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文獻(xiàn)精讀：線粒體復(fù)合物與帕金森病關(guān)系密切

2021-12-15 15:40來源：威正翔禹|締一生物

帕金森病（Parkinson’s disease，PD）

是一種常見的神經(jīng)系統(tǒng)變性疾病，老年人多見，平均發(fā)病年齡為60歲左右，40歲以下起病的青年帕金森病較少見。我國65歲以上人群PD的患病率大約是1.7%。


大部分帕金森病患者為散發(fā)病例，僅有不到10%的患者有家族史。帕金森病最主要的病理改變是中腦黑質(zhì)多巴胺（dopamine, DA）能神經(jīng)元的變性死亡，由此而引起紋狀體DA含量顯著性減少而致病。


導(dǎo)致這一病理改變的確切病因仍不清楚，遺傳因素、環(huán)境因素、年齡老化、氧化應(yīng)激等均可能參與PD多巴胺能神經(jīng)元的變性死亡過程。


病因

有研究表明，黑質(zhì)（substantia nigra, SN）中多巴胺能神經(jīng)元喪失會(huì)導(dǎo)致患者表現(xiàn)出的運(yùn)動(dòng)功能障礙。


PD致病因素多種多樣，但有不少證據(jù)表明，線粒體功能缺陷是很重要的一項(xiàng)。例如：編碼維持線粒體質(zhì)量控制蛋白的PARK7、PARK6和PARK2基因突變能引起早發(fā)型PD。


由于多巴胺能神經(jīng)元對代謝有很高的需求，因此造成其對線粒體功能障礙十分敏感。而線粒體氧化磷酸化（OXPHOS）的持續(xù)刺激，是以線粒體氧化損傷增加為代價(jià)的。


研究表明，PD患者SN中mtDNA完整性的喪失與功能性線粒體復(fù)合物I（MCI）的喪失存在一定的相關(guān)性。然而，這種MCI獲得性損傷究竟是PD疾病進(jìn)程中的一種副產(chǎn)品還是疾病的驅(qū)動(dòng)因素還不得而知。

最新研究

為了探究線粒體-黑質(zhì)-帕金森之間的關(guān)系，美國西北大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了研究，最新結(jié)果發(fā)表在《Nature》上，論文標(biāo)題為：“Disruption of mitochondrial complex I induces progressive parkinsonism”。

本文關(guān)鍵詞

帕金森病（Parkinson’s disease，PD）


黑質(zhì)（substantia nigra, SN）


多巴胺能神經(jīng)元


功能性線粒體復(fù)合物I（MCI）


NDUFS4亞基


線粒體氧化磷酸化（OXPHOS）


濃縮就是精華版

使用交叉遺傳學(xué)來破壞小鼠多巴胺能神經(jīng)元的MCI功能。MCI的破壞誘導(dǎo)了代謝的warburg樣改變，使神經(jīng)元存活，但引發(fā)運(yùn)動(dòng)學(xué)習(xí)和精細(xì)運(yùn)動(dòng)缺陷。


因此，單是MCI功能障礙就足以引起進(jìn)行性的類人帕金森病，在這種情況下，黑素多巴胺釋放的缺失對運(yùn)動(dòng)功能障礙起關(guān)鍵作用。


并且人員還探究了不同類型的運(yùn)動(dòng)功能損傷，與不同部位多巴胺釋放的相關(guān)性。


這些研究挑戰(zhàn)了該疾病長期以來的主流的觀點(diǎn)。


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結(jié)果1：


采用Cre-loxP構(gòu)建Ndufs2缺失小鼠品系。


得出最終結(jié)論：MCI的喪失會(huì)引起代謝重編程


  • 大約在出生后第20天(P20))，條件下ndufs2敲除小鼠(cNdufs2?/?)的外觀和大運(yùn)動(dòng)行為正常（MCI蛋白通常有20-40天的生命周期14，因此可能在出生后早期沒有明顯表型）。


  • 在P20和P30之間，SN多巴胺能神經(jīng)元中的線粒體成為三磷酸腺苷(ATP)的凈消費(fèi)者，而不是生產(chǎn)者，且線粒體嵴變化明顯[這種變化在線粒體內(nèi)膜(IMM)電位的敏感性中很明顯——使用電位染料四甲基羅丹明(tetramethylrhodamine)對腺嘌呤核苷酸轉(zhuǎn)運(yùn)體(ANT)阻斷的敏感性測量]。


  • cNdufs2?/?多巴胺能神經(jīng)元中的體細(xì)胞線粒體密度是正常的。但是在許多cNdufs2?/?多巴胺能神經(jīng)元中，線粒體嵴的結(jié)構(gòu)發(fā)生了改變與電子傳遞鏈基因的下調(diào)一致。


  • 分離野生型和cNdufs2?/?SN多巴胺能神經(jīng)元的mRNA，并對其進(jìn)行測序。在cNdufs2?/?多巴胺能神經(jīng)元中存在大量的代謝重編程——一種類似warburg的效應(yīng)。


促進(jìn)糖酵解的基因編碼蛋白上調(diào)，與OXPHOS相關(guān)的基因下調(diào)。編碼糖酵解抑制因子的基因也被下調(diào)。


野生型多巴胺能神經(jīng)元，寡霉素抑制線粒體復(fù)合物 V 導(dǎo)致 ATP 水平急劇下降。與之相比，在 cNdufs2?/? 多巴胺能神經(jīng)元，該比率因糖酵解抑制而下降。



