Beeinträchtigung der Mitochondrien in der Parkinson-Krankheit


Eingestellt von Richard C and Yiying Z am 31. Juli 2019 03:15:00

Die Parkinson-Krankheit (PK) ist eine neurodegenerative Erkrankung, die durch den Verlust dopaminerger Nervenzellen in der Substantia nigra gekennzeichnet ist. Bekannt ist, dass Mutationen in dem Gen, das die Ubiquitinligase PARK2/Parkin kodiert, die autosomal-rezessive Form der familiären PK verursacht1. Parkin übernimmt eine wesentliche Rolle in der mitochondrialen Homöostase, indem es eine spezialisierte Form der Autophagie, genannt Mitophagie, reguliert, die das Abräumen defekter oder beschädigter Mitochondrien durch Lysosome vermittelt2.

Wie trägt eine veränderte mitochondriale Homöostase zur PK bei?

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Das ist derzeit leider noch nicht genau bekannt. Vorstellbar wären zellautonome Effekte, Faktoren, die die Lebensfähigkeit dopaminerger Nervenzellen direkt verändern könnten, oder nicht-zellautonome Einwirkungen3. Die Anhäufung von α-Synuclein (α-Syn) ist eines der Hauptmerkmale der PK. In Nervenzellen wurden zellautonome Mechanismen gefunden, die das Abräumen von α-Syn vermitteln. Allerdings ist es auch wahrscheinlich, dass nicht-neuronale Zellen wie Astrozyten und Mikroglia durch nicht-zellautonome Effekte zur neuronalen Toxizität beitragen, indem sie durch das Aufnehmen und Abbauen von extrazellulärem α-Syn indirekt zur Anhäufung von α-Syn beitragen.

Könnten veränderte Mikroglia besonderes sensitiv für die Parkin-abhängige Aufrechterhaltung der mitochondrialen Homöostase sein?

Auf der letzten Alzheimer’s Disease/Parkinson’s Disease (ADPD)-Konferenz berichtete eine Gruppe des Brain and Spine Institute in Paris, Frankreich, dass eine veränderte Parkin-abhängige Mitophagie mit der Aktivierung des Inflammasoms in Mikroglia zusammenhängen könnte4. Mikroglia sind hirnständige Makrophagen, die sowohl im sich entwickelnden als auch im reifen Gehirn weitreichende Funktionen innehaben5. In PK-Patienten wurde eine verstärkte Mikroglia-vermittelte Neuroinflammation beobachtet6. Eine Entzündung, die durch die Freisetzung von entzündungsfördernden Zytokinen charakterisiert ist, kann durch die Mobilisierung des NLRP3-Inflammasoms in Mikroglia ausgelöst werden7. In Experimenten mit Makrophagen aus PARK2-Patienten und mit PARK2-defizienten Mäusen als Modell für Mikroglia, beobachteten die Autoren eine verstärkte Bildung von NLRP3-Inflammasomen. Dies deutet darauf hin, dass das NLRP3-Inflammasom von PARK2 reguliert werden könnte. Wie könnte Parkin, ein Protein, dass Proteine ubiquitiniert und für den Abbau markiert, den NLRP3-Infammasom-Signalweg regulieren? Die Autoren zeigen, dass Parkin die Aktivierung des Inflammasoms über zwei Mechanismen reguliert – eine Mitophagie-abhängige Regulierung des Inflammasom-Komplexes und eine transkriptionelle Regulation inhibitorischer Proteine, die im Inflammations-Expressions-Signalweg vorgeschaltet sind. Für den zweiten Fall schlagen die Autoren vor, dass Parkin A20 reguliert, einen negativen Regulator des NF-κB-Signalwegs, der besonders in den Mikroglia des Gehirns exprimiert wird. Fehlt die normale Funktion von Parkin, ist die Hemmung durch A20 entsprechend abgemildert, was zu einer Überaktivierung des NF-κB-Inflammasoms führt.

Es gibt jedoch noch einige Puzzleteile, die nicht zugeordnet werden können. Zum Beispiel werden Proteine durch Parkin normalerweise für den Abbau markiert, indem es bestimmte Proteine ubiquitiniert. A20 ist hingegen ein Hemmer des NF-κB-Signalwegs. Das deutet darauf hin, dass Parkin eventuell ein unbekanntes Protein reguliert, das A20 vorgeschaltet ist8. Da A20 ein in Mikroglia angereichertes Protein ist, könnten Veränderungen in diesem Signalweg zum Fortschreiten der Entzündung im Zusammenhang mit PARK2-Mutationen beitragen. Wie könnte man von Parkin ubiquitinierte Proteine, die A20 vorgeschaltet sind, identifizieren, um diesen Signalweg vollständiger zu charakterisieren? Eine Möglichkeit ist, Proteomik anzuwenden.

