線粒體功能障礙與幾乎所有神經系統疾病的發病機制有關，包括阿爾茨海默病（AD）等。之前該方面研究的一個主要焦點是線粒體動力學與β澱粉樣蛋白(Aβ) 毒性之間的聯繫。最近的證據表明，線粒體鈣穩態的失調也與Tau蛋白和其他危險因素有關。該綜述回顧了AD患者線粒體失調、線粒體鈣轉導有關的的最新文獻，收集了各類人類組織的數據，討論了線粒體鈣轉運蛋白作為抗AD神經保護藥物候選治療方案的可能性。
1、線粒體鈣離子穩態與神經退行性變
鈣離子是一種受嚴格調控的第二信使，對神經元的正常功能至關重要。通過與蛋白質結合，鈣離子調節能量產生、神經元死亡等生理過程，並在學習和記憶中發揮重要作用。線粒體是細胞內重要的細胞器，以ATP的形式為細胞提供大部分能量。神經元的糖酵解能力有限，依賴於軟骨前體ATP的產生來維持離子梯度，並產生軸突和突觸的膜電位。線粒體除了提供能量外，還參與細胞內鈣離子信號的時空調節。線粒體鈣離子處理異常已在許多神經退行性疾病中觀察到，包括AD、帕金森病和亨廷頓病。幾十年來的研究證據表明AD神經元中存在鈣離子穩態失調和線粒體功能障礙。
2.AD中的鈣離子穩態
鈣離子的持續高濃度增加，尤其是線粒體中的鈣離子增加會導致自由基和ROS的產生，因此有理由認為，鈣離子穩態的紊亂導致了AD神經元的氧化應激增強、自由基形成和神經元退化過程，甚至可以假設細胞內鈣離子的改變可能是AD中神經元損傷和功能障礙的根源。然而，AD的病理學基礎是線粒體功能障礙，還是Aβ和病理性Tau積累的結果，這仍然是一個備受爭議的話題。
3.AD患者線粒體鈣離子穩態受損的發現
線粒體鈣離子穩態的改變對細胞的正常功能和存活是不利的。AD患者大腦的特點是ATP水平降低，ROS生成增加，線粒體功能受損。AD中線粒體鈣離子不穩定的主要發現如下所示。
圖1:線粒體鈣不穩定性的主要發現
（1）Aβ積累可引起線粒體鈣離子失衡
APP和Aβ通過外線粒體膜（TOM）40的轉位酶和線粒體內膜（TIM）23重要通道的轉位酶積累在線粒體基質中，在那裡它們與特定的線粒體內蛋白質相互作用，降低呼吸鏈複合體的活性，導致線粒體功能障礙。Aβ本身的存在會損害線粒體鈣離子穩態。線粒體鈣離子的增加激活了線粒體轉換通道（mPTP）通透性、細胞色素釋放和細胞凋亡。
作者團隊最近的一項研究發現線粒體鈣離子的高水平與其到Aβ斑塊的距離沒有相關性，與以前的研究形成了鮮明的對比。作者認為，儘管為了觀察胞漿中鈣離子濃度的增加，神經元可能需要更靠近Aβ斑塊，但是線粒體可以在任何地方感受和緩衝高濃度的鈣離子。此外，線粒體是可移動的，並會進行線粒體自噬，受影響的神經突起可能會被輕微修剪，稀釋斑塊的局部效應。有趣的是，只有在線粒體鈣超載積聚在胞體時神經元才會死亡，積聚在神經突起時則不會。作者認為，線粒體鈣離子超載在神經元胞體中是一種「全有或全無」現象，而不是單個線粒體中的孤立事件。在隨後死亡的神經元中，caspase激活與神經元胞體中的氧化應激同時發生，但在Aβ斑塊周圍的神經軸突中沒有發現。
Aβ介導的線粒體鈣離子超載的另一個機制是通過降低線粒體鈣離子外流的主要途徑鈉-鈣-鋰離子交換器（NCLX）的水平來影響鈣離子濃度。
（2）病理性Tau蛋白引起線粒體鈣離子穩態失衡
在體外，Tau被發現定位於線粒體外膜（OMM）和線粒體內腔，並與線粒體轉運體和複合體相互作用。為了滿足特定的亞細胞需求，線粒體在神經元內運輸，在軸突內長距離移動。線粒體轉運受鈣離子和一些線粒體胞質蛋白（Tau和一些激酶）的調節。局部高濃度的鈣離子阻止了線粒體的轉運，將其保留在高能量需求的部位或鈣離子緩衝所需要的地方。過度表達Tau的細胞和暴露於胞外Tau聚集體的細胞中線粒體鈣離子緩衝和細胞內鈣離子穩態都遭到了破壞。
雖然Aβ和Tau相互作用的潛在機制尚未闡明，但Aβ和Tau可能在損害線粒體功能中起協同作用。Tau是Aβ對神經元和線粒體產生負作用所必需的蛋白。與野生型小鼠相比，Tau基因敲除（KO）小鼠中缺乏Tau蛋白可能會挽救Aβ產生的神經毒性和認知障礙，這提示Tau在Aβ誘導的神經退行性變的機制中起關鍵作用。
