Nature亮点丨线粒体自噬减轻帕金森病的新模型

撰文丨小白薯

责编丨迦    溆

引起帕金森疾病的多面因素。图片引自：https://f1000research.com

帕金森综合征（Parkinson’s disease, PD）是一种长期的中枢神经系统退行性疾病，主要影响运动系统。主要运动症状统称为“帕金森病”或“帕金森综合症”。在疾病早期，最明显的症状是摇晃、僵硬、运动缓慢和行走困难，也可能出现思考和行为问题。而晚期阶段，痴呆则变得更加普遍。另外，有超过三分之一的PD患者伴随着抑郁和焦虑等情绪问题，严重影响患者的感觉，睡眠和生活质量。PD的大多数病例发生在老年人身上，目前是老年人中第四位最常见的神经变性疾病，我国65岁以上人群PD的患病率大约是1.7%。然而，大约5-10％的PD病例是由常染色体突变引起的，这些突变通常会导致年轻人出现症状。

Parkin（一种E3泛素连接酶）和PINK1（一种泛素激酶）的突变与早发性PD有关【1,2】。Parkin定位在细胞质中，在多数真核生物中非常保守。PINK1定位于线粒体外膜，是种丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶。Parkin是自身抑制的，需要通过PINK1激活，激活后可以诱导线粒体缺陷自噬的发生（一种选择性形式的自噬），清除细胞内的“垃圾废物”。由此可见，parkin和PINK1都在这条相同的生化途径中起作用。然而，线粒体自噬的体内作用却并不十分清楚，部分原因是缺乏PINK1或parkin的小鼠没有实质性的帕金森病相关表型【3,4】，这也增加了相关机制的研究难度。

尽管PD患者的血清中含有大量促炎细胞因子，包括IL-6、TNF、IL-1β和IFNγ，但炎症是有助于神经元丢失还是炎症是神经元丢失的结果仍然未知【5】。研究表明，线粒体应激可以导致损伤相关分子模式（damage-associated molecular patterns, DAMPs）的释放，然后激活先天性免疫【6,7】，表明线粒体自噬可以减轻炎症。但是对于炎症与parkin、PINK1之间的具体关系仍然不清楚。

近日，Nature杂志在线了美国国立卫生院Richard J. Youle课题组一篇题为Parkin and PINK1 mitigate STING-induced inflammation的研究论文，报导了Parkin和PINK1可以减缓STING诱导的炎症反应的机制，为parkin、线粒体自噬和炎症反应架起了联通的桥梁。

按理说，如果线粒体自噬可以起到去除受损线粒体以减少DAMPs（损伤相关分子模式）释放的作用，那么预期Pink1-/-和Prkn-/-（线粒体自噬缺陷）小鼠的炎性细胞因子水平会增加。然而，Richard J. Youle课题组发现Prkn-/-和Pink1-/-小鼠血清中的细胞因子水平与野生型相比没有变化（图1a）。为了对线粒体进行急性应激处理，对12周龄小鼠进行耗竭性运动（exhaustive exercise，EE），直至连续三天疲惫。在野生型，Prkn-/-或Pink1-/-小鼠中没有观察到耗尽时间的差异（图1b）。在线粒体受损后，PINK1稳定在线粒体外膜上，磷酸化泛素Ser65位，形成pS65-Ub，募集并激活parkin，诱导线粒体自噬【8】。因此，作者通过量化心脏组织中的pS65-Ub水平来确定EE是否在体内激活PINK1（图2）。

图1. 野生型与Prkn-/-和Pink1-/-小鼠血清中的细胞因子水平

结果显示，在野生型心脏中，相对于对照久坐（sedentary, SED）小鼠，EE诱导pS65-Ub增加了两倍（图2a）。在SED Pink1-/-小鼠中，pS65-Ub水平低于野生型SED小鼠，并且不随EE增加（图2a）。与pS65-Ub水平一致，与野生型小鼠相比，在野生型心脏组织中EE后，线粒体自噬增加了两倍，并且在PINK1-/-小鼠中EE后显着降低（图2b，c）。这表明EE在体内触发PINK1活化和线粒体自噬。

图2. SED和EE对WT和Pink1-/-小鼠的影响

接着，作者发现在人类样本中，单或双PRKN等位基因突变，也会导致血液炎症因子的水平上升，比如说IL-6。IL-6是内源性热原。野生型小鼠在耗竭性运动（EE）后各种促炎症因子水平变化不大，而Prkn-/-和Pink1-/-小鼠中的EE诱导的血清IL-6增加约1000倍，然后作者测量了这些小鼠的体温。EE后一天，Prkn-/-和Pink1-/-小鼠的表面体温显著增加，并在返回基线前保持升高3至4天，但野生型小鼠却没有，这与血清细胞因子水平的变化一致。同时与做敲除STING小鼠的对比，发现在STINGgt/gt小鼠中测定的细胞因子没有增加，且在没有STING的情况下，EE后表面体温没有增加，也就是说，STING的突变可以回补EE后的Prkn-/-和Pink1-/-小鼠的炎症反应。

