文摘
而帕金森病的病因仍然是难以捉摸的,有越来越多的证据显示,线粒体功能障碍发生在出现症状之前在帕金森病。线粒体是非常准备在神经细胞生存方面发挥至关重要的作用,因为他们是能量代谢的关键监管机构(如ATP生产商),细胞内钙稳态,河畔+/ NADH和内源性活性氧的生产和程序性细胞死亡。在本文中,我们专注于线粒体dysfunction-mediatedα-突触核蛋白聚集。我们强调的一些发现提供证据证明线粒体代谢控制帕金森病,即线粒体microtubule-dependent细胞调节流量和自噬溶酶体途径。微管的知识改变可能导致自噬缺陷和可能会损害细胞退化机制,达到高潮的进步积累盾牌的异常蛋白质聚合体新见解的方式我们解决帕金森病。符合这一知识,一个创新的窗口新治疗策略旨在恢复微管网络可能解锁。
1。介绍
帕金森病(PD)是第一个与损失有关的棕色色素neuromelanin黑质。之后,它被假定的进步中产生多巴胺的细胞的损失引起的腹侧中脑黑质致密部PD症状。此外,PD也涉及intracytoplasmatic夹杂物的存在称为路易小体(磅),这主要是由α-突触核蛋白(alpha-syn)。alpha-syn的功能尚不清楚,但其参与PD发病机理进一步表明家族例PD的子集,携带着一个错义突变snca基因(alpha-syn)或有双重或三重alpha-syn轨迹1- - - - - -4]。
到目前为止,至少16 PD-genetic位点的突变(公园)与PD的发病机制(5]。发现这些基因的突变导致早或晚发性形式的PD大大加速研究进展。体内基因lrrk2帕金,包括粉1、dj-1, uchl-1, omi / htra2 atp13a2, pla2g6, fbx07 snca,如前所述。体内基因LRRK2 OMI / HTRA2粉1、DJ-1,和帕金线粒体蛋白质或与线粒体有关,可能参与途径与氧化应激和自由基损伤有关。粉1编码一个假定的丝氨酸/苏氨酸激酶线粒体靶向序列(6],DJ-1是一个氧化还原传感器参与反应的氧化应激(7]。尽管帕金是一个假定的E3泛素连接酶的蛋白酶体系统,定位主要是胞质,它还与线粒体外膜(同事8]。最近突变影响线粒体丝氨酸蛋白酶OMI / HTRA2与PD的风险增加9]。老鼠完全缺乏表达omi / htra2由于目标缺失的基因,Prss25,减少人口的纹状体神经元,帕金森表型导致死亡的老鼠出生后30天左右(10]。此外,损失Omi蛋白酶活动增加的敏感性诱导线粒体渗透性转换孔(11]。LRRK2是colocalizes激酶与线粒体外膜(12),可以调节线粒体抑制剂的响应(13]。
PD发病机理包括遗传、表观遗传和环境因素。然而,在PD的散发病例,老化的主要风险因素,初始事件导致病理还不清楚。然而,众所周知,几种机制参与PD发病机理的发展如线粒体功能异常、氧化损伤、自噬改变,蛋白酶体损伤,微管网络中断,和蛋白质聚合。努力了为了发现引发高潮的PD的发病机制在特定群体的神经元的死亡,多巴胺能神经元。现在一些研究突出线粒体功能障碍的主要事件。在本文中,我们将强调mitochondrial-mediated机制及其参与PD发病机理。
2。帕金森病:线粒体紊乱?
有大量证据表明线粒体参与神经退行性疾病,包括帕金森病。线粒体能量代谢中发挥基础性作用;他们的主要功能是提供能量(ATP)的形式对细胞内的代谢途径。线粒体电子传递链缺陷被认为是在能量代谢缺陷,是涉及神经退行性的过程。此外,大脑细胞是高度依赖于线粒体氧化磷酸化(OXPHOS)机械,包括呼吸配合物(14]。
线粒体功能障碍的第一个证据参与PD的发病机制出现后,观察药物滥用1-methyl-4-phenyl-1意外接触,2,3,4-tetrahydropyridine注射(MPTP药物)抑制剂的复杂我(NADH /泛醌氧化还原酶)的线粒体电子传递链,诱导帕金森症(15]。此外,帕克和他的同事们发现了一个显著减少复杂的我在血小板线粒体活动,净化从特发性帕金森病的患者16]。PD起源于研究证据表明线粒体代谢功能失调表现在后期的黑质PD大脑显示出缺乏复杂我活动17,18]。此外,选择性降低复杂我子单元是大脑在PD (19]。这证实了基尼和同事报道一些异常复杂我子单元的组装和氧化从PD患者皮质线粒体20.]。复杂的我还不足已形容在其他PD组织,即在外围细胞模型等,血小板,淋巴母,肌肉,和成纤维细胞21- - - - - -26]。最近,一个特定的复杂我赤字中检测出高纯度线粒体从PD患者的额叶皮质27]。为了解决线粒体参与PD的发病机制,国王和Attardi, 1989年,成功地从mtDNA重新繁衍人类细胞耗尽,Rho0细胞系,从供者细胞线粒体基因28]。人类细胞系(SH-SY5Y神经母细胞瘤或NT2畸胎癌细胞)耗尽mtDNA的融合与控制或PD包含mtDNA的血小板,但没有核DNA。几个作者表明,这些胞质杂种港口一个复杂我的缺陷29日- - - - - -32)和ATP含量下降和损失的线粒体膜电位(29日]。线粒体参与PD来自研究进一步支持使用毒素(33- - - - - -35]像鱼藤酮、百草枯和代森锰出现复制的一些特性PD动物模型。尽管这些毒素的几个线粒体,它们诱发黑病变运动和姿势赤字通过不同机制的行动(36- - - - - -44]。
