PINK1/Parkin通路介导的线粒体自噬在神经系统损伤中的研究进展

陈晓虹，刘敏丽

（延安大学医学院，陕西 延安 716000）

线粒体是一种存在于大多数真核细胞中的双膜细胞器，主要产生三磷酸腺苷（adenosine triphosphate，ATP），为细胞生长发育提供能量，因此被称为细胞的“发电站”。而且，线粒体还有许多重要功能，参与细胞的氧化应激、钙稳态、脂质和氨基酸代谢、细胞增殖和分化等。线粒体质量控制（mitochondrial quality control，MQC）是维持线粒体健康、稳态的重要机制，线粒体自噬在其中发挥核心作用。线粒体自噬是选择性清除多余或受损线粒体的自噬过程，是调节细胞内线粒体质量和数量稳态以及维持线粒体正常功能的重要环节［1］。哺乳动物有多种线粒体自噬途径，包括由不同分子介导的泛素依赖性和非泛素依赖性途径。其中，泛素依赖性途径包括PTEN诱导假定激酶1（PTEN induced putative kinase 1，PINK1）∕帕金蛋白（parkin）依赖性线粒体自噬和泛素介导的线粒体自噬，而非泛素依赖性途径进一步分为受体依赖性和脂质依赖性途径。它们在不同的条件下工作，合作实现消除受损线粒体［2］。其中，PINK1∕Parkin依赖性的线粒体自噬研究最广泛，该途径主要是由PINK1和Parkin两种蛋白质介导。

PINK1是具有线粒体靶向结构域的蛋白激酶，是MQC的主要调节子，可通过多种途径参与线粒体稳态调控；而Parkin是一种细胞质E3泛素连接酶，在PINK1下游发挥作用［3］，通过泛素化底物与微管相关蛋白1轻链3-Ⅱ（LC3-Ⅱ）及ATP酶增强连接，产生线粒体自噬体［4］。PINK1和Parkin两个分子的线粒体定位证实它们在细胞器中的相互作用，并汇聚在同一途径［3］。

1 PINK1、parkin的结构与组成

1.1 PINK1

PINK1基因位于染色体1p36.12，由8个外显子组成，长度1.8 kb。PINK1基因编码一种含有581个氨基酸残基的多肽，分子量为62.8 kDa。PINK1是一种丝氨酸∕苏氨酸蛋白激酶，由不同的结构域组成，包括线粒体靶向序列（MTS）、跨膜结构域、丝氨酸∕苏氨酸激酶结构域和C-段自动调节结构域。在正常的线粒体内，PINK1在线粒体外膜转位酶（translocases of outer mitochondrial membrane，TOM）和线粒体内膜转位酶（translocases of inner mitochondrial membrane，TIM）的作用下由细胞质转运至线粒体内膜［5］。

1.2 Parkin

人Parkin基因位于染色体6q25，2-q27，全长约为1.5 Mb，编码465个氨基残基组成的Parkin蛋白，是帕金森病隐性基因PRKN基因的产物。它由多个结构域组成，包括位于N端附近的一个泛素样结构域（UBL）和从中心到C端多个RING∕锌指结构域，包括UBL、UPD、RING1、IBR、RING2五个结构域。

Parkin蛋白主要在脑、肾和睾丸中表达，在神经元、少突胶质细胞和心肌细胞中富集。另外，在线粒体外膜、高尔基体、内质网和突触小泡中也存在。作为泛素连接酶，Parkin主要通过降解异常的蛋白底物，参与细胞周期、生长代谢、免疫应答和胞内信号转导的调节。此外，Parkin除了具有良好的泛素连接酶活性外，可能具有转录因子等其他功能。Wasner等［6］发现，Parkin蛋白能够协调线粒体生物发生和线粒体RNA（mitochondrial RNA，mtRNA）维持，对预防神经炎症和神经退行性病变至关重要，提示Parkin可能参与神经系统损伤的修复。

