Nature亮点| 关键体内证据证实肠道感染与帕金森病关联

撰文 | tac.G

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帕金森氏病（Parkinson氏病）是伴有运动障碍的神经退行性疾病，已被证实其与黑质内核团多巴胺能神经元缺失有关，但其具体发病机制仍有较多未知。目前已有研究发现，线粒体功能紊乱和炎症可能为其关键致病因素之一。

PINK1和Parkin的发现和功能解析是神经退行性疾病研究史上的大事件之一，关于其功能的研究频频出现在聚光灯下（详见：Nature亮点丨线粒体自噬减轻帕金森病的新模型）。Parkin最早在青少年Parkinson氏病的研究中被发现【1】，是含有UBL（Ubiquitin-like）结构域和RBR（RING-IBR-RING）结构域的泛素连接酶。PINK1（PTEN-Induced Kinase 1）最早在PTEN研究中被发现，在2004年发现其突变可致Parkinson氏病【2】。现有模型认为，PINK1可磷酸化激活Parkin和泛素分子，使应激后损伤的线粒体发生泛素化修饰，经线粒体自噬途径（Mitophagy）完成降解清除【3】。尽管目前已证实PINK1和Parkin突变可引起Parkinson氏病，但Pink1^−/−和Prkn^−/−的小鼠模型却几乎未见有Parkinson氏病样运动障碍发生【4】。

加拿大蒙特利尔大学Michel Desjardins课题组在2016年Cell上曾发现在PINK1和Parkin敲除后，LPS可诱导经线粒体完成的抗原呈递过程【5】。该研究提示，细菌的炎症性过程可能参与Parkinson氏病的病理过程。

2019年7月18日，Michel Desjardins课题组在Nature上发表题为Intestinal infection triggers Parkinson’s diseaselike symptoms in Pink1^−/− mice的研究，首次发现小鼠肠道革兰氏阴性菌感染可诱发Pink1^−/−小鼠黑质内多巴胺能神经元减少，并产生运动障碍等Parkinson氏病样改变。该研究证实PINK1具有免疫的负调控功能，补充了Pink1^−/−小鼠在Parkinson氏病模型研究中的缺陷，正式将肠道感染引入了Parkinson氏病研究者的视线。

研究人员根据既往工作推测，革兰阴性菌感染可诱导线粒体抗原呈递过程（mitochondrial antigen presentation，MitAP）并引起CD8⁺T细胞发生线粒体特应的活化。为证实这一推测，研究人员在Raw 264.7细胞内表达了糖蛋白gB（glycoprotein B）以指示抗原呈递，并感染了多种细菌，发现只有革兰阴性菌可引起MitAP。且在EPEC感染中，PINK1和Parkin可抑制MitAP，该作用并不影响gB的胞质表达，而是影响了gB自线粒体经囊泡的释放过程。同时，研究人员也并未在EPEC感染中发现线粒体蛋白降解和LC3水平发生明显改变，提示PINK1和Parkin参与的线粒体自噬通路未参与MitAP。

随后研究人员利用小鼠肠道感染中常用的柠檬酸杆菌（Citrobacter rodentium）感染野生型和Pink1^−/−小鼠，发现PINK1的敲除未影响C.rodentium感染后毒力指征，在两种小鼠中也未发现肠道炎症指征有明显差异。但在Pink1^−/−小鼠中呈现明显的MitAP增加，表现为线粒体OGDH（matrix protein 2-oxoglutarate dehydrogenase）特异的CD8⁺T细胞增多。同时，研究人员也发现这一类T细胞也同时有CX3CR1，CD107a和Granzyme B的表达，提示其具备细胞毒性功能（cytotoxicity）。

既往有文献发现，神经元在炎症过程中可表达CX3CR1的配体分子CX3CL1，可作为趋化因子募集炎性细胞。研究人员继续关注是否这一类T细胞可进入脑内参与炎症过程。尽管在WT和Pink1^−/−小鼠中均可见炎症细胞浸润增多，但只在Pink1^−/−小鼠中发现OGDH特异的CD8⁺T细胞增加。既往已有体外证据发现LPS可诱导多巴胺能神经元表达MHC-I分子，使其易感于CD8⁺T细胞的免疫作用。本研究人员在体外共培养中发现，与Pink1^−/−小鼠神经元共培养可诱导杂交瘤细胞发生MitAP，并在共培养5天后发现40%多巴胺能神经元死亡。这些结果提示，在Pink1^−/−小鼠感染模型中，发生了MitAP的CD8⁺T细胞在脑中浸润增加，进而引起多巴胺能神经元死亡。

随后研究人员对这一小鼠模型进行了行为学监测，证实Pink1^−/−小鼠在发生感染后4个月出现明显的神经系统症状，表现为总体运动时间减少、总体运动距离减少、垂直方向运动减少。爬杆试验是Parkinson氏病啮齿类模型常用的行为学试验，感染后的Pink1^−/−小鼠在爬杆试验中表现较差，并在外源补充了左旋多巴后出现挽救。有意思的是，在感染发生后12个月，Pink1^−/−小鼠出现的行为学恢复正常，得以自然挽救。在进一步分析后发现，感染6个月后，Pink1^−/−小鼠下丘脑和纹状体内多巴胺能神经元下降，但在12个月后恢复正常，OGDH特异CD8⁺T细胞在脑中浸润同样减少。

本研究的关键之处在于将肠道感染模型引入到Parkinson氏病动物模型的研究中，从而解释了既往Pink1^−/−小鼠因缺少炎症性干预未能呈现Parkinson氏病症状的原因。

本期的Nature为本文配发了评论文章Lack of PINK1 protein studied in mice，认为这项工作将既往研究中对肠道炎症和神经退行性疾病的关联性线索上升到了分子研究层面的证据，为进一步关于Parkinson氏病等退行性疾病的遗传学研究提供了新的研究思路。这项工作也向我们揭示，神经退行性疾病的发生并非是单一因素促成，而是遗传、神经病理、感染免疫乃至更多因素共同参与的病理过程。同时，本研究再次呈现了肠道稳态在疾病研究中的强大生命力，相信会有更多复杂疾病会追溯有肠道源性的病因存在。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-019-1405-y

制版人：珂

参考文献

1. Matsumine H, Saito M, Shimoda-Matsubayashi S, Tanaka H, Ishikawa A, Nakagawa-Hattori Y, et al. Localization of a gene for an autosomal recessive form of juvenile Parkinsonism to chromosome 6q25.2-27. American journal of human genetics 1997;60(3):588-96.

2. Valente EM, Abou-Sleiman PM, Caputo V, Muqit MM, Harvey K, Gispert S, et al. Hereditary early-onset Parkinson's disease caused by mutations in PINK1. Science 2004;304(5674):1158-60.

3. Gladkova C, Maslen SL, Skehel JM, Komander D. Mechanism of parkin activation by PINK1. Nature 2018;559(7714):410-14.

4. Oliveras-Salva M, Van Rompuy AS, Heeman B, Van den Haute C, Baekelandt V. Loss-of-function rodent models for parkin and PINK1. Journal of Parkinson's disease 2011;1(3):229-51.

5. Matheoud D, Sugiura A, Bellemare-Pelletier A, Laplante A, Rondeau C, Chemali M, et al. Parkinson's Disease-Related Proteins PINK1 and Parkin Repress Mitochondrial Antigen Presentation. Cell 2016;166(2):314-27.