高水平的mtDNA删除已观察到的黑质多巴胺能神经元后期人类大脑从个人和特发性帕金森病病人年龄45,46]。mtDNA删除在这些神经元与细胞色素c氧化酶活性,减少电子传递链的关键酶之一。这表明mtDNA删除从黑质多巴胺能神经元的积累超过一定阈值会导致线粒体缺陷与帕金森病有关。完善,mtDNA积累突变在老化过程中,线粒体功能下降与晚发性帕金森病。TFAM是系统守恒的蛋白质和导入线粒体对mtDNA至关重要的维护和直接调节所需mtDNA拷贝数和绝对是在mtDNA启动子转录起始(47- - - - - -49]。最有说服力的证据关于TFAM参与PD被Ekstrand和他的同事们报告显示的条件和选择性失活TFAM等位基因在转基因小鼠黑质多巴胺神经元缺乏诱导呼吸链导致震颤麻痹表型与成人发病缓慢渐进的运动机能障碍伴有夹杂物的形成和神经元死亡50]。考虑上述发现,假设潜在的功能多态TFAM变异可能影响PD风险取决于haplogroup背景。然而,阿尔瓦雷斯和同事研究250例报告中没有TFAM-mutations /多态性,可能导致PD的风险(51,52]。其他酶调节mtDNA复制和mtDNA维护中扮演一个重要的角色是mtDNA聚合酶γ1 (POLG1)。这种酶是一种nuclear-encoded蛋白参与合成、复制和修复的mtDNA导入到线粒体内线粒体膜和本地化。POLG1突变可能损害mtDNA复制,导致逐渐积累多个mtDNA删除,导致呼吸链功能障碍(53]。骆马湖和他的同事们发现,错义突变的POLG1 cosegregate患者表型包括进步外部眼肌麻痹和帕金森症(54,55]。此外,POLG1突变也被描述的案例研究,在帕金森症的临床表现(56]。删除功能ndufs4,一个基因编码一个完整的组装所需的子单元和功能复杂的我,导致我废除了复杂活动中脑中脑的文化源自ndufs4基因敲除小鼠(57]。然而,这种删除并不影响多巴胺能神经元的生存文化。尽管如此,在老鼠的研究,表达了一种酶被称为“另类NADH脱氢酶”(Ndi1)在黑质注射毒性作用减少MPTP药物和鱼藤酮(58,59]。
2.1。氧化应激:ROS-Related后果
线粒体OXPHOS是活性氧的主要来源。细胞在正常情况下能够应付过多的活性氧,因为他们被赋予强大的内源性抗氧化系统。然而,当ROS生产了内源性抗氧化系统,由于线粒体功能障碍,这可能破坏各种类型的生物分子,包括蛋白质、脂类和核酸。氧化应激的标记,如脂质过氧化的产物、蛋白质氧化,氧化mtDNA和细胞质RNA,增加后期的黑质样品在PD的大脑比控制(60- - - - - -64年]。在PD患者的后期黑质,有证据表明,减少谷胱甘肽水平降低和铁代谢改变65年]。此外,蛋白质组学研究表明,线粒体和ROS清除蛋白质表达PD患者的黑质氧化修改支持PD(氧化应激的作用66年]。强烈相信mtDNA ROS生成网站的接近,缺乏组织蛋白,减少DNA修复能力增加线粒体缺陷突变和氧化应激(67年,68年]。看来黑质更容易受到损伤的复杂我比其他大脑区域和外周血细胞活动,可能是由于铁和多巴胺代谢水平的提高(69年]。多巴胺的细胞内自动氧化产生H202和多巴醌物种将在多巴胺能神经细胞发挥细胞毒(70年,71年]。
数篇论文显示了氧化应激参与alpha-syn毒性。硝化和亚硝基化蛋白质和特别是alpha-syn帕金PD的记录(72年- - - - - -74年]。梁和同事证明了蛋氨酸多巴胺氧化生成可溶性alpha-syn寡聚物突出的潜在作用氧化应激在调制alpha-syn聚合(75年]。有趣的是,研究中执行SH-SY5Y细胞overexpressing alpha-syn A53T突变或野生型和孤立的老鼠大脑线粒体表明alpha-syn定位在线粒体膜,这互动alpha-syn与线粒体导致线粒体的氧化改性组件(76年]。
氧化应激参与PD也证实,透析相关的两个基因,dj-1粉1,有重要的作用在氧化应激和抗氧化防御系统之间保持平衡。DJ-1函数作为redox-sensitive伴侣以及传感器显然对氧化应激和保护神经元免受氧化应激和细胞死亡。这个基因的突变导致常染色体隐性早发性帕金森病(77年]。哈亚希和他的同事建议DJ-1是不可或缺的线粒体蛋白质直接扮演了一个角色在维持线粒体复杂我活动78年]。粉1是一种丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶,本地化线粒体。它被认为保护细胞免受压力诱导的线粒体功能障碍。这个基因的突变导致一种常染色体隐性早发性帕金森病(6]。
将所有这些组合在一起,发现一个关键的角色在PD发病mitochondrial-mediated氧化应激。
2.2。线粒体代谢:NAD+/ NADH比率
一些研究显示,大脑中能量代谢的变化不仅仅是神经元丧失的结果,而是一个疾病的进展和发展因素(79年- - - - - -83年]。减少线粒体生物能学能力和改变氧化还原状态通过各种机制包括可互换的降低与等效池:河畔+和减少β烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NADH) [84年]。河畔+和NADH主要因素众多能源metabolism-associated氧化还原反应和线粒体功能和钙稳态,老化,细胞死亡85年]。此外,河畔+/ NADH比率是一个强有力的监管机构的糖酵解、三羧酸循环,氧化磷酸化。我们组最近观察到河畔+/ NADH比率显著增加在PD胞质杂种与CT相比胞质杂种(斯特维斯et al .,提交)。通过使用一个氧电极,我们观察到,虽然整个细胞基底耗氧量是PD和CT胞质杂种之间的可比性,质子漏和最大呼吸能力的提高是降低PD的胞质杂种(86年]。
酶催化各种生物化学反应的多个家庭消费河畔+。其中包括最近发现sirtuins蛋白(sirt)催化域的特征是其NAD要求+代数余子式。衬衫是一个家族的脱乙酰酶酶能够删除的乙酰基ε胺的赖氨酸和被发现在各种各样的亚细胞位置。到目前为止,人类有七个标识的衬衫(SIRT1 SIRT7)扮演一个角色在各种重要的生物学过程,包括转录沉默、DNA重组和修复,细胞凋亡,轴突保护、脂肪动员和老化(87年]。衬衫的脱乙酰酶和ADP ribosylase活动表明,他们可以充当代谢或氧化传感器,调节细胞机制根据他们收到的信息。白藜芦醇,SIRT1的活化剂88年],SH-SY5Y保护细胞对抗由多巴胺带来的对细胞毒性通过减少细胞内氧化应激(89年]。此外,它被证明产生神经保护作用6-OHDA PD大鼠模型(90年)和显著保护小鼠免受MPTP-induced运动协调障碍,氢氧自由基重载,神经元损失(91年]。