帕金森病(PD, Parkinson’s disease) 是全球范围内困扰数百万人、仅次于阿尔茨海默病的第二大常见神经退行性疾病。α-突触核蛋白 (aSYN, α-synuclein)在患者脑内的病理性沉积是PD的显著特征，但其在神经元的沉积如何导致大脑功能障碍和神经变性，其机制仍不清楚。
近日，西北大学范伯格医学院和帕金森病卓越研究中心主任Dalton James Surmeier教授联合马尔堡菲利普斯大学Wolfgang H. Oertel教授在Molecular Neurodegeneration期刊(IF=14.9) 上发表了题为“α-Synuclein pathology disrupts mitochondrial function in dopaminergic and cholinergic neurons at-risk in Parkinson’s disease”的研究论文。该研究指出，aSYN诱导的神经元功能障碍和变性过程中的关键因素是线粒体功能障碍，特别是在多巴胺能和胆碱能神经元中。此外，研究强调，增强PD早期患者线粒体功能可能带来治疗收益，为探索PD的早期干预策略提供了生物学基础。
在多巴胺转运蛋白(DAT)启动子驱动的Cre重组酶(DAT-Cre)小鼠模型中，通过立体定向注射，将aSYN PFFs与对照病毒分别导入黑质致密部 (SNc)。12周后，约40%的酪氨酸羟化酶 (TH) 阳性SNc多巴胺能神经元表现出p-aSYN阳性。PFF诱导的α-突触核蛋白聚集体在蛋白酶 K (PK)消化下表现出耐受性，且对p62呈现免疫反应性，这些特征均符合人类 Lewy病理LP的典型表现。此外，PFF注射导致TH+神经元数量减少了约1/3，但在SNc邻近的非多巴胺能神经元群中几乎未观察到明显的病理变化(图1)。
图1. aSYN PFF注射引起SNc多巴胺神经元的PD样神经退行性变。
研究团队结合细胞与分子生物学方法，对注射12周后存活的SNc多巴胺能神经元进行离体脑切片分析，以探究aSYN病理对线粒体功能的影响。为了评估线粒体通过氧化磷酸化产生ATP的能力，研究人员在SNc多巴胺能神经元中诱导表达一种基于遗传编码的ATP/ADP比率传感器 (PercevalHR)，以检测细胞质中的ATP与腺苷二磷酸ADP的比例。通过测定PercevalHR荧光信号，进一步计算出胞质ATP/ADP比值。
在野生型WT小鼠或注射aSYN单体 (mono) 的小鼠中，使用寡霉素抑制线粒体复合物 V (MCV)导致胞质ATP/ADP比率急剧下降，应用糖酵解抑制剂2-DG后，该比率进一步下降。这表明SNc多巴胺能神经元在维持胞质ATP水平上对线粒体氧化磷酸化OXPHOS依赖性很高。然而，在注射了aSYN PFFs的小鼠SNc多巴胺能神经元中，胞质ATP/ADP比率表现出与上述小鼠显著不同的变化：该比率要么保持不变，要么在MCV抑制后反而上升，表明此时线粒体已无法对胞质ATP的再生产生有效贡献。
转录组测序分析进一步揭示，注射aSYN PFFs的小鼠多巴胺能神经元中，与OXPHOS 相关的蛋白编码基因表达广泛下调；编码质膜K+ 通道和GABAA 受体的基因表达上调，而与多巴胺的合成、突触释放和再摄取相关的基因表达则下调（图2）。
图2. α-突触核蛋白病理导致线粒体OXPHOS功能受损，引发SNc多巴胺能神经元能量失衡。
为评估aSYN PFFs诱导的病理变化对线粒体和胞质氧化还原状态的影响，研究团队在SNc区注射了携带DIO的mito-roGFP或cyto-roGFP表达构建体的AAV病毒载体。免疫荧光检测证实了roGFP探针的线粒体靶向性，随后通过双光子激光扫描显微镜（2PLSM）测量线粒体氧化应激水平。结果显示：aSYN PFF暴露后6周，SNc多巴胺能神经元的线粒体氧化应激水平显著升高，并在12周时持续保持高水平，且该现象与线粒体Ca2+负载量无关。在转录水平上，这些变化伴随着线粒体未折叠蛋白反应UPRmt关键介质ATF5的上调。此外，电镜观察显示线粒体和溶酶体形态出现明显异常，与此同时，转录组测序显示编码蛋白酶体相关蛋白的基因广泛下调 (图3)。
图3. α-突触核蛋白病理引发线粒体氧化应激，并导致线粒体与溶酶体的形态学异常。
在PD患者大脑中，aSYN病理存在于最终退化的各种非多巴胺能神经元中。为了确定接种的α-突触核蛋白病理是否在这些神经元中也引发类似的生物能量改变，研究团队在胆碱乙酰转移酶(ChAT)启动子的控制下，将aSYN PFF注射到表达Cre重组酶的小鼠PPN中。结果显示：aSYN PFF暴露显著损害了PPN胆碱能神经元线粒体通过氧化磷酸化OXPHOS 产生ATP的能力。此外，这种生物能量损伤还伴随着PPN胆碱能神经元电生理特性的改变，包括起搏减慢和放电不规则性增加。与SNc多巴胺能神经元相似，病理性aSYN也导致PPN 胆碱能神经元中线粒体和胞质氧化应激水平显著升高。综上所述，这些结果表明，aSYN PFF 在帕金森病中的多巴胺能神经元和胆碱能神经元中诱导了相似的生物能量缺陷，为进一步理解PD神经退行性机制提供了重要依据。
图4. α-突触核蛋白病理在PPN胆碱能神经元中诱导类似的代谢、电生理和氧化改变
线粒体功能障碍和aSYN的异常积聚是PD的显著标志。但两者在疾病进展中是否存在机制性联系尚不清楚。本研究揭示，体内暴露于aSYN PFF会导致细胞内病理变化，特别是在SNc多巴胺能神经元和PPN胆碱能神经元中引发线粒体功能障碍。这些结果表明，线粒体功能障碍在aSYN诱导的神经元功能损伤和退化中发挥关键作用，强调了在PD早期通过增强线粒体功能以延缓或防止疾病进展的潜在治疗益处。
参考文献：
Geibl FF, Henrich MT, Xie Z, et al. α-Synuclein pathology disrupts mitochondrial function in dopaminergic and cholinergic neurons at-risk in Parkinson's disease. Mol Neurodegener. 2024 Oct 8;19(1):69.
编译作者: 楠星(Brainnews创作团队)
校审: 神经小子 (Brainnews编辑部)
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