MUL1与帕金森病

热依沙·塔西买买提综述， 李红燕审校

帕金森病(PD)是老年人好发的神经变性病，其发病率随着年龄的增长而增加，60岁以上人口的发病率可达1%[1]。帕金森病的临床主要特征为运动障碍，包括进行性运动迟缓、肌强直、静止性震颤和姿势步态异常等，此外还可伴有大量的非运动症状(NMS)，如嗅觉减退、便秘、抑郁、睡眠障碍等[2]，严重影响患者的生活质量，并给家庭和社会带来巨大的经济负担与照料负担。

目前临床上治疗帕金森病的药物如左旋多巴、金刚烷胺等并不能改变其自然病程，且长期服用还会出现严重的副作用。随着基因治疗技术的发展，帕金森病因其早期病变局限于黑质的多巴胺能神经元(DA神经元)、可通过增加外源性多巴胺补偿等特点，被认为是中枢神经系统疾病中最适合基因治疗的疾病之一[3]。PD的病因很复杂，遗传和环境因素都可能与其相关[4]，而线粒体融合/裂变功能的障碍被认为是包括帕金森病在内的神经退行性疾病的罪魁祸首[5]。因此，寻找线粒体中调控帕金森病相关基因的酶或底物作为治疗的靶点十分重要。

线粒体E3泛素连接酶1(MUL1)，也称为线粒体锚定蛋白连接酶(MAPL)[6]、NF-kB线粒体泛素连接酶活化剂(MULAN)[7]等，是人类细胞中发现的多功能线粒体外膜蛋白[8]。人类的MUL1含有两个跨膜结构域(TM)和高度保守的C末端环指结构域(RNF)，两个TM结构域将MUL1锚定到线粒体外膜，同时使RNF结构域面向胞质[9]。MUL1具有泛素样修饰酶(SUMO)活性，并可稳定Drp1或泛素连接酶，及降解线粒体融合蛋白(Mfn)[9]。在一些报道中提到，MUL1的表达可导致更小和更加碎片化的线粒体[6，7]。在既往研究中发现MUL1与动物细胞中的多个生理过程有关，例如NF-kB激活、先天免疫和抗病毒信号传导、骨骼肌中的线粒体自噬及蛋白酶依赖性细胞凋亡等[8，10～12]。

MUL1通过影响Mfn的表达来调控线粒体的融合及裂变之间的平衡。线粒体的融合及裂变过程，不仅控制线粒体的形状、大小和数量，还调节线粒体的功能(如呼吸作用和细胞死亡/存活)、自噬和分布等[13]。线粒体的完整性对维持哺乳动物细胞线粒体呼吸功能至关重要[14]，而线粒体呼吸功能障碍与帕金森病DA神经元功能障碍密切相关[15]。线粒体完整性的保持通过两种作用相反的机制进行平衡：线粒体的融合主要由Mfn促进；而线粒体的裂变主要由Dynamin相关蛋白1(Drp1)控制[9，16]。Mfn(包括Mfn1和MFN2)主要通过泛素化和蛋白酶降解，而Drp1的活性受到基因转录及翻译后产物的调节，包括磷酸化、SUMO化和泛素化等[16]。融合有助于损伤的线粒体DNA(mtDNA)的修复；而裂变则有助于线粒体的合理分布，以满足组织细胞对能量的需求[17]。目前有文献提到，MUL1与帕金森相关PINK1/parkin及VPS35基因有关，并由此影响帕金森病的临床症状。

