文摘
大量的证据支持在线粒体功能障碍发病机制的帕金森病(PD),虽然在PD线粒体功能障碍的起源尚不清楚。线粒体DNA的表达(mtDNA) PD患者“胞质杂种细胞系概括线粒体缺陷,暗示mtDNA突变的作用,但具体的突变负责线粒体功能障碍在PD很难辨认。体细胞mtDNA点突变和删除积累随着年龄的增长,达到高水平黑质神经元(SN)。变异线粒体DNA聚合酶γ(POLG)导致mtDNA突变的积累与过早衰老表型突变小鼠,虽然公开的震颤麻痹没有被报道在这些老鼠,人类和帕金森症。在这些数据的支持,但还没有证明,假设体细胞mtDNA突变的积累在SN神经元导致PD的发病机制。
1。在PD线粒体功能障碍的证据
大量的证据表明,线粒体功能障碍是一种常见的神经退行性疾病包括帕金森病的病理机制。我活动显著减少复杂的线粒体电子传递链,减少免疫组织化学染色法对复杂我在黑质单元(SN) PD患者(1- - - - - -4]。最近的一项荟萃分析的全基因组表达数据的SN神经元症状和亚临床患者PD缺陷线粒体电子传递,葡萄糖利用率和传感(5]。一个关键的基因发现在这项研究是underexpressed PD患者的大脑中控制下的转录辅激活过氧物酶体proliferator-activated受体γ共激活剂1α(PGC-1α),主调节器的线粒体生物起源。此外,功能成像像宠物和功能性磁共振成像(fMRI)显示葡萄糖代谢缺陷在PD患者额叶皮质(6,7]。在一起,这些和其他数据提供明确的证据证明在PD缺陷线粒体代谢。
2。线粒体功能障碍:鸡肉或鸡蛋?
尽管证据中有缺陷的线粒体能量代谢PD强,理论上这种缺陷会导致神经退行性病变或标记PD的发病机制,而不是一个贡献者。最令人信服的证据支持一个致病作用线粒体功能异常在人类接触1-methyl-4-phenyl-1 PD来自偶然,2,3,6-tetrahydrodropyridine注射(MPTP药物),导致震颤麻痹人类通过抑制线粒体电子传递链的complex-I [8,9]。MPTP还能抑制alpha-ketoglutarate脱氢酶;因此有一些辩论是否注射背后的机制MPTP药物毒性涉及复杂的我抑制(10]。这个问题已经被解决的后续发现慢性系统性管理鱼藤酮,一种高度特定complex-I抑制剂,导致高度选择性和进步黑多巴胺能变性和帕金森小鼠表型,进一步暗示复杂线粒体功能障碍在PD发病机理(11- - - - - -13]。
3所示。线粒体的起源Complex-I PD缺陷
上面引用的证据暗示了致病作用线粒体复杂我在PD功能障碍导致极大的兴趣在理解复杂的起源我缺陷。胞质杂种细胞系(胞质杂种)由胞质内容包括血小板线粒体转移或无核的供体细胞进入细胞实验耗尽内生mtDNA可以用来确定线粒体缺陷的结果mtDNA突变和其他原因(如线粒体毒素或核DNA突变)(14]。胞质杂种特发性帕金森病病人的表达mtDNA显示减少complex-I活动和对MPP +的易感性增加,表明mtDNA编码PD缺陷(15,16]。因为胞质杂种细胞系共享相同的核DNA的背景和只有在mtDNA的来源不同,这些数据表明mtDNA稳定变化(如突变)作为一个复杂的原因我在PD缺陷。相比之下,胞质杂种细胞系表达mtDNA从“Contursi”家族的学科发展PD的常染色体显性突变α-核蛋白基因不显化复杂的我缺乏17]。这表明,核基因突变会导致PD缺乏mtDNA突变,这mtDNA突变更容易导致特发性帕金森病比不常见形式的PD与已知的核基因突变有关。
4所示。线粒体DNA突变和分类