結(jié)果2：


除了觸發(fā)代謝重編程外，Ndufs2的缺失還會(huì)導(dǎo)致軸突生長和轉(zhuǎn)運(yùn)相關(guān)基因(如Tubb3、Uchl1、Wnt5a、Sema3g、Nefl和Prkca)、突觸傳遞相關(guān)基因(如Syt1、Syt3、Syt17、Syn2和Scna)的表達(dá)發(fā)生重大變化，DA合成/儲(chǔ)存(如Th和Vamp2)和突觸前調(diào)節(jié)(如Drd2, Chrna4和Chrna6)。背側(cè)紋狀體中酪氨酸羥化酶(TH)蛋白水平在P30左右下調(diào)，與線粒體OXPHOS的喪失平行。


  • 對紋狀體組織的液相色譜和質(zhì)譜分析進(jìn)一步驗(yàn)證cNdufs2-/-小鼠紋狀體DA合成明顯下降，此外，有助于驅(qū)動(dòng)起搏的環(huán)核苷酸門控陽離子通道電流也明顯減少。


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結(jié)果3：


Ndufs2缺失后的體樹突轉(zhuǎn)移。


  • 到P60，與多巴胺能信號(hào)相關(guān)的軸突蛋白的丟失由背側(cè)紋狀體擴(kuò)大到腹側(cè)紋狀體。


  • cNdufs2-/-小鼠SN多巴胺能神經(jīng)元胞體樹突區(qū)域中的酪氨酸羥化酶表達(dá)降低至對照組一半左右。


  • DA釋放量下降約75%。


  • 組織學(xué)分析得出結(jié)論：在cNdufs2?/?小鼠病理進(jìn)化的這個(gè)階段，多巴胺能信號(hào)傳遞標(biāo)記的丟失反映了表型下調(diào)，而不是明顯的神經(jīng)退行性變;也就是說，黑質(zhì)紋狀體軸突的分支形態(tài)是否保留仍有待確定。


  • 對多巴胺能神經(jīng)元進(jìn)行標(biāo)記后，發(fā)現(xiàn)cNdufs2?/?SN多巴胺能神經(jīng)元的體樹突遞質(zhì)表型的下降與對外部興奮性刺激反應(yīng)的損失并不緊密匹配。


結(jié)果4：


帕金森癥的出現(xiàn)。


  • 與在整個(gè)基底神經(jīng)節(jié)中DA迅速耗盡的傳統(tǒng)PD模型相比，cNdufs2-/-小鼠的病理分期能夠評估DA釋放的區(qū)域缺陷如何與行為相關(guān)聯(lián)。


  • 當(dāng)背側(cè)紋狀體DA釋放在P30左右下降到接近檢測閾值時(shí)，cNdufs2?/?小鼠失去了執(zhí)行聯(lián)想學(xué)習(xí)任務(wù)的能力，而聯(lián)想學(xué)習(xí)任務(wù)被認(rèn)為依賴于DA依賴的紋狀體突觸可塑性。


  • 在P30的全體性左旋多巴治療(6 mg kg?1)可以恢復(fù)這一記憶任務(wù)，但在P60的后期治療卻不能。


  • 在通過小鼠從前爪去除粘合劑所花費(fèi)的時(shí)間來評估精細(xì)運(yùn)動(dòng)技能的實(shí)驗(yàn)中，cNdufs2-/-小鼠完成任務(wù)時(shí)間明顯延長，同時(shí)也表現(xiàn)出較差的曠場探索行為表現(xiàn)。


  • P60的cNdufs2-/-小鼠僅表現(xiàn)出輕微的步態(tài)障礙，到了P100才會(huì)表現(xiàn)出后肢張開、爪子位置異常和步幅改變等特征。而在P120-150期間，大約有40%的SN多巴胺能神經(jīng)元丟失。

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結(jié)果5：


運(yùn)動(dòng)障礙的黑質(zhì)決定簇。


  • 分別向小鼠背側(cè)紋狀體或SN中立體定位注射攜帶AADC（可將左旋多巴轉(zhuǎn)化為DA）的AAV，以及隨后對小鼠曠場步態(tài)的分析，證明黑質(zhì)多巴胺釋放喪失對于粗大運(yùn)動(dòng)缺陷而言是必要因素。


★ 總結(jié)

這項(xiàng)研究，不僅證明多巴胺能神經(jīng)元中MCI功能喪失足以引發(fā)進(jìn)行性的、軸突先行的功能喪失和左旋多巴反應(yīng)性帕金森病，還證明背側(cè)紋狀體的DA耗竭對于聯(lián)想運(yùn)動(dòng)學(xué)習(xí)和精細(xì)動(dòng)作而言是必要的，但黑質(zhì)的DA釋放缺陷才會(huì)引起類似于臨床PD患者表現(xiàn)出的粗大運(yùn)動(dòng)損傷特征。


該模型不僅可以研究復(fù)合物 I 缺陷在疾病中的作用，還可以具有評估治療策略的潛力。


參考文獻(xiàn)：González-Rodríguez, Patricia et al. “Disruption of mitochondrial complex I induces progressive parkinsonism.” Nature vol. 599,7886 (2021): 650-656. doi:10.1038/s41586-021-04059-0


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