线粒体缺陷与采末病

1、363 采末病线粒体缺陷张 兰 李 首都1000)学宣武医市脑,采末病Alzheimer sdiseaseADNAmt363 采末病线粒体缺陷张 兰 李 首都1000)学宣武医市脑,采末病Alzheimer sdiseaseADNAmtC活性在AD 患者血小板 、培养的皮细胞及脑中显著下降 。其可能机制是传性mtDNA 基介导的体细胞m tDNA 突变的共同作用也可能继发于它改变。氧化磷酸化缺陷可能与 淀粉样蛋白 amylid沉积、微管相关蛋白 蛋白的异常磷酸化调节有关线粒体生物能力学c氧化酶iseaseA病理改变主要包括老年斑 、神经原缠结和脑萎缩。近年来, 线粒体氧化磷酸化异常与线体DNA

2、mtDNA缺陷在散发型AD发病中的作用逐渐引起人们的重视一、 生物能力学与线粒所有生物化学反应都包含能量的变化,“物能力学bioenergetics适用于整生物化学学科,物进行能量转换的机制。但是, 狭义上, 生物能力学倾向于研究那特殊的 、发生在一类特定膜上的过程。这类“ 能量转包括简单的细菌或藻)的质膜, 线粒体内膜, 以及叶绿体的类囊体膜。生物能力学的中心课题是研究通过底物的及磷ATP ,或氧化作用或光的吸收作用产生能量的机制, 这种能量可用来驱动动物体内进行能量转换的主要细胞器是线粒体, 通过氧化磷酸化过程, 将底物氧化反应生的能量转变成细胞可利用的形式 ATP , 以供各种生命活动所

3、需。线粒体氧化磷酸化化学渗透参数总相膜电位bulkphasemembranepotential跨膜电位差)、扩散电位及 Donnan 电位比氧化磷酸化相关酶呼吸链复合IIV ATP酶结构与活性底物葡萄糖氧的供应及利用 。因此, 以上四类指标的改变将影响线粒体氧化磷酸化作用, 并进而影响及机体的功能mtDNA 16 569 bp 的环状双链 DNA 37 22tNA 、2个rRNA13mtDNA缺陷是导致生物能力二、线粒体生物能力学缺陷与 80 年代以越来越多表明AD STPM )*市自然科学基金资助课题7 98 20 06脑老化研9)364 测定磷酸肌酸/ 无机磷比率以反映脑生物能力学改变,

4、可观察到早发及迟发性的AD 患者存脑血流下降, 葡萄糖利用、氧利用及脑生物能力学的损伤。AD 发现线粒体氧化磷转换为ATP 功能受损的非特异指标。AD 线粒体数目364 测定磷酸肌酸/ 无机磷比率以反映脑生物能力学改变, 可观察到早发及迟发性的AD 患者存脑血流下降, 葡萄糖利用、氧利用及脑生物能力学的损伤。AD 发现线粒体氧化磷转换为ATP 功能受损的非特异指标。AD 线粒体数目与结构异常线粒体数目增加 、层状体及晶体状包涵体形成 AD 患者脑内能量代谢缺陷可能与葡萄糖及能量代谢相关酶类异常有直接关系, 其中是P K 降。PDHC KDHC 的异常在 AD 患者正常和异常的脑区都存在。 免疫

5、印迹法证明脑内PDHC 活性的下降与其含量的减少呈一致性KDHC 活性的下降要超过其含量的下 KDHC缺陷Mo 19961990 Parker 等发AD 患者存在特异的线粒体氧化磷酸化缺陷。 他们测定了六位AD 患者血小板线粒体呼吸链复合体 活性, 五位复合体(即细胞色素c 氧化酶COX下降 , 而其复合体、活性与对照组相比无明显差异。对另外19 位对照的研究发现C OX 活性平均下降 17 %而复合体, 或酶类未发现异常,说明AD 患者血小板内线粒体呼吸链复合体确实存在特异的缺陷P arker 等, 19 94从AD 患者不同脑区分离线粒体进行研究也发现类似结果。Kish 等经尸检分离额叶

