帕金森病（Parkinson’s disease，PD）

是一種常見(jiàn)的神經(jīng)系統(tǒng)變性疾病，老年人多見(jiàn)，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(jiàn)。我國(guó)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(guò)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(duì)代謝有很高的需求，因此造成其對(duì)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(guó)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(lái)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(duì)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(zhǎng)期以來(lái)的主流的觀點(diǎn)。

細(xì)胞研究離不開(kāi)血清的支持，

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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(méi)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(duì)腺嘌呤核苷酸轉(zhuǎn)運(yùn)體(ANT)阻斷的敏感性測(cè)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(duì)其進(jìn)行測(cè)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(zhǎng)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(duì)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(yáng)離子通道電流也明顯減少。

結(jié)果3：

Ndufs2缺失后的體樹(shù)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(shù)突區(qū)域中的酪氨酸羥化酶表達(dá)降低至對(duì)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(shuō)，黑質(zhì)紋狀體軸突的分支形態(tài)是否保留仍有待確定。

• 對(duì)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(shù)突遞質(zhì)表型的下降與對(duì)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(píng)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(cè)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(guò)小鼠從前爪去除粘合劑所花費(fèi)的時(shí)間來(lái)評(píng)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(zhǎng)，同時(shí)也表現(xiàn)出較差的曠場(chǎng)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(kāi)、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。

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(duì)小鼠曠場(chǎng)步態(tài)的分析，證明黑質(zhì)多巴胺釋放喪失對(duì)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(duì)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(píng)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