提取帕金森氏病中的线粒体


Richard C and Yiying Z 发布于 2019 年 7 月 31 日 03:15:00

帕金森病 (PD) 是一种神经退行性疾病,其特征是黑质中多巴胺能神经元的丢失。已知编码泛素连接酶 PARK2/Parkin 基因的突变可引起常染色体隐性形式的家族性 PD1。Parkin 通过调节一种称为线粒体自噬(通过溶酶体清除有缺陷或受损的线粒体)的特殊自噬形式2在线粒体的体内稳态中发挥关键作用。

线粒体内稳态改变如何促发 PD?

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目前,尚没有充分了解。人们可以想象细胞自主作用,可能直接改变多巴胺能神经元存活力的因素或非细胞自主作用3。例如,α-突触核蛋白 (α-syn) 的积累是 PD 的标志之一。已经在神经元中报道了 α-syn 清除的细胞自主机制。但是,像星形胶质细胞和小胶质细胞这样的非神经元细胞很可能通过非细胞自主作用,通过内在化和降解细胞外 α-syn 间接促进 α-syn 积累,从而促发神经元毒性。

小胶质细胞改变可能对 Parkin 依赖的线粒体内稳态的维持特别敏感吗?

在最近的阿尔茨海默病/帕金森病 (ADPD) 会议上,法国巴黎脑与脊柱研究所的一个小组报告说,Parkin 依赖性线粒体改变可能与小胶质细胞的炎症小体活化有关4。小胶质细胞是存在于大脑的巨噬细胞,在发育中的大脑和成熟的大脑中均具有广泛的功能5。据报道,PD 患者中小胶质细胞介导的神经炎症增加6。以促胶质细胞因子释放为特征的炎症可以通过动员小胶质细胞中的 NLRP3 炎症小体来启动7。使用来自 PARK2 患者和缺乏 PARK2 的小鼠的巨噬细胞作为小胶质细胞模型,作者观察到 NLRP3 炎性小体形成的增强,提示 NLRP3 炎性小体可以由 PARK2 调节。泛素化并标记蛋白质降解的蛋白质 Parkin 如何调节 NLRP3 炎性小体途径?作者提供的证据表明,Parkin 通过两种机制(炎症小体复合物的线粒体依赖性调节和炎症小体表达途径上游抑制蛋白的转录调节)调节炎症小体的活化。在后一种情况下,作者提出 Parkin 可以调节 A20,这是一种在脑小胶质细胞中独特表达的 NF-κB 通路的负调节剂。因此,在缺乏正常的 Parkin 功能的情况下,A20 的抑制缓和,导致 NF-κB 炎性小体过度活化。

但是,这个拼图尚缺几块。例如,Parkin 通常通过泛素化特定蛋白质来标记蛋白质降解。然而,A20 是 NF-κB 途径的抑制剂,这提示 Parkin 可能调控 A20 上游未知蛋白8。由于 A20 是富含小胶质细胞的蛋白质,在 PARK2 突变的背景下,该途径的改变可能促使炎症的进展。如何识别 A20 上游的 Parkin 泛素化蛋白来更全面地确定这一途径的特征?其中一种方法是使用蛋白质组。

这是基因泰克研究人员在试图研究可能介导 Parkin/USP30 依赖性线粒体自噬的分子途径时面临的相同问题9。这是一个难题,因为很难预测泛素化的底物。 使用蛋白质组技术可提供更高的通量和非偏倚的方法。液相色谱串联质谱 (LC-MS/MS) 是一项强大的技术,可以识别和量化复杂混合物(包括细胞、组织和体液)中的数千种肽。通过 LC-MS/MS,不仅可以确定肽序列,还可以通过将修饰质量纳入蛋白质数据库搜索中来鉴定氨基酸侧链上的修饰。

然而,携带靶向翻译后修饰的低丰度多肽可能具有鉴定难度,这是基因泰克面临的一个问题。为了克服这个问题,他们使用了泛素残余基序抗体拉下技术来富集泛素化底物。使用这种方法,他们能够在过表达 Parkin 和 USP 敲低的 HEK293 细胞系中检测到数千种泛素化肽。他们的筛选非常成功,发现了 12 种新颖的线粒体蛋白,它们分别被 Parkin 和 USP30 反向泛素化。在这 12 种蛋白中,选择了 2 种蛋白 TOM20 和 MIRO1 进行验证,因为它们的泛素化水平随着 Parkin 的过表达和 USP30 的抑制而显著增加。其他实验证实,由 USP30 介导的 TOM20 的去泛素化在抑制由 Parkin 介导的线粒体自噬中起着重要作用,代表了调节线粒体自噬的新信号通路。

PD 发病机制涉及神经炎症和线粒体功能障碍。使用 LC-MS/MS 鉴定泛素化的底物,再结合修饰的底物的免疫亲和富集,揭示了泛素化的底物和驱动线粒体自噬的关键分子机制。该策略对于鉴定神经炎症模型中 A20 上游的 Parkin 底物可能也很有价值,可能揭示了对抗神经变性的新治疗靶点。  

关于炎症小体信号转导的更多研究。

 

参考文献:

  1. Kitada T., et al., Parkin基因的突变引起常染色体隐性少年帕金森病。1998 Nature 392 (6676): 605-8 
  1. Nguyen M., et al. 帕金森病中的突触、线粒体和溶酶体功能障碍。2019 Trends Neurosci 42(2): 140-149
  1. Filippini A., et al. α-Synuclein and Glia in Parkinson’s Disease: 内溶酶体系统有益还是有害?2019 Cellular and Molecular Neurobiology 39 (2): 161-168
  1. Mouston-Liger F., et al. PARK2 相关帕金森病中的 NLRP3 炎性小体过度活化。2019 Alzheimer’s Disease/Parkinson’s Disease Biannual Meeting Symposium 44
  1. Hammond T.R., et al., Microglia and the Brain: 发生和疾病中互补伙伴。2018 Annual Review Cell and Development Biology 34: 523-544
  1. Mouton-Liger F., et al. PINK1/Parkin 依赖性线粒体监视:从多效性到帕金森病。2017 Frontiers in Molecular Neuroscience 10: 120
  1. He Y., et al., Mechanism and Regulation of NLRP3 Inflammasome Activation. 2016 Trends in Biochemical Sciences 41(12): 1012-1021 
  1. Li Z., et al. A20 成为柯因通过抑制 NF-κB 信号转导通路起抗神经炎作用的新靶点. 2019脑、行为和免疫79:288-235

9. Bingol B., et al. The mitochondrial deubiquitinase USP30 opposes parkin-mediated mitophagy 2014 Nature 510(7505):370-5

仅供研究使用。不得用于诊断流程。

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