6、叶、顶叶、枕叶、壳核和海马等脑区, 发现额叶和颞叶复合体 活性显著下降。 Mutisy a 等AD 脑尸检分区测定复合体 及颞叶 、顶叶、枕叶)中均显著下降酶类活性, 证实只有复合体 活性在测定1 。Parker 等分离AD 患者右半球皮层组织,测定复合体 活性活性显著下降 53 % 。进一步对纯化的复合体酶反应动力学研究发AD 患者 COX 高亲和力结合位点减少, 复合体 可能发生结构异常 , 提示复合体缺陷可能是P 复合体 的缺陷可能存在和继发的原因。继发的原因包括神经元的缺失、神经元能活性降低导致复合体表达的下调,基介导的神经元损伤m tDNA 编码的复合体 与神经元功能活性下降有关的传

7、入神经阻滞和复合体 表达的下降可能在 AD 酸化缺陷中起重要作用。组化研究显示A D 脑内结构损伤、发生传入神经阻滞的神经元复合体活性明显下降。AD 脑切片原位杂交显示皮层及海马区线粒体呼吸链复合体亚的改变mRNA 水平下降, Chandrasekaran 等据此提出假说:突触的。突触前传入神经末梢的丧失或功能异常使得维持离子梯度的ATP 需要量减少, 线粒体的能量代谢随 N NFT 产生前出现, NFT 反过来进一步促进能量代谢下调, 形成恶性循环。NFT tau , 使得传出神经末元。NFT 沉积增多, 影响了线粒体在胞体与树突间的穿梭, 最终导致能量代,线粒rRNA , 及总mRNA。

8、amyloid 的沉积对于氧化磷酸化功能有不良影响。 amyloid 前体蛋白A PP)异构APP 751 载体转染进入人原代培养肌肉细胞后, APP 751 过度表达导致复合体活性下降及线粒体超微结构破坏(如晶状包涵体形成3 。在鼠原代培养海马神经元, amyloid导致神经元发生与复合体活性目前尚缺乏氧化磷酸化缺陷与疾病相关性的研究, 因此很难评价这些中枢神经系统氧365 磷酸化缺陷在AD 发病中的作有零使用氧化磷酸化解偶联剂羰酰 化物甲氧苯基C 链复合体抑制剂叠氮钠N aN 3 均能使转染的细胞产生大量5 及海马区蛋白激代谢产物 4 。此外, 使用NaN 365 磷酸化缺陷在AD 发病中

9、的作有零使用氧化磷酸化解偶联剂羰酰 化物甲氧苯基C 链复合体抑制剂叠氮钠N aN 3 均能使转染的细胞产生大量5 及海马区蛋白激代谢产物 4 。此外, 使用NaN 皮下微泵恒速灌注大鼠, 可导致学11 5 kD 含有amyloid 的异常C P KC)下降。最近的研究发现 氮钠致SHSY5Y人神经母细胞瘤细胞出现 COX 缺陷及氧化应激 活线粒体内膜 MTP 孔mitochon drtrasit ion po re开放, 造成跨膜电位差的减小及线粒体内与凋亡有关的因。三、线粒体 DNA 突变与复合体 缺陷可能是遗传性 mtDNA 突变基介导的体细胞 突变在AD 发病中起一定作用1993 年,

10、Wallace等发现由mtDNA编码的转运谷氨酰胺tRNA(tRNAG u am ne)t RNAGu am mtDNA 4336 位点上发生A G 的点突变, 这一突变位T C 环颈部, 是编码t RNA 连接氨基酸的部位。此突变为高加索人特异。hin 、Wallace7 等其后的研究一步验证此发现。这一RNA 分子的职能是转运谷氨酰胺, 谷氨酸在AD发病中的作用提示遗传性t RNAG u ne4336点突变的出是AD 。化酶 、亚基的CO 1 、CO 共存在六个高频率遗传性点突变。在506 例对照中60 %的A 突变。15 AD 患者mt DNA 突变率在 32 %以而对照组无一人发生如此

