線粒體功能障礙在肌萎縮側(cè)索硬化發(fā)病中作用的研究進展

劉立洋，柳 青，劉雅萍，張 學(xué)*

1.中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)研究所 北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院基礎(chǔ)學(xué)院 醫(yī)學(xué)遺傳學(xué)系，北京 100005；2.中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院 北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院 北京協(xié)和醫(yī)院 神經(jīng)科，北京 100730；3.中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院 北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院 臨床醫(yī)學(xué)專業(yè)試點班，北京 100730

肌萎縮側(cè)索硬化(amyotrophic lateral sclerosis，ALS)是常見的幾種神經(jīng)退行性疾病之一。進行性運動神經(jīng)元損傷是肌萎縮側(cè)索硬化發(fā)病的主要原因。肌萎縮側(cè)索硬化患者先是四肢肌肉出現(xiàn)無力和萎縮癥狀，最終往往發(fā)展為呼吸麻痹導(dǎo)致死亡。目前肌萎縮側(cè)索硬化的發(fā)病機制不明，其可能的致病機制包括氧化應(yīng)激障礙、神經(jīng)炎性反應(yīng)、蛋白代謝異常等[1-3]。

線粒體是細(xì)胞內(nèi)主要的產(chǎn)能細(xì)胞器，產(chǎn)能時會伴隨活性氧自由基(reactive oxygen species, ROS)的產(chǎn)生，其在高耗能的神經(jīng)系統(tǒng)中更容易對細(xì)胞造成損害，相應(yīng)的線粒體損傷對神經(jīng)系統(tǒng)的影響也更大，因此，穩(wěn)定線粒體結(jié)構(gòu)和功能對延緩神經(jīng)退行性疾病的發(fā)生和細(xì)胞老化有重要意義[4]。在ALS的細(xì)胞模型或患者的尸檢中都發(fā)現(xiàn)了線粒體損傷的證據(jù)[5-6]。近期有研究通過核磁共振波譜分析在ALS患者的體內(nèi)也觀察到了線粒體損傷所導(dǎo)致的能量代謝異常[7]。全面揭示線粒體功能障礙在ALS發(fā)病中的作用對該病的機制研究和治療方法探索都具有重要意義。本文結(jié)合最近相關(guān)研究進展，從核編碼的線粒體蛋白異常、線粒體介導(dǎo)的鈣穩(wěn)態(tài)失衡、神經(jīng)炎性反應(yīng)和線粒體自噬4個方面對線粒體功能障礙在ALS發(fā)病機制中的作用進行綜述。

1 核編碼線粒體蛋白異常在ALS發(fā)病中的作用

線粒體雖然有獨立的DNA，但是仍需要從細(xì)胞質(zhì)中輸入約1 000余種核編碼的蛋白質(zhì)以滿足其正常的功能[8-9]。因此，線粒體的正常功能依賴于核編碼蛋白的正常翻譯和轉(zhuǎn)運。在ALS患者的誘導(dǎo)多能干細(xì)胞(induced pluripotent stem cells，iPSCs)分化的運動神經(jīng)元軸突中，高度磷酸化的TDP-43蛋白聚集體與核編碼的線粒體蛋白基因的mRNA結(jié)合，阻止其向軸突遠(yuǎn)端和神經(jīng)肌肉接頭處的運輸，造成遠(yuǎn)端的線粒體功能失調(diào)和神經(jīng)肌肉接頭的退化[10]。TDP-43是一種DNA和RNA的結(jié)合蛋白，由ALS的遺傳致病基因TARDBP編碼，這種蛋白的異常聚集被發(fā)現(xiàn)存在于幾乎所有ALS患者的運動神經(jīng)元胞質(zhì)中[11]。除了直接結(jié)合核編碼線粒體蛋白的mRNA外，被氧化應(yīng)激誘發(fā)的TDP-43聚集體還可以選擇性地結(jié)合大量的miRNA調(diào)節(jié)基因表達(dá)，這其中就有很多核編碼的線粒體蛋白基因，間接導(dǎo)致線粒體內(nèi)蛋白失衡，進而導(dǎo)致更嚴(yán)重的氧化應(yīng)激損傷[12]。因為TDP-43蛋白聚集體的普遍性，這些線粒體相關(guān)的細(xì)胞損傷機制可能廣泛存在于ALS患者中。

