究发现，淀粉样前体蛋白过度表达会导致细胞色素C氧化酶活性下降，线粒体肿胀、内外膜破裂、嵴断裂且模糊不清。Du等〔9〕研究表明，APP的COOH端经过β、γ分泌酶依次裂解形成Aβ可增加线粒体内活性氧的生成，改变线粒体膜透性转移孔的开放。APP作为具有神经毒性Aβ的前体蛋白直接定位与线粒体膜上，其结合位点是线粒体基质中醇脱氢酶，该酶可以代谢醛，若该酶受到损伤会使氧自由基的形成。Anandatheerthavarada等〔10〕研究发现，APP主要通过N端结构域定位于线粒体膜上，APP与线粒体膜上转运蛋白复合体结合，阻断了蛋白质的运输，影响了线粒体的正常功能，特别是能量的产生，这可能是造成线粒体功能障碍的主要原因。

　　2.2 β淀粉样蛋白对线粒体的影响

　　β淀粉样蛋白可以改变线粒体形态结构，造成线粒体生理功能的改变，甚至促使神经元细胞凋亡的研究已成为一个不争的事实。但Aβ造成线粒体变化的分子机制仍未有定论。目前主要有两种假说解释该机制。①细胞内基质中的APP进入线粒体，经β、γ分泌酶裂解途径形成Aβ，Aβ在线粒体的积累促使线粒体结构功能障碍。MARIA等人研究APP通过N端信号在阳性电荷作用下进入线粒体，也有许多研究表明APP定位于线粒体膜上。Park等〔11〕研究发现线粒体中存在γ裂解活性，这说明线粒体中有调节APP产生Aβ的能力，但并未发现γ分泌酶。②细胞质膜中APP经β、γ途径裂解形成Aβ，可溶性的Aβ经特定的机制进入线粒体，在线粒体聚合、积累造成线粒体功能障碍。

　　APP定位于线粒体外膜上及其裂解片段结合于线粒体内膜通道蛋白丝氨酸蛋白酶HtrA2〔12〕或线粒体基质中的醇脱氢酶(alcohol dehydrogenase，ABAD)上〔13〕，这种结合可以改变酶活性位点，降低酶活性。Manczak等〔14〕从过表达APP的TG2576转基因鼠线粒体中分离出Aβ单体和寡聚肽，这揭示出线粒体上存在Aβ。Aβ对线粒体结构功能的影响效果主要是通过Aβ直接作用于细胞分离出的完整线粒体，然后观察线粒体形态及功能有关生化指标的改变。多数研究表明Aβ的逐渐积累会显著改变线粒体的形态、诱导线粒体膨胀，抑制电子传递链上酶的活性，特别是细胞色素氧化酶的活性、改变线粒体膜电势，抑制呼吸率、降低氧化磷酸化体水平，减少ATP的合成，增加活性氧的产生、开放线粒体膜通透孔〔15，16〕。

　　在AD 患者脑细胞中发现，APP定位与线粒体膜上，且Aβ在细胞内的积累会对APP的裂解有调节作用〔10〕。通过鼠脑分离线粒体研究结果证实Aβ影响γ裂解的功能活性，Aβ在线粒体的不断积累使得线粒体对Aβ的调节能力下降〔17〕。Alikhani等〔18〕研究表明AD患者脑细胞线粒体包含一种代谢蛋白酶PREP，可以降解Aβ，这种酶活性的下降会使线粒体Aβ积累。

　　Aβ对线粒体的损伤很可能破坏细胞内Ca2+的平衡和钙信号的传导。细胞内高水平Ca2+与钙信号的失调发生在Aβ形成的老年斑处〔19〕，另外，Aβ及其多聚体还可以刺激神经细胞使大量Ca2+内流，细胞将发生Ca2+超载，进而造成线粒体膜透性孔开放，使得膜透性选择能力下降，大量分子进入线粒体或线粒体内蛋白的释放造成线粒体结构功能完整性丧失。