11、高频突变。将 AD 患者血小板内发生mt DNA 突变的线粒体转入已去除线粒体的SH SY 5Y 细胞0 细胞,观察到融合细胞cybridcelllinesCI活性无显著改变, 这一现象与AD 患者脑内及血小板内呼吸链复合体活性的特异改变一致 8 。此外,融合细胞基产生明显增钙稳态失衡, 也与散发AD 的病理改变类似 。融合的SH SY 5Y 1 2 个月, Parker 等用NT 2 人畸胎瘤细胞代替SH SY5Y 使融合细胞的病理改变(细胞色c 氧化酶活性下降 上。而且, 分化的NT 2 细胞有谷氨酸受体amy loid , 因此NT 2 融合细胞有可成为研究AD 发病机理及药物筛选的较好

12、细胞模型9但是,Hirano 等最近文章认为 Parker 等的研究结果是一种假他们证明 P 等使用了特殊DNA 提取方法, 导致DNA 中类COX 序列的与线粒体COX共同m tDNA pseudogenes10HuthinAD增, 实际检测到的突变位于核内, 是 mtDNA 线粒体突的检测及Wallace 等的研究也支持这一结论mtDNA以外, 这类缺陷有时也会自发地产期, 而且在人一生中都可能不断出现广泛分布于体内。这种后天的突变称为“体细胞突变” mtDNA突变主要是由氧致线粒体电子传递的异常, 进一步加剧氧基的毒性作用引起的。mtDNA 基的产生、mt DNA 突变的增多以及脂质和蛋

13、白和对照各 13 例进行脑尸检, 分区测定 8 质的氧化损伤, 最终导致细胞。对ADAD 患者顶叶皮层核DNAnDN A)氧化损伤比对照组高 50 % 而m tDNA 伤比对照组高 3倍AD患者各脑区mtDNA 损伤平均比nDNA 20 倍Mecocci366 1994)虽然引起疾病的 mtDNA 缺陷通常是遗传性的, 有研究证实 AD 的发病与某些性mtDNA 突变有关, 但仅靠它们本身并以引起疾病, 后天m tDNA 突变可能加剧了其病效应, 疾病的发生是两者共同作用的结果AD 与脑366 1994)虽然引起疾病的 mtDNA 缺陷通常是遗传性的, 有研究证实 AD 的发病与某些性mtDN

14、A 突变有关, 但仅靠它们本身并以引起疾病, 后天m tDNA 突变可能加剧了其病效应, 疾病的发生是两者共同作用的结果AD 与脑内线粒体氧化磷酸化异常有 这一观点已得到广泛的认虽然与氧化磷酸化相关的mt 突变在AD 发病中的作病因不十分确定,但PDHC、KDHC、胞色素 c氧化酶等生物能力学关键酶活性在 AD 患者有明显而确定的异常, 可能通过一系列不同机制引起神经退行性改变及AD 的发生。AD 线粒体氧化磷酸化异常的原因探讨以及氧化磷酸化异常与AD 发病相关性的研究对于揭示AD 磷酸化损伤水平进行药效学研究, 可以作为AD 药物治疗的新尝试。参 文献Mutisya EM,Bowling A

15、C,Beal MFCortical cy tochrome oxidase activity is reduced in Alzheimer sdisease.J Neurochem , 194632179 2184 Cclosporin A increases resting mitochondrial mem brane potential in SY5Y cells and reverses the de pressed mitochondrial membrane potential of Alzheimer s DiseasecybridsBiochem Biophys ResCom

16、mun ,198248168 16,Rapoport SI,BradyDR,et al2Decreased of nuclear and DNA encoded genes of oxidative phosphorylation BrownMD,ShoffnerYL,Wallace DC,e t alM asso tion neocortex in Alzheimer ieaeraiRes Mol Brain s1997,4499 104 .AskanasV,McFerrinJ,Baqu SetalT ransfer amyloid precursor protein gene using

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18、r causes mitochondrial abnormalities 8cultured normal human muscle.Proc N U S A ,196931314 1319 .Gabuzda D,Busciglio JChen Bet al.Inhibitioof energe metabolism alters the sing of Acad 49loid precursor protein and a potentially Cybrids in Alzheimer s disease:acellular the disease?Neurology, 1997 , 49918 HiranoM,ShtilbansA,Mayeux R,et alA pparent mtDNA heteroplasmy in Alzheimer s dis