賽業(yè)神經(jīng)科學(xué)云課堂，不定期更新神經(jīng)領(lǐng)域相關(guān)干貨，同時(shí)歡迎大家提出自己感興趣的神經(jīng)方面的問題，我們將篩選大家感興趣的問題，在本欄目后面的內(nèi)容為大家做出詳細(xì)解答～

 

 

4.11日是世界帕金森病日，為了讓大家深入了解這個(gè)疾病，我們做了兩期專題內(nèi)容，上期給大家介紹了PD的癥狀、流行病學(xué)、診斷和主要的治療方法，錯(cuò)過的同學(xué)可以戳這里回顧。這期內(nèi)容，我們將帶大家尋找造成帕金森病的兇手，重現(xiàn)案發(fā)過程。

 

01 導(dǎo)致PD的重要嫌疑人及案發(fā)現(xiàn)場
 

如果我們把帕金森病當(dāng)作一起案件的話，那么案發(fā)地就是中腦黑質(zhì)區(qū)（Substantia nigra，SN）；受害人就是多巴胺神經(jīng)元，現(xiàn)在的目標(biāo)就是找到“兇手”。

 

經(jīng)過調(diào)查，一種神經(jīng)細(xì)胞內(nèi)聚集的蛋白質(zhì)—路易小體（Lewy Body），多次出現(xiàn)在案發(fā)現(xiàn)場，而路易小體是由α-synuclein（α突觸核蛋白）聚集而成的，所以我們是否可以將α突觸核蛋白作為真兇呢？答案是不能，只能當(dāng)成重要嫌疑人或者是犯罪成員之一，因?yàn)樵诓糠諴D病患的SN中，α突觸核蛋白是有不在場證明的。

 

剛開始，案件就陷入了僵局。那么我們先來看看案發(fā)現(xiàn)場黑質(zhì)區(qū)域，由于該區(qū)域中有富含神經(jīng)黑色素（neuromelanin）的神經(jīng)元聚集，顏色較深。該區(qū)域隸屬于基地神經(jīng)節(jié)（basal ganglia，BG）的一部分，而基地神經(jīng)節(jié)又是中腦（Middle Brain）的子區(qū)域，無論是從人類還是嚙齒類動(dòng)物的大腦角度看，這個(gè)區(qū)域的體積都很小（注意，圖中綠色部分代表的是整個(gè)中腦，而黑質(zhì)只是其中箭頭所指虛線附近部分），但對(duì)于動(dòng)物的運(yùn)動(dòng)卻至關(guān)重要。這是因?yàn)槠渲杏写罅康亩喟桶飞窠?jīng)元聚集，多巴胺的功能不用多說，除了是所謂的“快樂源泉”以外，也對(duì)人類的運(yùn)動(dòng)起著調(diào)節(jié)作用，過多和過少都不是好現(xiàn)象。SN雖然很小，但還是可以分成兩個(gè)區(qū)域，黑質(zhì)致密區(qū)（Substantia nigra pars compacta，SNc）和黑質(zhì)網(wǎng)狀區(qū)（Substantia nigra pars reticulata，SNr），其中致密區(qū)含有大量的多巴胺神經(jīng)元，也是PD的重災(zāi)區(qū)。SNr區(qū)接收并處理BG和其他腦區(qū)的輸入信號(hào)，SNc中的多巴胺神經(jīng)元?jiǎng)t負(fù)責(zé)根據(jù)SNr提供的信息向紋狀體（striatum）提供多巴胺，進(jìn)而調(diào)控運(yùn)動(dòng)。而PD則是因?yàn)榍拔奶岬降脑搮^(qū)域多巴胺神經(jīng)元死亡而造成的多巴胺分泌不足，導(dǎo)致丘腦參與控制的運(yùn)動(dòng)過程發(fā)生障礙。

 

圖1. 中腦黑質(zhì)是PD的病灶[1-4]

 

