郭清华，范玲玲，范军林，邢红霞

(1.新乡医学院第一附属医院神经内科，河南 卫辉 453100； 2.新乡医学院，河南 新乡 453000；3.新乡医学院第三附属医院神经内科，河南 新乡 453000)

帕金森病(Parkinson′s disease，PD)是仅次于阿尔茨海默病的第二大神经退行性疾病，以进行性运动功能障碍为特征，是黑质纹状体通路选择性变性的结果[1]。PD的病因及发病机制较复杂，有调查显示，在60岁以上人群中，有1%的人受到PD的影响[2]。PD的发生受多种因素共同影响，其中包括线粒体功能障碍，目前多使用破坏线粒体复合体Ⅰ活性的毒素来建立PD动物和细胞模型[3]。在临床和实验中，与PD密切相关的化学物质也多引起线粒体功能障碍，包括1-甲基-4-苯基-1，2，3，6-四氢吡啶、百草枯、锰和三氯乙烯等[4]。PD的早期药物治疗效果较好，尤其是药物治疗的前3～5年，但随着病情发展，药物疗效逐渐降低、副作用逐渐明显，每次服药后药效维持时间逐渐缩短，症状起伏波动，如“异动症”和“开关现象”等，严重影响患者的身心健康及生活质量。目前，广泛接受的PD致病机制为异常的线粒体形态和功能。线粒体功能受损影响许多细胞途径，导致细胞内成分受损和细胞死亡。流行病学研究表明，接触杀虫剂、农村生活、饮用井水人群的PD发生风险增加[5]，这可能与线粒体功能障碍有关。现就PD线粒体功能障碍机制的研究进展予以综述。

1 年龄

年龄影响PD的临床进展，是散发型PD最重要的危险因素之一[6]。中老年人群中PD的发生率随年龄增长逐渐升高。有研究表明，在PD患者中，年龄增长与左旋多巴反应性降低、步态和姿势损害严重、认知障碍与痴呆症的发展相关[7]。且随着年龄的增长，线粒体DNA(mitochondrial DNA，mtDNA)突变在人类各种组织中逐渐积累[8]，具有活跃氧化代谢的终末分化组织(如大脑)在老化过程中积累了相对较高水平的mtDNA突变。有研究证实了年龄相关的mtDNA点突变在PD致病中的重要作用[9]，在mtDNA碱基对5 178处的点突变可减少线粒体复合物Ⅰ活性氧类(reactive oxygen species，ROS)的产生[10-11]。因此，衰老仍是PD发生最强的危险因素之一[6,12]。

2 环境因素

暴露于某些环境毒素可能导致多巴胺能神经元死亡[13]。首先，与PD环境风险相关的是职业暴露于某些金属，最明显的为锰，慢性锰暴露与PD的发生有关。锰的神经毒性导致线粒体功能障碍[14-16]，有实验表明，给予锰的MitoPark小鼠(转基因小鼠模型)的神经退行性改变伴随纹状体和黑质的氧化损伤增加[14]。其次，PD的发生与线粒体毒素的暴露之间存在关联，包括农用化学品百草枯、亚甲基蓝和鱼藤酮等。鱼藤酮具有高度亲脂性，很容易通过血脑屏障，是一种特异性的线粒体复合物Ⅰ抑制剂。在动物实验模型中，引起氧化应激的杀虫剂百草枯和抑制线粒体复合物Ⅰ的鱼藤酮均会导致黑质多巴胺能神经元的丧失，产生与人类PD相关的行为改变[17]。Stykel等[18]也证明，农药可能作用于基因突变PD患者，引起线粒体功能障碍。另外，在其他动物实验中，水环境中的超痕量氧化石墨烯会触发PD样症状[19]。

有数据表明，mtDNA拷贝数减少是PD的生物标志物之一[12]。而吸烟与外周血细胞mtDNA减少有关，其可能是PD患者mtDNA拷贝数减少的一个因素。因此，吸烟也可能是引起线粒体功能障碍的环境因素。

