CHCHD2突变小鼠将线粒体缺陷与帕金森病（PD）的病理生理机制联系起来

《SCIENCE ADVANCES》：CHCHD2 mutant mice link mitochondrial deficits to PD pathophysiology

CHCHD2 T61I突变小鼠模型显示线粒体功能障碍与α-突触核蛋白聚集相关，导致糖酵解代谢增强和氧化应激，揭示线粒体-α-突触核蛋白互作在帕金森病中的致病机制。

　　本研究围绕线粒体功能障碍在帕金森病（PD）中的作用展开，探讨了线粒体蛋白CHCHD2中T61I突变如何导致遗传性PD，并揭示其与散发性PD的潜在关联。研究通过构建携带T61I突变的CHCHD2基因敲入小鼠模型，结合行为学测试、电生理分析、免疫组织化学染色、代谢组学分析以及蛋白质互作研究等方法，全面分析了该突变对神经功能、线粒体结构和代谢过程的影响。研究发现，CHCHD2 T61I突变小鼠表现出明显的线粒体结构破坏，包括形态异常和蛋白质聚集，以及线粒体蛋白-蛋白互作的紊乱。这些异常与全身代谢向糖酵解和磷酸戊糖途径（PPP）的转变、线粒体活性氧（ROS）水平升高和α-突触核蛋白（α-synuclein）的逐渐聚集有关。同时，研究还发现，CHCHD2在散发性PD患者中也表现出与α-synuclein水平相关的表达变化，尤其是在易感的黑质致密部（SNc）多巴胺能神经元中。这些结果表明，CHCHD2的异常可能通过多种机制促进神经退行性病变，包括线粒体功能障碍和ROS的积累，进而导致α-synuclein的异常聚集。

### 线粒体功能障碍与帕金森病的关系

线粒体功能障碍长期以来被认为是帕金森病发病机制中的关键因素。在散发性PD中，研究发现多巴胺能神经元的呼吸链活动普遍下降，尤其是线粒体复合物I的活性。此外，年龄也是PD的最大风险因素，且PD患者的黑质致密部多巴胺能神经元中线粒体DNA突变的积累速度显著高于正常衰老的神经元。此外，神经毒素如罗丹明（rotenone）和1-甲基-4-苯基-1,2,3,6-四氢吡啶（MPTP）会引发线粒体复合物I功能障碍，进而导致帕金森样症状。然而，尽管有这些神经病理学和神经毒素相关数据，它们并不能直接证明线粒体功能障碍是PD的致病原因。因此，研究需要通过基因突变模型来验证线粒体功能障碍是否能够导致PD。

### CHCHD2 T61I突变与帕金森病的关联

CHCHD2是一种线粒体膜间隙蛋白，其T61I突变已被证明会导致一种与散发性PD极为相似的常染色体显性PD。在T61I突变的小鼠模型中，研究人员观察到黑质致密部多巴胺能神经元中线粒体结构的显著破坏，包括形态异常和CHCHD2蛋白的聚集。此外，线粒体蛋白-蛋白互作的紊乱在脑组织裂解物中被检测到。这些异常与全身代谢向糖酵解的转变、线粒体ROS水平升高以及α-synuclein的逐渐聚集相关。在散发性PD中，CHCHD2基因表达也与α-synuclein水平相关，且CHCHD2蛋白在早期路易体（Lewy bodies）中被发现聚集。这些结果表明，CHCHD2的积累可能通过多种机制导致线粒体功能障碍和神经退行性病变，从而在CHCHD2突变引起的PD和散发性PD之间建立了一种潜在的致病联系。

### CHCHD2 T61I突变小鼠的行为学和神经功能变化

CHCHD2 T61I突变小鼠在出生时具有正常的孟德尔比例，并且在13个月龄内表现出与野生型（WT）小鼠相似的体重和生存率。行为学测试显示，T61I突变小鼠在开放场测试中表现出正常的总运动能力，但在倒置网格悬挂测试中，雄性T61I纯合小鼠的跌落延迟显著减少，表明其存在轻微的运动功能障碍。在加速转轮测试中，T61I突变小鼠的跌落延迟未发生显著变化。在高架迷宫测试中，雌性T61I纯合小鼠在开放臂中花费的时间显著减少，表明其存在焦虑样行为。这些结果表明，T61I突变可能在特定的神经功能或行为条件下导致轻微的运动障碍和焦虑行为，但没有显示出随着年龄增长而逐渐恶化的迹象。

