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    SCI論文改寫-線粒體變化機制與阿爾茨海默病

    發布時間:2013-10-19 09:55所屬分類:SCI論文

    阿爾茨海默病(AD)是一種起病隱匿的進行性發展的神經系統退行性疾病。臨床上以記憶障礙、失語、失用、失認、視空間技能損害、執行功能障礙以及人格和

      【摘要】:阿爾茨海默病(AD)是一種起病隱匿的進行性發展的神經系統退行性疾病。臨床上以記憶障礙、失語、失用、失認、視空間技能損害、執行功能障礙以及人格和行為改變等全面性癡呆表現為特征,病因迄今未明。65歲以前發病者,稱早老性癡呆;65歲以后發病者稱老年性癡呆。文章發表在《molecular biology of the cell》上,是SCI論文發表范文,供同行參考。

      【關鍵詞】:阿爾茨海默病;β淀粉樣蛋白;線粒體;載脂蛋白E;Tau蛋白

      阿爾茨海默病可能是一組異質性疾病,在多種因素(包括生物和社會心理因素)的作用下才發病。從目前研究來看,該病的可能因素和假說多達30余種,如家族史、女性、頭部外傷、低教育水平、甲狀腺病、母育齡過高或過低、病毒感染等。

      阿爾茨海默病(AD)亦稱老年性癡呆癥,是一種常見的中樞神經系統退行性疾病,臨床主要表現為進行性記憶力減退、認知功能障礙以及人格改變等癥 狀。AD的主要病理特征有:大腦皮層和海馬出現β淀粉樣蛋白(Aβ)聚集形成的老年斑(SP)、Tau蛋白常聚集形成的神經纖維纏結(NFTs)以及腦 皮層和海馬區神經細胞大量減少丟失〔1〕。最近研究表明,AD病變過程與線粒體能量代謝障礙有著密切的聯系,本文綜述了AD病變與線粒體結構功能異常間的 聯系。

      1 載脂蛋白 E對線粒體的影響

      載脂蛋白E(ApoE4)是影響AD晚期的一個重要因素。AD患者,特別是具有各種ApoE4等位基因的病例,發現有線粒體功能障礙 〔21,22〕。在對神經細胞、星形膠質細胞中表達人 ApoE3和 ApoE4的轉基因小鼠體內實驗表明,不論 Aβ是否參與,ApoE4都會對神經病理學變化產生影響〔23〕,這加深了對 ApoE4與神經病理學變化關系的認識。Latha等〔24〕研究發現,ApoE4和 ApoE3在蛋白激酶(特別是蛋白激酶A與蛋白激酶C)的調控下,線粒體可以調節信號轉導通路,進而調節APP在線粒體的定位。Jay等〔25〕研究老齡 與潛在毒性的ApoE4可能促使代謝效率降低導致線粒體與神經元的凋亡。Risner等人〔26〕等人報道稱AD患者ApoE4多態和腦內葡萄糖代謝變化 相關,對AD患者使用線粒體刺激劑馬來酸羅格列酮治療后,可緩解具有ApoE4者的認知功能低下,這些研究均說明 ApoE4與線粒體功能障礙有關。

      2 Tau蛋白對線粒體的影響

      Tau蛋白是一類神經元微管蛋白,它通過mRNA選擇剪切后表達形成的,Tau蛋白也是一種磷酸化蛋白,其磷酸化對微管的裝配起負調控作用,高 度磷酸化的Tau蛋白是形成神經纖維纏結NFTs的主要成分,NFTs則是神經退化疾病如AD的主要病理特征,由于臨床上認知能力下降早于NFTs的形 成,所以NFTs被認為是AD病例的晚期特征。David等〔27〕對表達人Tau蛋白的P310L轉基因鼠中線粒體的蛋白組及其功能分析,發現Tau蛋 白可以降低呼吸鏈上復合體ⅠNADH還原酶活性,損傷線粒體呼吸鏈和抑制ATP的合成,在研究Tau蛋白與Aβ協同作用線粒體時發現線粒體對Aβ的損傷更 加敏感〔28〕。以上證據表明Tau蛋白在線粒體代謝機能障礙起著重要作用。然而Tau蛋白對線粒體的影響機制還未研究清楚。Tau蛋白對線粒體影響的可 能機制是Tau蛋白間接抑制微管的動態平衡及與微管結合蛋白的結合而影響線粒體的正常功能或直接抑制線粒體的能量代謝。

      3 線粒體作為治療AD靶點的研究進展

      為了預防和治療AD,科學家們發現了許多策略和方法,如抗APP裂解治療的策略、抗Aβ等策略,針對Aβ的產生和積累的藥物等,這些對治療AD 都有一定的療效,在臨床有很大的意義,但這些藥物對身體或多或少有副作用?;趯D患者細胞線粒體形態學,病理學的研究,通過保持線粒體結構功能的完整 性,改善線粒體所處的細胞環境,加強線粒體的防御能力及抗脅迫能力特別是抗氧化能力將是預防和治療AD患者的新策略??茖W家們開始尋求能夠改善線粒體機能 或預防對線粒體損傷的藥物,通過這些藥物達到治療AD 的效果。