另一方面,2009年的工作表明,SIRT1超表达没有施加任何神经保护作用对小鼠注射引起的神经损伤MPTP药物(92年]。戏剧性的减少SIRT1的表达发生在急性应激诱导了另外几个神经毒素(MPP+、鱼藤酮、KA、或3 npa)培养基。然而,在人类与LBs PD和痴呆的样品,没有变化,SIRT1表达式(93年]。到目前为止,还没有工作已经发表的关于SIRT1参与alpha-syn寡聚物在PD间隙。MPTP-treated灵长类PD模型,热量限制,隔层移植SIRT1,防止运动函数的函数和保存纹状体多巴胺(94年]。SIRT1是脱去乙酰基约十几个已知的基质,如过氧物酶体proliferator-activated受体γcoactivator-1α(PGC1α)。PGC1α对PD发病机理是主要的重要的,因为它起着核心作用在调节细胞能量代谢和刺激线粒体生物起源。从我们组工作表明,PD胞质杂种与固有的线粒体功能障碍减少SIRT1与PGC1减少活动α水平,表明线粒体生物起源的影响在我们的PD模型(86年]。然而,需要进行更多的研究来证实这些数据。SIRT2在神经退行性疾病的作用不大。然而,北和同事提供的数据显示,通过脱乙酰作用SIRT2参与细胞周期调控的α微管蛋白(95年]。Outeiro和同事报道,最近一个有趣的SIRT2和PD之间的联系,认为人类从alpha-syn-mediated SIRT2救助细胞毒性的抑制(96年]。确切的机制SIRT2抑制影响alpha-syn聚合仍不确定。提出的一种机制是通过与alpha-tubulin alpha-syn互动97年- - - - - -99年]。此外,结果表明,PD胞质杂种增加免费/聚合微管蛋白比率表明微管不稳定可能调解alpha-syn寡聚物积累(98年]。Apha-tubulin乙酰化作用与微管稳定,一种可能性是,增加由于增加NAD SIRT2激活+水平增加alpha-tubulin脱乙酰作用导致微管网络中断强化alpha-syn寡聚化(斯特维斯et al .,提交)。到目前为止,对其余的衬衫参与帕金森病。总的来说,sirt目标可能被操纵在PD发病机制治疗有益通路负责PD神经退化不仅关于alpha-syn寡聚化而且线粒体生物起源。然而,尽管令人激动的数据,开发SIRTs-based治疗PD的可行性和其他神经退行性疾病需要在动物模型,最后在人体试验。
2.3。钙稳态放松管制
以来,钙稳态可以影响神经功能干扰钙在细胞信号是最重要的一个元素。胞质钙离子浓度的增加可以来自两个来源:主要的细胞内钙储存的内质网和细胞外空间。此外,线粒体功能是基于钙吸收能力和积累的矩阵,这个过程依赖于线粒体膜电位。线粒体钙的主要作用是刺激OXPHOS [One hundred.];因此,任何扰动在线粒体和胞质钙导致深刻的细胞功能的改变。鱼藤酮被证明增加细胞钙超载的易感性和随后的细胞死亡SH-SY5Y神经母细胞瘤细胞(101年]。希恩和同事表明PD胞质杂种隔离在线粒体钙低于CT胞质杂种,由于他们减少线粒体功能(102年]。随后,我们的工作表明,PD胞质杂种的胞质钙浓度明显高于CT胞质杂种相比,除了显示线粒体钙缓冲的能力上升,表明线粒体的正常功能受损(103年]。
此外,活动增加calcium-stimulated磷脂酶A2据报道,在硬膜是由于要么减少多巴胺纹状体多巴胺神经终端输入或退化的过程(104年]。从黑质多巴胺能神经元表达钙蛋白质缓冲,有效隔离不使用钙ATP。钙缓冲蛋白质的表达,calbindin,减少脆弱性线粒体毒素(105年和注射似乎赋予抵抗MPTP药物106年]。有趣的是,多巴胺神经元不表达Ca2 +缓冲蛋白质、calbindin-D28k选择性丢失在PD进展(107年]。此外,多巴胺神经元表达相对高水平的另一个calcium-buffering蛋白质,calretinin,似乎耐变性在PD (108年]。
到目前为止,它已经表明,alpha-syn调节入口通道和钙,因此,异常alpha-syn水平可以促进神经损伤通过放松管制的钙稳态109年]。
3所示。线粒体代谢控制细胞交通:微管参与
细胞骨架损伤可能是负责改变重排和细胞器的运动,是一个常见的一些神经退行性疾病包括帕金森病的特点。微管是高度动态的极地扮演至关重要的角色在不同的细胞功能的结构。这些包括细胞运动性和分裂,细胞器运输、细胞形态和组织。细胞内蛋白质和细胞器运输货物是一种微管的最重要的功能,是所有哺乳动物细胞必不可少的要求。此外,microtubule-mediated运输是至关重要的维持神经元的功能和结构(110年]。微管的动态不稳定需要一个输入的能量进行聚合与解聚作用周期。这个动态过程非常规范,受到许多因素的影响,其中自由微管蛋白的浓度是驱动力(111年]。
了多方面的证据表明,破坏微管可能参与帕金森病。事实上,微管蛋白与alpha-syn colocalize磅。此外,微管蛋白折叠依赖ATP和三磷酸鸟苷水解、线粒体损伤和后续能源失败是PD(标志之一112年,113年]。毒素影响ATP生产可能影响微管蛋白聚合/解聚过程导致增加免费的微管蛋白。事实上,MPP+,一个已知的复杂我抑制剂诱导PD-like症状,解聚在PC12细胞中微管(114年,115年]。之后,意大利水饺和同事提供了第一个证据,微管不稳定是特别受到边际产量的影响+(116年]。此外,鱼藤酮,另一个复杂的抑制剂,也加强微管解聚在活的有机体内和在体外(117年)绑定到秋水仙碱站点在微管蛋白形成(118年]。任和冯发现微管解聚作用引起的鱼藤酮引起囊泡聚集在soma和血清素激活的神经元死亡通过一种机制依赖于5 -羟色胺代谢的细胞溶质(119年]。