3 线粒体基因

线粒体作为呼吸和能量产生的主要细胞器，对细胞起着至关重要的作用。与核基因组不同，线粒体有其独特的基因组。线粒体基因组有37个无内含子基因，线粒体的基因组由人类中16.6 kb的环状双链分子的多个副本组成，虽然这个基因组只编码了13个参与氧化磷酸化的肽，但它们是细胞能量生产机制的关键组成部分[20]。mtDNA缺陷会导致器官功能障碍，原因为mtDNA编码的蛋白质合成不足，导致能量产生不足，从而无法满足受影响器官的需要[21]。线粒体基因组缺少保护性组蛋白分子，因此mtDNA的突变率高于核DNA[22]。mtDNA的损伤和线粒体基因组完整性的丧失在严重早发性疾病和慢性年龄相关疾病的发生发展中起着越来越重要的作用。mtDNA缺失的形成可能与PD病因有关，线粒体损伤是PD的一个重要特征[23]。

4 线粒体泛素-蛋白酶体系统

泛素-蛋白酶体系统(ubiquitin-proteasome system，UPS)是一种高效、选择性和能量依赖的蛋白质降解系统，其在维持稳定的细胞内微环境的蛋白质降解中起重要作用[24]。UPS是“蛋白质稳定网络”的一部分，与自噬溶酶体系统和分子伴侣网络一起，通过去除可能聚集并对细胞有毒的有害蛋白质或受损蛋白质，有助于维持细胞蛋白质稳态。有研究表明，UPS发挥作用依赖线粒体[25]。细胞蛋白质降解系统(尤其是UPS)的破坏在PD的发病机制中起着重要作用[26]。UPS的失调导致蛋白质稳态的改变，这可能会促进有毒蛋白质的积累并引起神经元死亡[27]。

有证据表明，PD患者的黑质蛋白酶体功能受损。如有研究表明，在PD患者变性黑质的多巴胺能神经元中有α-突触核蛋白(α-synuclein，α-Syn)、泛素和其他蛋白质的异常积累，表明抑制正常/异常蛋白质降解可能会导致神经元死亡[28]。同时，从散发PD获得的验尸数据表明26/20S蛋白酶体中存在结构和功能缺陷[29]。另外，神经病理学研究提供了PD蛋白酶体系统衰竭的间接证据，该研究记录了UPS组成成分的积累[28]。实验表明，抑制UPS会导致神经退行性变，并形成路易体样包裹体[28]。这为PD的神经保护疗法提出了新靶点。

5 线粒体自噬

自噬是指细胞分解代谢过程，其可去除溶酶体的胞质成分，主要包括功能障碍的细胞器、折叠错误的蛋白质以及多余或不必要的胞质成分[30]。线粒体功能障碍是PD的关键病理变化。而清除受损线粒体的唯一方法为线粒体吞噬，这是一种通过自噬选择性降解线粒体的细胞过程[31]。细胞自噬包括微自噬、巨自噬和分子伴侣介导的自噬。自噬缺陷会导致细胞损伤的积累，与肝病、神经退行性病变、衰老、癌症和代谢综合征等密切相关[32]。

神经元的正常新陈代谢需要线粒体提供大量能量，线粒体功能紊乱常会导致神经元病变。有研究表明，线粒体自噬缺陷与PD发病机制有关[33]。与PD相关的VPS35 D620N突变体抑制自噬，并削弱自噬蛋白ATG9A的运输[34]。且通过操纵Polo样激酶2或活化分子伴侣介导的自噬能减少α-Syn聚集，而PD患者的黑质中发现自噬活性异常，故导致α-Syn异常聚集[35]。此外，与PD相关的神经毒素1-甲基-4-苯基-1，2，3，6-四氢吡啶可以通过细胞周期蛋白依赖性激酶5介导的内啡肽B1磷酸化诱导自噬[36]。

