線粒體質量控制系統在中樞神經系統疾病中的研究進展*

韓靈靈 高俊玲

（1 華北理工大學基礎醫學院，河北省慢性疾病重點實驗室，唐山 063210；2 鄭州大學附屬南陽市中心醫院急診創傷外科，南陽 473000）

線粒體大約產生于20億年前，屬于真核細胞的核心細胞器，也是主要內膜系統之一。線粒體發揮三磷酸腺苷產生、脂質生物發生、氨基酸合成、細胞凋亡、離子穩態、抗氧化和鈣清除等重要生物學作用[1]。線粒體的質量穩定和形態完整是細胞器保持數量、分布和功能正常所必需的條件。在神經元中，高度動態化的線粒體能夠沿微管軌跡分裂、融合和移動，以確保它們準確分布到神經元外圍。在中樞神經系統（central nervous system，CNS）中，神經元是長壽命細胞，損傷在其線粒體中可能不斷累積，因此線粒體質量控制（mitochondria quality control，mitoQC）的啟動和精密調控對神經元顯得尤為重要。若線粒體功能障礙，神經元因極高的能量和代謝需求無法滿足，導致神經元變性[2]。同時異常蛋白質聚集體和疾病相關的突變體易損害軸突線粒體運輸，這進一步導致許多急性及退行性CNS疾病中線粒體功能障礙和神經元死亡。線粒體功能主要由mitoQC系統精細調節，包括線粒體不間斷的生物發生、分裂、融合、自噬、有絲分裂和轉運之間的動態協調循環，以維持其形態、功能完整。同時保證正常線粒體能被招募至能量需求較高的亞細胞定位，如突觸末端或者軸突分支等[3]，從而更好地參與線粒體內容物之間交換。事實上已證明，這其中任何節點紊亂所造成的線粒體不可逆損傷，均會誘發神經元損傷、細胞功能異常，最終導致細胞凋亡，甚至神經功能缺失[4]。

現探討mitoQC破壞與CNS疾病之間的內在聯系，以及如何維持和/或恢復神經元線粒體穩態及相關細胞生命過程的治療策略，重點關注近年來mitoQC在幾種常見CNS疾病中的研究進展。

1 線粒體質量控制體系

1.1 線粒體生物發生

線粒體生物發生（mitochondrial biogenesis，MB）是通過原有線粒體生長和分裂形成新線粒體的動態過程。MB是一個多方面的過程，涉及高度調控的轉錄事件、脂質膜和蛋白質合成/組裝以及線粒體DNA（mitochondrial DNA，mtDNA）復制的整合。AMP活化激酶（AMPK）-PGC-1α-NRF-TFAM軸和AMPK-SIRT1-PGC-1α-NRF-TFAM軸是調節MB的2條主要通路。前者激活導致mtDNA和蛋白質合成及產生新線粒體；后者則在穩定缺陷細胞能量代謝中起關鍵作用[5]（圖1）。PGC-1α作為MB的“主調節器”，主要位于胞質，一旦PGC-1α被磷酸化后或去乙?；せ詈?，則移位細胞核上調MB[6]。

圖1 調節MB的主要通路

1.2 線粒體動力學

線粒體作為真核細胞的“動力工廠”，是高度動態化的雙膜細胞器，可根據宿主細胞環境需要改變其形態特征。線粒體動力學是由分裂和融合事件決定的動態循環過程。融合是指交融相毗鄰去極化線粒體，混合其內容物以穩定膜電位。相反，分裂是將受損部分從整體中分離出去，并通過線粒體自噬途徑進行降解，完整部分進行融合。線粒體動態特性對神經元活動至關重要，融合和裂變的不平衡可能導致線粒體分布異常和細胞功能缺陷[7]。