2 PINK1∕Parkin信号通路的激活

PINK1是一种丝氨酸∕苏氨酸激酶，当线粒体膜电位（mitochondrial membrane potential，MMP）受损时，PINK1进入线粒体内膜的途径受阻，导致PINK1在线粒体外膜的胞质面上稳定聚集。Gan等［7］指出PINK1不仅受磷酸化调节，还受氧化调节。在TOM复合物的帮助下，二聚化可能使phPINK1 Ser202（HsPINK1的Ser228）的反式磷酸化，磷酸化引发N-端构象变化。在PINK1的两个拷贝被磷酸化后，二聚体被破坏，使磷酸化的PINK1作为单体泛素激酶和Parkin Ubl激酶启动线粒体自噬。其中，Ser228磷酸化是PINK1泛素激酶活性的先决条件［7］。另外，研究显示PINK1蛋白水平受到沉默信息调节因子2相关酶1（silent mating type information regulator 2 homolog-1，SIRT1）、核转录因子红系2相关因子2（nuclear factor-erythroid 2-related factor 2，Nrf2）以及微小RNA（microRNA，miRNA）等的调控，并通过PINK1∕Parkin通路介导的线粒体自噬在疾病治疗中呈现神经保护作用。

在基础条件下，Parkin 泛素连接酶活性在细胞质中被抑制。PINK1可通过两种机制激活Parkin：其一，PINK1通过磷酸化Parkin的泛素样结构域中的Ser65，使Parkin构象改变而被激活；其二，PINK1在Ser65处磷酸化泛素，增强与Parkin的亲和力，继而促进Parkin的募集和激活［5］，因此存在一个泛素化→泛素磷酸化→Parkin募集→Parkin激活→泛素化的级联放大反应。通过控制线粒体蛋白，PINK1∕Parkin信号通路通过调节线粒体自噬、线粒体动力学和线粒体介导的细胞凋亡在维持线粒体稳态中发挥重要作用［8］。

3 PINK1∕Parkin信号通路介导的线粒体自噬在神经系统损伤中的研究进展

3.1 PINK1∕Parkin通路介导的线粒体自噬与细胞凋亡

在果蝇模型［8］中，PINK1和Parkin敲低或敲除的突变体表现出与细胞凋亡相关的显著特征。细胞凋亡是一种程序性细胞死亡，在多种生物学事件中发挥作用。细胞凋亡信号转导通路有多种，其中线粒体凋亡途径是触发细胞凋亡或死亡的重要信号通路之一［9］。健康的线粒体通过氧化磷酸化产生ATP促进细胞代谢，而受损的线粒体会向细胞质中释放凋亡因子，上调天冬氨酸特异性半胱氨酸蛋白酶9（Caspase-9）的表达，触发细胞凋亡［10］。有研究［11］表明，利用PINK1∕Parkin通路介导的线粒体自噬，可以防止细胞损伤，如PINK1∕Parkin通路介导的线粒体自噬可抑制锰诱导的人神经母细胞瘤细胞（SH-SY5Y）凋亡。Wen等［9］证明PINK1∕Parkin通路介导的线粒体自噬能减轻镉诱导的大鼠大脑皮层神经元凋亡，具有神经保护作用。同样，该通路介导的线粒体自噬在创伤性脑损伤中也表现出相似作用［12］。然而，线粒体自噬在细胞损伤中存在与之相反的作用，如潘晓杰等［13］发现在慢性阻塞性肺疾病模型大鼠的肺组织中，PINK1∕Parkin通路激活，引起线粒体不断受损，导致自噬过度，从而触发细胞凋亡。因此，该通路介导的线粒体自噬对细胞凋亡的作用，可能依赖于细胞或组织类型、自噬的激活程度以及通路下游线粒体自噬底物的不同，其具体机制还需进一步探究。

3.2 PINK1∕Parkin通路介导的线粒体自噬与脑缺血再灌注引起的神经系统损伤

在脑缺血再灌注损伤中，发现PINK1∕Parkin通路被激活，并通过诱导线粒体自噬保护受损的脑组织。miRNA可以潜在地调节细胞功能的各个方面，包括生长、增殖、分化、细胞死亡等，并在许多疾病的发病机制中起关键作用［14］。有报道称，在脑缺血再灌注损伤中，它可以通过PINK1∕Parkin通路介导的线粒体自噬在疾病损伤中抑制细胞凋亡，如miR-361-3p可通过PINK1∕Parkin通路靶向伏隔核相关因子1（nucleus accumbens associated 1，NACC1）降低活性氧（ROS）的产生和细胞凋亡，缓解脑缺血再灌注损伤［15］。另外， Huang等［10］证实神经酰胺激酶样蛋白（ceramide kinase like protein，CERKL）可通过SIRT1∕PINK1∕Parkin依赖性线粒体自噬减轻氧化应激诱导的细胞凋亡，降低缺血再灌注诱导的神经系统损伤。

