铁死亡参与帕金森病形成的研究进展.pdf
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1、综 述铁死亡参与帕金森病形成的研究进展*黄心雨1 综述,孟德涛2 审校(1.首都医科大学附属北京康复医院,北京 1 0 0 1 4 4;2.首都医科大学附属北京康复医院帕金森医学中心,北京 1 0 0 1 4 4)摘 要 帕金森病是常见的神经退行性疾病之一,主要病理过程为黑质致密部多巴胺能神经元变性缺失及路易小体的形成。铁死亡是最近发现的一种细胞死亡方式,以铁依赖性脂质过氧化为主要特征。目前研究认为铁死亡过程中会出现铁超载、脂质过氧化物水平升高、谷胱甘肽水平降低等现象,揭示铁死亡可能参与帕金森病形成的病理生理过程。关键词 帕金森病;铁死亡;氧化应激;脂质过氧化;综述D O I:1 0.3 9
2、6 9/j.i s s n.1 0 0 9-5 5 1 9.2 0 2 3.1 7.0 2 2中图法分类号:R 7 4 2.5文章编号:1 0 0 9-5 5 1 9(2 0 2 3)1 7-2 9 8 6-0 5文献标识码:AR e s e a r c h p r o g r e s s o f f e r r o p t o s i s i n t h e f o r m a t i o n o f P a r k i n s o n s d i s e a s e*HU ANG X i n y u1,MENG D e t a o2(1.B e i j i n g R e h a b i
3、l i t a t i o n H o s p i t a l o f,C a p i t a l M e d i c a l U n i v e r s i t y,B e i j i n g 1 0 0 1 4 4,C h i n a;2.P a r k i n s o n M e d i c a l C e n t e r,B e i j i n g R e h a b i l i t a t i o n H o s p i t a l,C a p i t a l M e d i c a l U n i v e r s i t y,B e i j i n g 1 0 0 1 4 4,C
4、h i n a)A b s t r a c t P a r k i n s o n s d i s e a s e(P D)i s o n e o f t h e m o s t c o mm o n n e u r o d e g e n e r a t i v e d i s e a s e s,w h i c h i s c h a r a c t e r i z e d b y d o p a m i n e r g i c(D A)n e u r o n l o s s i n t h e s u b s t a n t i a n i g r a p a r s c o m p a
5、 c t a(S N p c)a n d t h e f o r m a-t i o n o f L e w y b o d i e s a n d L e w y n e u r i t e s.F e r r o p t o s i s i s a p a r t i c u l a r f o r m o f c e l l d e a t h w h i c h i s i n d u c e d b y l i p i d h y d r o p e r o x i d e s d e r i v e d f r o m t h e o x i d a t i o n o f r e
6、 a c t i v e s p e c i e s g e n e r a t e d b y f r e e i r o n.A t p r e s e n t,i t i s c o n s i d-e r e d t h a t i r o n o v e r l o a d,i n c r e a s e d l i p i d p e r o x i d e l e v e l a n d d e c r e a s e d g l u t a t h i o n e l e v e l w i l l o c c u r r d u r i n g f e r r o p-t o
