Neuron：前沿！内质网脂质缺陷对帕金森综合症睡眠模式障碍的影响
99%的帕金森综合症（PD）患者表现出睡眠缺陷、认知障碍、抑郁、嗅觉丧失和便秘等非运动性功能障碍；Parkin和Pink1两种蛋白大脑中被广泛表达；但是内质网-线粒体接触（endoplasmic reticulum (ER)-mitochondrial contacts）对昼夜节律缺陷和睡眠模式障碍的神经生物学、细胞和分子学调控机制并未清晰。
2018年6月7日，来自VIB-KU鲁汶大脑和疾病研究中心、吕贝克大学等多家研究机构组成的合作团队的最新一项研究成果以ER Lipid Defects in Neuropeptidergic Neurons Impair Sleep Patterns in Parkinson’s Disease为题发表在Neuron上【1】。
文章中，研究者应用Parkin基因和Pink1基因的突变体模型（loss-of-function mutations in parkin and pink1），在下丘脑神经元（分化自患者诱导多功能干细胞，iPSCs）和黑腹果蝇（Drosophila melanogaster），探讨PD中昼夜节律缺陷（circadian rhythms）和睡眠模式缺陷产生的神经生物学，细胞和分子学的机制。研究表明，在突变神经肽类神经元内质网-线粒体接触（endoplasmic reticulum (ER)-mitochondrial contacts），磷脂酰丝氨酸（phosphatidylserine，PtdSer）的过量转移会导致调控昼夜节律的分泌型囊泡（loaded secretory vesicles）的生成缺陷，在PD模型中，增加磷化蛋白表达水平足以恢复分泌性型囊泡的产生和睡眠模式缺陷。
在60岁以上的人群中，有1%的人群患有帕金森病（PD）。虽然运动性功能障碍和多巴胺能神经元的丧失是PD的主要特征，但是99%的PD患者表现出睡眠缺陷、认知障碍、抑郁、嗅觉丧失和便秘等非运动性功能障碍；许多PD患者还患有II 型糖尿病。睡眠模式的紊乱对PD患的影响尤其重大，如失眠、睡眠分裂、快速眼动（REM）睡眠行为障碍、昼夜节律丧失等。这些高频症状发生在PD早期，通常是在多巴胺能神经丧失和运动性功能障碍出现之前的几年内。在PD患者中，多巴胺替代疗法虽能够显著恢复运动功能，却不能有效恢复非运动性功能障碍，包括睡眠模式缺陷。这表明睡眠模式缺陷来源于某一特定神经回路的功能障碍，但是PD中的睡眠模式缺陷的产生仍是未知。
尽管在PD动物模型中已观察到睡眠模式缺陷，但极少观察到在昼夜节律性、REM睡眠行为障碍、睡眠分裂等方面的缺陷缺陷，这可能是因为PD模型具有选择性的多巴胺能系统。当用MPTP（1-甲基4-苯基-1, 2, 3, 6-四氢吡啶）、鱼藤酮（rotenone）、6-羟多巴胺（6-OHDA）、囊泡单胺（VMAT）缺陷来治疗小鼠时，虽表观察到明显的多巴胺能神经元退化，但未观察到PD多样性和常见的非运动性功能障碍；在家族性PD动物模型中，敲除特定基因或表达致病突变基因时，同样未观察到典型的睡眠表型。因此，需要建立对神经系统具有广泛影响的模型来研究PD的非运动性功能障碍。
PD主要是散发性的，而家族性的约10%。值得注意的是，散发性和家族性PD患者都表现出早发性睡眠缺陷，这表明早发性睡眠缺陷是PD的基础病症。在众多PD基因中，对parkin和pink1基因的研究已有显著结果，其蛋白质产物在泛素化线粒体靶蛋白的共同通路中起到致使线粒体退化的作用。
Parkin基因编码E3泛素连接酶，催化特定靶点的泛素化，使靶点降解或进入不同的细胞的特定位置。若Parkin蛋白功能受损，其靶点则会在细胞中累积。
Pink1是一种通过磷酸化来激活Parkin蛋白的激酶。在线粒体去极化的过程中，Pink1会固定在外线粒体膜上，并招募Parkin蛋白，促进受损线粒体的移除；Parkin或Pink1蛋白的缺失会促进功能失衡线粒体的积累；然而在所有体内神经细胞类型中没有观察到这一现象。在散发性PD中，除了Parkin基因的诱发性突变外，Parkin蛋白也是无活性的，携带Parkin因pink1基因突变的PD患者表现出睡眠模式障碍。
论文数据为PD昼夜节律缺陷和睡眠模式障碍提供了神经生物学、细胞和分子学的解释(Fig.1)：线粒体PD的病理学特征表现在内质网-线粒体接触（位点），进而影响其他细胞器，如致密核心小泡（dense core vesicles，DCVs）(Fig.5)。内质网-线粒体接触在脂代谢中具有核心作用，缺乏PtdSer会影响来自病人和果蝇突变体的DCVs的成熟(Fig.8)。
为何单基因突变引起的神经退行性疾病表现型的不受蛋白质表达水平的影响？为何非所有细胞对突变蛋白以同样的方式做出反应？破译此问题的关键是：蛋白质在特定细胞环境中表现其功能。