### 线粒体蛋白-蛋白互作的改变

为了系统研究CHCHD2突变对蛋白互作的影响，研究人员使用了共分离结合质谱（CF-MS）技术分析了15个月龄的CHCHD2 T61I杂合、纯合以及敲除小鼠的脑组织。通过使用尺寸排阻高效液相色谱（SEC-HPLC）和串联质谱（LC-MS/MS）分析，研究人员发现CHCHD2 T61I突变显著改变了线粒体蛋白互作的模式。其中，T61I突变小鼠的线粒体蛋白互作在呼吸链蛋白中表现出广泛的紊乱。此外，研究还发现T61I突变小鼠的线粒体蛋白互作在糖酵解和磷酸戊糖途径中显著增加，而在三羧酸循环（TCA）中则相对减少。这些结果表明，CHCHD2 T61I突变可能通过改变线粒体蛋白互作模式，导致代谢途径的紊乱，进而引发神经退行性病变。

### 线粒体代谢的变化

研究还发现，CHCHD2 T61I突变小鼠的线粒体代谢发生显著变化，包括全身代谢向糖酵解的转变。通过代谢组学分析，研究人员发现T61I突变小鼠的线粒体中多种糖酵解代谢物的积累增加，这可能表明其代谢途径的紊乱。此外，研究还发现T61I突变小鼠的呼吸交换比（RER）在黑暗阶段显著升高，这可能表明其能量代谢方式发生了改变。这些结果支持CHCHD2突变导致线粒体功能障碍，从而引发代谢紊乱的假设。

### α-synuclein的聚集与CHCHD2突变的关系

研究进一步探讨了CHCHD2 T61I突变与α-synuclein聚集之间的关系。在T61I突变小鼠中，研究人员发现α-synuclein的总水平和磷酸化水平（pS129）在黑质致密部多巴胺能神经元和纹状体中均显著增加。此外，α-synuclein的聚集不仅局限于多巴胺能神经元，还可能影响到其他神经元类型，如纹状体中的神经元。这些结果表明，CHCHD2突变可能通过促进α-synuclein的聚集，导致神经退行性病变，这与散发性PD的特征相符。

### CHCHD2突变与神经元选择性易损的机制

研究还探讨了CHCHD2突变是否导致多巴胺能神经元的选择性易损。通过比较T61I突变小鼠和散发性PD患者的CHCHD2表达水平，研究人员发现CHCHD2在易损的黑质致密部多巴胺能神经元中表达水平较高，而在相对抗性的背侧黑质多巴胺能神经元中表达水平较低。这一发现支持CHCHD2可能在多巴胺能神经元的选择性易损中起关键作用的假设。此外，研究还发现，CHCHD2突变小鼠的α-synuclein聚集不仅局限于线粒体，还可能扩展到细胞质，这可能与线粒体的异常和神经元的代谢紊乱有关。

### 线粒体ROS水平的升高

研究进一步探讨了CHCHD2突变是否导致线粒体ROS水平的升高。通过测量分离的脑线粒体中的H2O2水平，研究人员发现T61I突变小鼠的ROS水平在5到11个月龄期间逐渐升高。这一结果表明，CHCHD2突变可能通过促进ROS的产生，导致线粒体功能障碍和神经元损伤。此外，研究还发现T61I突变小鼠的线粒体ROS相关蛋白互作显著减少，这可能表明线粒体ROS调节网络受到破坏，进而导致神经元的氧化应激和损伤。

### 结论

综上所述，本研究通过构建CHCHD2 T61I突变小鼠模型，系统分析了该突变对线粒体功能、代谢途径和神经元健康的影响。研究发现，CHCHD2 T61I突变导致线粒体结构破坏、代谢紊乱和α-synuclein的聚集，进而引发神经退行性病变。此外，研究还发现CHCHD2在散发性PD患者的易损多巴胺能神经元中表达水平较高，支持CHCHD2可能在散发性PD的发病机制中起关键作用。这些结果为理解线粒体功能障碍如何导致帕金森病提供了新的视角，并为开发针对线粒体功能障碍的治疗策略提供了理论依据。