微管解聚作用导致轴突运输中断,导致受损细胞器的积累、聚合/错误折叠的蛋白质和囊泡。在多巴胺能神经元,多巴胺泄漏从囊泡胞质促进氧化应激增加多巴胺氧化诱导的细胞死亡(的高潮120年]。治疗cotransfected细胞或主要中脑的神经元与秋水仙碱,长春花碱,或诺考达唑逆转alpha-syn-mediated抑制DAT活动提供见解alpha-syn DAT的监管活动,即通过拘束转运体微管网络(121年]。此外,用诺考达唑治疗细胞microtubule-disrupting代理,导致小骨料颗粒的数量的增加。的确,微管系统的扰动由于抑制微管的组装或由于基因删除微管生源论刺激alpha-syn聚合和毒性122年]。韦伯也和同事发现,破坏微管与诺考达唑抑制autophagosome-lysosome融合,能减少退化alpha-syn寡聚物(123年]。我们组表明,紫杉醇,微管稳定剂,能够减少alpha-syn寡聚物堆积在PD胞质杂种98年]。有趣的是,alpha-syn原纤维形成的过程是由微管蛋白是刺激和其他两个microtubule-associated蛋白(124年- - - - - -126年]。这意味着当微管网络中断,免费的微管蛋白的数量增加触发alpha-syn fibrillization。事实上alpha-tubulin直接与alpha-syn [127年]。另一方面,阿利姆和合作者发现alpha-syn功能microtubule-associated蛋白质,和变异形式的alpha-syn失去这种潜在的(97年]。Alpha-syn过度引发不仅破坏微管,而且损害microtubule-dependent贩运和诱发神经炎的变性SH-SY5Y细胞(128年]。此外,萨哈和他的同事们发现,alpha-syn突变体的运动形式与PD通过培养神经元的轴突运输率降低。此外,alpha-syn磷酸化的丝氨酸- 129也会降低其轴突运输(129年]。
线粒体使用细胞骨架蛋白作为跟踪的定向运动。线粒体与微管及其运动的相互作用以及微管跟踪取决于地图(130年]。细胞骨架系统调节不仅线粒体运动,而且他们的形态和功能。因此,破坏微管干扰线粒体运动通过轴突。另一方面,线粒体损伤扰乱通过轴突运输线粒体,增加他们的逆行运动。线粒体动力学的变化导致轴突数量减少线粒体和线粒体在细胞体内积累131年,132年]。研究从2002年显示消耗的线粒体数量和功能在轴突发生在神经退行性疾病133年,134年]。由于线粒体ATP供应商和微管需要ATP完成其功能,破坏线粒体对轴突运输和将有一个深远的影响结果(轴突的维护和功能135年]。预计正常线粒体ATP生成足够数量的但也将136年]。事实上,线粒体生物起源发生裂变的预先存在的线粒体。裂变让受损的大分子的稀释,同时也防止过度线粒体肿大。事实上,线粒体肿大不太可能被mitophagy退化,加强其进步失败(137年]。最初的扩大可能发生因为氧化损伤蛋白负责线粒体分裂或在相应的核基因突变。此外,线粒体营业额可能会减少由于溶酶体与脂褐质过载能力下降。它也被称为“衰老色素”,并被认为是一个可靠的生物标记的神经元的时代。脂褐质intralysosomal,高分子物质,主要由交联蛋白残留,形成由于iron-catalyzed氧化过程。因为它是通过胞外分泌undegradable,不能删除,脂褐质积累期间是不可避免的老化(138年,139年]。的积累postmitotic细胞内脂褐质是公认的标志老化发生的速率与长寿有关。
越来越多的数据强调线粒体功能的线粒体动力学的至关重要的作用。线粒体不是静态和自治的细胞器,但相反,一个高度动态的。这种细胞器经历不断融合周期(两个线粒体的组合成一个单一的细胞器)和裂变(长时间的分离,管状线粒体分成两个或两个以上的小部件)(140年,141年]。这些动态过程调节线粒体功能通过使线粒体招聘关键的亚细胞的隔间,内容交流线粒体,线粒体的形状控制、线粒体与胞质,通信和线粒体质量控制。事实上,这高度动态平衡线粒体核裂变和核聚变控制线粒体形态、长度、大小和数量,也调节线粒体功能和分布。越来越多的证据表明,线粒体动力学异常参与线粒体功能障碍可能调解在PD模型神经元死亡。有趣的是,边际产量+和鱼藤酮诱导线粒体碎片显示依赖于裂变蛋白质GTPase Dynamin-related蛋白1 (Drp1) [142年- - - - - -144年]。同样,6-OHDA-induced SH-SY5Y细胞线粒体分裂表明,过度的线粒体分裂可能调解复杂的我抑制引起的神经毒性145年]。人类成纤维细胞、急性暴露于高剂量鱼藤酮导致线粒体膜电位下降,导致线粒体分散形态(146年]。也长期暴露在鱼藤酮被报道在分化的多巴胺能减少线粒体运动SH-SY5Y细胞(147年]。这些结果表明,PD毒素阻碍核裂变或核聚变机械。工作获得两种透析相关基因还强调了微管参与PD以及线粒体动力学障碍。例如,帕金强烈与微管结合,展示了ubiquinate微管蛋白(120年]。此外,粉1被发现有一个角色在线粒体的贩卖微管这一部分损失粉1功能除了改变线粒体形态和动力学也可以改变微管功能(148年]。也表明粉1 /帕金途径促进线粒体分裂和/或抑制融合的负调节融合蛋白的功能,如Mitofusin-1和2 (Mfn1进行Mfn2)和视神经萎缩1 (Opa1),和/或积极调节Drp1 [149年]。此外,线粒体完整性的损失在粉1和帕金突变体可以由于减少线粒体分裂(150年]。在果蝇、粉1和帕金突变表型明显抑制过度的Drp1 Opa1表明粉1 /帕金差别或对这些通路调节线粒体重构过程通过促进线粒体分裂(151年]。此外,粉1缺乏也与在人类细胞中线粒体病理学和果蝇,可以获救的报告》等。152年]。鲁茨和他的同事证明了人类SH-SY5Y帕金细胞的差别急性对这些严重影响线粒体形态和功能,粉1缺陷引起的表型比得上。此外,他们表明,帕金损失或粉1功能增加Drp1-dependent线粒体碎片(153年]。纳和他的同事证明了线粒体功能失调,膜电位低,招募帕金线粒体和诱导线粒体进行融合和mitophagy154年]。此外,粉1的损失函数引起氧化应激和线粒体营业额由自噬和裂变/协调融合机械(155年,156年]。