近年的研究多集中在PD连锁的α-Syn突变，即E46K、H50Q、G51D和A53E位点突变。其中，E46K、H50Q和G51D α-Syn突变体的水平与WT蛋白的水平一样，在Polo样激酶2共表达时降低，表明在这些位点发生突变时可能发生宏观自噬清除[37]。一项研究表明，蛋白酶体和巨自噬均可降解E46K α-Syn[38]。另一方面，A53E突变体在细胞中的表达导致蛋白酶体的蛋白水解活性增加[39]。

尽管这些自噬和UPS途径尚未被认为直接相关，但有研究指出了它们之间的密切联系和动态相互转化[40]。如p62被共享作为UPS和自噬途径的调节剂或共同底物。在UPS中，目标蛋白与预定用于蛋白酶体降解的聚泛素链缀合。在自噬中，多聚泛素链也能被自噬衔接蛋白p62识别，并随后靶向进入自噬小体。这种调节因子不止p62，还包括EI24、自噬相关蛋白16和组蛋白脱乙酰酶6等[40]，它们同时在UPS及线粒体自噬中起作用，因此对于这些调节因子的研究可能会发现针对PD的新治疗方法。

6 α-Syn的积聚

PD患者多巴胺能黑质神经元变性的重要病理特征为α-Syn的积聚和线粒体功能障碍[41]。研究表明，α-Syn在家族性和散发性PD的发病机制中起关键作用[42-43]。α-Syn是一种突触前蛋白，定位于大多数神经元的细胞器中，参与调节突触小泡运输和内吞作用，但其许多生理功能尚不清楚。大多数致病性α-Syn是膜结合的，并与线粒体相关，α-Syn过度表达和累积可引起神经元中的线粒体损伤[44-46]。虽然外源性α-Syn可通过引起线粒体功能障碍诱导多巴胺能神经元凋亡，但α-Syn破坏线粒体功能的机制仍不清楚[47]。研究表明，α-Syn异常聚集引起线粒体膜电位降低和能量产生减少，线粒体内膜钙动态平衡被破坏，线粒体动力学受到抑制，并诱导线粒体促凋亡蛋白细胞色素C释放[48-52]，从而导致更多的α-Syn积累、错误折叠和包涵体形成，进而造成线粒体功能障碍[50]。有研究证明，α-Syn的Q62、V63和N65氨基酸残基突变可阻止线粒体Ca2+超载、Δψm失调、复合体Ⅰ失活和ROS产生，这些结果表明V63和N65是介导线粒体失活的关键残基[51]。另有研究发现，一种截短并磷酸化的α-Syn，可使线粒体膜上Tau蛋白磷酸化，两者可能协同作用诱导线粒体毒性，进一步证明了α-Syn与线粒体功能障碍之间的相关性[52]。这些发现为PD发病的分子机制提供了新见解。此外，线粒体功能障碍也会严重影响α-Syn的沉积[53]，因此α-Syn和线粒体功能障碍之间是双向相互作用，且这种作用由α-Syn的N端(残基1-60)介导，其中包含KAKEGVVAAE重复序列的N端区域(残基10-30)参与了线粒体的结合，导致线粒体形态改变和功能障碍[54-55]。已有研究通过α-Syn缺失的小鼠原代皮质神经元检测线粒体功能和形态证实，α-Syn病理性聚集可以对线粒体功能产生负面影响[56]。线粒体中α-Syn的病理性聚集抑制了复合物Ⅰ的活性，并随后通过呼吸链的功能障碍推动ROS的产生，这也反映了α-Syn与线粒体之间的相互作用[57]。

目前，有研究表明部分可溶性α-Syn直接与线粒体相关内质网膜相互作用，从而诱导线粒体结构和功能损伤，影响线粒体的融合和分裂[49]，这也在一定程度上增加了线粒体相关内质网膜作为除线粒体外或代替线粒体成为PD致病机制的可能性[58]。但截至目前，α-Syn与线粒体相互作用的生理影响只有部分被解决，因此还需要深入研究，以期探明α-Syn与线粒体在PD发病机制中的作用。