線粒體分裂和融合過程通過一組包含GTP酶結構域的蛋白質介導。此外，它們還共享其他域：一個中間域、一個可變域和一個GTP酶效應域。該家族的所有成員都能夠通過激活可變域與膜結合[8]。主要由線粒體動力相關蛋白1（mitochondrial motility-related protein 1，Drp1）和線粒體分裂蛋白1(mitochondrial fission protein 1,Fis1)主導線粒體分裂過程，線粒體融合則由線粒體融合蛋白1/2（mitochondrial fusion protein 1/2，Mfn1/2）介導線粒體外膜融合及視神經萎縮蛋白1（optic atrophy 1，Opa1）調節線粒體內膜融合來控制[9]（圖2）。Drp1主要存在于胞質，募集到OMM與Fis1結合啟動分裂。Drp1參與調節線粒體自噬，最終觸發內源性凋亡通路。在人的Drp1的點突變足以導致致命性的大腦發育異常，分裂的維持可以調節線粒體質量和生物能量特性，分裂的失調會導致神經元疾病。系統性缺失Mfn1/2和Opa1對小鼠胚胎尤為致命，證明了它們在胚胎發生和早期發育過程中的根本重要性[10]。

圖2 線粒體動力學和自噬

1.3 線粒體自噬

自噬是一種基本生理過程，通過清除受損細胞器和異常聚集細胞溶質蛋白維持穩態。自噬涉及一系列連續事件，包括雙膜形成、伸長、囊泡成熟，最終將目標物質遞送至溶酶體進行降解和回收作為能源[11]。線粒體自噬過程中，線粒體被吞噬細胞吞噬形成自噬體，隨后與溶酶體融合。

線粒體自噬主要通過3種機制執行誘導：第一，泛素介導線粒體自噬通路。①PINK1-Parkin通路。健康線粒體中，PINK1通過復雜加工和降解維持低水平，在線粒體外膜上保持穩定。線粒體受損后膜電位丟失，pten誘導的推定激酶1（PTEN-induced putative kinase 1，PINK1）在膜上累積，將多面泛素連接酶Parkin募集至受損線粒體并磷酸化（Ser65位點），進而刺激線粒體外膜底物蛋白泛素化啟動自噬，促使自噬體形成，最終與溶酶體融合完成線粒體降解（圖3）。②線粒體E3泛素連接酶1（mitochondrial E3 ubiquitin ligase 1，MUL1））與Parkin底物Drp1、Mfn1/2相互作用，可直接與神經遞質γ-氨基丁酸（GABA）及其突觸靶點A型GABA受體（GABAA受體）相關蛋白（GABARAP）結合，以促進自噬吞噬；GABARAP是Atg8家族的成員，在自噬和線粒體自噬中起關鍵作用（圖3）。第二，受體介導線粒體自噬通路。受體錨定線粒體外膜內，包括NIP3樣蛋白X（NIX，也稱為BNIP3L）、含有1的FUN14結構域（FUNDC1）和FK506結合蛋白8（FKBP8）。NIX/BNIP3L或FUNDC1與吞噬細胞上的LC3或GABARAP的結合介導靶向功能失調的線粒體進行自噬[12]（圖3）。第三，脂質介導線粒體自噬。通常存在于線粒體內膜磷脂中的心磷脂外化到線粒體外膜是脂質介導的線粒體自噬的獨特機制。神經元內心磷脂在線粒體損傷時由線粒體內膜外化到線粒體外膜，通過與LC3相連啟動線粒體自噬，介導受損線粒體重新聚集到自噬途徑中，從而起到消除信號作用[13]（圖3）。

圖3 線粒體自噬機制

1.4 線粒體有絲分裂

線粒體有絲分裂是一種由遷移酶體介導的線粒體質量控制過程。線粒體作為真核細胞的重要細胞器，受到嚴格的質量控制[14]。線粒體受損時需要被清除，以維持線粒體池的質量。在輕度線粒體應激下，受損的線粒體被運輸到遷移體中，隨后從遷移細胞中被丟棄。大多數已知的去除受損線粒體的機制是基于蛋白酶或蛋白酶體介導的線粒體或線粒體蛋白質的降解。線粒體可以通過各種機制從細胞中脫落[15]。線粒體的脫落可有助于線粒體質量控制[16]或作為一種機制來調節線粒體在細胞之間的水平轉移[17]。

