提取帕金森氏病中的线粒体

我们很荣幸与 Michael J. Fox 帕金森病研究基金会 (MJFF) 合作，推进帕金森病 (PD) 研究。详细了解有关合作伙伴关系的信息，并探索 PD 资源。

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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。已知泛素连接酶 PARK2/Parkin 编码基因的突变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（借助溶酶体清除缺陷性或受损线粒体）的专化自噬形式²在线粒体稳态中发挥关键作用。

线粒体内稳态改变如何促发 PD？

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活力的诸因子）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 清除过程的细胞自主机制。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道，改变的 Parkin 依赖性线粒体自噬可能与小胶质细胞中炎性小体活化有关⁴。小胶质细胞是在正在发育的脑和成熟脑中均具有广泛功能的脑常在性巨噬细胞⁵。已报道，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 患者和来自缺乏 PARK2 的小鼠的巨噬细胞作为小胶质细胞的模型，作者观察到 NLRP3 炎性小体形成增强，提示 NLRP3 炎性小体可能受 PARK2 调控。

Parkin（一种使蛋白质泛素化并标记其供降解的蛋白质）可能如何调控 NLRP3 炎性小体通路？

作者提供以下证据：Parkin 通过两种机制（线粒体依赖性调控炎性小体复合体和转录性调控炎性小体表达通路上游的抑制性蛋白）调节炎性小体活化。在后一种情况下，作者提出 Parkin 可能调节 A20，一种在脑小胶质细胞中独特表达的 NF-κB 通路负向调节物。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 通路的抑制剂，这提示 Parkin 可能调控 A20 上游未知蛋白⁸。由于 A20 是小胶质细胞富集的蛋白质，该通路的改变可能在 PARK2 突变的背景下促使炎症进展。

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。

这是基因泰克公司研究人员在寻求试图研究可能介导 Parkin/USP30 依赖性线粒体自噬的分子途径时面临的相同问题⁹。这是个难题，因为泛素化底物难以预测。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 用于验证，因为它们的泛素化水平随 Parkin 过表达和 USP30 敲减而显著升高。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。

为什么它很重要……

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。该策略可能对鉴定神经炎症模型中 A20 上游的 Parkin 底物有价值，潜在揭示对抗神经变性的新治疗靶标。  

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
2. 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
3. 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
4. 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
5. 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
6. 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
7. He Y., 等人, Mechanism and Regulation of NLRP3 Inflammasome Activation. 2016 Trends in Biochemical Sciences 41(12): 1012-1021
8. 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