7 钙超载

PD的病因尚不清楚，现有证据表明，Ca2+稳态失调可能与PD的神经变性有关[59-60]。Ca2+稳态在基因转录、膜兴奋性、信号转导、神经递质分泌和突触可塑性等多种神经功能中起着至关重要的作用[61-63]。钙超载诱导的线粒体通透性转换孔开放被认为是PD中脑多巴胺能神经元选择性丢失的致病因素[64]。在PD化学模型中，Ca2+拮抗剂药物治疗可以减轻神经元损伤[65]。其中，Cav1(Caveolin-1)通道抑制剂伊拉地平对L型Ca2+通道CaV1.3亚单位具有高亲和力，可以阻止线粒体通透性转换孔、6-羟基多巴胺和鱼藤酮引起的神经变性[66]，其减缓黑质致密部多巴胺能神经元丢失和PD的作用正在进行Ⅲ期人体临床试验[67]。

线粒体在神经递质合成、Ca2+稳态、ROS的产生和调节以及神经元死亡等方面发挥关键作用[68-69]。在病理条件下，当细胞内Ca2+浓度升高时，线粒体可以积累更多的Ca2+[70]。同时，胞内Ca2+缓冲可以减轻1-甲基-4-苯基吡啶离子诱导的多巴胺能神经元死亡[71]。由此证明参与Ca2+稳态调节的一个重要机制为Ca2+缓冲过程，虽然该过程由线粒体摄取管理Ca2+，但其在很大程度上依赖于胞质Ca2+线粒体膜电位驱动和结合蛋白的存在。然而，过度的线粒体Ca2+积累可以导致线粒体通透性转换孔开放，随后出现线粒体的渗透性肿胀和线粒体膜的破裂，导致包括细胞色素在内的线粒体蛋白释放到胞质中，激活凋亡引起细胞死亡[64,72]。此外，钠钙交换体(sodium calcium exchanger，NCX)亚型是神经元和小胶质细胞内主要的细胞Ca2+排出系统[73-74]。Sirabella等[75]通过PDA53T和WT小鼠模型的中脑神经元的体外实验观察到，NCX3的表达水平和活性降低，这一现象伴随着线粒体钙超载，可能导致该脑区线粒体功能障碍和神经元死亡，进一步证明了细胞内Ca2+稳态与线粒体功能障碍之间存在因果关系，导致神经元变性退化。因此推测，阻断线粒体钙超载可能能在一定程度上减轻与线粒体密切相关的PD的严重程度。值得注意的是，虽然Ca2+通过Cav1通道进入体内触发线粒体损伤，但通过全身给药不能达到足够的通道抑制水平来减轻这种损伤[76]。因此，为了确定临床相关剂量伊拉地平是否有效激活了活体大脑中枢神经系统多巴胺神经元上的Cav1通道。Guzman等[77]在健康小鼠黑质多巴胺神经元长期给予伊拉地平，结果表明负性变构调节剂伊拉地平在体内慢性抑制Cav1通道，导致黑质多巴胺神经元胞质Ca2+水平持续下降，加深了人们对正在进行的伊拉地平临床试验的潜在机制以及Cav1通道抑制如何改变PD发病机制的理解。

8 结 语

随着全球人口老龄化，以PD为代表的神经退行性疾病日益增多。PD可能的致病因素很多，线粒体功能障碍在其中起关键作用。而年龄、环境因素、线粒体UPS及线粒体自噬障碍、α-Syn异常、钙超载等均可能导致线粒体功能障碍，最终导致PD。因此，针对这些可能影响线粒体功能的因素的研究将有助于探究PD的发病机制，以进一步提出更加切实有效的干预措施。未来，应采用更加科学有效的治疗方式，积极寻找最优方案，以期更有效地提高PD患者的生存率和生活质量。