7、 s i s,w h i c h r e v e a l s t h a t f e r r o p t o s i s m a y p a r t i c i p a t e i n t h e p a t h o p h y s i o l o g i c a l p r o c e s s o f P D f o r m a t i o n.K e y w o r d s P a r k i n s o n s d i s e a s e;F e r r o p t o s i s;O x i d a t i v e s t r e s s;L i p i d p e r o x i d
8、 a t i o n;R e v i e w 帕金森病(P D)是以运动迟缓、肌强直、静止性震颤等运动症状和焦虑、抑郁等非运动症状为主要表现的神经退行性疾病,以黑质致密部多巴胺能神经元变性缺失及路易小体的形成为主要病理特征1。目前,缺乏有效的疾病修饰治疗方法,寻求具有疾病修饰作用的治疗方法是当前P D治疗中亟须解决的问题之一。理解黑质多巴胺能神经元退行性病变及路易小体形成的机制是开发具有疾病修饰治疗方法的前提条件。铁死亡是最近提出的一种受调控的细胞死亡方式,以铁依赖的脂质过氧化为主要特征2。P D中的铁超载、脂质过氧化物水平升高、谷胱甘肽(G S H)水平降低等,揭示铁死亡可能参与P D形成的
9、过程3。因此,阐明铁死亡在P D发病中的作用对于开发相关靶点的药物至关重要。因此,本文简要回顾了当前对铁死亡的认识,并对其在P D发病中的作用进行了归纳总结。1 铁死亡-铁依赖的调节性细胞死亡铁死亡是以铁依赖性脂质过氧化为主要特征的细胞死亡方式4。在生理条件下,G S H过氧化物酶4(G P X 4)可 将L OOH转 换 为 脂 质 醇(L OH)5。G P X 4是其核心调控因子,可以被抑制剂R S L 3所抑制5。敲除G P X 4的小鼠会出现神经退行性病变及过早死亡,过表达G P X 4可以阻止由R S L 3诱导的细胞死亡。为了将L OOH还原为L OH,G P X 4需要还原型G
10、S H作为电子供体。G S H在细胞中由谷氨酸和半胱氨酸(C y s)合成。C y s通过转硫化途径由甲硫氨酸合成,也可以通过X c T反向转运体以氧化的胱氨酸二聚体的形式被吸收,然后被还原成胱氨酸。形成X c-系统X c T单元(由S L C 7 A 1 1编码)的异源二聚体和将X c-系统定位于质膜的4 F 2单元(由S L C 3 A 2编码)是细胞内胱氨酸运输所必需的6。通过E r a s t i n抑制X c T反向转运体,使细胞内C y s的含量降低,G S H的合成受损可以导致细胞铁死亡4。利用C y s前体提高细胞内G S H水平,可以预防铁死亡。此外,研究发现辅酶Q 1 0(
11、C o Q 1 0)氧化还原酶,即铁死亡抑6892现代医药卫生2 0 2 3年9月第3 9卷第1 7期 J M o d M e d H e a l t h,S e p t e m b e r 2 0 2 3,V o l.3 9,N o.1 7*基金项目:首都医科大学附属北京康复医院科技发展专项项目(2 0 2 1-0 0 5)。通信作者,E-m a i l:m e n g d t m a i l.c c m u.e d u.c n。制蛋白1(F S P 1),可以催化C o Q 1 0重新生成其还原形式C o Q 1 0-H2或泛素醇来抑制铁死亡7。铁在铁死亡过程中发挥重要作用,主要以与转铁蛋
12、白(T f)结合的方式进行运输。铜蓝蛋白(C P)通过氧化二价铁离子(F e2+)产生三价铁离子(F e3+),并通过转铁蛋白受体1(T f R 1)以T f-F e3+复合物的形式被细胞内吞8。铁进入核内体后,由于其酸性环境,铁从T f中释放出来,金属还原酶S T E A P 3将不溶性F e3+还原为可溶 的F e2+。通过二价 金属转运体1(DMT 1)进入细胞质中,T f和T f R 1被回收到膜中以供使用。神经元对铁的摄取也可以 通过质膜 上的DMT 1通道直接发生8。构成不稳定铁池(L I P)的胞质游离F e2+参与芬顿反应,与过氧化氢(H2O2)产生反应生成具有高度活性的羟基自