Forscher bei Genentech waren mit demselben Problem konfrontiert, als sie den molekularen Signalweg ausfindig machen wollten, der die Parkin/USP30-abhängige Mitophagie vermitteln könnte9. Ein schwieriges Problem, denn ubiquitinierte Substrate sind schwer vorherzusagen. Die Anwendung der Proteomik-Technologie bietet einen höheren Durchsatz und eine unvoreingenommenere Herangehensweise. Die Flüssigchromatografie ist, gekoppelt mit der Tandem-Massenspektrometrie (LC-MS/MS), eine leistungsstarke Technologie, die in komplexen Mischungen, darunter Zellen, Gewebe und Körperflüssigkeiten, tausende von Peptiden identifizieren und quantifizieren kann. Mit der LC-MS/MS können nicht nur Peptidsequenzen bestimmt, sondern auch Modifikationen an Aminosäureseitenketten identifiziert werden, indem die Masse der Modifikation bei einer Suche in einer Protein-Datenbank mit angegeben werden kann.

Peptide die allerdings nur in geringen Mengen vorkommen, und die zielgerichtete posttranslationale Modifikationen tragen, können jedoch schwieriger identifiziert werden. Mit diesem Problem wurden Autoren von Genentech konfrontiert. Um dieses Problem zu lösen, nutzten sie eine Pull-down-Technik, die mit einen Ubiquitin Remnant Motif Antibody die ubiquitinierten Substrate anreichert. Mit dieser Methode war es ihnen möglich, in Parkin-überexprimierenden und USP-Knock-down HEK293-Zellen tausende von ubiquitinierten Peptiden nachzuweisen. Ihr Screen war sehr erfolgreich, denn sie haben 12 neue mitochondriale Proteine entdeckt, die durch Parkin und USP30 entgegengesetzt ubiquitiniert wurden. Aus diesen 12 Proteinen wurden 2 Proteine, TOM20 und MIRO1, für die Verifizierung ausgewählt, da deren Stärke der Ubiquitinierung bei der Überexpression von Parkin und dem Knock-down von USP30 signifikant zunahm. Weitere Experimente bestätigten, dass die Deubiquitinierung von TOM20, die durch USP30 vermittelt wird, bei der Parkin-vermittelten Hemmung der Mitophagie eine wichtige Rolle spielt. Dies stellt einen ganz neuen Signalweg der Mitophagie-Regulation dar.

An der Krankheitsentstehung der PK sind sowohl die Neuroinflammation als auch eine mitochondriale Fehlfunktion beteiligt. Die Identifizierung ubiquitinierter Substrate mittels LC-MS/MS, zusammen mit einer Immunaffinitäts-Anreicherung der modifizierten Substrate, deckte ubiquitinierte Substrate und wichtige molekulare Mechanismen auf, die die Mitophagie steuern. Diese Strategie könnte auch in Modellen der Neuroinflammation für die Identifizierung von Parkin-Substraten, die A20 in vorgeschaltet sind, wertvoll sein – und dabei vielleicht sogar neue therapeutische Zielantigene enthüllen, um die Neurodegeneration zu bekämpfen.  

Erforschen sie den Inflammasom-Signalweg noch weiter.

 

Literatur:

  1. Kitada T., et al., Mutations in the parkin gene cause autosomal recessive juvenile parkinsonism. 1998 Nature 392 (6676): 605-8 
  1. Nguyen M., et al. Synaptic, Mitochondrial, and Lysosomal Dysfunction in Parkinson's Disease. 2019 Trends Neurosci 42(2): 140-149
  1. Filippini A., et al. α-Synuclein and Glia in Parkinson’s Disease: A Beneficial or a Detrimental Duet for the Endo-Lysosomal System? 2019 Cellular and Molecular Neurobiology 39 (2): 161-168
  1. Mouston-Liger F., et al. NLRP3 Inflammasome Overactivation in PARK2-linked Parkinson’s Disease. 2019 Alzheimer’s Disease/Parkinson’s Disease Biannual Meeting Symposium 44
  1. Hammond T.R., et al., Microglia and the Brain: Complementary Partners in Development and Disease. 2018 Annual Review Cell and Development Biology 34: 523-544
  1. Mouton-Liger F., et al. PINK1/Parkin-Dependent Mitochondrial Surveillance: From Pleiotropy to Parkinson's Disease. 2017 Frontiers in Molecular Neuroscience 10: 120
  1. He Y., et al., Mechanism and Regulation of NLRP3 Inflammasome Activation. 2016 Trends in Biochemical Sciences 41(12): 1012-1021 
  1. Li Z., et al. A20 as a novel target for the anti-neuroinflammatory effect of chrysin via inhibition of NF-κB signaling pathway.2019 Brain, Behavior, and Immunity 79:288-235

9. Bingol B., et al. The mitochondrial deubiquitinase USP30 opposes parkin-mediated mitophagy 2014 Nature 510(7505):370-5

Nur für den Gebrauch zu Forschungszwecken. Nicht für den Gebrauch in diagnostischen Verfahren.

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