02 案情推測： 帕金森病的發(fā)病假說

我們先說一下造成多巴胺神經(jīng)元死亡的重要嫌疑人“α-synuclein”，該蛋白由4號(hào)染色體上的SNCA基因（Synuclein Alpha）編碼而來，在大腦中含量豐富，分布在神經(jīng)元突觸前膜上。正常情況下，這種蛋白規(guī)規(guī)矩矩地行使它日常樸實(shí)無華的功能（目前一些研究發(fā)現(xiàn)該蛋白參與突觸囊泡的釋放，但具體細(xì)節(jié)仍有待研究）。那么，這個(gè)平時(shí)沒什么存在感的突觸核蛋白又是怎么走向黑化之路的呢？首先，如果SNCA基因本身存在突變或者過多重復(fù)，會(huì)導(dǎo)致α-synuclein增多，加劇聚集；接下來，如果負(fù)責(zé)降解工作的parkin(泛素連接酶)和UCH-L1蛋白發(fā)生改變，那么，也會(huì)造成α-synuclein的累積；再然后如果HSPs1也發(fā)生改變的話，會(huì)導(dǎo)致α-synuclein與多巴胺結(jié)合，降低多巴胺水平；如果α-synuclein聚合物進(jìn)一步合體形成路易小體，本身就具有神經(jīng)毒性，而且抱團(tuán)之后還能共同抵抗其他機(jī)制對(duì)其的降解。

 

除了泛素降解外，自噬作用也是神經(jīng)元防止α-synuclein聚集的重要手段，LRRK2（和自噬作用有關(guān)的蛋白）的突變與家族早發(fā)型的PD相關(guān)。此外，因?yàn)樽允珊蚉D搭上關(guān)系的還有Rab1A。ATP酶ATP13A2也是PD相關(guān)基因。

 

和AD一樣，早發(fā)型PD遺傳度較高，晚發(fā)型PD的遺傳度非常低，但無論如何，咱也可以通過大量測序找到一些犯罪嫌疑人，比如在AD中大放異彩的MAPT就又被拎了出來，但這個(gè)需要在額顳葉癡呆并發(fā)PD中才有，其實(shí)是額顳葉癡呆的特征；另外APOE4也與PD的發(fā)病扯上了關(guān)系，而且APOE2這個(gè)具有AD保護(hù)作用的APOE形式也被指控提高了PD的發(fā)病率。

雖然在某種程度上，α-synuclein可以和AD中的Aβ進(jìn)行類比，但其實(shí)這二者在PD和AD中的作用還是有很大區(qū)別的。首先，Aβ是在胞外聚集的，而α-synuclein是在胞內(nèi)形成路易小體的，這有點(diǎn)類似于AD發(fā)病的幫兇tau；另一方面Aβ聚集可以說是AD的標(biāo)志，如果沒有淀粉樣沉淀，這種癡呆就不屬于AD，但路易小體只是PD大概率出現(xiàn)的病理特征，并不能作為PD診斷的必要條件。這是因?yàn)楹芏嗉易逍缘腜D中并沒有路易小體的形成，而家族性的AD中淀粉樣蛋白沉淀則是必須的。

 

圖2. 帕金森病的發(fā)病假說[5]

 

03 重現(xiàn)案發(fā)過程的”工具“—PD動(dòng)物模型

帕金森病造模的主要目標(biāo)就是盡量特異性殺死SNc中的多巴胺神經(jīng)元，減少下游紋狀體能夠接收到的多巴胺。從方式上看主要有化學(xué)誘導(dǎo)和基因編輯兩種。

 

化學(xué)誘導(dǎo)PD模型

化學(xué)誘導(dǎo)的模型的優(yōu)點(diǎn)是：有明顯的SNc多巴胺神經(jīng)與減少和紋狀體多巴胺缺失，部分藥物也能誘導(dǎo)出路易小體；但是化學(xué)誘導(dǎo)的PD模型也有明顯的缺點(diǎn)：那就是多巴胺神經(jīng)元的死亡速度過快，人從多巴胺神經(jīng)元死亡到PD發(fā)病一般都要經(jīng)歷十幾年以上，而化學(xué)誘導(dǎo)的模型幾天內(nèi)就達(dá)到了人幾十年病程形成的死亡的神經(jīng)元數(shù)量，而且這些神經(jīng)元和多巴胺缺失最嚴(yán)重的的模型中，并沒有路易小體的出現(xiàn)。個(gè)人認(rèn)為路易小體的形成絕非一朝一夕之功，需要眾多α-synuclein十幾年甚至幾十年的修煉。