这些数据从复杂的胞质杂种暗示mtDNA突变我在PD缺陷因此导致寻找继承mtDNA PD患者的突变。有三个主要类别的mtDNA突变:古代母体遗传多态性,提出不同的线粒体haplogroups,最近母体遗传来的潜在的致病突变,进化和体细胞mtDNA突变积累生活的生物18]。许多研究某些线粒体共同单倍群与PD的增加或减少风险在各种不同的种族人群19- - - - - -27]。我们实验室发现G11778A mtDNA点突变的亚基线粒体复杂我家庭的母体遗传来的帕金森症和多系统退化包括nigral细胞损失,展示一种遗传mtDNA突变与帕金森症(28]。然而,显然试图确定致病性遗传mtDNA突变PD患者通过直接测序mtDNA显示,大多数PD患者缺乏这样的突变(29日- - - - - -31日]。常见的10398 g的NADH脱氢酶3 (ND3)基因变种(亚基的线粒体复合体I),出现在40%的白种人,据报道在较低比例的高加索PD患者匹配控制相比,表明PD的保护作用[32]。然而,尽管类似协会被确认在另一项研究(33),其他没有复制这个结果(27,29日]。
因此,尽管mtDNA点突变被发现在极少数家庭表现出帕金森症(28,34- - - - - -39),很明显致病突变没有被确认在绝大多数的PD患者。虽然角色共同mtDNA变异和稀有的致病性点突变仍有可能对一些PD患者,这些数据导致假设体细胞mtDNA突变,这可能不是由标准测序方法检测,可能导致复杂的我在PD缺陷。
5。体细胞mtDNA突变的作用
术语“体细胞突变”(也称为获得性突变)是指DNA突变,并没有出现在了生物体的生殖细胞,但后来发生发展的有机体。体细胞突变mtDNA可能需要单点突变的形式或小或大mtDNA删除。mtDNA点突变和mtDNA删除可以通过不同的机制产生,尽管这两种类型的突变是现在被认为是更常见的由于内生过程而非接触外源性代理(40,41]。体细胞mtDNA点突变可能出现在三个方面:首先,碱基替换突变引起的线粒体转录酶γ不忠(42,43),而线粒体转录酶γ复制在受损的基地(40可能出现)。其次,mtDNA靠近ROS产生的电子传递链(等),以及缺乏保护组蛋白(44mtDNA),可能会导致氧化损伤,可高度诱变(45,46]。事实上,水平的氧化损伤大脑mtDNA远高于水平的核DNA损伤,特别是在老年人(47]。可能这在多巴胺代谢的SN尤其突出,高铁,和低水平的谷胱甘肽(一种重要的抗氧化剂),可以创建一个环境特别是高氧化应激(48,49]。最后,尽管缺乏线粒体核苷酸切除修复机制,保护线粒体基因组的基本切除修复机制(50]。然而,减少基本切除修复机制已经观察到随着年龄的增长(51]。
大量的假设提出了如何mtDNA删除可能发生:最初被认为在复制链滑移mtDNA分子(52,53mtDNA)引发了删除,但最近一个理论,创建mtDNA删除在mtDNA双链断裂的修复提出了(41]。决定性的实验证据目前无论是理论是不够的。
6。克隆扩张mtDNA体细胞突变
heteroplasmy指实例mtDNA突变只影响一个比例的线粒体基因组在单个细胞,组织或器官。相比之下,使用术语homoplasmy mtDNA突变时影响到所有副本的线粒体基因组在一个定义的单位。Heteroplasmic体细胞突变可能成为功能重要的原因有两个:首先,mtDNA突变可能在单个细胞进行克隆扩张。克隆扩张mtDNA突变已经观察到两个mtDNA删除(54- - - - - -56和mtDNA点突变57];然而,克隆扩张背后的机制仍在调查之中。每个细胞mtDNA含量高和活力的线粒体基因组可能是一个影响因素:每个线粒体可能包含几个线粒体基因组,和每个细胞都包含多个线粒体(数量根据不同细胞的能量需求),导致估计103到104副本的每个细胞线粒体基因组58]。此外,线粒体是动态的细胞器,经常进行聚变和裂变以及频繁轮mtDNA复制(59,60]。这引发了特定mtDNA突变克隆扩张的可能性,通过随机遗传漂变,诱导后实验已证明的“放松”mtDNA复制(61年),指复制:细胞的线粒体。此外,提出了定向隔离的理论。定向隔离已经演示了选择对mtDNA突变(62年)和看似矛盾的是,也选择为通过选择有利的突变mtDNA复制机制(63年]。克隆扩张背后的机制是一个明确的答案没有可用的。可能会有多个机制,这可能取决于细胞的有丝分裂或postmitotic性质(64年]。