总的来说,mitochondrial-mediated微管破坏导致蛋白质总量的快速积累和/或受损的细胞器如线粒体导致神经退化见PD。
4所示。蛋白质聚合:α-突触核蛋白寡聚化
当错误折叠的蛋白质不能复合或退化(由蛋白酶体或溶酶体),细胞激活另一个的防御方式,隔离和/或异常毒性蛋白总量。有令人信服的数据指向蛋白质聚合家族和零星的PD致病过程中的作用。的确,球形蛋白质的存在夹杂物存在于细胞质的生存nigral神经元,名叫磅。是认为纤维alpha-syn磅的构建块。事实上,alpha-syn也是最敏感的标志磅,这意味着有必要磅形成(157年]。alpha-syn以外的然而,磅含有许多蛋白质,包括神经纤维细丝和其他细胞骨架蛋白,这表明它们可能是重要的aggresome形成。Alpha-syn是一个小,高度紧张的140 -氨基酸残基的蛋白质主要表达在中枢神经系统,它的功能还知之甚少。然而,一些功能已经指出。人们认为alpha-syn起着调节多巴胺的生物合成作用通过激活蛋白磷酸酶2减少酪氨酸羟化酶磷酸化,多巴胺生产的病原反应酶(158年,159年],减少可用的活跃增殖蛋白激酶(160年)和磷脂酶D (161年]。此外,一些研究显示,alpha-syn参与调节突触传递,突触囊泡的密度,和神经可塑性162年- - - - - -165年]。此外,alpha-syn可以作为分子伴侣防止其他蛋白质的聚合在体外。事实上,alpha-syn可以激活Hsp70,更有趣的是它的结构非常类似于热休克蛋白(166年,167年]。它还提供了一个支持性的角色在折叠/ SNARE蛋白的重折叠的关键神经递质释放,囊泡回收和突触完整性(168年]。有趣的是,alpha-syn敲除老鼠没有任何神经退化的迹象表明alpha-syn神经发展不是必需的(165年,169年]。SNCA基因突变是非常罕见的(三个错义突变A30P点、A53T和E46K)然而,他们帮助阐明alpha-syn胞内积累的分子机制。转基因小鼠表达人类野生型alpha-syn基因开发的几个PD的临床和病理特征,如积累磅,多巴胺能的损失终端在基底神经节,和相关的运动能力损伤(170年]。过度的alpha-syn黑质多巴胺能神经元变性导致的损失,在Ser129 alpha-syn的磷酸化,激活caspase-9 [171年]。此外,A53T和A30P alpha-syn转基因小鼠发展神经元线粒体变性和细胞死亡172年]。有趣的是,A30P和A53T已知突变alpha-syn self-associate比野生型更迅速形成促进聚合成纤维(173年- - - - - -176年]。然而,转基因小鼠A30P alpha-syn突变不展览alpha-syn夹杂物(177年]。相比之下,A53T alpha-syn转基因小鼠发展神经元synucleinopathy [178年]。
Alpha-syn可以与许多蛋白质相互作用,比如calpain 1,可以打通Alpha-syn c端地区进一步加强其fibrillization过程(179年]。同样,alpha-tubulin诱发alpha-syn fibrillization酵母,老鼠的大脑,和人类大脑122年,125年]。此外,在我们的实验室工作表明,PD胞质杂种的一个复杂的缺陷和ATP耗竭calpain 1 over-activation和自由alpha-tubulin增加触发alpha-syn寡聚化(98年,103年]。现在许多研究支持的假设alpha-syn寡聚化导致帕金森病神经损伤是关键一步。实际上,低聚物,而不是原纤维,致病性总物种负责神经细胞死亡在PD出现。事实上,根据数的观察,有人建议,磅形成不会引起,但相反,防止神经退化(180年,181年]。有趣的是,PD患者的大脑神经病理学的分析表明,神经元包含磅看起来比邻近的神经元(更健康182年,183年]。尽管潜在的寡聚物的细胞毒性的机制不清楚(184年,185年),早期的研究表明,alpha-syn原纤丝破坏合成囊泡在体外(186年,187年)导致细胞离子的不平衡,因此,细胞死亡。几个alpha-syn转译后的修改导致稳定的低聚物的形成。这些包括硝化、氧化磷酸化,与铁的交互。氧化改性alpha-syn通过多巴胺加合物可能促进聚合(175年]。同样,最近的数据表明,稳定的超表达的alpha-syn SH-SY5Y细胞或细胞暴露对多巴胺促进alpha-syn寡聚化(188年]。多巴胺被证明调节不同的原纤丝的稳定性和原纤维由野生型和突变体形式的alpha-syn [189年]。若松和同事表明截断人类alpha-syn有害nigral多巴胺能神经元的发展和生存(190年]。同样,工作从2007年表明,聚合alpha-syn介导多巴胺神经元毒性在活的有机体内(191年]。
其他机制表明,alpha-syn聚合可能密切相关的氧化反应可能发挥重要作用在PD神经退化192年]。例如,异常铜和H2O2体内平衡被证明在金属催化氧化寡聚化alpha-syn扮演至关重要的角色(193年]。另外,通过使用特定的抗体在alpha-syn硝化酪氨酸残基,广泛而普遍的硝化alpha-syn蛋白质内含物的积累在PD的大脑蛋白质内含物(72年]。随后,这是发现在HEK 293个细胞稳定转染野生型和突变alpha-syn nitrative和氧化侮辱诱导alpha-syn聚集的形成194年]。我们的结果在PD胞质杂种表明mitochondrial-driven ROS生产诱发alpha-syn氧化和寡聚化。Alpha-syn聚合在抗氧化治疗显著降低(CoenzymeQ或谷胱甘肽)(30.]。
