阿尔茨海默症中钙信号转导与神经细胞死亡
线粒体功能障碍与几乎所有神经系统疾病的发病机制有关，包括阿尔茨海默病（AD）等。之前该方面研究的一个主要焦点是线粒体动力学与β淀粉样蛋白(Aβ) 毒性之间的联系。最近的证据表明，线粒体钙稳态的失调也与Tau蛋白和其他危险因素有关。该综述回顾了AD患者线粒体失调、线粒体钙转导有关的的最新文献，收集了各类人类组织的数据，讨论了线粒体钙转运蛋白作为抗AD神经保护药物候选治疗方案的可能性。
1、线粒体钙离子稳态与神经退行性变
钙离子是一种受严格调控的第二信使，对神经元的正常功能至关重要。通过与蛋白质结合，钙离子调节能量产生、神经元死亡等生理过程，并在学习和记忆中发挥重要作用。线粒体是细胞内重要的细胞器，以ATP的形式为细胞提供大部分能量。神经元的糖酵解能力有限，依赖于软骨前体ATP的产生来维持离子梯度，并产生轴突和突触的膜电位。线粒体除了提供能量外，还参与细胞内钙离子信号的时空调节。线粒体钙离子处理异常已在许多神经退行性疾病中观察到，包括AD、帕金森病和亨廷顿病。几十年来的研究证据表明AD神经元中存在钙离子稳态失调和线粒体功能障碍。
2.AD中的钙离子稳态
钙离子的持续高浓度增加，尤其是线粒体中的钙离子增加会导致自由基和ROS的产生，因此有理由认为，钙离子稳态的紊乱导致了AD神经元的氧化应激增强、自由基形成和神经元退化过程，甚至可以假设细胞内钙离子的改变可能是AD中神经元损伤和功能障碍的根源。然而，AD的病理学基础是线粒体功能障碍，还是Aβ和病理性Tau积累的结果，这仍然是一个备受争议的话题。
3.AD患者线粒体钙离子稳态受损的发现
线粒体钙离子稳态的改变对细胞的正常功能和存活是不利的。AD患者大脑的特点是ATP水平降低，ROS生成增加，线粒体功能受损。AD中线粒体钙离子不稳定的主要发现如下所示。
图1:线粒体钙不稳定性的主要发现
（1）Aβ积累可引起线粒体钙离子失衡
APP和Aβ通过外线粒体膜（TOM）40的转位酶和线粒体内膜（TIM）23重要通道的转位酶积累在线粒体基质中，在那里它们与特定的线粒体内蛋白质相互作用，降低呼吸链复合体的活性，导致线粒体功能障碍。Aβ本身的存在会损害线粒体钙离子稳态。线粒体钙离子的增加激活了线粒体转换通道（mPTP）通透性、细胞色素释放和细胞凋亡。
作者团队最近的一项研究发现线粒体钙离子的高水平与其到Aβ斑块的距离没有相关性，与以前的研究形成了鲜明的对比。作者认为，尽管为了观察胞浆中钙离子浓度的增加，神经元可能需要更靠近Aβ斑块，但是线粒体可以在任何地方感受和缓冲高浓度的钙离子。此外，线粒体是可移动的，并会进行线粒体自噬，受影响的神经突起可能会被轻微修剪，稀释斑块的局部效应。有趣的是，只有在线粒体钙超载积聚在胞体时神经元才会死亡，积聚在神经突起时则不会。作者认为，线粒体钙离子超载在神经元胞体中是一种“全有或全无”现象，而不是单个线粒体中的孤立事件。在随后死亡的神经元中，caspase激活与神经元胞体中的氧化应激同时发生，但在Aβ斑块周围的神经轴突中没有发现。
Aβ介导的线粒体钙离子超载的另一个机制是通过降低线粒体钙离子外流的主要途径钠-钙-锂离子交换器（NCLX）的水平来影响钙离子浓度。
（2）病理性Tau蛋白引起线粒体钙离子稳态失衡
在体外，Tau被发现定位于线粒体外膜（OMM）和线粒体内腔，并与线粒体转运体和复合体相互作用。为了满足特定的亚细胞需求，线粒体在神经元内运输，在轴突内长距离移动。线粒体转运受钙离子和一些线粒体胞质蛋白（Tau和一些激酶）的调节。局部高浓度的钙离子阻止了线粒体的转运，将其保留在高能量需求的部位或钙离子缓冲所需要的地方。过度表达Tau的细胞和暴露于胞外Tau聚集体的细胞中线粒体钙离子缓冲和细胞内钙离子稳态都遭到了破坏。
虽然Aβ和Tau相互作用的潜在机制尚未阐明，但Aβ和Tau可能在损害线粒体功能中起协同作用。Tau是Aβ对神经元和线粒体产生负作用所必需的蛋白。与野生型小鼠相比，Tau基因敲除（KO）小鼠中缺乏Tau蛋白可能会挽救Aβ产生的神经毒性和认知障碍，这提示Tau在Aβ诱导的神经退行性变的机制中起关键作用。
值得注意的是，根据AD脑组织RNA测序和基因芯片分析，参与线粒体钙离子转运的许多基因的表达都发生了改变，尤其是编码线粒体钙离子内流（线粒体钙离子转运体复合物）的蛋白的大多数基因都下调了，而编码NCLX（线粒体钙离子外排）的基因上调。这些数据都显示了人类AD样本中与线粒体钙离子稳态有关的基因发生了显著的变化（图2）
