线粒体功能障碍与肌萎缩侧索硬化症
（一）线粒体在ALS中的作用
线粒体是产生ATP的最基本单位，它可维持钙离子稳态，参与钙离子信号传递，还能调节内在细胞凋亡。有研究显示，ALS患者存在运动神经元中的线粒体形态和功能异常，提示线粒体功能障碍可能与ALS的发病机制有关。早期的研究者在ALS患者脊髓标本中发现，运动神经元线粒体中柠檬酸合成减少，且氧化呼吸链复合体活性降低。异常线粒体并不是在ALS病程中产生的，而是参与了疾病发展，最直接的证据就是在未出现症状和病理变化的ALS转基因鼠的运动神经元中发现了异常线粒体。线粒体可以介导电子传递和氧化磷酸化，在电子传递过程中会形成超氧化物，说明线粒体有抗氧化的功能，对维持氧化与抗氧化平衡十分重要。在ALS案例中很早就发现有线粒体形态学宏观和微观的改变，如神经元中可有线粒体的聚集和增大，并且后来还发现有功能上的改变，如在SOD1突变小鼠的线粒体呼吸链复合体Ⅰ和Ⅳ活性均有下降。基于SOD1突变小鼠的研究也显示出了线粒体形态异常及电子传递链活性减弱，线粒体膜电位下降的状况。线粒体作为细胞内氧气消耗的主要场所，介导电子传递和氧化磷酸化的过程，电子传递过程中，除了电子最终结合氧分子产生水这一主要途径，还有部分会形成超氧化物，因而线粒体也有抗氧化的功能，对维持氧化/抗氧化平衡十分重要。有报道称：在一个运动神经元患者中观察到有细胞色素C氧化酶单位Ⅰ的缺失。在另外一个患者中则发现有线粒体tRNA的基因突变。除此以外，在sALS患者腰背的脊髓前角和近端轴突中可发现线粒体的大量聚集。目前有报道在突变SOD1转基因小鼠中可见异常的线粒体聚集。
（二）线粒体功能异常对机体的影响
大量研究表明，ALS中线粒体功能异常与蛋白异常沉积有关；这些异常沉积的蛋白既有SOD1、TARTDP、FUS等基因突变后的表达产物，也有其野生型发生错误修饰及折叠的产物；线粒体内异常沉积的蛋白可通过作用于线粒体膜而影响其功能，异常沉积蛋白与呼吸链复合体相互作用，影响其正常功能，也可作用于通道蛋白，进而干扰线粒体与胞质的物质交换，从而影响线粒体功能。内质网是膜蛋白和分泌蛋白翻译、折叠、转运的场所。大部分新生成的蛋白发生了错误折叠，尽管内质网伴侣（如BiP）通过内质网相关蛋白降解（ER-associated Protein Degradation，ERAD）途径帮助这些蛋白再折叠或清除它们，而这些错误折叠的蛋白更倾向于在内质网内聚集，从而引起内质网应激。有学者发现，发生错误折叠的SOD1异常沉积在线粒体中，可作用于线粒体膜的通道蛋白，影响线粒体与胞质间的离子和蛋白交换，进而影响线粒体功能。线粒体可缓冲兴奋性细胞内的钙离子潮，在运动神经元等易兴奋细胞中起着重要的缓冲一过性钙离子增多的作用。这就触发了未折叠蛋白反应（Unfolded Protein Response，UPR），一种减少错误折叠蛋白负荷的自我防御机制，包括内质网伴侣和ERAD相关基因的转录诱导、蛋白质翻译的瞬态抑制甚或诱导凋亡。在sALS患者和SODG93A鼠的脊髓中发现内质网应激和UPR的标志物升高。局限于线粒体的SOD1突变足以引起神经母细胞瘤细胞死亡，SOD1的高分子聚合能隔离抗凋亡蛋白Bcl-2并引起细胞凋亡。12种具有不同的歧化酶活性和聚集倾向的SOD1突变蛋白在线粒体中聚积水平远高于野生型SOD1，这就说明线粒体聚积是各种不同的SOD1突变体共同的毒性机制。在细胞和动物ALS模型中均发现有钙离子浓度的增加和线粒体的破坏。在出现临床症状前的G93A突变转基因小鼠大脑和脊髓中发现有线粒体承载钙离子能力的下降。另外，钙离子可激活产生反应性氧簇（ROS）的酶产生，从而使膜渗透性改变，进一步加剧钙离子的流入。研究显示，在21位fALS患者的基因筛查中，均发现CHCHD10基因的显著突变。CHCHD10是一种聚集在线粒体嵴的膜间隙内蛋白，对于维护线粒体嵴的结构以及线粒体DNA稳定有重要作用，因此，CHCHD10基因突变是影响ALS患者线粒体功能及结构变化的重要基因。细胞内增加的钙离子又可扩大Glu介导的毒性作用，同时又可进一步引起钙离子的细胞内流。线粒体功能异常会引起神经元细胞能量代谢障碍，造成神经元细胞受损甚至死亡，最终出现一系列病症。(https://www.daowen.com)