13、由基(OH)。铁蛋白的部分功能是储存细胞质中多余的铁,神经黑色素是位于多巴胺能神经元中的一种关键的铁储存蛋白。铁唯一已知的出胞途径是通过膜铁转运蛋白(F P N),被铁氧化物酶(如C P)氧化成F e3+后离开细胞。除芬顿反应外,铁还可以作为脂氧合酶(L O X)家族的辅助因子介导脂质过氧化物的生成。1 5-L O X可在长链多不饱和脂肪酸(P U F A)上酶促生成额外的L OOH,主要是位于质膜上含有花生四烯酸(AA)或肾上腺酸(A d A)的磷脂酰乙醇胺(P E)9-1 0。质膜的脂质组成可以决定细胞对铁死亡的易感性,含有AA的长链P U F A s可以增加脂质过氧化的风险1 1。P U
14、 F A s要融入质膜的磷脂(P L)中,首先需要通过酰基辅酶A合成酶长链家族成员4(A C S L 4)与辅酶A(C o A)结合。P U F A-C o A s可以通过溶血磷脂酰胆碱酰基转移酶3(L P C AT 3)整合到质膜中,其中1 5-L O X专门氧化P L s,使质膜更具渗透性和脆性。A C S L 4是铁死亡凋亡途径中的关键角色,抑制或通过遗传方式耗尽A C S L 4可阻止铁依赖的脂质过氧化及铁死亡1 2。2 P D中的铁死亡2.1 铁在P D形成中的作用 铁在代谢过程中发挥辅助因子的作用,对大脑健康尤其重要,参与神经递质合成、线粒体呼吸、髓鞘合成和硫簇蛋白合成等过程1 3
15、。由于大脑的高代谢活性和对铁的依赖,随着年龄的增长,铁在大脑中沉积增加,此种沉积较多发生在与神经退行性疾病相关的区域8。P D患者黑质致密部胶质细胞和多巴胺能神经元中铁的升高尤为明显,并且铁的水平与疾病的严重程度相关。铁的异常沉积最可能是由于铁调控蛋白改变引起的铁稳态失衡引起的1 4。携带导致铁相关蛋白功能失调(如T f)突变的患者患P D的风险增加1 5。2.2 氧化应激在P D形成中的作用 氧化应激是导致P D形成的主要因素之一1 6。通过诱导氧化应激反应可以形成P D模型。氧化应激由氧化还原状态的失衡引起,包括活性氧(R O S)的过度产生和抗氧化系统反应不足以抵抗R O S引起的危害。
16、R O S是由氧衍生而来 的 高 度 活 性 分 子,包 括 超 氧 化 物(O2-)和OH等自由基及H2O2等非自由基分子。OH是最具挥发性的R O S之一,具有氧化应激下的细胞毒性效应,由H2O2和F e2+通过芬顿反应产生。线粒体是H2O2和R O S(尤其是O2-)产生的主要场所之一1 7。大脑中大部分的O2-由复合体I产生的,在P D患者的黑质和额叶皮层及成纤维细胞和血小板中存在功能失调的复合体I,导致超氧化物生成增加1 7。复合物I的 缺陷与C o Q 1 0缺失相关,促进线粒 体R O S的产生和膜脂过氧化。细胞中存在抗氧化系统来维持氧化还原状态的平衡,如其受损,会导致氧化应激反
17、应过度和细胞死亡。G S H是大脑大量使用的一种抗氧化剂,通过直接作用清除具有高度活性的O2-和OH自由基来清除R O S。氧化应激在P D中的发生部分原因是G S H水平的降低,在黑质中尤为明显。VA L L E R GA等1 8研究发现,细胞内G S H水平下降可以增加对铁死亡的敏感性。G S H水平降低可以促进L OOH的积累。此外,由于G S H是F e2+的天然配体,其在黑质水平的降低还可以减弱多巴胺能神经元的抗氧化能力,促进OH和R O S的产生。D J-1是另一种细胞抗氧化酶,在调节氧化应激、R O S形成和线粒体功能中发挥关键作用。D J-1基因(P A R K 7)功能突变与
18、常染色体隐性早发性P D相关,伴有线粒体氧化应激增加、基础细胞呼吸下降和氧化多巴胺的积累1 9。D J-1可以通过保存硫化转硫途径,促进C y s和G S H的生物合成,起到铁死亡抑制剂的作用。D J-1降低导致脂质R O S积累,可以 提高细胞对铁 死亡的敏感性2 0。此外,G S H水平的变化和L OOH的增加会影响关键抗氧化酶(如G P X 4)的表达。2.3 脂质过氧化在P D形成中的作用 脂质代谢和细胞脂质组成决定细胞对铁死亡的敏感性。含有磷脂的P U F A,特别是质膜中含有AA或A d A的P E是最容易发生铁死亡的脂质2 1。细胞发生铁死亡的能力取决于P U F A的数量和细胞
19、定位,富含AA的细胞对铁死亡敏感2 1。游离P U F A s经A C S L 4酯化后,通过L P C AT 3结合到膜磷脂2 2。双烯丙基碳是脂质驱动铁死亡的关键,可以增加活性R O S、L O X和周围脂质过氧化物攻击的易感性2 1。脂质过氧化过程包括起始、增殖和终止3个步骤。活性R O S首先从双烯丙基碳中抽象出一个氢原子,形成碳中心脂质自由基(P L)。该自由基迅速与氧反应,形成脂质过氧自由基(P L OO),随后从邻近的脂质中进一步提取氢,繁殖出新的P L OO和脂质过氧自由基(P L OOH)。脂质过氧化反应可以被F S P 1-C o Q 1 0 H2系统所抑制,7892现代医
