线粒体激酶PINK1的功能及其在神经退行性疾病与肿瘤中作用的研究进展 高雁艳;纪军;张利
【摘 要】PINK1是一种线粒体丝苏氨酸蛋白激酶,其在氧化应激诱导的线粒体功能失调中起保护性作用.线粒体膜电位去极化时,PINK1募集parkin蛋白诱导线粒体自噬.生理状态下,PINK1在线粒体中被剪切并释放入胞质促进神经元分化.PINK1突变能够导致常染体隐性早发帕金森病.在非神经退行性疾病中,PINK1通过激活胞质AKT信号通路、与线粒体抗凋亡蛋白Bcl-XL相互作用等机制,调节神经胶质瘤、乳腺癌等肿瘤细胞的生长与凋亡.本文对PINK1的生理功能及其在神经退行性疾病和肿瘤发生过程中的作用进行综述. 【期刊名称】数显时间继电器《大连医科大学学报》
双腔减压【年(卷),期】2016(038)006
【总页数】5页(P598-602)
【关键词】PINK1;线粒体质量控制;神经退行性疾病;肿瘤
【作 者】高雁艳;纪军;张利
【作者单位】大连市中心医院中心实验室,辽宁大连116033;大连市中心医院中心实验室,辽宁大连116033;大连市中心医院中心实验室,辽宁大连116033
【正文语种】机器人拉车中 文
【中图分类】R34
PINK1(PTEN induced putative kinase 1)基因定位于1号染体短臂1p35-36区域，包含8个外显子，长度1.8 kb，编码产物包含581个氨基酸。PINK1蛋白全长63 kDa，是一个高度保守的线粒体丝苏氨酸蛋白激酶[1]。PINK1能够保护细胞免受氧化应激诱导的细胞凋亡，降低PINK1的表达使线粒体功能受损[2]。因此，PINK1在监控线粒体呼吸链功能，激发线粒体自噬等线粒体质量控制过程中，可能作为第一道防线发挥重要作用[1,3]。
神经退行性疾病是一种大脑和脊髓细胞神经元丧失的疾病状态。帕金森氏病是第二大神经退行性疾病，病因尚不明确。其中，PINK1被发现是帕金森氏病的一个相关基因，大量研究已证明，PINK1基因突变能够导致常染体隐性遗传早发性帕金森病[4-5]。研究发现，
帕金森病患者中肿瘤发病率很低。由此推测，在帕金森病与肿瘤之间存在一些共通的调节机制[6]。研究表明，PINK1在肿瘤发生中的功能远远超过其在神经组织中线粒体保护蛋白的作用，其能通过激活一系列胞质信号通路，调节肿瘤细胞如：胶质瘤、乳腺癌、膀胱癌等细胞的生长和凋亡[7-8]。
PINK1蛋白由4部分构成：N端线粒体定位序列(1-77 AA)、跨膜结构域(101-107AA)、丝/苏氨酸蛋白激酶结构域(150-510 AA)和C末端尾部调节区(510-581 AA)。其中，丝/苏氨酸蛋白激酶结构域即中心结构域，在体外表现出自磷酸化活性[1]。
PINK1广泛表达于多种哺乳动物细胞中，在大脑、心脏、肌肉和睾丸等耗能高的器官表达尤为突出。大脑中，PINK1高表达的神经元主要分布于黑质纹状体，海马以及小脑的普尔基涅细胞。细胞内，线粒体外膜和内膜都可以发现PINK1蛋白，其定位依赖于氨基末端的线粒体定位结构域。翻译后的全长PINK1蛋白可以被线粒体膜裂解酶PARL在103位丙氨酸和104位苯丙氨酸残基之间进一步加工剪切成2个短片段，这些片段分布于线粒体和胞质中。生理情况下，PINK1的底物位于线粒体外膜或胞质临近线粒体表面的区域[1,9]。
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细胞应激期间，如细胞有异常高的能源需求时，PINK1具有线粒体保护功能。最初关于PIN
K1功能的报道是在细胞培养中发现的，过表达野生型PINK1保护细胞免受细胞毒剂MPTP和蛋白酶体抑制剂MG-132诱导的细胞死亡，突变型PINK1(激酶失活型或帕金森病相关突变型)失去了这种保护效应[10]。为了进一步证明PINK1功能与氧化应激的负相关性，表达突变型PINK1的淋巴母细胞表现出呼吸链复合物Ⅰ活性下降，同时氧化应激水平增高。缺失PINK1的细胞中，基础水平胞质活性氧簇(ROS)和线粒体活性氧簇(mROS)的产生都升高[10-12]。此外，PINK1通过磷酸化线粒体分子伴侣TRAP1，抑制细胞素C从线粒体释放，保护细胞免受氧化应激损害，且这种保护作用随PINK1的突变而丧失[10]。短信发技术
PINK1沉默的小鼠表现出线粒体呼吸功能受损以及氧化磷酸化活性降低，因此PINK1的缺失可导致线粒体呼吸功能障碍。发生热休克时线粒体的这种呼吸功能损坏更加严重。线粒体分级分离结果显示，PINK1存在于呼吸链复合体Ⅰ-Ⅳ中。研究显示，缺失PINK1的多巴胺能神经元细胞SH-SY5Y中，线粒体DNA的表达及合成水平显著降低，并伴随呼吸链复合体Ⅳ特异性受损[2]。PINK1功能降低或突变直接影响ATP产生，使能量供应受阻，从而影响蛋白酶体功能并使ROS水平增高。增高的ROS能够抑制葡萄糖转运体的功能，并诱导线粒体DNA突变，影响呼吸复合体Ⅰ/Ⅱ底物向呼吸链传递[1,13-14]。