　　Aβ的毒性效果并不仅仅局限于对线粒体功能的影响，而且会影响到细胞活性，甚至引起细胞凋亡。Susanne等〔20〕用转染瑞士APP突变株PC12和人胚胎肾细胞(HEK)细胞研究发现Aβ使细胞内一氧化氮(NO)水平升高，COX酶、α酮戊二酸脱氢酶、丙酮酸脱氢酶活性下降，氧化应激加强，调节BAX蛋白在线粒体内的比例，诱导线粒体外膜通透性增加，COX释放，Caspase3活性显著提高。总之，Aβ导致线粒体能量代谢缺乏，活性氧产生增加，进而使得凋亡因子的释放,紧接着Caspase家族活性增强，开始诱导细胞凋亡。

　　3 载脂蛋白 E对线粒体的影响

　　载脂蛋白E(ApoE4)是影响AD晚期的一个重要因素。AD患者，特别是具有各种ApoE4等位基因的病例，发现有线粒体功能障碍〔21，22〕。在对神经细胞、星形胶质细胞中表达人 ApoE3和 ApoE4的转基因小鼠体内实验表明，不论 Aβ是否参与，ApoE4都会对神经病理学变化产生影响〔23〕，这加深了对 ApoE4与神经病理学变化关系的认识。Latha等〔24〕研究发现，ApoE4和 ApoE3在蛋白激酶(特别是蛋白激酶A与蛋白激酶C)的调控下，线粒体可以调节信号转导通路，进而调节APP在线粒体的定位。Jay等〔25〕研究老龄与潜在毒性的ApoE4可能促使代谢效率降低导致线粒体与神经元的凋亡。Risner等人〔26〕等人报道称AD患者ApoE4多态和脑内葡萄糖代谢变化相关，对AD患者使用线粒体刺激剂马来酸罗格列酮治疗后，可缓解具有ApoE4者的认知功能低下，这些研究均说明 ApoE4与线粒体功能障碍有关。

　　4 Tau蛋白对线粒体的影响

　　Tau蛋白是一类神经元微管蛋白，它通过mRNA选择剪切后表达形成的，Tau蛋白也是一种磷酸化蛋白，其磷酸化对微管的装配起负调控作用，高度磷酸化的Tau蛋白是形成神经纤维缠结NFTs的主要成分，NFTs则是神经退化疾病如AD的主要病理特征，由于临床上认知能力下降早于NFTs的形成，所以NFTs被认为是AD病例的晚期特征。David等〔27〕对表达人Tau蛋白的P310L转基因鼠中线粒体的蛋白组及其功能分析，发现Tau蛋白可以降低呼吸链上复合体ⅠNADH还原酶活性，损伤线粒体呼吸链和抑制ATP的合成，在研究Tau蛋白与Aβ协同作用线粒体时发现线粒体对Aβ的损伤更加敏感〔28〕。以上证据表明Tau蛋白在线粒体代谢机能障碍起着重要作用。然而Tau蛋白对线粒体的影响机制还未研究清楚。Tau蛋白对线粒体影响的可能机制是Tau蛋白间接抑制微管的动态平衡及与微管结合蛋白的结合而影响线粒体的正常功能或直接抑制线粒体的能量代谢。

　　5 线粒体作为治疗AD靶点的研究进展

　　为了预防和治疗AD，科学家们发现了许多策略和方法，如抗APP裂解治疗的策略、抗Aβ等策略，针对Aβ的产生和积累的药物等，这些对治疗AD都有一定的疗效，在临床有很大的意义，但这些药物对身体或多或少有副作用。基于对AD患者细胞线粒体形态学，病理学的研究，通过保持线粒体结构功能的完整性，改善线粒体所处的细胞环境，加强线粒体的防御能力及抗胁迫能力特别是抗氧化能力将是预防和治疗AD患者的新策略。科学家们开始寻求能够改善线粒体机能或预防对线粒体损伤的药物，通过这些药物达到治疗AD 的效果。

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