      4 AD病變與線粒體異常

      隨著研究的逐漸深入,越來越多的數據表明,線粒體能量代謝障礙在AD的發生中占有重要地位。正電子斷層掃描(PET)檢查顯示AD患者腦組織氧 化和能量代謝受損,與正常人相比,AD患者腦部對葡萄糖的吸收和利用減少約21%~28%,腦葡萄糖代謝水平下降會發生輕度認知障礙〔2〕,此外,AD患 者腦脊液中乳酸含量增高,琥珀酸、延胡索酸等含量降低,患者腦中線粒體呼吸鏈上復合物Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ都降低,細胞色素氧化酶活性降低,表明AD患者腦細胞線粒 體氧化代謝過程受到損傷〔3〕。有研究表明,在神經纖維纏結形成之前,線粒體內細胞色素氧化酶(COX)與線粒體DNA的水平有所改變〔3〕,進而得到線 粒體異常是AD病理的早期特征〔4〕。

      阿爾茨海默病起病緩慢或隱匿,病人及家人常說不清何時起病。多見于70歲以上(男性平均73歲,女性為75歲)老人,少數病人在軀體疾病、骨折或精神受到刺激后癥狀迅速明朗化。女性較男性多(女∶男為3∶1)。主要表現為認知功能下降、精神癥狀和行為障礙、日常生活能力的逐漸下降。

      4.1 線粒體形態結構異常

      電鏡下正常的線粒體是由兩層單位膜套疊而成的封閉囊狀結構,從外向內依次分為外膜、膜間隙、內膜、基質。而與病變有關的線粒體結構發生兩個方面 的改變,一是線粒體的體積腫脹增大,嵴變短、減少或消失;二是線粒體變性,主要為水變性,基質稀薄,可見空泡。研究發現,AD大鼠神經元線粒體平均體積增 大、比表面減小,表明神經元線粒體腫脹;而線粒體數密度減低,揭示其線粒體數目減少;此外,可見AD患者腦神經元線粒體輕度腫脹,結構模糊不清,部分出現 空泡樣變,在電子顯微鏡可以觀察到線粒體嵴的形態和在線粒體中的排列上發生了變化,嚴重時嵴發生裂解現象〔5〕。

      4.2 線粒體基因突變

      造成線粒體功能損傷、能量代謝異常的原因很多,而線粒體DNA突變是其中最重要的因素之一。研究表明線粒體DNA是遺傳信息最緊湊的結構之一, 它的某些基因甚至是重疊的,這使得線粒體DNA具有不穩定性,隨年齡的增長可出現線粒體DNA片段丟失或突變的現象。Hamblet等〔6〕研究表明,與 正常人相比,AD患者中線粒體DNA的突變的幾率增加,編碼細胞色素c氧化酶亞基的基因出現了突變,另外,AD患者大腦顳葉細胞色素氧化酶基因coI與 coⅡ的mRNA水平僅為對照組的50%?;颊呒毎匮趸富虻耐蛔兟时韧g老年人高32%,約有1/5的AD患者有細胞色素氧化酶基因的缺陷,其腦 中該酶活性皆有所下降〔7〕。由于每個細胞中含有很多個線粒體,當細胞內線粒體DNA的突變達到一定范圍時很可能使得線粒體產生ATP的功能受到損傷,造 成AD病理〔8〕。

      5 淀粉樣前體蛋白及β淀粉樣蛋白對線粒體的影響

      5.1 淀粉樣前體蛋白對線粒體的影響

      線粒體改變與淀粉樣前體蛋白(APP)的過表達有著密切的關系。研究發現,淀粉樣前體蛋白過度表達會導致細胞色素C氧化酶活性下降,線粒體腫 脹、內外膜破裂、嵴斷裂且模糊不清。Du等〔9〕研究表明,APP的COOH端經過β、γ分泌酶依次裂解形成Aβ可增加線粒體內活性氧的生成,改變線粒體 膜透性轉移孔的開放。APP作為具有神經毒性Aβ的前體蛋白直接定位與線粒體膜上,其結合位點是線粒體基質中醇脫氫酶,該酶可以代謝醛,若該酶受到損傷會 使氧自由基的形成。Anandatheerthavarada等〔10〕研究發現,APP主要通過N端結構域定位于線粒體膜上,APP與線粒體膜上轉運蛋 白復合體結合,阻斷了蛋白質的運輸,影響了線粒體的正常功能,特別是能量的產生,這可能是造成線粒體功能障礙的主要原因。