遷移體是新發現的一種由遷移細胞產生的細胞器[18]。當細胞遷移時，尾巴上會留下細長的收縮纖維。遷移體的產生與細胞的遷移高度相關。在細胞遷移過程中，回縮纖維從細胞的后端被拉出，并在回縮纖維上生長出稱為遷移體的大泡狀結構。當細胞移開時，回縮纖維斷裂，留下遷移體。細胞內容物，如囊泡和胞漿，可以通過遷移體從細胞中釋放出來。遷移體的形成依賴于遷徙。使用肌球蛋白Ⅱ抑制劑Blebbistatin或通過調節細胞黏附來阻止遷移，可以抑制遷移小體的形成[19]。最近，遷移體已被證明在斑馬魚器官發生中發揮關鍵作用[20]。到目前為止，關于遷移體如何發揮其生物學功能，已經出現了3種作用模式。首先，遷移體可保留在遷移細胞的遷移路徑上，在細胞離開后充當位置信號。其次，遷移體充當垃圾處理機制，通過該機制將受損的細胞器從細胞中逐出。最后，遷移體可介導 RNA 和蛋白質等細胞內容物的橫向或水平轉移。最新研究結果表明，線粒體有絲分裂和自噬可能作為線粒體應激的兩層系統。在這個系統中，有絲分裂處理輕微的線粒體應激，而線粒體自噬則處理災難性的線粒體損傷。

現階段，遷移體在疾病中作用的研究仍處于起步階段。研究表明腦卒中患者大腦中存在遷移體[21]。也有研究證實受損的腎足細胞比健康的足細胞產生更多的遷移體，尿足細胞遷移體有可能用作檢測早期足細胞損傷的診斷標記物[22]。此外，考慮到遷移體在細胞間通訊和維持細胞穩態中的生理功能，預計未來遷移體將與涉及遷移細胞的疾病有關，例如腫瘤轉移、免疫紊亂和發育障礙。

2 線粒體質量控制與CNS疾病

CNS是由腦和脊髓組成，是人體神經系統的最主體部分。急性CNS疾病非常常見，包括腦出血（intracerebral hemorrhage，ICH）、自發性蛛網膜下腔出血（spontaneous subarachnoid hemorrhage，SAH）、創傷性腦損傷（traumatic brain injury，TBI）和缺血性腦卒中等[23]。CNS退行性疾病是指一組由慢性進行性的中樞神經組織退行性變性而產生的疾病的總稱。病理上，可見腦和（或）脊髓發生神經元的退行變性和丟失。神經元死亡和線粒體功能障礙是導致急性和退行性CNS疾病患者神經功能障礙的重要因素[24，25]。線粒體質量受損，表現為膜電位喪失、ATP減少、形態異常、ROS激增、Ca2+緩沖能力受損及促凋亡分子增加，最終導致細胞死亡。因此，細胞啟動mitoQC系統來克服細胞線粒體缺陷，它同時代表著生物發生和降解之間的凈平衡，是維持線粒體數量、分布和功能完整的主要調控機制[5]。

2.1 mitoQC與腦卒中

線粒體是細菌來源的細胞器，被認為是細胞的能量發生器。近年來，由于線粒體已被確定在多種腦部疾病病理學中發揮核心作用，例如出血性及缺血性卒中、TBI、阿爾茨海默?。ˋlzheimer's disease，AD）和帕金森?。≒arkinson's disease，PD）等。成年人大腦約占體質量的2%，卻消耗身體所需能量的20%。線粒體提供能量占大腦總能量的主要部分，對于確保神經元的興奮性和存活至關重要[26]。線粒體鈣超載、活性氧（reactive oxygen species，ROS）過量產生、線粒體通透性轉換孔開放和損傷相關分子模式釋放將線粒體置于一系列復雜的偶然相互作用的中心。