另外，使用外源性的药物或化合物，可以稳定线粒体外膜上的PINK1，进而招募并激活Parkin，诱导线粒体自噬，缓解疾病导致的神经系统损伤。例如，Mao等［16］研究表明，川芎内酯可以通过PINK1∕Parkin通路介导的线粒体自噬来改善对缺血性中风的神经元损伤。魏思灿等［4］证实槲皮素也依赖这种方式减轻脑缺血再灌注引起的神经系统损伤。上述研究证实，脑组织、脑血管PINK1∕Parkin通路介导的线粒体自噬能够抑制细胞凋亡，减轻神经元损伤，发挥神经保护作用。中草药在疾病治疗中具有重要作用，可以借助生物信息学技术明确中草药中起作用的具体成分，提升基础研究的效率。

3.3 PINK1∕Parkin通路介导的线粒体自噬与帕金森病

帕金森病（Parkinson′s disease，PD）是一种常见的神经系统变性疾病。其中，PRKN、PINK1和帕金森病蛋白7（Parkinsonism associated deglycase，PARK7∕DJ-1）功能缺失突变，可导致常染色体隐性遗传形式的帕金森病。此外，PINK1和Parkin是两种通过线粒体自噬共同促进线粒体稳态的线粒体蛋白，而且线粒体功能障碍是帕金森病发病的最重要机制［17］，提示PINK1∕Parkin通路介导的线粒体自噬是帕金森治疗的重要策略。另外，在成纤维细胞和神经元中DJ-1蛋白参与PINK1∕Parkin依赖的线粒体自噬，明确了DJ-1是PINK1∕Parkin重要的下游介质［18］。通过探究调控PINK1∕Parkin经典线粒体自噬通路的上下游分子，明晰疾病的发病机制，使疾病信息透彻化，可为疾病治疗提供新思路。Dong等［17］研究发现，抑制miR-421可保持线粒体功能，并通过PINK1∕Parkin通路介导的线粒体自噬干预帕金森病的发病机制。单个miRNA可以靶向多个基因，而miRNA簇包含多个miRNA，需深入了解miRNA与PINK1∕Parkin通路的之间的关联，寻找潜在的治疗靶点。除此之外，通过药物直接结合有作用的靶点，能够发挥神经保护作用，这是快捷而有效的方式。例如，Li等［19］发现红景天苷能触发PINK1∕ Parkin通路介导的线粒体自噬，保护多巴胺能神经元。

然而，一篇评论综述［20］中提到一种线粒体自噬受体蛋白Nip3样蛋白X（Nip3-like protein X，NIX），它可以作为Parkin的下游底物，通过PINK1∕Parkin依赖性线粒体自噬维持线粒体质量；但过表达Nix又能以PINK1∕Parkin非依赖性的方式，独立介导线粒体自噬，恢复细胞激活线粒体自噬的能力，提高线粒体能量的产生。这提示，诱导线粒体自噬的途径有很多，要注意途径之间的关系以及靶点自身的作用机制，PINK1∕Parkin通路介导的线粒体自噬在疾病中研究虽是经典广泛的，但不是唯一。

3.4 PINK1∕Parkin通路介导的线粒体自噬与阿尔茨海默病

阿尔茨海默病（ Alzheimer′s disease，AD）是一种进行性神经退行性疾病，以记忆力减退和多种认知功能障碍为特征。迄今为止，大量研究揭示了AD的复杂发病机制，如β-淀粉样蛋白（amyloid β-protein，Aβ）沉积、微管相关蛋白过度磷酸化、线粒体功能障碍、突触功能障碍、氧化应激、神经元炎症等。其中，Aβ沉积是造成神经元线粒体损伤的直接原因，细胞质中的Aβ积累增加使PINK1和Parkin水平下降，缺少靶向功能失调线粒体的自噬体的有效数量［21］，继而损伤线粒体功能，导致神经细胞凋亡。所以，提高线粒体功能和蛋白质稳态可以减少有害蛋白聚集体的形成，抑制疾病发生，起到延缓疾病进展的效果。另外，Parkin能促进细胞内Aβ的泛素化及蛋白酶降解，在Aβ沉积的神经退行性疾病中表现出保护作用［22］。由此看出，提高PINK1∕Parkin水平，诱导线粒体自噬对减轻AD中神经系统损伤至关重要，众多研究也得以验证。