除了核編碼線粒體蛋白的轉(zhuǎn)錄和運輸受影響外，有的ALS致病基因本來就是核編碼的線粒體蛋白。C9orf72是最常見的ALS遺傳致病基因，其在非編碼區(qū)的6個核苷酸重復(fù)的擴增會造成原有的表達(dá)量降低[13]。攜帶C9orf72致病突變的ALS患者來源iPSCs分化的運動神經(jīng)元中，軸突的長度明顯短于對照組，在軸突運輸?shù)木€粒體數(shù)目也顯著少于對照組，神經(jīng)元的能量代謝顯著下降。在iPSCs分化的運動神經(jīng)元和患者的尸檢組織中，都發(fā)現(xiàn)以呼吸鏈復(fù)合體I和IV為代表的電子傳遞鏈相關(guān)蛋白表達(dá)的下調(diào)[14]。免疫共沉淀實驗發(fā)現(xiàn)，C9orf72蛋白和至少13種線粒體蛋白有緊密的相互作用[15-16]， C9orf72蛋白通過AIFM1/CHCHD4復(fù)合體被轉(zhuǎn)運到線粒體膜間隙，并通過減少復(fù)合體I的組裝輔助因子TIMMDC1的降解而達(dá)到穩(wěn)定復(fù)合體I結(jié)構(gòu)的作用[16]。在ALS患者的細(xì)胞中，C9orf72的轉(zhuǎn)錄水平和蛋白水平的下降會導(dǎo)致線粒體復(fù)合體I結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定，從而導(dǎo)致氧化磷酸化障礙和能量代謝失衡，進而導(dǎo)致運動神經(jīng)元死亡。核編碼的線粒體蛋白在線粒體的功能維持中起著重要作用，其導(dǎo)致的線粒體功能異?？赡茉诙鄠€方面影響神經(jīng)元的存活。

2 線粒體損傷所致的鈣穩(wěn)態(tài)失衡在ALS發(fā)病中的作用

鈣離子穩(wěn)態(tài)的破壞在ALS的發(fā)病機制中起著重要的作用。鈣離子的失穩(wěn)態(tài)主要是由于細(xì)胞膜對鈣離子的高通透性和細(xì)胞對鈣離子的清除減少所致，線粒體、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)等細(xì)胞器和鈣離子結(jié)合蛋白一起組成的細(xì)胞內(nèi)鈣離子緩沖調(diào)節(jié)系統(tǒng)在ALS患者細(xì)胞內(nèi)的功能障礙已經(jīng)被廣泛的報道[17-18]。目前發(fā)現(xiàn)，在攜帶TDP-43M337V突變和C9orf72突變的由ALS患者iPSCs分化的運動神經(jīng)元中，線粒體從胞質(zhì)中吸收鈣離子的能力下降，導(dǎo)致細(xì)胞質(zhì)在神經(jīng)元興奮后更難以回到靜息時的鈣離子水平，而持續(xù)的高鈣離子水平會造成神經(jīng)元的損傷[18]。這種鈣離子轉(zhuǎn)運功能的下降很可能是因為兩種調(diào)節(jié)鈣離子轉(zhuǎn)運體蛋白活性因子的比例失衡所致[18]，這種改變有可能和前述TDP-43蛋白聚集體和C9orf72蛋白水平降低導(dǎo)致線粒體蛋白水平失衡有關(guān)。

3 線粒體介導(dǎo)的炎性反應(yīng)失控在ALS發(fā)病中的作用

神經(jīng)炎性反應(yīng)是ALS的典型病理改變之一，已發(fā)現(xiàn)多種ALS致病基因都和異常活化的神經(jīng)炎性反應(yīng)有關(guān)。比如細(xì)胞內(nèi)的一種識別胞質(zhì)內(nèi)雙鏈DNA的固有免疫機制——cGAS/STING信號通路受C9orf72蛋白的負(fù)向調(diào)節(jié)，在C9orf72基因突變的患者中，C9orf72蛋白的缺乏會導(dǎo)致炎性反應(yīng)的異?；罨痆19]。大多數(shù)的散發(fā)ALS患者致病基因不明，其運動神經(jīng)元的炎性反應(yīng)異常激活可能和細(xì)胞內(nèi)廣泛存在的TDP-43蛋白聚集體有關(guān)[20]。TDP-43蛋白聚集體不僅存在于細(xì)胞質(zhì)，也可進入線粒體基質(zhì)，阻止其在線粒體的聚集，可延緩小鼠運動和認(rèn)知功能的下降[21]。TDP-43蛋白進入到線粒體的過程造成線粒體DNA(mtDNA)向胞質(zhì)的釋放，后者促發(fā)cGAS/STING信號通路，導(dǎo)致下游以IFNβ、TNF和IL6為代表的炎性反應(yīng)，從而造成運動神經(jīng)元的死亡[20]。以上這些說明線粒體損傷在cGAS/STING信號通路所介導(dǎo)的炎性反應(yīng)中起著至關(guān)重要的始發(fā)作用，TDP-43蛋白聚集體通過誘發(fā)線粒體DNA的釋放啟動細(xì)胞炎性反應(yīng)，造成運動神經(jīng)元死亡，這可能是ALS患者中普遍存在的一種神經(jīng)元死亡機制。