当双链DNA结合环GMP-AMP合酶（cGAS）时STING被激活（STING是I型干扰素对胞质DNA的反应的中枢调节因子）【9】，作者在EE前后检测了血清DNA。在Prkn-/-和Prkn-/-; STINGgt/gt（STING突变）小鼠的血清中线粒体mtDNA拷贝数和线粒体与核DNA的比例均增加，但是在EE之后在野生型或STINGgt/gt小鼠中没有。

此外，作者还证明STING的缺失可在Prkn-/-;mutator小鼠（积累突变线粒体DNA的小鼠）不同时期中阻止炎症、运动缺陷和神经衰退的发生。Prkn-/-;mutator小鼠在20周和40周年龄时血清中表现出较高水平的IL-6，IFNβ1，TNF，IL-1β，CCL2，IL-12（p70），IL-13，IL-17，CXCL1和CCL4，同时有相当的细胞因子与EE诱导的急性线粒体应激模型和帕金森病患者的水平重叠。对于运动缺陷的影响，在12周龄和20周龄时基因型之间没有差异。然而，40周龄的Prkn-/-;mutator小鼠显示出显著增加的下降潜伏期（latency to descend）。40周龄的Prkn-/-;mutator小鼠在神经元中表达酪氨酸羟化酶（tyrosine hydroxylase, TH+;在神经元中特异性表达）表现出约20％的减少，但在Prkn-/-;mutator中同时敲除STING可完全回补TH +神经元到野生型水平。

总的来说，在这篇文章中，Richard J. Youle课题组报导了在EE后，Prkn-/-和Pink1-/-小鼠以及在mtDNA中积累突变的Prkn-/-小鼠（Prkn-/-;mutator）中有强烈的炎症表型。由EE或mtDNA突变引起的炎症可以通过STING的敲除而回补。在老年Prkn-/-;mutator小鼠中观察到的神经元的丧失和运动缺陷也通过STING的丧失而被挽救，表明炎症促进了这种表型。这些结果支持了parkin和PINK1介导的线粒体自噬在抑制先天免疫中发挥着重要作用，填补了parkin和PINK1在小鼠研究模型中的表型空白。同时，作者证明在缺失parkin或PINK1的情况下，急性（EE诱导）和慢性（mtDNA突变诱导）线粒体应激导致的小鼠中STING介导的I型干扰素反应，可能表明了一种线粒体自噬如何减轻帕金森病的新模型—parkin和PINK1通过清除受损的线粒体来预防炎症和神经变性，从而阻止了细胞溶质和循环mtDNA的增加。

通讯作者简介：

Richard J. Youle博士，美国国立卫生研究院（NIH）高级研究员。Youle博士于1974年 Albion College获得学士学位，于1977年在南卡罗来纳大学（University of South Carolina）获得博士学位。后加入国家精神卫生研究所从事博士后工作。他于1985年加入MIH的外科神经科，担任首席研究员，在那里他开发并进入临床试验新的脑肿瘤治疗策略。他的实验室随后探索了程序性细胞死亡的分子机制。最近，他的实验室发现了家族性帕金森病中突变的蛋白质之间的功能和相互关系。他目前的工作重点是自噬、线粒体质量控制和神经退行性疾病的分子机制。目前已经发表文章超过200篇，H指数104，引用超过5万次。

参考文献：

1    Kitada, T. et al. Mutations in the parkin gene cause autosomal recessive juvenile parkinsonism. Nature 392, 605 (1998).

2    Valente, E. M. et al. PINK1 mutations are associated with sporadic early‐onset parkinsonism. Annals of neurology 56, 336-341 (2004).

3    Kitada, T. et al. Impaired dopamine release and synaptic plasticity in the striatum of PINK1-deficient mice. Proceedings of the National Academy of Sciences 104, 11441-11446 (2007).

4    Perez, F. A. & Palmiter, R. D. Parkin-deficient mice are not a robust model of parkinsonism. Proceedings of the National Academy of Sciences 102, 2174-2179 (2005).

5    Dzamko, N., Geczy, C. L. & Halliday, G. M. Inflammation is genetically implicated in Parkinson’s disease. Neuroscience 302, 89-102 (2015).

6    Zhou, R., Yazdi, A. S., Menu, P. & Tschopp, J. A role for mitochondria in NLRP3 inflammasome activation. Nature 469, 221 (2011).

7    West, A. P. et al. Mitochondrial DNA stress primes the antiviral innate immune response. Nature 520, 553 (2015).

8    Pickrell, A. M. & Youle, R. J. The roles of PINK1, parkin, and mitochondrial fidelity in Parkinson’s disease. Neuron 85, 257-273 (2015).

9    Chen, Q., Sun, L. & Chen, Z. J. Regulation and function of the cGAS–STING pathway of cytosolic DNA sensing. Nature immunology 17, 1142 (2016).

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