全球帕金森病（Parkinson's disease，PD）患者增长速度快，致残率和死亡率高，75岁以上人群患病率2.17%，但实际数字可能更高。PD是一种因多巴胺能神经元的进行性丢失而导致动作迟缓、震颤、僵硬和不平衡等运动障碍的神经退行性疾病。PD的病理特征主要有α-突触核蛋白（α-synuclein，由SNCA基因编码）的聚集和中脑-纹状体系统的氧化损伤。但是，这两大特征，到底谁是因？谁又是果？还是互为因果？此外，携带突变基因如SNCAA53T的确大大增加了罹患PD的风险。但是全身表达突变的α-synuclein为什么首先造成中脑-纹状体系统出现氧化损伤？中脑黑质区的多巴胺能神经元比其他脑区神经元更为易感的内在机制是什么？以上科学问题一直吸引着科学家们的广泛兴趣。2023年5月15日，暨南大学何蓉蓉教授团队在Journal of Clinical Investigation（JCI）杂志上发表了一篇题为“Midbrain dopamine oxidation links ubiquitination of glutathione peroxidase 4 to ferroptosis of dopaminergic neurons”的文章，博士后孙洁为第一作者，博士生林晓敏和硕士毕业生卢单华为共同第一作者，暨南大学中医学院何蓉蓉教授和段文君研究员为主通讯作者，粤港澳中枢神经再生研究院张力研究员和华侨医院焦根龙主任为合作通讯作者。（拓展阅读：何蓉蓉课题组往期进展，详见“逻辑神经科学”报道（点击阅读）：PHR︱暨南大学何蓉蓉团队报道黄皮酰胺抑制PKCα-ALOX5轴缓解多巴胺能神经元的脂质过氧化损伤）
这项研究从PD模型（hSNCAA53T转基因小鼠）中脑区脂质过氧化明显高于比其他脑区这一现象出发，试图解释PD易感性这一科学问题。该研究发现了一种多巴胺能神经元对氧化损伤易感的新机制：中脑黑质SNc中高铁环境诱导的多巴胺DA自氧化生成醌类产物DAQ，后者可修饰谷胱甘肽过氧化物酶 4（GPX4），导致其丧失清除脂质过氧化的酶活性，进而经泛素-蛋白酶体途径降解。同时，该研究发现，易低聚化的突变型α-synuclein可明显增加介导GPX4降解的E3泛素连接酶NEDD4的表达，造成恶性循环，致使大量脂质过氧化产物的堆积，并导致细胞膜磷脂的氧化形成磷脂过氧化产物oxPLs，后者是引发多巴胺能神经元发生铁死亡（ferroptosis）的关键marker分子。据此，该项研究提出，α-synuclein低聚物与多巴胺能神经元富含的DA的“狼狈为奸”（act in collusion），导致多巴胺能神经元发生铁和oxPLs依赖的铁死亡式进行性丢失，最终引发PD的发生和进展。该研究从多巴胺能神经元独有的生理特征出发，解释了PD疾病易感机制；并采用了靶点模型，深入阐释了铁离子和oxPLs依赖的铁死亡机制与多巴胺能神经元氧化损伤的内在联系。图1. 该研究展示了一种多巴胺能神经元丢失的新机制：铁诱导的DA氧化通过修饰GPX4使其失活和降解，从而导致脂质过氧化的大量推挤，最终引发铁死亡。该研究提出了解释SNc多巴胺能神经元进行性丢失和PD疾病易感性的新见解。自由基造成的氧化损伤与多巴胺能神经元退行性病变直接相关，也是PD众多发病机制的核心。以往有关氧化应激的研究多聚焦在非酶促反应产生的活性氧自由基ROS和活性氮自由基RNS。但是，临床试验表明，GSH、维生素E、辅酶Q10等自由基清除剂并不能改善PD症状或延缓神经退行[1,2]。近些年，学者们逐渐发现由酶促反应产生的脂类自由基才是氧化应激的大boss。多不饱和脂肪酸PUFA的双烯丙基的氢很容易被•OH自由基夺取，产生以碳为中心的脂类自由基[3]。PUFA还能掺入磷脂双分子层形成PUFA磷脂。当氧化磷脂产物oxPLs超过阈值，可引发一种依赖于铁和oxPLs的特殊的细胞死亡方式，即铁死亡，具有区别于凋亡、自噬等经典死亡方式的典型特征[4]。暨南大学何蓉蓉教授团队长期聚焦脂质过氧化与“疾病易感性”的研究，并致力构建“疾病易感态”特殊靶标群的药物评价体系。该团队前期发现oxPLs堆积是导致PD的重要病理因素，并且发现磷脂重塑酶类iPLA2β等新型潜在治疗靶标[5]。研究人员的研究发现，过氧化脂质，如4HNE和MDA的堆积，与α-synuclein直接相关，α-synuclein的表达可呈时间依赖性增加4HNE的堆积。