1 MUL1与PINK1/parkin基因

PINK1和Parkin基因与线粒体的存活及分布有关[18]，其功能丧失可导致线粒体形态和功能改变，导致特定的DA神经元簇所管辖的的肌肉变性及细胞死亡[19]。Parkin基因的表达产物Parkin蛋白(胞质E3泛素连接酶)在泛素蛋白酶体系统(UPS)中发挥重要作用。该基因突变可导致Parkin 蛋白功能障碍，其底物蛋白质不能通过泛素化途径降解，最终导致神经元死亡[20]。PINK1基因表达产生PINK1蛋白(线粒体激酶)，其与Parkin通过自噬溶酶体途径共同调节功能失调线粒体的清除，即线粒体自噬[19，21～23]。果蝇MUL1(CG1134)编码具有类似结构域结构的蛋白质，与人类MUL1具有52%的氨基酸相似性。Yun等[9]运用UAS/GAL4系统将MUL1在果蝇的多种组织中过表达[24]时发现，连接酶非失活状态下过表达的MUL1，可以抑制PINK1突变的DA神经中线粒体的凝集现象及果蝇胸部间接飞行肌的萎缩。为解释该现象他们将果蝇MUL1编码基因中的P元件敲除，形成MUL1A6突变型，而携带该突变型的果蝇线粒体变得小且碎片化，由此他们推断MUL1与线粒体的裂解有关。

线粒体的融合及裂解由Mfn及Drp1，而目前认为PINK1/parkin通路对调控该过程有重要意义。PINK1/parkin通路可泛素化Mfn并促进Mfn降解，从而引起有缺陷的线粒体的选择性凋亡，即自噬。Yun等发现，MUL1通过泛素化依赖性降解，可抑制PINK1/parkin基因的突变，从而与PINK1/parkin通路一同调控线粒体基因的完整性及质量。同时，MUL1可调控Mfn来维持线粒体的功能及形态，但并不促进其生成。

当PINK1/parkin基因突变时，Mfn增多而Drp1的表达相对减少，这使得线粒体自噬作用受抑制。而这一变化可导致线粒体的形态异常、自净作用减弱，从而无法有效的给细胞供能，引起包括DA神经元、肌肉细胞在内的多种组织细胞的死亡，并引发各种临床症状。

Yun等通过研究发现，当PINK1/parkin基因缺失时，MUL1过度表达，与Mfn物理结合并促进其降解，从而降低Mfn，但并不影响Drp1的表达水平，由此维持细胞内Mfn与Drp1的相对平衡。他们推测：MUL1与PINK1/parkin基因通路协同调控线粒体的完整性，且当PINK1/parkin基因缺失时，MUL1的过度表达可起补偿作用来维持线粒体的功能，同时挽救肌肉细胞免于凋亡。而这一机制有可能成为帕金森病治疗的潜在靶点。

同时，他们的研究也发现，当MUL1缺乏时，线粒体的破坏程度比单一缺失PINK1或parkin基因时所造成的损害更为严重。他们由此提出MUL1可能是PINK1/parkin途径的下游靶点，以及Mfn的上游靶点。或者，其可能与PINK1/Parkin途径并行起作用，且拥有一个共同的作用目标，如Mfn等。但也有一些研究发现需要同时去除parkin和MUL1基因，才能使泛素化过程明显的降低[25]，但这些推测都还需进一步的大样本量实验证实。

2 MUL1与VPS35基因

液泡蛋白分选相关蛋白35(VPS35，也叫PARK17)基因是一种与溶酶体系统有关的基因，与常染色体显性遗传的多发性家族性晚发性PD有关[26，27]。VPS35是Retromer复合物的亚基，其在指导细胞蛋白转运到反面高尔基网中起作用[27]。有研究发现，PD患者黑质及阿尔茨海默病(AD)患者海马中VPS35蛋白减少，且VPS35/retromer功能障碍或缺陷[28，29]。在DA神经元中，VPS35减少可导致小鼠出现PD相关的病变，例如α-突触核蛋白的积聚、DA神经元死亡及运动障碍等[30，31]。