图2: 在人脑中发生了改变的线粒体钙离子转运蛋白编码基因的表达情况
（3）AD风险因子影响线粒体钙离子平衡
载脂蛋白E4（ApoE4）是一种参与血浆胆固醇调节的脂质转运蛋白，是散发性AD最常见的遗传风险因素。表达APOE4的神经元显示NAD /NADH比率降低，ROS增加，线粒体钙离子水平升高。
钙稳态调节剂1（CALHM1）是一种钙离子通道蛋白，参与调节细胞内钙离子和Aβ水平。TREM2是一种免疫调节受体，对髓样细胞的激活和存活至关重要。一种TREM2的变异已经被发现会增加患AD和其他神经退行性疾病的风险；对携带TREM2变异的患者诱导多能干细胞（iPSC）形成的小胶质细胞的研究表明，影响TREM2功能的变异的表达会损害线粒体功能。
4.线粒体相关的内质网膜（MAMs）与AD的MAM假说
线粒体钙离子转运体（MCU）需要消耗线粒体内膜产生的线粒体膜电位（ΔΨM）才能将钙离子从胞浆输送到线粒体基质中。然而，它对钙离子的亲和力很低，这意味着在生理条件下，细胞内钙离子浓度应为5-10μM才能打开MCU。健康细胞的胞浆中从未达到这些值，因此长期以来人们认为线粒体钙离子转运体只会在细胞钙离子超载的情况下才会转运钙离子。
OMM和内质网（ER）建立联系点，称为MAMs。MAMs位于细胞内，是动态的脂筏，富含胆固醇和鞘磷脂，以及与钙离子运载相关的蛋白。MAM调控与AD相关的关键的细胞事件，如脂质合成和转运、钙离子从ER到线粒体的转运以及一些代谢途径（如葡萄糖代谢）。在正常情况下，线粒体直接摄取从内质网释放的钙离子，钙离子从近到远在线粒体中扩散，避免了线粒体钙离子超载。反过来，内质网控制线粒体能量平衡。一些研究已经调查了MAM依赖性线粒体功能障碍在AD期间细胞应激，MAMs通过改变其调节蛋白和功能导致线粒体功能障碍。
值得注意的是， C99是APP的C端片段，在γ-分泌酶的作用下产生Aβ42，也存在于MAMs中。因此，有人提出线粒体功能障碍位于MAMs中C99积累的下游，提示线粒体功能失调在AD中的早期作用，这一机制被称为AD的MAM假说。
5.线粒体钙离子对AD治疗的潜能
鉴于线粒体钙离子失调可通过凋亡/坏死引发神经退行性变，因此确定维持钙离子平衡和线粒体功能的靶点对于开发疾病修饰药物至关重要。然而，以保护线粒体功能和线粒体钙离子稳态为目的的化合物和小分子神经保护策略的研究还不成熟。迄今为止，MCU复合体成为研究热点。MCU抑制剂Ru360的抑制作用可能会在自然分泌的Aβ寡聚体刺激后阻止小鼠线粒体钙离子的摄取，这一证据表明MCU是AD的潜在治疗靶点。
6.结论与未来展望
在AD中，线粒体功能障碍与Aβ和病理性Tau聚积在生理和时间上都有联系，它们相互独立、协同作用于细胞器。近年来AD的成像技术和模型的进展为更好地理解与这两种蛋白质相关的线粒体钙离子稳态失衡提供了新的途径。来自人类AD尸检脑组织的RNA-seq数据表明，与对照组相比，线粒体中参与钙离子转运的蛋白质编码基因发生了变化，提示人类AD脑线粒体钙离子水平的变化。然而，一些迫切问题需要解决，才能阐明线粒体钙离子在AD中的作用。如：（1）在AD中，线粒体钙离子升高是否与淀粉样斑块形成同时发生？它是在神经原纤维缠结积聚之前还是之后发生的？（2）内质网-线粒体钙离子转运的生理作用是什么？如何防止其在AD中的破坏？（3）AD中，线粒体钙离子和线粒体功能紊乱是否还损害了大脑中其他类型的细胞（如星形胶质细胞、小胶质细胞）？治疗方法能针对不同的细胞类型来单独恢复线粒体钙离子平衡吗？
最新的研究指出MCU是AD和其他与线粒体钙离子相关的神经退行性疾病的候选治疗靶点。未来的工作将集中在这些发现的临床相关性上，总之在作者看来，结合清除Aβ和Tau沉积以及调节线粒体功能/能量代谢的策略，将会成为AD治疗的有效手段。
参考文献：
Calvo-Rodriguez M, Bacskai BJ. Mitochondria and Calcium in Alzheimer's Disease: From Cell Signaling to Neuronal Cell Death [published online ahead of print, 2020 Nov 4]. Trends Neurosci. 2020;S0166-2236(20)30224-1. doi:10.1016/j.tins.2020.10.004
编译作者：原代美少女 (Brainnews创作团队)
校审： 小言、Simon (Brainnews编辑部)