20、药卫生2 0 2 3年9月第3 9卷第1 7期 J M o d M e d H e a l t h,S e p t e m b e r 2 0 2 3,V o l.3 9,N o.1 7也可以由 抗氧化酶(如G P X 4)将P L OOH转 化 为P L OH所抑制。大脑中脂质浓度仅次于脂肪组织,其高耗氧状态使其对脂质过氧化特别敏感,脂质过氧化是P D患者黑质细胞死亡的原因之一。尸检分析显示,P D患者黑质中脂质过氧化的毒性副产物丙二醛(MD A)水平升高,血浆中L OOH水平也升高。此外,另 一 种 脂 质 过 氧 化 代 谢 物4-羟 基-2-壬 烯 醛(HN E)及壬烯醛蛋白加合物也出
21、现相应增加,P D患者的脑脊液中HN E升高与黑质中铁沉积相关2 3。S HCHE P I NOV等2 4研究发现,MP T P处理的小鼠在补充D-P U F A s后,黑质纹状体的损伤会得到保护,D-P U F A s可以减缓自由基的生成。YANG等2 5研究证实用D-P U F A预处理细胞可以防止P U F A氧化和铁死亡。铁的升高与多巴胺能神经元内高水平的P U F A s结合,创造了一个对脂质过氧化特别敏感的环境,这意味着铁、多巴胺或脂质稳态的轻微失衡,多巴胺能神经元便会出现铁死亡。钙非依赖磷脂酶A 2(P L A 2 G 6)是另一个铁死亡相关的关键酶,这种酶水解甘油磷脂的s n-
22、2酰基链,释放出游离脂肪酸和溶血磷脂2 6。P L A 2 G 6纯合突变患者表现出的神经变性,与P D的神经病理学相似。K I NGHO R N等 敲 除 果 蝇P L A 2 G 6基 因 的 同 源 物i P L A 2 V I A发现果蝇出现存活率降低、运动障碍及机体对氧化应激(尤其是线粒体)的超敏反应,并与脂质过氧化水平的增加有很强的关联性。2.4 其他调节因子在P D形成中的作用 核转录因子(N r f 2)是抗氧化反应的主要调节因子,可以预防细胞发生铁死亡2 7。在氧化应激条件下,N r f 2易位到细胞核,诱导内源性抗氧化蛋白的表达,防止脂质过氧化。N r f 2活动下降导致G
23、 S H水平降低。N r f 2在对抗内在的氧化应激中发挥作用。N r f 2定位于P D患者黑质中的细胞核,而其他神经退行性疾病(如阿尔茨海默病)定位于受影响脑区的细胞质。P D中的这种核易位表明,氧化应激下多巴胺能神经元的内在脆弱性导致了N r f 2的细胞和(或)疾病依赖性招募。在果蝇P D模型中,N r f 2的激活和核易位对MP P+损伤具有保护作用,可以阻止果蝇运动障碍和神经元丢失的发生。NA D P H是一种参与L OOH消除的细胞内还原剂。细胞内NA D P H水平被认为是铁死亡敏感性的生物标志物。研究表明,P D患者体液中氧化NA D P H生成氧气的一种酶复合体NA D P
24、 H氧化酶水平发生了改变,其亚单位NA D P H氧化酶1和4在黑 质 中 均 有 所 增 加2 8。C o Q 1 0及 其 还 原 形 式C o Q 1 0-H2是有效的线粒体和脂质R O S抗氧化剂,也被认为是内源性的铁死亡抑制剂2。最近研究证实,C o Q 1 0能够在不依赖G P X 4的情况下抑制磷脂过氧化和铁死亡7。C o Q 1 0水平降低会导致R O S生成增加,从而促进铁死亡。补充C o Q 1 0可以降低P D小鼠模型血浆、肝脏和大脑中的脂质过氧化标志物,并保护MP T P诱导的多巴胺能神经退行性变和-s y n聚集。硒是细胞抗氧化系统的关键元素,对硒半胱氨酸的形成和硒蛋
25、白(如G P X 4)的合成至关重要2 9。硒可以影响铁死亡的敏感性,补充硒可以增加对铁死亡抵抗能力,缺硒导致敏感性增加,主要通过调节G P X 4的水平和活性来实现3 0。大脑中硒的水平在黑质和尾状核中最高。硒对P D具有保护作用,即补充硒可减少百草枯诱发P D大鼠模型的运动障碍和D NA损伤,足以逆转纹状体多巴胺及其代谢物的消耗。2.5 -s y n在铁死亡中的作用 聚集的-s y n是路易小体的主要成分之一,被认为是P D关键的病理标志。了解-s y n与铁死亡的关系,对理解铁死亡在P D形成中的作用非常重要。-s y n对调节与铁死亡途径相关的铁和脂质代谢方面发挥作用。铁螯合剂、D-P
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