值得注意的是，根據AD腦組織RNA測序和基因晶片分析，參與線粒體鈣離子轉運的許多基因的表達都發生了改變，尤其是編碼線粒體鈣離子內流（線粒體鈣離子轉運體複合物）的蛋白的大多數基因都下調了，而編碼NCLX（線粒體鈣離子外排）的基因上調。這些數據都顯示了人類AD樣本中與線粒體鈣離子穩態有關的基因發生了顯著的變化（圖2）
圖2: 在人腦中發生了改變的線粒體鈣離子轉運蛋白編碼基因的表達情況
（3）AD風險因子影響線粒體鈣離子平衡
載脂蛋白E4（ApoE4）是一種參與血漿膽固醇調節的脂質轉運蛋白，是散發性AD最常見的遺傳風險因素。表達APOE4的神經元顯示NAD+/NADH比率降低，ROS增加，線粒體鈣離子水平升高。
鈣穩態調節劑1（CALHM1）是一種鈣離子通道蛋白，參與調節細胞內鈣離子和Aβ水平。TREM2是一種免疫調節受體，對髓樣細胞的激活和存活至關重要。一種TREM2的變異已經被發現會增加患AD和其他神經退行性疾病的風險；對攜帶TREM2變異的患者誘導多能幹細胞（iPSC）形成的小膠質細胞的研究表明，影響TREM2功能的變異的表達會損害線粒體功能。
4.線粒體相關的內質網膜（MAMs）與AD的MAM假說
線粒體鈣離子轉運體（MCU）需要消耗線粒體內膜產生的線粒體膜電位（ΔΨM）才能將鈣離子從胞漿輸送到線粒體基質中。然而，它對鈣離子的親和力很低，這意味著在生理條件下，細胞內鈣離子濃度應為5-10μM才能打開MCU。健康細胞的胞漿中從未達到這些值，因此長期以來人們認為線粒體鈣離子轉運體只會在細胞鈣離子超載的情況下才會轉運鈣離子。
OMM和內質網（ER）建立聯繫點，稱為MAMs。MAMs位於細胞內，是動態的脂筏，富含膽固醇和鞘磷脂，以及與鈣離子運載相關的蛋白。MAM調控與AD相關的關鍵的細胞事件，如脂質合成和轉運、鈣離子從ER到線粒體的轉運以及一些代謝途徑（如葡萄糖代謝）。在正常情況下，線粒體直接攝取從內質網釋放的鈣離子，鈣離子從近到遠在線粒體中擴散，避免了線粒體鈣離子超載。反過來，內質網控制線粒體能量平衡。一些研究已經調查了MAM依賴性線粒體功能障礙在AD期間細胞應激，MAMs通過改變其調節蛋白和功能導致線粒體功能障礙。
值得注意的是， C99是APP的C端片段，在γ-分泌酶的作用下產生Aβ42，也存在於MAMs中。因此，有人提出線粒體功能障礙位於MAMs中C99積累的下遊，提示線粒體功能失調在AD中的早期作用，這一機制被稱為AD的MAM假說。
5.線粒體鈣離子對AD治療的潛能
鑑於線粒體鈣離子失調可通過凋亡/壞死引發神經退行性變，因此確定維持鈣離子平衡和線粒體功能的靶點對於開發疾病修飾藥物至關重要。然而，以保護線粒體功能和線粒體鈣離子穩態為目的的化合物和小分子神經保護策略的研究還不成熟。迄今為止，MCU複合體成為研究熱點。MCU抑制劑Ru360的抑制作用可能會在自然分泌的Aβ寡聚體刺激後阻止小鼠線粒體鈣離子的攝取，這一證據表明MCU是AD的潛在治療靶點。
6.結論與未來展望
在AD中，線粒體功能障礙與Aβ和病理性Tau聚積在生理和時間上都有聯繫，它們相互獨立、協同作用於細胞器。近年來AD的成像技術和模型的進展為更好地理解與這兩種蛋白質相關的線粒體鈣離子穩態失衡提供了新的途徑。來自人類AD屍檢腦組織的RNA-seq數據表明，與對照組相比，線粒體中參與鈣離子轉運的蛋白質編碼基因發生了變化，提示人類AD腦線粒體鈣離子水平的變化。然而，一些迫切問題需要解決，才能闡明線粒體鈣離子在AD中的作用。如：（1）在AD中，線粒體鈣離子升高是否與澱粉樣斑塊形成同時發生？它是在神經原纖維纏結積聚之前還是之後發生的？（2）內質網-線粒體鈣離子轉運的生理作用是什麼？如何防止其在AD中的破壞？（3）AD中，線粒體鈣離子和線粒體功能紊亂是否還損害了大腦中其他類型的細胞（如星形膠質細胞、小膠質細胞）？治療方法能針對不同的細胞類型來單獨恢復線粒體鈣離子平衡嗎？
最新的研究指出MCU是AD和其他與線粒體鈣離子相關的神經退行性疾病的候選治療靶點。未來的工作將集中在這些發現的臨床相關性上，總之在作者看來，結合清除Aβ和Tau沉積以及調節線粒體功能/能量代謝的策略，將會成為AD治療的有效手段。
參考文獻：
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
編譯作者：原代美少女 (Brainnews創作團隊)
校審：小言、Simon (Brainnews編輯部)