因VPS35突变 (VPS35-/-)的小鼠早年即死亡[32]，故Tang 等[13]通过研究VPS35杂合子(VPS35+/-)小鼠及DA神经元VPS基因缺陷(VPS35DAT-Cre)的模型小鼠发现：VPS35+/-小鼠PD的发病率呈现与年龄正相关，而VPS35DAT-Cre模型小鼠在成年早期就出现进展迅速的PD症状，其中步态不稳、起步困难等运动症状更加突出。他们进一步指出：VPS35缺陷或突变，可损伤DA神经元、神经母细胞瘤细胞系(SH-SY5Y和NLT)和腹侧中脑的线粒体融合及裂变功能。VPS35通过促进MUL1的降解来增加Mfn2蛋白的稳定性，从而调节线粒体的融合功能。在VPS35缺陷的SH-SY5Y细胞中，MUL1表达增加而MFN2减少，这表明MFN2可能为MUL1的底物。同时他们发现，在VPS35缺陷型的DA神经元中抑制MUL1的表达，可修复帕金森病相关病理过程，包括MFN2的减少、线粒体的碎片化及DA神经元损失，但对α-突触核蛋白的积聚无改善作用。

他们提出，这些结果表明VPS35可能是MUL1转运和降解的关键调节因子，通过抑制MUL1的表达可增加Mfn2，并促进Mfn2介导的线粒体融合及DA神经元存活。而当VPS35基因缺陷/突变时，MUL1降解和线粒体融合受抑制，从而引起DA神经元中线粒体的数量及功能下降，最终导致DA神经元死亡，而这有可能是帕金森病发病的基础。

3 其 他

目前对MUL1的研究正在不断深入，多项研究发现其与帕金森病的发病与临床表现在很多方面有关联。

Casado等[33]通过研究斑马鱼PD模型发现：当将斑马鱼胚胎暴露于MPTP时，MPTP可抑制parkin/PINK1/DJ-1基因的表达，阻碍parkin/PINK1/DJ-1/MUL1网络的正常功能，而去除MPTP不能阻止神经变性过程的发展并使胚胎出现严重的运动障碍。而当把褪黑素与MPTP一起加入时，褪黑素有利于保持和恢复parkin/PINK1/DJ-1/MUL1环的基因表达和正常功能，同时胚胎活动呈现正常运动。他们认为这是由于褪黑激素弱化MPTP对parkin和PINK1基因的影响，增强MUL1的表达并增强其在线粒体稳态平衡中的作用。因此他们推测褪黑激素有利于恢复斑马鱼帕金森病模型的脑功能。这项研究表明褪黑素可能不仅有利于缓解帕金森患者的运动症状，对其非运动症状如睡眠障碍、不宁腿综合征等也有一定的治疗作用。

Attaix等[34]在他们的文章中提到：当通过饥饿和去神经支配诱导肌肉萎缩时，可导致小鼠肌肉中MUL1的水平升高。而MUL1的增加可通过促进Mfn的降解抑制线粒体的自噬作用，从而使肌细胞中的功能性线粒体增加，减少肌肉蛋白的分解。肌肉萎缩是PD中后期影响患者运动能力的重要因素，这项研究表明MUL1在抑制肌肉萎缩方面起积极作用。如果能适当提高肌肉中MUL1的表达，势必可以改善PD患者生活质量。

4 展 望

PD的发病机制非常复杂，其可以引起进行性DA神经元损伤和运动障碍，影响神经功能及其完整性。目前多巴胺替代疗法是治疗PD早期的有效方法，但随着疾病的进展，药物的有效性下降，患者出现左旋多巴诱导的运动障碍如异动症等，妨碍了药物的使用。因此，寻找新的治疗神经系统变性病的方法显得十分重要，而基因治疗技术给我们带来了新的希望。基因治疗的优点在于，我们可以在特定的脑区域植入某些基因，通过其代谢产物达到治疗PD的目的，同时避免或减少靶向外的影响[35，36]。虽然现在该领域的研究因为各种因素的限制还仅局限于实验室阶段，但随着技术的发展和成熟，若能将该基因治疗技术运用于临床将造福广大PD患者。MUL1作为一种线粒体蛋白，若能根据PD患者的基因缺陷类型，通过基因技术合理的增强或减弱其表达，也许能从根本上调节线粒体的功能，以达到改善PD临床症状的目的。

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