 

MPTP是最早被應(yīng)用于建立PD模型的化學(xué)毒性物質(zhì)，但有意思的是MPTP對(duì)靈長類和（NHP）小鼠具有很強(qiáng)的毒性，但是對(duì)大鼠的毒力卻不是很強(qiáng)。無論是在NHP還是小鼠實(shí)驗(yàn)中，MPTP都能造成嚴(yán)重的黑質(zhì)神經(jīng)元丟失和紋狀體多巴胺減少，上述損傷是對(duì)PD這部分病理表型非常好的模擬。

 

另一種化學(xué)物質(zhì)就是6-OHDA了，比起MPTP，這玩意兒能用來構(gòu)建大鼠PD模型，但6-OHDA不能通過血腦屏障，因此大多數(shù)情況下需要直接向腦里進(jìn)行注射。和MPTP一樣，α-synuclein還沒來得及聚集多巴胺神經(jīng)元就掛了。

 

長時(shí)間使用rotenone可以使大鼠黑質(zhì)紋狀體多巴胺減少，還能產(chǎn)生多項(xiàng)類似人類PD中的癥狀，長時(shí)間使用rotenone還能誘使神經(jīng)元產(chǎn)生有成為路易小體潛質(zhì)的初始α突觸核蛋白聚合物。但也有一些研究表示rotenone先前優(yōu)秀的造模效果無法重復(fù)。

 

下面一個(gè)出場的就是著名的除草藥物——百草枯了，作為曾經(jīng)大范圍應(yīng)用的農(nóng)藥，現(xiàn)在已經(jīng)因?yàn)闀?huì)誘導(dǎo)帕金森而提早退休，但是仍然活躍在科研舞臺(tái)。

 

此外，還有METH（methamphetamine）和MDMA（methylenedioxymethamphetamine）也是用于PD化學(xué)建模的物質(zhì)，應(yīng)用也比較廣泛。

 

圖3. 化學(xué)誘導(dǎo)PD模型[6]

 

PD相關(guān)基因編輯模型

人類家族性或者散發(fā)性PD相關(guān)基因的基因編輯動(dòng)物是另一類值得研究的模型。人們最先想到的是α突觸核蛋白轉(zhuǎn)基因小鼠，所以對(duì)應(yīng)基因也被叫做Park1（帕金森相關(guān)基因No.1）。家族性PD的Park1三個(gè)突變（A30P, A53T和E46K）和該基因的拷貝數(shù)異常增加（兩倍或三倍）都是PD的罪魁禍?zhǔn)�，針�?duì)上述PD病因制作的轉(zhuǎn)基因小鼠已經(jīng)大量應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)，一些表達(dá)人類突變α-synuclein的小鼠紋狀體中多巴胺明顯減少，有的品系有類似路易小體前體的包涵體出現(xiàn)，而且還出現(xiàn)了PD癥狀。不過美中不足的是，幾乎所有針對(duì)α突觸核蛋白的小鼠并沒有發(fā)生明顯的黑質(zhì)神經(jīng)元死亡。之所以沒有把話說死，是因?yàn)橛醒芯堪l(fā)現(xiàn)如果用Pitx3啟動(dòng)子轉(zhuǎn)入α-synuclein，會(huì)發(fā)生多巴胺神經(jīng)元漸進(jìn)性死亡，但這個(gè)結(jié)果還需要更多的重復(fù)進(jìn)行驗(yàn)證。此外，如果用病毒將突變的α突觸核蛋白基因包裝好，注射大鼠或者小鼠的腦中進(jìn)行過表達(dá)，也可以造成PD的病理表型。

 