7所示。聚合体细胞突变的负担和失败的功能互补
一旦某种“表型阈值”的克隆扩张已经达到(-95%的50%左右mtDNA副本根据突变,每个细胞的细胞类型,和其他因素;(65年- - - - - -69年)有害的突变可能导致线粒体功能受损(70年,71年),超出这一水平,功能的线粒体互补可能不再提供恢复功能等复合物(72年])。
进一步阐述,“功能线粒体互补”一词指的是线粒体之间的遗传信息交换来缓解呼吸道赤字等基因的突变引起的线粒体(73年]。mtDNA打包在自治mtDNA-protein复合体基因被称为类核(74年- - - - - -76年),这些都是移动的元素位于整个线粒体基因组(77年),包括转录因子TFAM,线粒体转录酶γ和线粒体解旋酶闪烁(78年]。类核努力保持不齐的mtDNA不同人群,防止混合mtDNA之间人口(79年]。然而,互补可以发生在稳定独立的类核的数量通过transcomplementation成绩单和自由从nonmutant线粒体多肽通过线粒体基质扩散,成为翻译或组装成等复合物,导致线粒体功能恢复(80年]。
因为发生在线粒体基因组的功能互补,可能存在表型功能等复合物可能掩盖了mtDNA突变细胞的负担。因此,即使大多数的副本的线粒体基因在单个细胞港口一个特定的突变,细胞可能会保持健康,尽管最终克隆扩张或新的突变的积累可能导致突变负担超过细胞能容忍。达到这种表型阈值,当互补不再足以允许足够数量的正常的线粒体复合物形成。
除了单个线粒体突变克隆扩张,细胞呼吸和有机体的健康也可能影响总突变负担造成的净影响许多不同的单独罕见mtDNA突变。例如,100个不同mtDNA突变,每一种存在于线粒体基因组的频率为1%,导致100%的总突变负担(这意味着平均1每线粒体基因组突变)。这种情况的功能后果可能不同于一个特定的突变无性生殖的影响扩大到100% (homoplasmy),特别是对潜在的互补作用。互补仍然允许功能等复合物在多个不同的突变,而这可能不是无性繁殖系地扩大突变。是这种情况,例如,如果无性繁殖系地扩大突变影响的关键氨基酸,使得细胞功能的亚基。因此,表型阈值可能为多个单独罕见突变远高于一个无性繁殖系地扩大突变。
8。体细胞mtDNA SN的突变
首次出版研究量化中的多个体细胞mtDNA点突变的数量SN高度敏感的克隆和测序策略用来描述的总负担mtDNA突变在额叶皮层和SN PD患者的尸检组织以及年轻人和老年人对照组(71年]。本研究发现,总体水平的点突变的额叶皮层随着年龄增加老年人(65 - 91岁)相比,年轻的控制(24岁)。然而,这项研究并没有发现显著增加点突变的频率相比,PD患者的额叶皮质或SN年龄组。作者假设的原因。首先,该研究使用后期组织,这可能代表了后期PD。因此,唯一的多巴胺神经元包含在分析时那些幸存下来的一些后期PD多达98%的多巴胺神经元可能已经丢失81年]。这些神经元存活,因为他们可能在某种程度上免受mtDNA突变的积累。其次,这些研究使用大脑组织(而不是单个神经元);因此,相对于神经胶质的贡献可能是增加的贡献的PD案件,因为缺乏多巴胺能神经元在帕金森病的晚期。这可能减少突变检测在PD的相对水平情况下突变的平均水平是更大的在SN神经元与神经胶质82年]。