線粒體功能障礙的抑制有助于腦卒中患者的恢復。線粒體自噬的恢復降低了原發性高血壓和自發性卒中模型中的卒中發生概率。研究表明，Drp1選擇性抑制劑Mdivi-1（mitochondrial division inhibitor 1，Mdivi-1）治療可改善大腦缺氧/葡萄糖剝奪后的結果，并在幾種腦卒中和TBI模型中減輕腦損傷[27]。此外，最新研究證明，ICH小鼠模型中Mdivi-1可逆轉Drp1易位和線粒體形態學改變，并能改善突觸功能障礙、血腦屏障破壞和腦水腫[28]。在體內卒中模型中研究受損線粒體動力學的恢復，通過下調Drp1表達減少線粒體分裂可使缺血性腦卒中梗死面積減小[9]。相反，Opa1過表達增強線粒體融合可減輕大鼠腦缺血后的腦水腫。這些研究表明線粒體穩態和平衡的恢復可能對腦卒中產生神經保護的結論。

2.2 mitoQC與TBI

TBI是外力作用于腦組織而導致的腦損傷，除原發性腦損傷外，局部腦組織損害、水腫和高顱壓對周圍腦組織形成的繼發性腦損傷進一步加重病情。由于病情特殊性及病理生理反應復雜，CNS常出現不可逆性損傷，致殘及病死率高。TBI死亡的主要原因是繼發性腦損傷，所有這些都包含一系列有害的生化和病理生理應激源為特征的繼發性事件波，稱為繼發性損傷。這些次級壓力因素導致持續的細胞死亡和功能障礙，包括谷氨酸興奮性毒性、線粒體功能障礙、自由基介導的氧化損傷、炎癥及凋亡細胞死亡信號通路的激活[29]。

研究認為，TBI后受傷大腦的線粒體功能受到相當大的損害，例如鈣超載、ROS產生增加、過氧化物酶體增殖物激活受體-γ共激活因子1α（peroxisome proliferator activated receptor-γ coactivator 1α，PGC-1α）表達降低和線粒體DNA受損[30]。在TBI動物模型中，在腦損傷后1 h，Drp1的表達開始上調，在24 h達到高峰，Mdivi-1抑制Drp1表達可顯著減輕腦損傷后的行為障礙和腦水腫，減輕線粒體的形態變化，減少腦損傷后細胞死亡和損傷體積。同時，mdivi-1也抑制了TBI誘導的細胞色素c從線粒體釋放到細胞質，以及半胱氨酸蛋白酶-3的激活[31]。此外也有研究表明，Mdivi-1可有效改善認知障礙和焦慮樣行為。這一部分作用可能是通過挽救腦外傷后海馬區的神經發生和抑制神經元凋亡來實現[27]?？偠灾?，筆者可以認為TBI后線粒體功能障礙的嚴重程度是細胞存活、組織保留和功能恢復的關鍵決定因素。

2.3 mitoQC與AD

神經退行性疾病是一組無法治愈的異質性疾病，其特征是CNS神經元功能和結構的進行性喪失，主要包括AD、PD、亨廷頓病等。確切發病原因不明。然而，多個病理學和生理學證據表明，線粒體質量控制體系紊亂在神經退行性疾病的衰老和發病機制中起著至關重要的作用。

AD包括家族性AD和散發性AD，是一種與年齡相關的神經退行性疾病，其特征是進行性認知障礙、記憶力減退和行動不便。AD的發病機制復雜，涉及淀粉樣蛋白β（Aβ）代謝異常，導致Aβ斑塊沉積、Tau蛋白過度磷酸化、神經原纖維纏結沉積、反應性膠質細胞改變等病理現象。多項研究報告AD患者死后大腦中Aβ斑塊和磷酸化Tau聚集在突觸間隙、高代謝區域，從而阻礙突觸線粒體和神經傳遞。這種障礙導致AD患者的神經元功能障礙和認知能力下降，Aβ聚集體還促進ROS的產生，進一步破壞mtDNA，同時也促進額外的Aβ形成[32]。