4 線粒體自噬障礙在ALS發(fā)病中的作用

衰老或損傷的線粒體需要通過線粒體自噬作用被及時清除才能保證細(xì)胞的正常功能。線粒體自噬的異常存在于ALS的患者和動物模型中，目前對于線粒體自噬作用在疾病狀態(tài)中是增強還是減弱仍存在爭議。超氧化物歧化酶1(superoxide dismutase 1, SOD1)的ALS相關(guān)突變蛋白可以通過結(jié)合線粒體自噬的關(guān)鍵蛋白Optineurin影響其正常功能，減弱線粒體自噬作用，造成線粒體自噬障礙和神經(jīng)損傷，并加速了ALS動物模型的死亡[22]。蛋白激酶TBK1也參與到線粒體的自噬過程中，當(dāng)ALS相關(guān)突變可以同時影響其激酶活性和二聚化功能時，會顯著影響其在線粒體周圍的聚集和其介導(dǎo)的線粒體自噬過程[23]。但過度增強的自噬作用同樣被發(fā)現(xiàn)于SOD1和TARDBP突變的ALS患者的細(xì)胞和動物模型中[24]。當(dāng)用藥物誘導(dǎo)TDP-43WTxQ331K小鼠體內(nèi)的線粒體自噬作用后，小鼠體內(nèi)的神經(jīng)元丟失更加顯著，且疾病進展更迅速，提示過度增強的自噬作用對于神經(jīng)元同樣有傷害[25]。所以線粒體自噬的異常雖然會影響ALS的起病和進展，但是其具體的機制還有待進一步探索。

5 問題與展望

ALS作為一種年齡相關(guān)的神經(jīng)退行性疾病，晚期起病的特點讓研究人員希望找到一種損傷累積模型。不斷產(chǎn)生氧自由基的線粒體一直是損傷累積模型的重點之一。本文總結(jié)了近年來有關(guān)線粒體在ALS發(fā)病機制中作用的研究進展，其機制包括線粒體氧化應(yīng)激正反饋、線粒體誘導(dǎo)的細(xì)胞炎性反應(yīng)、電子傳遞鏈復(fù)合體的不穩(wěn)定、鈣離子轉(zhuǎn)運功能障礙、線粒體蛋白水平失穩(wěn)態(tài)和線粒體自噬功能異常等。這些機制之間相對獨立又相互聯(lián)系，共同導(dǎo)致了神經(jīng)元細(xì)胞的死亡。比如C9orf72突變所致的線粒體電子傳遞鏈的缺陷造成患者體內(nèi)更高水平的氧化應(yīng)激，氧化應(yīng)激損傷會觸發(fā)TDP-43蛋白的聚集，其對核編碼的線粒體蛋白表達(dá)的影響會進一步加劇氧化應(yīng)激損傷和能量代謝失調(diào)，并且可能是鈣離子轉(zhuǎn)運體活性下降的原因。進入線粒體的TDP-43蛋白進一步誘發(fā)mtDNA的釋放，起始下游的炎性反應(yīng)。線粒體自噬則是作為線粒體的質(zhì)量控制機制對損傷的線粒體進行及時清理，中斷細(xì)胞損傷的過程，對損傷的線粒體清除障礙或者過度清除都會造成神經(jīng)元損害。綜合上述研究結(jié)果，TDP-43蛋白聚集體所致的線粒體氧化應(yīng)激損傷和線粒體損傷誘發(fā)的炎性反應(yīng)可能在ALS的發(fā)病中起關(guān)鍵的作用。這些機制是否也存在于ALS患者中還需要更多的研究加以證實，在線粒體誘發(fā)的細(xì)胞損傷過程的起始階段進行阻斷可能是治療的潛在方向。