對于我們科研打工人來說，帕金森?。≒D）和阿爾茨海默?。ˋD）兩大神經(jīng)退行性疾病一直是手拉手前進的好兄弟，最近在AD的發(fā)病機制上出了好幾個大發(fā)現(xiàn)，PD當(dāng)然也不能落下。
這不最近，《自然》又發(fā)表了一篇重磅研究，來自美國西北大學(xué)的D. James Surmeier教授團隊發(fā)現(xiàn)，單純的線粒體復(fù)合物I功能障礙即可導(dǎo)致帕金森病發(fā)病，并且揭示了小鼠從健康到發(fā)病的全部演變過程[1]。
這個研究首次發(fā)現(xiàn)可模擬PD臨床前驅(qū)期的動物模型，并且發(fā)現(xiàn)黑質(zhì)區(qū)多巴胺耗竭與多巴胺反應(yīng)性的運動障礙直接相關(guān)。
據(jù)了解，這也是第一次有明確證據(jù)表明，多巴胺能神經(jīng)元中的線粒體損傷足以使小鼠產(chǎn)生類似人類PD的癥狀。
論文首頁截圖
你肯定要問，怎么又是線粒體？
確實，線粒體功能障礙是PD的老朋友了，已經(jīng)記不得這是第幾次報道線粒體在PD發(fā)病中的重要作用。但研究來研究去，也還沒弄清楚線粒體功能障礙究竟是帕金森病的病因還是結(jié)果。那么這一次，這個問題有沒有得到解答呢？
我們先來說說PD與線粒體功能障礙的恩怨情仇。早在二十多年前，人們就發(fā)現(xiàn)PD病人神經(jīng)元中線粒體復(fù)合物I（MCI）活性降低30-40%[2]，后來研究中用到最多的PD動物模型MPTP模型、魚藤酮模型等也都是通過藥物損傷MCI導(dǎo)致PD。那么如果在基因表達層面上損傷MCI，能不能導(dǎo)致帕金森病呢？
答案是肯定的。
近兩年科學(xué)家把目光放在了一種MCI關(guān)鍵蛋白Ndufs2上。這種蛋白的缺失可以完全損傷MCI的功能，已經(jīng)有研究發(fā)現(xiàn)敲除Ndufs2基因可以導(dǎo)致一種帕金森樣的運動障礙[3]。
那Ndufs2敲除的小鼠完全有可能成為新的PD動物模型??！順著這種思路，Surmeier教授團隊打算全面細(xì)致的剖析一下，這種小鼠究竟有哪些特征。
研究者們使用條件性基因敲除技術(shù)特異性敲除小鼠多巴胺能神經(jīng)元中的Ndufs2基因。
與以往研究不同的是，這個研究從小鼠一出生就開始觀察研究，而不是等到出現(xiàn)PD運動癥狀時再開始研究。分別選取了出生后20天，30天，60天，100天，120天，150天的時間點，連續(xù)的觀察小鼠多巴胺能神經(jīng)元內(nèi)的變化。其實這一轉(zhuǎn)變的出發(fā)點也很好理解：既然MCI損傷是一個循序漸進的過程，而PD也是慢性起病，那我們?yōu)槭裁床粡男∈蟪錾_始逐步觀察呢？
事實證明，這一步設(shè)計非常聰明，因為這一觀察不要緊，一不小心就發(fā)現(xiàn)了PD發(fā)生發(fā)展的全部過程！
接下來，就讓我們走進一只可憐的Ndufs2條件性敲除模型鼠的一生。
出生20天時，它還是個剛斷奶的寶寶，和普通小鼠沒有任何不同。但我們看不到的是，它腦中的多巴胺能神經(jīng)元已經(jīng)因為能量不足而掙扎了。它們出現(xiàn)了類Warburg樣的基因表達改變，即糖酵解相關(guān)蛋白表達上調(diào)，而氧化磷酸化相關(guān)蛋白表達下調(diào)，使得線粒體從ATP的生產(chǎn)者變成了ATP的消費者。
RNA-seq顯示敲除Ndufs2后細(xì)胞內(nèi)的基因表達改變。左為類warburg樣改變（p20），右為神經(jīng)傳導(dǎo)相關(guān)蛋白表達改變（p30）
10天之后，小鼠30天大了，能量的匱乏使得小鼠多巴胺能神經(jīng)元已經(jīng)無法完成它們正常的工作了，它們開始出現(xiàn)軸突生長和突觸傳遞相關(guān)蛋白表達變化，和多巴胺合成減少。這種變化在紋狀體區(qū)更為顯著，在黑質(zhì)區(qū)則無明顯改變。這一時期的小鼠已經(jīng)出現(xiàn)了運動學(xué)習(xí)能力的下降，但這種改變可以通過補充多巴胺挽救。
隨著病情進一步進展，在出生60天時，小鼠大腦黑質(zhì)區(qū)也出現(xiàn)了多巴胺的釋放減少，較野生型小鼠下降達到了75%，而且神經(jīng)元軸突開始丟失。這一階段的小鼠寶寶四肢好像不太協(xié)調(diào)，玩耍打鬧的時候明顯打不過野生型的朋友了，它們運動學(xué)習(xí)能力的障礙更加顯著，且多巴胺治療已經(jīng)無效。
當(dāng)長到3個月大，PD患鼠黑質(zhì)區(qū)多巴胺能神經(jīng)元出現(xiàn)明顯死亡，這使得它們走路不穩(wěn)，姿勢平衡也出現(xiàn)了問題，想出門遛彎都很成問題。四個月大時，神經(jīng)元死亡達到40%，患鼠的生命逐漸走到了盡頭。
看到這里，不禁為小鼠感到惋惜，才5個月大就走完了一生。但又不禁內(nèi)心一陣激動：這不就是臨床上PD的進展過程嗎，破案了！
模式鼠神經(jīng)元隨時間的變化
先別激動，研究者做到這里還沒有滿足。