線粒體動力學的不平衡是AD的主要發病機制之一，即線粒體分裂的上調、線粒體融合的下調以及線粒體自噬的減少。細胞培養和許多AD動物模型及AD患者死后大腦中都觀察到線粒體碎片和異常的線粒體分布和神經元運輸[33]。AD患者大腦中，Drp1在Ser616處的磷酸化和Drp1的S-亞硝基化均顯著高于對照組，證實了過度線粒體分裂的誘導。給予Mdivi-1治療，有助于恢復β-淀粉樣蛋白前體蛋白（βAPP）的蛋白水解衍生物淀粉樣蛋白-β肽（Aβ）介導的線粒體功能障礙和神經元突觸抑制[34]。此外，AD中的異常線粒體積累被認為是由多種線粒體自噬缺陷機制引起，在線粒體自噬通路中，PINK1和PD蛋白2的突變導致明顯的線粒體功能障礙，從而導致肌肉和神經元的退化[35]。因此，這些研究表明，缺陷的線粒體自噬可能是AD大腦中的早期事件，并且線粒體功能障礙與AD發病機制密切相關[36]。

2.4 mitoQC與PD

PD是全球最常見的與年齡相關的運動惡化神經退行性疾病，影響超過400萬人。PD特征是黑質多巴胺能（dopaminergic，DA）神經元首先退化，當大約70%的神經元丟失時，大腦和肌肉細胞之間聯系減弱，導致典型運動癥狀：如靜止性震顫、僵硬、運動遲緩和姿勢不穩。PD病因有線粒體功能障礙、氧化應激、慢性炎癥、異常蛋白質折疊和異常蛋白質聚集[37]。而線粒體功能障礙越來越被認為是PD神經元易感性的關鍵危險因素。

對PD研究顯示，PD與線粒體直接相關的第一個關鍵結果是線粒體自噬相關蛋白Pink1和Parkin的發現，這表明線粒體自噬在PD中尤為重要。在PD中，PARK6（編碼PINK1）和PARK2（編碼Parkin）基因突變會導致5%的家族性PD，而PINK1突變則與常染色體隱性遺傳性少年型PD有關。已有研究表明Pink1與線粒體中的α-突觸核蛋白本身相互作用，并通過刺激線粒體自噬清除，從而降低由α-突觸核蛋白引起的毒性[38]。除Pink1和Parkin外，PD患者基因突變至少包括SNCA、GBA、DJI、LRRK2。這些基因大多數相關聯或定位于線粒體，而PD中線粒體異常狀態，包括線粒體復合物I活性降低、膜電位下降、活性氧大量生成、線粒體體動力學改變及DNA突變等，也反向證明了這種聯系的存在。

3 總結與展望

CNS中的細胞嚴重依賴線粒體的完整性，線粒體功能障礙的許多方面都表現在CNS疾病中。神經退行性疾病，包括 AD、PD，其特征都是特定大腦區域進行性神經元變性。迄今為止，治療策略對這些神經退行性疾病無效。線粒體調節細胞代謝，協調細胞死亡，在激活途徑中發揮作用，并且對于維持神經元完整性至關重要。在過去10年中，越來越多的證據表明，線粒體動力學和線粒體自噬是解釋這些疾病中線粒體和神經元功能障礙的共同和初始特征。值得注意的是，線粒體動力學和線粒體自噬的操縱已被證明對這些疾病具有保護作用，這為開發有效的治療方法提供了新的方向。

此外，近年來，遷移體作為一種獨特的細胞外囊泡開啟了新的視野。盡管其特性和功能已逐漸闡明，但遷移體的生物發生機制，特別是病理生理學方面仍處于起步階段，許多重要問題仍未得到解答。遷移體很可能在涉及遷移細胞的其他生物學過程中發揮重要作用，包括神經元變性、免疫反應、血管生成、組織再生和腫瘤轉移等。建立各種動物模型來研究遷移體在這些生物過程中的作用將是至關重要的。最近的研究描述了遷移體在疾病中的可能作用，并討論了遷移體的診斷和治療潛力。在考慮可能的診斷和治療潛力之前，還需要更多確鑿的證據。只有更好地了解遷移體在各種生理和病理過程中的作用，才能產生基于遷移體的診斷工具和治療方法。