其他重要的聚合是磷酸化共价启动子。磷酸化Alpha-syn带有潜在的站点数量。的确,Ser129 alpha-syn强烈的磷酸化调节之间的交互alpha-syn synphilin-1和夹杂物的形成。可溶性的水平alpha-syn低聚物的物种增加磷酸化在Ser129195年]。结果表明:alpha-syn广泛磷酸化在总量从synucleinopathies病人196年]。此外,据报道多不饱和脂肪酸促进齐聚反应,表明alpha-syn可能总通过与细胞膜相互作用[197年]。提出了低聚物的毒性机制,如前所述,由环状中间体孔隙的形成。此外,铁被证明特别引起alpha-syn聚合形成聚合显示它的作用(198年]。
证据表明,线粒体功能障碍可能诱发alpha-syn错误折叠。事实上,鱼藤酮治疗导致增加detergent-resistant alpha-syn聚集在COS-7细胞表达野生型alpha-syn [199年]。此外,突变体和野生型alpha-syn与线粒体细胞色素c氧化酶相互作用,线粒体呼吸系统的关键酶(200年]。李和同事证明alpha-syn的一部分存在于线粒体的膜在正常多巴胺神经元(201年]。过度的条件下,alpha-syn把线粒体和可能导致增强毒性响应subtoxic线粒体毒素浓度(202年]。利用SHSY细胞overexpressing alpha-syn A53T突变或野生型,以及孤立的老鼠大脑线粒体,它表明alpha-syn定位在线粒体膜造成氧化应激(76年]。最近,戴维和他的同事们表明,线粒体的PD-vulnerable黑质和纹状体的重要积累alpha-syn和减少复杂我活动203年]。另一个有趣的研究表明,在酵母在老化过程中,线粒体功能所需alpha-syn毒性(204年]。此外,我们的工作提供数据显示,PD胞质杂种窝藏固有的线粒体损伤发展alpha-syn寡聚物积累。Alpha-syn齐聚反应在我们的研究是由几个不同的通路引起的所有依赖线粒体故障(看过的205年])。
虽然需要执行更多的研究来阐明alpha-syn函数,很不可否认其寡聚化似乎是关键一步,驱动器在PD病理和细胞损伤。
5。细胞内的降解机制
5.1。Calpain-Mediated蛋白水解作用
维持线粒体功能障碍在PD可以释放钙,导致异常的钙稳态的胞质钙蛋白酶的激活。事实上,mtDNA-depleted细胞表现出增加calpain激活(206年]。钙蛋白酶calcium-activated神经元蛋白酶,属于一个高度保守的半胱氨酸蛋白酶的家庭,因此,他们被广泛表达在中枢神经系统,优先参与短暂的蛋白质的降解(207年]。其结构由cysteine-proteinase域结合calmodulin-like Ca2 +绑定域名。事实上,代表经典的活动,无处不在的哺乳动物钙蛋白酶,μ-calpain (calpain 1), m-calpain (calpain 2)是由Ca2 +浓度。它们的存在作为一个酶原异质二聚体(80 kDa和29 kDa)在静息细胞被激活钙通过自溶的加工(生产78 kDa的异质二聚体和18 kDa)。此外,在体外研究表明,calpain 1和2不同所需的钙浓度成为激活;calpain 1需要的钙离子浓度μ摩尔范围,calpain 2需要mmolar范围(208年]。人们普遍知道calpastatin,广泛表达110 kDa蛋白质,钙蛋白酶的唯一内源性抑制剂(209年,210年]。总的来说,钙蛋白酶是细胞内nonlysosomal calcium-regulated半胱氨酸蛋白酶,协调监管分裂的特定底物和参与的过程在分化过程中,细胞的生命和死亡。这些蛋白酶打通不同蛋白质的物种,包括受体、离子通道、细胞骨架组件、蛋白酶、致癌蛋白和细胞信号蛋白。尽管calpain激活最初与坏死的过程,几项研究已经表明,这些蛋白酶在凋亡过程中发挥重要的作用。事实上,钙蛋白酶能够被激活通过caspase-mediated乳沟calpastatin启动凋亡执行期间(211年]。活跃caspase-3可以打通calpastatin,从而促进控制calpain激活。尽管钙蛋白酶可能提高半胱天冬酶的活动,他们还可以阻止还存在的激活函数。例如,钙蛋白酶可以打通caspase-9呈现它无法激活caspase-3和防止后续凋亡级联(212年]。此外,procaspase-3 calpain衬底。在PC12细胞中,边际产量+诱导calpain激活,如果释放由calpain阻止抑制剂(213年]。
Cdk5属于一群丝氨酸/苏氨酸激酶最佳特点他们的角色在细胞周期进程。这个激酶被证明有一个在PD的发病机制中的作用。Cdk5与伦敦商学院与PD患者的大脑。的转换cdk5活化剂p35区域更稳定p25形式可能导致cdk5活动增加。符合这种可能性,增加p25注射后显示MPTP药物治疗水平。一些报道认为p35-to-p25转换是通过calpain介导激活(214年- - - - - -216年]。增加表达calpain中脑的PD患者和灵长类PD模型已经证明,表明calpain参与PD发病机理(217年]。此外,增强calpain表达和活动中观察到的黑质和蓝斑PD患者。增加calpain表达和细胞死亡在C57BL / 6 n小鼠脊髓注射后也报道MPTP药物治疗(218年]。中钙蛋白酶的存在形态异常磅进一步支持中多巴胺能纤维和钙蛋白酶参与帕金森病。最有趣的是,抑制calpain块神经行为功能退化和恢复实验模型的PD (219年]。同样,抑制线粒体MPP复杂的我+鱼藤酮激活calpain和神经退化过程中似乎是一个早期事件之前caspase-3激活(220年,221年]。此外,rotenone-induced变性脊髓运动神经刘易斯在雄性老鼠进展upregulation calpain和caspase-3 [222年]。