通过体内和体外实验，将药物作用于PINK1∕Parkin通路及相关靶点，结果显示具有治疗效果。李和梅等［23］通过建立Aβ损伤的大鼠嗜铬细胞瘤PC12细胞模型，论证了人参皂苷增强PINK1∕Parkin通路介导的线粒体自噬水平，改善Aβ造成的细胞线粒体损伤，缓解神经元损伤。此外，Wang等［24］证实镉通过腺苷酸活化蛋白激酶（AMP-activated protein kinase，AMPK）以PINK1∕Parkin依赖的方式触发线粒体自噬，清除受损的线粒体，抑制神经元细胞的炎症反应。另外，王南卜等［25］发现，β-细辛醚经调节PINK1∕Parkin通路介导的线粒体自噬改善阿尔茨海默病大鼠的学习认知能力。

根据以上研究，通过干预PINK1∕Parkin通路介导的线粒体自噬能够调控AD的发病机制，起到治疗疾病的目的。由于疾病的继发性损伤具有一定相似性，可以推测上述药物及靶点通过PINK1∕Parkin通路介导的线粒体自噬在其他神经系统损伤疾病中同样有效。

3.5 PINK1∕Parkin通路介导的线粒体自噬与脊髓损伤

脊髓损伤（spinal cord injury，SCI）是中枢神经系统严重的损伤性疾病，具有神经元再生能力弱、病理学改变复杂等特点，还存在神经元凋亡、神经炎症、氧化应激、缺血再灌注等问题，这些称为继发性损伤。当对其采取一些干预措施时，疾病情况往往有好转，所以继发性损伤被作为治疗疾病的落脚点。Mao等［26］研究表明，麦芽酚通过Nrf2∕PINK1∕Parkin通路，降低PC12细胞中线粒体膜蛋白TOM20和电压依赖性阴离子通道1的表达水平，促进脊髓损伤后线粒体自噬，抑制氧化应激。此外，Gu等［27］证实红景天苷可通过促进PINK1∕Parkin通路介导的线粒体自噬和抑制氧化应激，改善脊髓缺血再灌注损伤后线粒体依赖的神经元凋亡。红景天苷可以通过此机制对帕金森病及脊髓损伤产生相应作用，由此可以了解到疾病之间存在共性机制，且药物之间也存在共性特点，所以推测其他类似药物能够通过该方式逆转SCI的继发性损伤，如白藜芦醇、桦木酸、维生素E等药物。

经基础研究清楚地了解疾病相关的发病机制之后，对于脊髓损伤疾病的治疗方案会更加明晰。例如，可以利用自噬激活剂增强自噬或激活通路诱导线粒体自噬，防止神经元凋亡、减轻炎症反应。此外，利用抗氧化剂或抗氧化应激的转录因子调控相关通路，可抑制氧化应激，发挥神经保护作用。

3.6 PINK1∕Parkin通路介导的线粒体自噬与癫痫

癫痫是一种常见的神经系统疾病，其发病机制涉及突触结构、细胞死亡、神经信号传导和炎症。杨子茵等［28］研究发现miR-27b表达沉默可触发PINK1∕Parkin通路介导的线粒体自噬，抑制神经炎，改善癫痫程度。另外，miR-137表达可促进Parkin转位入线粒体，促进线粒体自噬，保护海马神经元，减轻癫痫症状［29］。

4 总结与展望

综上所述，通过体内外实验，干预继发性损伤的相关通路及靶点，发现疾病的发病机制被抑制，症状得到缓解。线粒体不仅提供能量，还是活性氧分子的主要来源地，线粒体受损与许多疾病的发病机制有关，而PINK1∕Parkin通路介导的线粒体自噬作为线粒体自噬的典型通路，是多种靶点和药物在神经系统损伤疾病中起作用的分子机制。通过对该通路分子及与其上下游靶点蛋白的研究，可为神经系统损伤疾病的机制研究及药物研发提供新的思路。