早期的研究认为，线粒体介导的凋亡参与了运动神经元的退变。但相关的研究并未取得实质性的成果。有研究表明，神经肌肉失神经改变远在凋亡蛋白激活前便已出现。在出现神经肌肉失神经表现后，在神经肌肉接头处运动神经元内出现线粒体畸形，而且，在轴突尚未从神经肌肉接头处撤离时，在运动神经元的突触末端聚集有大量的突变SOD1。已有研究显示，ALS患者运动神经元中线粒体的形态学异常，这说明线粒体功能障碍与ALS发病机制有关。突变的SOD1鼠和细胞模型也显示线粒体异常及电子传递链活性和线粒体膜电位的减少，从而影响了钙稳态，增加线粒体DNA损伤并改变线粒体蛋白质组，包括线粒体的抗氧化防御机制。在脊髓运动神经元中，突变的SOD1形成高分子聚合物并与内质网上的BiP相互作用，而在鼠的神经组织中，突变的SOD1被发现与ERAD蛋白Derlin-1相互作用，通过细胞凋亡刺激酶-1最终导致内质网应激介导的细胞死亡。因此，内质网应激的剧增可能是突变SOD1获得毒性功能的原因。内质网应激可能是氧化应激的来源，并且在持续内质网应激期间有所增加。线粒体是细胞内氧气消耗的主要场所，电子在线粒体呼吸链中传递，在线粒体内膜产生质子电化学梯度，最终转移到由水还原成的氧分子。线粒体的结构异常是在ALS患者尸体的肌肉神经和脊髓前角运动神经元中被发现。Sasaki等用电子显微镜观察到线粒体嵴及内膜存在结构异常。生理状态下，线粒体正常功能的维持有赖于其根据细胞生理需求对自身形态不断进行调节，一旦这一功能发生异常，就会影响细胞的正常功能甚至导致其退变死亡。由这些研究推断，线粒体的改变或许在失神经改变中起着重要的作用。目前转基因小鼠实验倾向于“死亡撤退”假说，即运动神经元的死亡是末端神经轴突破坏而导致的，而非细胞凋亡引起的。目前，有力的证据表明，在突变SOD1转基因小鼠疾病的早期阶段，尚未出现临床症状前，可见运动神经元脱离肌肉的失神经表现。转基因小鼠肌肉中过表达解偶联蛋白1，表现为与年龄相关的神经肌肉接头的退化、终端轴突的退化和逐渐出现的晚期神经元的病理改变。
ALS患者运动神经元线粒体功能的异常会导致合成的产物，如柠檬酸等明显减少，呼吸链复合体的活性显著降低。但这个呼吸链中的一部分电子被直接传递到氧分子，而不是旁边的电子受体，从而导致ROS产生。正常情况下，线粒体中1%～4%的氧分子经单电子还原形成超氧化物，致使线粒体成为细胞ROS重要的来源。线粒体特定的抗氧化机制确实存在，包括SOD1、SOD2（锰SOD）、谷胱甘肽过氧化物酶及过氧化物酶3，它们都能减少ROS的产生。然而，随着时间逐渐累积的氧化损伤可能是线粒体效能减少的原因，而线粒体DNA的高突变率被认为是衰老过程的作用。ALS患者中线粒体功能障碍会导致神经元细胞能量代谢异常、氧化/抗氧化的平衡打破，造成神经元细胞的损伤甚至死亡，进而引发一系列病症。这可能是由轴突运输系统受损引起的，在神经退行性病变中均发现有线粒体运输的损害，线粒体运输障碍会导致线粒体形态的改变，使线粒体在轴突和神经末梢的分布减少，减少ATP的产生，降低缓冲钙离子的能力。在二硫键形成期间（内质网折叠蛋白的一部分），电子从蛋白质底物的巯基传递到内质网氧化还原蛋白1（Endoplasmic Reticulum Oxireductin 1，ERO1）最后到氧分子，导致ROS的产生。在被ERO1催化的反应中，谷胱甘肽使不稳定的二硫键减少，因此消耗细胞内减少的谷胱甘肽和增加巯基数量都能使二硫键形成及随之而来的ROS增加。
线粒体的形态调节是其融合与分裂共同作用的结果，而在ALS模型鼠的运动神经元中却发现，参与线粒体分裂的蛋白因子增多，而参与其融合的蛋白因子减少，这一发现解释了在SOD1和TDP-43突变的两种转基因鼠运动神经元中出现的大量线粒体碎片的来源。运动神经元有异常高的代谢需求，因此对于随着时间而聚积的氧化应激更加敏感，相应的，ALS患者的皮质运动区和脊髓中的线粒体DNA突变的频率高于对照组。由此可知，ERO1能促进ROS水平升高并能清除减少的谷胱甘肽。激活UPR能使ERO1表达增加，因此持续的内质网应激和长时间的UPR激活可导致ROS的产生增加。在突变的SOD1转基因鼠的脊髓线粒体中发现有的SOD1突变出现在症状之前，这与增加的氧化损伤、减少的线粒体呼吸活性及线粒体肿胀和空泡形成有一定联系。研究表明，与ALS发病有关的线粒体异常包括形态改变、能量合成与运输障碍，以及受损细胞器清除和Ca2+缓冲等功能异常。而且还会引起线粒体动力学障碍。这个结果进一步支持神经肌肉接头末梢的病理改变会导致ALS中运动神经元的退行性病变。并且进一步提示线粒体在其中所起的重要作用。因此，维持轴突末梢一定数量的正常功能的线粒体或许可为ALS的治疗提供一丝希望。