现在也承认alpha-syn寡聚化至关重要的进展PD病理和细胞损伤。随后,它被描述在其他疾病涉及蛋白质的聚合,calpain抑制的保护作用。哈克和同事非常具体的显示coexpression细胞calpain抑制剂calpastatin废除碎片和夹杂物的形成细胞表达病理ataxin-3暗示calpain的关键作用3型脊髓小脑的共济失调的发病机制(223年]。此外,Goni-Oliver和他的同事提供的数据建立的第一个直接证据calpain促进GSK-3截断,在信号转导的影响,并可能在病理障碍,例如广告(224年]。在2003年,结果表明,帕金加速退化alpha-syn通过激活calpain导致alpha-syn-induced细胞死亡的预防225年]。同样在2003年,这是证明alpha-syn calpain 1的底物(179年]。近来,同一组显示数据显示calpain-mediated乳沟附近和中部地区内的可溶性alpha-syn /没有酪氨酸硝化和氧化生成片段无法self-fibrillized [226年]。相反,Dufty和他的同事在2007年发现乳沟的alpha-syn calpain发生在大脑和calpain-cleaved PD的碎片与激活calpain alpha-syn与227年]。这些结果表明,calpain可能链接alpha-syn病有关寡聚化,聚合和后续磅的形成。我们组表明,PD胞质杂种胞质钙含量增加与增加calpain激活和表达,随后强化有毒alpha-syn寡聚物的形成。此外,我们的研究结果表明,钙蛋白酶抑制减少有毒alpha-syn寡聚物和增加了无毒不溶性alpha-syn总量,防止caspase-3激活(103年]。
Demarchi和合作者表明calpain调节macroautophagy在哺乳动物细胞(228年]。事实上,在calpain-deficient细胞自噬受损,从而导致凋亡开关。最近的数据显示,广告溶酶体自噬系统可能不会降低τ在正常成年大鼠大脑。然而,抑制自噬可能诱发τ蛋白水解作用通过calpain激活(229年]。到目前为止,还没有数据显示证实自噬和钙蛋白酶在PD之间的相关性。
总的来说,一个角色calpains-mediated蛋白水解作用强烈假定在PD的发病机制。更多的研究需要进行地址如果钙蛋白酶抑制提供一个潜在的治疗目标的神经退行性PD的过程。
5.2。自噬:质量管理体系
年龄引起磨损的细胞器和亚细胞结构的逐步积累,降低了细胞和分子所需的各种生物过程效率保持体内平衡和生存。这种细胞外/细胞内受损蛋白质的积累常用的生物标志物老化(230年]。此外,它似乎反映了不平衡能力/活动之间的质量控制系统和改变蛋白质的细胞的数量。自噬是真核细胞中普遍存在的,而且是主要的机制参与氧化的间隙或其他损坏/破损的大分子和细胞器,因此控制细胞死亡。自噬是一个传统上被视为一个过程相关的细胞对压力的反应通常营养不足,毒素暴露,感染,或氧化应激。相反的ubiquitin-proteasome途径降解主要是短暂的蛋白质,自噬是主要参与分解蛋白质长半衰期和受损的细胞器231年]。此外,可能是一个高度组织和非常具体的intralysosomal降解途径受基因的一个大家庭,ATG家族(232年,233年]。超过30 atg基因在酵母和已确定至少11在人类直接同源。例如,atg6也称为beclin和atg8通常被称为LC3在哺乳动物234年,235年]。有三个主要类型的哺乳动物细胞中自噬:macroautophagy, microautophagy,即使伴娘自噬(CMA) [236年]。各种自噬机制之间的差异取决于类型的货物,路线,其交付溶酶体的机制。Macroautophagy涉及任何类型的细胞材料,包括大型的细胞器,如线粒体、被隔离在一个double-membrane-bounded液泡称为自噬小体。自噬体接收酸水解酶与后期核内体或溶酶体融合。随后,其内容的进展和成熟的退化次级溶酶体或残余体取决于是否完全或部分降解,分别为(237年- - - - - -239年]。Microautophagy涉及大分子和小细胞器,通过内陷的进入溶酶体膜(240年,241年]。CMA是某集团的选择性消化机制的可溶性胞质蛋白KFERQ主题(233年,242年]。一旦认识到这个序列,这些蛋白质直接转移到溶酶体膜。
改变自噬机制与PD的发病机制。事实上,自噬空泡的数量增加和相关结构的自噬在PD患者发现了(243年]。此外,还介绍了自噬空泡内中脑多巴胺神经元在几个PD的实验模型244年,245年]。LC3-II和Beclin-1表情明显增加从人类大脑痴呆与伦敦商学院和转基因小鼠overexpressing A53T alpha-syn,与各自的控制(246年]。然而,lysosome-associated膜蛋白1 (LAMP1),组织蛋白酶D (CatD),热休克蛋白73 (HSP73)免疫反应性明显降低在PD nigral神经元年龄组相比,(247年]。有争论是否这种自噬标记保护或相反的增加会导致神经元死亡。有人建议,增加神经元的死亡负责。然而,增强降解有害聚合或破坏细胞器可以保护248年]。
自噬确实是一个重要的过程在各种人类疾病造成的有毒,aggregate-prone, intracytosolic蛋白质无法到蛋白酶体成为当它们形成低聚物(249年,250年]。根据其构象状态和细胞条件,alpha-syn可以通过自噬降解[251年]。CMA和macroautophagy被证明是野生型alpha-syn降解的重要途径在神经元252年]。可溶性蛋白质,可以退化alpha-syn CMA因为它包含CMA识别目标主题(253年]。没有3突变的家庭形式的PD影响CMA针对主题。然而,野生型蛋白,与变异形式,很容易易位到溶酶体腔而突变形式仍然绑定到复杂不仅阻碍其退化还有其他基质的降解。此外,alpha-syn转译后的修改,促进其寡聚化也有相似的效果,表明alpha-syn寡聚物可能会阻止溶酶体易位和CMA (248年]。内侧神经元的文化,例如,在鼠标腹SH-SY5Y细胞,和孤立鼠标溶酶体,dopamine-modified alpha-syn不仅差CMA退化,但也能阻止其他基质的降解这一途径(254年]。而狭窄的蛋白酶体桶排除alpha-syn的条目的寡聚物/聚集,这样的底物可以被macroautophagy降解效率。