前文中已經(jīng)提到的自噬相關(guān)LRRK2是晚發(fā)性PD相關(guān)基因，但是目前單獨(dú)對(duì)這個(gè)基因進(jìn)行操作的動(dòng)物模型很難得到PD的明顯表型。雖然LRRK2敲除小鼠不會(huì)產(chǎn)生路易小體，但在一定程度上造成α-synuclein的聚集，有部分品系還能出現(xiàn)運(yùn)動(dòng)障礙。遺憾的是，這些模型小鼠能產(chǎn)生路易小體的前體聚合物的沒能出現(xiàn)運(yùn)動(dòng)障礙，而具有運(yùn)動(dòng)障礙的又沒有路易小體前體產(chǎn)生。但該小鼠仍然在PD信號(hào)通路的研究中發(fā)揮了重要作用。

 

PINK1是另一個(gè)晚發(fā)AD相關(guān)基因，但如果在PINK1敲除小鼠的SNc中過表達(dá)突觸核蛋白，就會(huì)造成該區(qū)域的多巴胺神經(jīng)元大量死亡。另一方面如果直接將PINK1基因直接敲除，會(huì)造成紋狀體的多巴胺減少，但不會(huì)造成多巴胺神經(jīng)元死亡。E3連接酶PARKIN在小鼠中敲除后，除了部分小鼠有略微的多巴胺表達(dá)下降外，沒有任何改變。不過最近又有一些不同的聲音，經(jīng)過一些稍微不同的基因編輯方法，有的模型動(dòng)物的表型出現(xiàn)了一些改進(jìn)。

 

DJ-1與早發(fā)型PD相關(guān)，但大部分經(jīng)過改造的小鼠無法重現(xiàn)人類中的PD表型，不過在一種C57為背景的DJ-1敲除小鼠中，對(duì)它的描述是有明顯的早發(fā)SNc區(qū)多巴胺神經(jīng)元丟失，這種改變會(huì)隨著年齡的增加而加劇，并會(huì)出現(xiàn)輕微的運(yùn)動(dòng)缺陷。如果小鼠的表型能夠重復(fù)，這個(gè)品系也不失為PD研究中值得推廣的模型。ATP13A2則是溶酶體相關(guān)的ATP酶，目前針對(duì)該基因的研究較少，但也是PD研究的潛力股。

 

雖然PD遺傳風(fēng)險(xiǎn)相關(guān)的基因編輯小鼠整體的PD癥狀較輕，但人類PD的發(fā)病前相當(dāng)長的一段時(shí)間內(nèi)也是沒有表性的，因此這類模型更像是對(duì)PD臨床診斷前病患的模擬。因此，這些動(dòng)物模型對(duì)我們的藥物臨床前研究依舊有著重要的意義。至于為什么這些基因編輯動(dòng)物癥狀較輕，個(gè)人想法是小鼠因?yàn)閴勖�太短，沒有充足的時(shí)間積累各種病理改變，因而無法產(chǎn)生人類中較嚴(yán)重的PD癥狀。

 

圖4 . PD相關(guān)基因編輯模型[6]

 

總之，目前PD這個(gè)案件雖然已經(jīng)抓到了不少“犯罪嫌疑人”，但由于缺少?zèng)Q定性的證據(jù)，至今仍然沒有定案。目前PD動(dòng)物模型中沒有一款能百分之百完全模擬PD病癥，但它們各有特點(diǎn)，對(duì)于推進(jìn)PD的治療和研究至關(guān)重要�；瘜W(xué)毒性模型有最明顯的多巴胺神經(jīng)元凋亡，但非“自然”因素過強(qiáng)，毒性過大，路易小體產(chǎn)生困難；PD相關(guān)基因編輯小鼠內(nèi)在與人的PD最為接近，也為我們提供了很多基因相互作用的信息，但由于物種的差異造成病理表型和行為表型不明顯，而且不同的基因編輯方式和不同的檢測方法也讓實(shí)驗(yàn)結(jié)果常常不一致。

 

好了，關(guān)于PD的介紹就到這里，下一次給大家介紹由于霍金和冰桶挑戰(zhàn)而家喻戶曉的罕見病——漸凍癥（ALS）！

 

往期回顧

1. 賽業(yè)神經(jīng)科學(xué)云課堂第一期：無藥可救的神經(jīng)退行性疾病

2. 賽業(yè)神經(jīng)科學(xué)云課堂第二期：帶你了解發(fā)病率第二的神經(jīng)退行性疾病——帕金森綜合征