上文已經(jīng)提到過，小鼠紋狀體和黑質(zhì)的多巴胺能神經(jīng)元都有耗竭，那究竟哪里的多巴胺耗竭與運動癥狀的發(fā)生更相關(guān)呢？
為了弄清楚這個問題，研究人員通過立體定位注射AAV病毒，分別在紋狀體區(qū)和黑質(zhì)區(qū)過表達左旋氨基脫氫酶（可以將左旋多巴轉(zhuǎn)化為多巴胺），同時給予左旋多巴治療，以達到在特定腦區(qū)補充多巴胺的效果。
這一做，又突破了近30年來對帕金森病起病的認(rèn)知！
傳統(tǒng)觀念認(rèn)為，帕金森病的運動癥狀主要源于紋狀體區(qū)多巴胺的耗竭導(dǎo)致的傳出信號失調(diào)[4]。而本研究發(fā)現(xiàn)，黑質(zhì)區(qū)多巴胺耗竭也可以引起運動功能障礙，且在帕金森病晚期發(fā)揮著主要的作用。黑質(zhì)區(qū)多巴胺的耗竭才是多巴胺反應(yīng)性PD運動障礙的直接原因。
綜合上面的結(jié)果，科學(xué)家提出了關(guān)于帕金森病發(fā)病新的假說：在疾病早期，紋狀體區(qū)多巴胺合成的減少首先影響精細(xì)運動功能，此時黑質(zhì)區(qū)神經(jīng)元的樹突代償性釋放多巴胺以抵抗這一變化。但隨著疾病進展，這一代償能力慢慢減弱，黑質(zhì)區(qū)無法繼續(xù)代償多巴胺的缺失，精疲力盡的神經(jīng)元陸陸續(xù)續(xù)走到了生命的盡頭。
分別在黑質(zhì)和紋狀體區(qū)補充多巴胺能神經(jīng)元均可以改善運動癥狀，由此提出新的病理假說。
不同時間點模式鼠的變化
寫到這里，我已經(jīng)忍不住的激動發(fā)抖，汗毛倒豎了。按捺住激動地心情，我們再來盤點一下這篇研究究竟做了什么。
首先，研究第一次發(fā)現(xiàn)單純的線粒體功能損傷可以在動物身上完整的模擬出帕金森病的發(fā)病過程，讓我們認(rèn)識到線粒體功能障礙可能不是帕金森病導(dǎo)致的一種現(xiàn)象，而是作為帕金森病的病因在起病前就已經(jīng)出現(xiàn)。這樣我們就有機會通過靶向線粒體，在發(fā)病之前就拖住PD的步伐。
其次，我們以往的帕金森病動物模型都只模擬出了帕金森病的最終結(jié)局，該研究的動物模型是首個能模擬出前驅(qū)期帕金森病的模型?？蒲腥藗兌嗄陙頌榱私⒁粋€好的前驅(qū)期模型不知道熬沒了多少頭發(fā)，這下有模型可以拿來做研究了，打工人在此熱淚盈眶了！
最后，研究揭示出黑質(zhì)區(qū)而非紋狀體多巴胺分泌減少是帕金森病進展期的重要病因，將多巴胺精確的補充在黑質(zhì)區(qū)或紋狀體區(qū)均可以明顯改善帕金森病的運動癥狀，為我們治療晚期帕金森病，改善病人癥狀，減輕病人痛苦提供了重要的理論基礎(chǔ)。
回到最開始的問題：線粒體功能障礙到底是PD的病因還是結(jié)果？就這篇研究來看，我們可以很有底氣的喊出：是病因！
但放到千千萬萬的PD患者身上，還是要謹(jǐn)慎地打個問號。因為這個研究沒有檢測PD關(guān)鍵的病理特征：α-Synuclein的沉積。因此，這個PD模型鼠到底多大程度上反映出PD真實的起病過程，還有待更深入的研究。
回顧這些年的研究，線粒體學(xué)說，炎癥學(xué)說，朊蛋白學(xué)說，自身免疫學(xué)說，各個有理有據(jù)，也許他們在復(fù)雜的起病過程中都貢獻了一份力量。無論如何，隨著研究的深入，我們對于PD的了解也越來越深刻，相信總有一天，我們會徹底揭開它的面紗~
參考文獻：
[1].González-Rodríguez P, Zampese E, Stout KA, et al. Disruption of mitochondrial complex I induces progressive parkinsonism. Nature. 2021;10.1038/s41586-021-04059-0. doi:10.1038/s41586-021-04059-0
[2].Swerdlow RH, Parks JK, Miller SW, et al. Origin and functional consequences of the complex I defect in Parkinson's disease. Ann Neurol. 1996;40(4):663-671. doi:10.1002/ana.410400417
[3].Kordower JH, Burke RE. Disease Modification for Parkinson's Disease: Axonal Regeneration and Trophic Factors. Mov Disord. 2018;33(5):678-683. doi:10.1002/mds.27383
[4].Albin RL, Young AB, Penney JB. The functional anatomy of basal ganglia disorders. Trends Neurosci. 1989;12(10):366-375. doi:10.1016/0166-2236(89)90074-x
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