      5.2 β淀粉樣蛋白對線粒體的影響

      β淀粉樣蛋白可以改變線粒體形態結構,造成線粒體生理功能的改變,甚至促使神經元細胞凋亡的研究已成為一個不爭的事實。但Aβ造成線粒體變化 的分子機制仍未有定論。目前主要有兩種假說解釋該機制。①細胞內基質中的APP進入線粒體,經β、γ分泌酶裂解途徑形成Aβ,Aβ在線粒體的積累促使線粒 體結構功能障礙。MARIA等人研究APP通過N端信號在陽性電荷作用下進入線粒體,也有許多研究表明APP定位于線粒體膜上。Park等〔11〕研究發 現線粒體中存在γ裂解活性,這說明線粒體中有調節APP產生Aβ的能力,但并未發現γ分泌酶。②細胞質膜中APP經β、γ途徑裂解形成Aβ,可溶性的Aβ 經特定的機制進入線粒體,在線粒體聚合、積累造成線粒體功能障礙。

      APP定位于線粒體外膜上及其裂解片段結合于線粒體內膜通道蛋白絲氨酸蛋白酶HtrA2〔12〕或線粒體基質中的醇脫氫酶(alcohol dehydrogenase,ABAD)上〔13〕,這種結合可以改變酶活性位點,降低酶活性。Manczak等〔14〕從過表達APP的TG2576轉 基因鼠線粒體中分離出Aβ單體和寡聚肽,這揭示出線粒體上存在Aβ。Aβ對線粒體結構功能的影響效果主要是通過Aβ直接作用于細胞分離出的完整線粒體,然 后觀察線粒體形態及功能有關生化指標的改變。多數研究表明Aβ的逐漸積累會顯著改變線粒體的形態、誘導線粒體膨脹,抑制電子傳遞鏈上酶的活性,特別是細胞 色素氧化酶的活性、改變線粒體膜電勢,抑制呼吸率、降低氧化磷酸化體水平,減少ATP的合成,增加活性氧的產生、開放線粒體膜通透孔〔15,16〕。

      在AD 患者腦細胞中發現,APP定位與線粒體膜上,且Aβ在細胞內的積累會對APP的裂解有調節作用〔10〕。通過鼠腦分離線粒體研究結果證實Aβ影響γ裂解的 功能活性,Aβ在線粒體的不斷積累使得線粒體對Aβ的調節能力下降〔17〕。Alikhani等〔18〕研究表明AD患者腦細胞線粒體包含一種代謝蛋白酶 PREP,可以降解Aβ,這種酶活性的下降會使線粒體Aβ積累。

      Aβ對線粒體的損傷很可能破壞細胞內Ca2+的平衡和鈣信號的傳導。細胞內高水平Ca2+與鈣信號的失調發生在Aβ形成的老年斑處〔19〕,另 外,Aβ及其多聚體還可以刺激神經細胞使大量Ca2+內流,細胞將發生Ca2+超載,進而造成線粒體膜透性孔開放,使得膜透性選擇能力下降,大量分子進入 線粒體或線粒體內蛋白的釋放造成線粒體結構功能完整性喪失。

      Aβ的毒性效果并不僅僅局限于對線粒體功能的影響,而且會影響到細胞活性,甚至引起細胞凋亡。Susanne等〔20〕用轉染瑞士APP突變株 PC12和人胚胎腎細胞(HEK)細胞研究發現Aβ使細胞內一氧化氮(NO)水平升高,COX酶、α酮戊二酸脫氫酶、丙酮酸脫氫酶活性下降,氧化應激加 強,調節BAX蛋白在線粒體內的比例,誘導線粒體外膜通透性增加,COX釋放,Caspase3活性顯著提高??傊?,Aβ導致線粒體能量代謝缺乏,活性 氧產生增加,進而使得凋亡因子的釋放,緊接著Caspase家族活性增強,開始誘導細胞凋亡。

      由于發病因素涉及很多方面,絕不能單純的藥物治療。臨床細致科學的護理對患者行為矯正、記憶恢復有著至關重要的作用。對長期臥床者,要注意大小便,定時翻身擦背,防止壓瘡發生。對興奮不安患者,應有家屬陪護,以免發生意外。注意患者的飲食起居,不能進食或進食困難者給予協助或鼻飼。加強對患者的生活能力及記憶力的訓練。

      SCI論文改寫須知:Molecular Biology of the Cell (MBoC) is an online journal published twice monthly and owned by the American Society for Cell Biology (ASCB). Unredacted accepted manuscripts are freely accessible immediately through MBoC in Press. Final published versions are freely accessible two months after publication at www.molbiolcell.org. MBoC is also available online through PubMed Central, sponsored by the U.S. National Library of Medicine. Access earlier than two months is available through subscription or membership in the ASCB.

      期刊領域:分子細胞生物學(MBOC)是每月兩次出版的在線期刊,并擁有由美國細胞生物學學會(ASCB)。未編輯接受手稿是可以自由進出,立即通過MBOC出版社。最后公布的版本都可以隨意訪問公布后兩個月www.molbiolcell.org。 MBOC也可在網上通過贊助,由美國國立醫學圖書館的PubMed中央。訪問早于兩個月在ASCB通過認購或成員。

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