Fig.1 Circadian and Sleep Pattern Defects in parkin and pink1 Mutant Flies
Fig.2 Parkin and Pink1 Function in Neuropeptidergic Neurons to Control Circadian Rhythms and Sleep Patterns
Fig.3 Neuropeptides Accumulate in the Cell Bodies of parkin and pink1 Mutant Neurons
论文数据表明，在一组神经肽类神经元中，parkin和pink1基因突变会加速血管活性肠肽（Vasoactive Intestinal Peptide，VIP）的分泌(Fig.1,2,4)。如在DH31，Tdc2，c316等实验模型中降低Parkin或Pink1蛋白的表达，会激发正向的睡眠模式表型，甚至是负向的睡眠模式表型，但是需进一步的研究阐明这一过程的调控机制。实验数据显示在神经元中DCV基础产生是正常的，而DCV生成的大量快速上调是受损的，说明这些神经元的特殊功能使它们容易受到脂代谢的影响从而影响DCV的形成，原因这可能是很内质网-线粒体接触的稳定性对其他细胞有不同的影响(Fig.5，6)。但仍需深度研究来阐明：这种改变可能会激活其他的致病应激途径。
Fig. 4 parkin and pink1 Mutant Human Hypothalamic Neurons Release Less VIP
Fig. 5 Dense Core Vesicle Number and Neuropeptide Processing Are Decreased in LNvs of parkin Mutants
在PD中，睡眠模式障碍、昼夜节律缺陷、及其他非运动性障碍与多巴胺神经元丧失、伴随性肌肉运动缺陷之间的关系被充分揭示。部分原因可能是家族性和散发性PD的小鼠模型本身并未表现出PD患者具有的睡眠模式缺陷特征。研究者又对Pink1基因突变小鼠进行了24小时的观察，但未观察到与之相一致的睡眠模式缺陷和昼夜节律缺陷，而在果蝇实验中观察到这一现象，因为研究者在果蝇神经肽类神经元中和PD患者诱导下丘脑神经元中得到充分的验证，另外，在果蝇进化过程中，调控昼夜节律和睡眠机制的细胞和分子基质获得了优化和保存(Fig.6，7)。
Fig.6 ER-Mitochondria Contacts Are Increased in parkin and pink1 Mutant Neuropeptidergic Neurons
Fig.7 Increased ER-Mitochondria Contacts in parkin and pink1 Mutants Are Causal to Morning Anticipation Defects
Fig.8 PtdSer Depletion from the ER Is Causative to Circadian and Sleep Pattern Defects
许多内质网-线粒体接触的病理学特征存在于多种神经退行性疾病中，如在家族性阿尔茨海默病（AD）、肌萎缩性脊髓侧索硬化症（ALS）、亨廷顿氏舞蹈症（HD）、II 型糖尿病等中。在这些神经退行性疾病（包括PD）中具有显著的睡眠模式缺陷和昼夜节律缺陷，但对这些神经退行性疾病中的睡眠模式缺陷的细胞和分子缺陷机制是知之甚少。在本文中，研究者提供了一个新研究思路：通过评估睡眠模式控制神经肽的处理和释放。在此方法下，发现内质网-线粒体接触在神经肽类神经元中的适应速率慢于在其他类型细胞中的适应速率；另外在泛素化过程，发现Parkin蛋白能够快速调控内质网-线粒体接触（位点），进而促使DCV生成(Fig.5.6,7)。
研究者最后总结道，此研究成果具有重要的临床应用价值。在PD中，除了多巴胺神经元丧失会导致睡眠模式缺陷和昼夜节律缺陷之外，另一种不同的药理学调控也会导致相同结果。因为帕金森病的睡眠障碍并不是通过多巴胺替代疗法并未能治愈PD睡眠障碍。当敲除Parkin基因或Pink1基因时，其结果也证明了这一点：实验组早期并未表现出睡眠模式缺陷和昼夜节律缺陷，这两种缺陷是由神经元功能障碍引起的，并非神经退化导致。表明这两种缺陷可以被纠正，比如在果蝇食物中添加PtdSer(Fig.8)。
Major References
【1】Valadas et al., ER Lipid Defects in Neuropeptidergic Neurons Impair Sleep Patterns in Parkinson’s Disease, Neuron (2018)
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