利用与匹兹堡大学的Kagan教授合作开发的基于LC-MS/MS的氧化磷脂组学，研究人员发现α-synuclein过表达的PD模型小鼠中脑的磷脂的特征明显区别于WT小鼠，火山图分析发现磷脂过氧化产物显著增多。氧化脂质清除剂Fer-1能明显缓解应激加剧的爬杆和转棒等PD行为损伤（图2）。以上结果提示磷脂过氧化参与了PD的发生与发展。那么，导致多巴胺能神经元的磷脂过氧化的分子机制是什么呢？谷胱甘肽过氧化物酶GPX4，是目前已知唯一能直接清除细胞膜上过氧化磷脂的酶，在抗脂质自由基链式反应中起关键作用。研究人员发现，经典PD模型小鼠的GPX4减少及脂质过氧化堆积，最早出现在中脑，而非皮层或者海马（图3）。而SNc-脑定位过表达Gpx4-AAV，能明显缓解α-synuclein导致的PD样行为学和病理学损伤。中脑SNc的GPX4的减少是PD发病的关键因素，也引发新的问题：为什么GPX4的减少最早出现在中脑？图3. 中脑区磷脂过氧化终止酶GPX4表达特异性降低众所周知，位于SNc的多巴胺能神经元最典型的特征，是富含神经递质多巴胺（dopamine，DA）。DA具有相对较低的氧化电位，研究显示，在铁离子的作用下，DA可氧化生成醌类DAQ，可修饰蛋白质半胱氨酸Cys残基[6]。该研究发现，铁螯合剂DFP和半胱氨酸供体GSH均能有效缓解DAQ的细胞毒性。研究人员进一步采用pull down、蛋白组学和位点分析等方法，发现DAQ的细胞毒性可能与其直接结合GPX4蛋白有关（图4）。DAQ与GPX4的相互作用，能显著缩短GPX4蛋白的半衰期，并且研究人员发现DAQ诱导的GPX4降解主要是泛素-蛋白酶体途径。蛋白质组学分析发现，E3泛素连接酶NEDD4介导了被DAQ修饰的GPX4的降解。被DAQ修饰的GPX4，其还原过氧化PE的酶活性明显降低，这可能是其被降解的主要原因（图5）。图5. DAQ修饰的GPX4通过泛素蛋白酶体途径降解随后，研究人员分别用SNCAA53T和Gpx4+/flox小鼠获取了双转基因型，采用中脑SNc定位靶向敲低多巴胺能神经元的Gpx4（A53T/Gpx4 CKD），发现Gpx4的特异性敲低明显加速转棒和爬杆等PD样行为学障碍的出现，该模型比经典的A53T模型发病更快，发病率更高（图6）。以上数据进一步证明，SNc中的GPX4减少是PD易感的关键原因，也是PD发生发展的重要机制。图6. SNc中的GPX4减少是PD易感的关键原因
文章结论与讨论，启发与展望综上所述，这项研究揭示了PD发生发展中，中脑SNc多巴胺能神经元丢失的新机制：铁诱导的DA氧化生成DAQ，修饰GPX4，从而使其经NEDD4介导的泛素-蛋白酶途径降解，最终导致多巴胺能神经元发生退行性病变。该研究回答了为什么PD模型的中脑区脂质过氧化损伤显著高于比其他脑区这一科学问题，并阐明了α-synuclein低聚物是如何促进多巴胺能神经元发生脂质过氧化损伤的机制，为深入理解PD的发病机制提供了重要的科学基础，有助于发展新的治疗方法，以减缓或预防PD的进展。
原文链接：https://doi.org/10.1172/JCI165228
孙洁 博士（照片提供自何蓉蓉团队）
第一作者简介：孙洁 博士 2022年毕业于暨南大学药学院中药药理学专业，获医学博士学位。2022-至今在暨南大学临床医学博士后科研流动站从事博士后研究工作。主要从事中药及天然产物抗帕金森病的作用和机制，解析帕金森病致病因素和可干预靶标，寻找靶向治疗帕金森病的活性物质，开发中西医结合治疗帕金森病的用药策略。参与国家自然科学基金及省部级项目多项，在Journal of Clinical Investigation、Oxidative Medicine and Cellular Longevity、Acta Materia Medica、《药物分析》、《中药材》等期刊发表学术论文10余篇。
主研究团队简介：暨南大学广东省疾病易感性及中医药研发工程技术研究中心由中华人民共和国国际合作奖获得者日籍栗原博（Kurihara Hiroshi）教授始建。目前，何蓉蓉教授为主要学术带头人，李怡芳、段文君、孙万阳、梁磊、吴燕萍、欧阳淑桦等为研究骨干。该团队主要从事中医情志致病的生物医学基础研究，以“疾病易感性”为理论研究的切入点，重点研究情志应激引起神经-内分泌-免疫网络的氧化应激损伤的病理机制，致力于创新性建立“疾病易感性”的中医药评价体系。
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