alpha-syn的能力来抑制蛋白酶体活性与组装成细丝倾向(255年]。事实上,纤维形式的蛋白质通常会挤在蛋白酶体阻断其活动(256年]。有趣的是,自噬通过RNA干扰中断显著增加alpha-syn低聚物积累在体外,确认在alpha-syn macroautophagy间隙的重要性。此外,rotenone-induced alpha-syn骨料清除了雷帕霉素刺激后自噬(246年]。雷帕霉素可以抑制哺乳动物雷帕霉素靶(mTOR),负监管机构自噬的257年]。雷帕霉素已被证明会降低所有形式的alpha-syn稳定诱导PC12细胞模型(251年]。这些发现支持这一概念神经元自噬是至关重要的蛋白质的体内平衡和减少潜在的致病性alpha-syn寡聚物。Coexpression Beclin-1,调节器的自噬通路,发现激活自噬,减少alpha-syn积累,改善相关神经炎的改变中也是alpha-syn神经细胞系。这个神经细胞线显示,自噬溶酶体积累和改变(258年]。
似乎影响线粒体老化。线粒体发生最引人注目的与年龄相关的变化,比如像肿胀,嵴结构恶化,有时完整的内膜破坏,减少呼吸,和低ATP生产(137年]。他们通常非常大,被称为“巨型”线粒体(259年,260年]。非功能性线粒体ROS的重要来源,导致损坏和非功能组件的积累在细胞衰老的特征。此外,由于线粒体ROS的生成、蛋白质损伤发生和mtDNA突变积累在加速。随后,这导致异常的线粒体蛋白质的合成加剧线粒体功能障碍。
在最近几年,越来越多的证据已经表明线粒体聚集也可能会通过mitophagy选择性降解。Mitophagy重要的是消除不正常的线粒体和线粒体突变mtDNA因为DNA修复比原子核(更健壮261年]。有很多报告显示线粒体自噬体(内262年- - - - - -264年]。当时提出,捕获受损的线粒体和溶酶体的消化。mitophagy的证据来自一个在酵母中识别一个特定的蛋白质线粒体外膜Uth1p,其存在对于线粒体macroautophagy是必要的。线粒体蛋白质的降解没有发生突变株携带的零突变Uth1p [265年]。此外,线粒体自噬封存是进一步支持的观察到蛋白质标记mtDNA一起丢失蛋白质标记等线粒体内膜的细胞色素氧化酶亚基第四单元。帕金和粉1透析相关蛋白质mitophagy最近有关。朱棣文和同事表明边际产量+诱导自噬和线粒体退化,抑制自噬蛋白Atg5 siRNA击倒,Atg7, Atg8 [266年]。此外,结果表明,帕金促进自噬的受损的线粒体,进一步支持,PD发病机制涉及消除故障的线粒体功能失调(154年]。此外,稳定的可拆卸的粉1诱导氧化应激和线粒体碎片SH-SY5Y细胞通过自噬和核裂变或核聚变机械(156年]。从2010年的一份报告显示新粉1和Beclin1之间的互动,一个关键proautophagic蛋白质。粉1显著增强的基底和starvation-induced自噬,减少推倒beclin1表达式(267年]。另一份报告提供数据连接粉1和帕金线粒体的选择性自噬(268年]。
PD中,自噬是极端重要的一旦允许细胞摆脱受损和多余的线粒体等细胞器和蛋白质总量积累。最有趣的是
6。结束语
PD影响1%的人口在65岁到85岁人口的5% (269年),广告之后是第二个最常见的神经退行性疾病。努力了为了阐明PD触发细胞内的机制和进一步的后果。令人信服的数据表明mtDNA改变可能导致大量线粒体损伤,从而引发多巴胺神经元的死亡。线粒体功能障碍达到临界阈值时细胞内ATP耗竭就怒不可遏,氧化应激,和钙稳态放松管制,进而诱发微管中断,alpha-syn氧化和钙蛋白酶激活。此外,聚变和裂变机械受损以及自噬的积累导致alpha-syn寡聚物和破坏细胞器(图1)。这种积累最终创建一个积极的反馈回路引起的病理和多巴胺神经元的死亡。需要进行进一步的研究来理解如何以及何时线粒体功能障碍开始和为什么它会影响一个特定群体的神经元。治疗的挑战可能开始表演一个mtDNA水平或在微管水平改善alpha-syn降解的低聚物和破坏细胞器。
缩写
| 帕金森病: | 帕金森病 |
| alpha-syn: | α-突触核蛋白 |
| 伦敦商学院: | 路易小体 |
| MPTP: | 4-tetrahydropyridine 1-methyl-4-phenyl-1 2 3 |
| mtDNA: | 线粒体DNA |
| OXPHOS: | 氧化磷酸化 |
| ROS: | 活性氧 |
| MPP+: | 1-methyl-4-phenylpyridinium |
| 广告: | 阿尔茨海默病 |
| 6-OHDA: | 6-hydroxydopamine |
| POLG1: | mtDNA聚合酶γ1 |
| 河畔+: | β烟酰胺腺嘌呤二核苷酸 |
| NADH: | 减少β河畔+ |
| 衬衫: | Sirtuins蛋白 |
| PGC1α: | 过氧物酶体扩散激活受体γcoactivator-1α |
| CMA: | 即使伴娘自噬 |
| 中枢神经系统: | 中枢神经系统 |
| Mfn1进行Mfn2: | Mitofusin-1和2 |
| Opa1: | 视神经萎缩1 |
| Drp1: | GTPase Dynamin-related蛋白1 |
| LRRK2: | 富亮氨酸重复激酶2 |
| 南: | 烟酰胺 |
| 中枢神经系统: | 中枢神经系统 |
| 脑源性神经营养因子: | 脑源性神经营养因子 |
| GDNF: | 神经胶质细胞line-derived神经营养因子。 |
确认
在我们实验室工作支持资金从PTDC SAU-NEU / 102710/2008。a·r·斯特维斯和d . m . Arduino也支持博士奖学金(SFRH号/ BD / 32470/2006和SFRHD / BD / 38743/2007, resp)。从基础科学和技术(FCT-MCTES、葡萄牙)。