PINK1能够和丝氨酸蛋白酶HtrA2，E3泛素连接酶Parkin以及分子伴侣Hsp90、Cdc37相互作用。HtrA2在泛素依赖的线粒体蛋白质质量控制中发挥作用。Parkin通过干扰PINK1的泛素化降解过程，稳定PINK1的表达。PINK1- Hsp90-Cdc37复合体不仅能影响PINK1的亚细胞定位还能调控全长PINK1及其剪切片段(63/55 kDa)的比例，稳定PINK1全长及其42 kDa剪切产物的表达[15]。
此外，PINK1能够与Parkin和DJ-1形成E3泛素连接酶复合体，促进Parkin的底物——未折叠蛋白和错误折叠蛋白通过泛素蛋白酶体系统降解。由于泛素蛋白酶体系统功能依赖ATP，而PINK1功能缺失降低ATP水平，因此，缺失PINK1能够间接损伤泛素蛋白酶体系统功能，使未折叠和错误折叠的泛素化蛋白蓄积，从而启动线粒体自噬以补偿受损泛素蛋白酶体系统的功能。缺失PINK1引起的线粒体自稳性的改变也能诱导线粒体自噬的发生[2,13]。
越来越多实验证明，自噬作为细胞蛋白质降解的补偿机制，在泛素蛋白酶体系统受损时发挥作用[3]。缺失PINK1的细胞中自噬小体和溶酶体的表达水平显著增高，胞质中线粒体向溶酶体转运增加，线粒体数量减少。过表达野生型或△N(111-581 AA)-PINK1阻止了线粒体
自噬的发生，说明PINK1对抗线粒体自噬的过程需要其激酶活性。总之，PINK1通过维持线粒体稳定性、磷酸化下游分子伴侣以及调节线粒体自噬的发生在线粒体质量控制过程中发挥重要作用[2,12-13]。
近年来，一些文献报道了PINK1在线粒体融合/分裂这一动态平衡过程中的调控作用。哺乳动物中，PINK1作为线粒体促融合蛋白发挥作用，而在果蝇中PINK1却促进线粒体分裂。研究证明，PINK1缺失或突变(Q126P/G309D)能够促进哺乳动物线粒体分裂，使线粒体发生片段化形态改变，降低膜电位，而过表达显性负性突变的线粒体分裂动力相关蛋白DRP-1能纠正这种效应。与之相反，在果蝇中缺失PINK1，驱使线粒体融合，同样这种效应能够被过表达野生型DRP-1纠正[1,13]。
线粒体转运依赖微管蛋白，实验证明，PINK1能够和蛋白Miro、Milton以及驱动蛋白Kinesin-1形成一个多蛋白复合体，在线粒体沿微管从细胞体到突触的顺势运输过程中发挥重要作用。除此之外，很多细胞内信号通路能够调控线粒体转运从而影响线粒体在胞内的分布。其中，细胞内钙离子水平升高抑制微管依赖性线粒体的转运。研究表明，PINK1通过调控线粒体钙离子外流，与Miro/Milton/Kinesin复合体共同调节线粒体在细胞内的转运和移动。PINK1功能缺失提高细胞内钙离子水平，从而抑制线粒体的移动[1,16]。
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PINK1可以通过线粒体钠钙交换器，直接调控钙的释放[1,3]。缺失PINK1使线粒体内钙蓄积，而线粒体钙超载进一步诱导活性氧簇的产生，继而抑制葡萄糖转运体的功能，降低底物向呼吸链的转运[14]。此外在PINK1缺失的细胞中，钙缓冲能力的减弱以及活性氧簇的产生降低线粒体膜电位，使线粒体通透性转换孔开放的阈值降低。这使线粒体更容易释放促凋亡因子，如细胞素c，诱导细胞凋亡[1]。PINK1在钙离子通路中的另一作用是其可以和钙敏感分子NCS-1相互作用，作为神经元促存活因子在调节神经递质的释放，电压门控钙离子通道和D2多巴胺受体方面发挥作用[1]。
上述PINK1的功能表明，PINK1通过维持线粒体稳定性、磷酸化下游线粒体分子伴侣以及调节线粒体自噬的发生在线粒体质量控制过程中发挥重要作用。然而，线粒体功能紊乱能够引起神经元萎缩、神经突退化变性以及神经元死亡[10, 12]。PINK1的突变能够导致常染体隐性遗传早发帕金森病，研究发现，在PINK1的激酶域和羧基末端调节结构域已鉴定出50多种突变形式，主要集中在其蛋白激酶结构域，其中一个位于ATP结合位点[4-5,10]。由此说明，PINK1缺失激酶活性与帕金森病的发生密切相关。
早老素相关线粒体驻留丝氨酸蛋白酶PARL，能够介导PINK1在线粒体内的降解，这一过程
与神经退行性疾病相关[1]。帕金森病的患者中存在基因突变，使PARL剪切PINK1的过程下降[1]。线粒体去极化时，PINK1在线粒体表面聚集，并募集了帕金森病相关蛋白Parkin从胞质聚集到线粒体表面，最终引起线粒体自噬[1,17]。此外，Beclin1是重要的自噬相关蛋白与阿尔茨海默病和亨廷顿病的发病机制相关。全长PINK1与Beclin1相互作用，增强了饥饿诱导的自噬[17]。
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