体细胞mtDNA点突变的频率是否SN神经元和神经胶质之间的不同,相同的作者同样敏感的克隆和测序策略执行laser-capture microdissected单神经元和胶质细胞从六个对照组(82年]。这项研究确实表明,体细胞mtDNA点突变的平均水平在单一神经元是神经胶质明显高于平均水平的推断数据表明每线粒体基因组3.3体细胞点突变在神经胶质神经元和2.2每线粒体基因组突变。此外,这项工作表明heteroplasmy D-loop和编码地区是很常见的甚至在单一神经元和神经胶质。体细胞mtDNA点突变是否达到更高的水平在PD SN神经元仍然是一个重要的问题。
9。在PD ND5体细胞突变
其他研究已经使用了类似的克隆和测序的方法来调查的频率mtDNA复杂我躯体点突变在PD患者和老化。一项研究调查了突变负担所有七的线粒体基因编码的复杂我子单元在额叶皮层组织匀浆83年]。与之前的工作相一致(71年),作者发现没有显著差异之间的点突变总数PD患者和控制。然而,这项研究发现,转换的比例低于以前公布的工作相比,控制在PD的39%和29%到88%的突变发现在前面的工作。这种明显的差异的原因是不清楚的。此外,这项工作确定了低水平的体细胞突变ND5基因只在PD患者和观察未见的控制(83年]。虽然同一作者随后证实这一发现另一组PD样本(84年],突变的水平很低,一般不到1%,远低于水平会导致功能的后果。
10。mtDNA删除在SN神经元在PD和老化
2006年初,背靠背的论文在自然遗传学报道第一个发现人类SN mtDNA删除神经元的频率(85年,86年]。两组细胞色素C氧化酶(COX)缺乏用于SN神经元线粒体呼吸链缺陷的一个标志。本德等人的研究(85年)利用远程PCR扩增mtDNA COX-deficient和控制神经元,和Kraytsberg等人的研究86年)发明了一种新颖的单分子PCR技术量化的总细胞负担mtDNA删除窝藏在COX-deficient神经元线粒体呼吸链缺陷和控制神经元。这两项研究发现mtDNA删除岁参加更高级别的控制相比,年轻的个人和这些删除无性繁殖系地扩大。此外,本德的工作和他的同事们发现,mtDNA删除更高在帕金森症患者相比,年龄控制职责(52.3%和43.3%),尽管边缘意义的差异()。
这些发现的惊人的高水平的无性繁殖系地扩大mtDNA删除从老年人SN神经元,并与COX-deficiency相关的突变,支持的假设与年龄相关的体细胞mtDNA积累突变可能导致人类大脑的老化和帕金森病的发病机制。然而,由于这些研究的人类样本只能观察,很难获得确切的证据功能的后果mtDNA突变。对于这样的研究,POLG“突变”老鼠是信息。
11。证据从POLG老鼠“突变”
衰老的线粒体理论提出mtDNA突变的积累导致衰老和与年龄相关的神经退行性疾病(87年]。然而,实验证据支持这个衰老的基本理论是有限的。几年前,两组报告说,转基因小鼠表达一种校对缺乏POLG表型正常的出生但积累非常高水平的体细胞mtDNA随着年龄的增长,点突变,导致过早衰老表型包括减肥、皮下脂肪减少、脱发、变薄的骨头,贫血,生育能力下降,和早期死亡(88年,89年]。这些老鼠被誉为衰老的线粒体理论的证据来支持。然而,它一直认为POLG突变小鼠积累mtDNA点突变的水平超过一个数量级高于年龄人类典型的水平,因此他们的老年像表型水平并不意味着mtDNA突变实现在正常老化功能相关(90年]。此外,杂合的POLG突变小鼠也积累mtDNA突变水平高于正常老年小鼠和缺乏明显的表型,导致进一步的问题,这些老鼠正常老化过程的相关性(91年]。
此外,缺乏明显的震颤麻痹POLG突变小鼠可能被解释为反对PD体细胞mtDNA突变的作用。然而,有几个重要的警告这个论点。仍有可能是,一个更微妙的表型出现在杂合的POLG突变老鼠。例如,测试行为措施对多巴胺缺乏敏感并没有被报道。同时,突变积累在单个神经元水平大幅变化,和一个子集的神经元可能积累的突变在正常老化水平交叉表型阈值。此外,POLG突变小鼠的角色不是一个好的模型来评估人类mtDNA删除(见下面的讨论这个问题)。因此,角色体细胞mtDNA突变在正常衰老和神经退行性疾病仍然是一个悬而未决的问题。
12。点突变和缺失
一直认为,大型mtDNA删除而不是点突变纯合子的过早衰老表型背后的推动力量POLG突变小鼠(91年]。这个论点是基于“随机突变捕捉”试验,证明large-fold相对增加删除POLG突变小鼠,但不能确定突变的绝对水平。其他方法揭示的绝对水平删除显示删除水平很低甚至在纯合突变小鼠,特别是当与更高水平的点突变(86年,92年]。此外,另一个小鼠模型,“mito-mice”,转基因积累mtDNA删除,显得健康没有过早老化的特点尽管多达30%的达到删除所有mtDNA分子(93年]。因此似乎有可能mtDNA点突变,而不是删除驱动POLG衰老表型的突变老鼠。两岁在SN神经元控制和PD患者,这两个点突变(71年,82年)和大型删除(85年,86年积累高水平。相反,正如上面所讨论的,在POLG突变小鼠,虽然点突变达到高水平,mtDNA删除的绝对水平仍然很低。因此,POLG突变小鼠可能不是一个有效的模型对于理解mtDNA删除功能的影响。
13。POLG突变导致家族性帕金森症
首次发现1972年核编码的蛋白质,POLG是唯一在动物线粒体DNA聚合酶(94年,95年]。必不可少的合成、复制和修复mtDNA, POLG包含三个酶活动:DNA聚合酶活动,3′→5′核酸外切酶活动参与校对,和5′脱氧核糖磷酸(dRP)裂合酶活动所需基本切除修复(95年]。POLG内超过100致病突变基因被发现导致大量的神经和神经紊乱包括进步外眼肌麻痹(PEO),共济失调,Alpers综合症(96年]。POLG突变与帕金森症。临床评估的几个家庭与PEO或卵巢功能早衰显示POLG突变与左旋多巴反应帕金森症的重要公司,和宠物的结果与多巴胺能神经元的损失(37,38,97年]。两个错义突变(G737R和R853W) POLG基因也被发现在两个家庭中兄弟姐妹与早发性家族性帕金森症(98年]。此外,在大规模系统分析POLG基因的零星特发性帕金森病,患者有明显的集群的罕见变异POLG1 CAG-repeat相比与他们匹配的控制(99年]。然而,一项研究在大量的零星的PD患者从英国和意大利不符合普通链接的可能性POLG多态性在零星的PD (One hundred.]。尽管如此,协会POLG突变在人类SN神经元损失和帕金森症,结合POLG过早衰老表型的突变小鼠,支持假设体细胞mtDNA点突变的积累在SN神经元可能功能显著,可能导致PD的发病机制。
14。结论
线粒体功能障碍似乎PD的发病机制中发挥重要作用。虽然在PD线粒体功能障碍的起源是未知的,体细胞mtDNA点突变和删除已发现与年龄和积累在SN神经元达到高水平。实验诱导POLG突变引起mtDNA突变的积累导致早衰突变小鼠的表型。尽管明显的震颤麻痹没有报道这些老鼠,人类的相同基因的突变会导致多巴胺功能障碍和帕金森症。因此,体细胞mtDNA突变的积累在SN神经元可能导致PD的发病机制。这一假说,如果被证明是正确的,意味着策略阻止体细胞mtDNA突变的积累可能是在PD的保护。
承认
西蒙博士的实验室是由研究所(1 r01ns058988和1 r03ag035223)和迈克尔·j·福克斯基金会。