导读
尽管细胞内钙稳态的缺陷在帕金森病(PD)的发病机制中起着重要作用，但其潜在的分子机制仍不清楚。在此，我们研究了P T E N-I的L、S和S(PINK 1)和帕尔金(Parkin)引起的肌醇1，4，5-三磷酸受体(IP3R)活性的失调，使内质网钙释放显著增加。此外，我们还发现CDGSH铁硫域1(CISD1，也称为mitoNEET)在Parkin下游具有直接调控IP3R的功能。在PINK1和PARKIN缺失的哺乳动物细胞和果蝇中，CisD1及其同系物CisD(也称为Dosmit)的遗传和药物抑制分别恢复了增加的ER钙释放，证明了PINK1-Parkin途径对细胞内钙稳态的进化保守调节机制。更重要的是，抑制PINK1和Parkin缺失果蝇中的CISD可以挽救与PD相关的表型，包括运动活动缺陷和多巴胺能神经元变性。基于这些数据，我们认为PINK1和Parkin通过CisD1和IP3R调节ER钙释放是治疗PD发病机制的一个可行的靶点。
论文ID
题目：PINK1 and Parkin regulate IP3R-mediated ER calcium release
译名：PINK1和Parkin调节IP3R介导的内质网钙释放
期刊：Nature Communications
IF：16.6
发表时间：2023.8.25
通讯作者单位: 首尔国立大学
DOI号：https://doi.org/10.1038/s41467-023-40929-z
主要内容
黑质多巴胺能神经元的选择性变性是帕金森病(PD)运动症状的主要原因。DA神经元是产生动作电位的自主起搏器，伴随着通过质膜钙通道摄取钙和内质网(ER)1释放钙而引起的细胞内钙浓度的缓慢波动。失去对这些振荡的控制会使神经元更容易受到与PD相关的应激，如内质网应激、氧化应激、炎症、线粒体功能障碍、自噬功能失调和钙信号缺陷。有趣的是，以前的研究报道，在老化或PD条件下，DA神经元表现出对质膜和内质网钙通道的依赖以及胞浆钙水平的持续增加2，3。需要泵出过量的钙导致这些DA神经元需要更高的能量输入，导致线粒体钙水平和氧化磷酸化(OXPHOS)速率的升高，这可能导致不可逆转的线粒体损伤，最终导致细胞死亡。
我们的研究为探究PINK1或Parkin缺乏症诱导的细胞内钙稳态失调与PD发病的机制联系提供了新的视角。PINK1或Parkin KO哺乳动物细胞表现出IP3R活性增强，导致内质网钙释放和胞浆钙水平增加。我们发现PINK1、PARKIN、CisD1PINK1、PINK1、PINK1、PINK1。丢失CISD或使用CISD抑制剂吡格列酮治疗可恢复PINK1和Parkin空蝇中升高的内质网钙释放，并完全恢复其pd相关表型。总之，PINK1和Parkin缺乏引起的IP3R活性升高和ER钙释放增加是帕金森病发病的关键，这些都可以通过抑制CISD1的活性来挽救。考虑到这一点，我们选择了人CISD作为果蝇CISD的哺乳动物同源基因，并进行了相应的实验。有趣的是，Chang等人。以前已经证明，BCL2需要CISD2来抑制IP3R活性。因此，我们通过CisD1对IP3R活性调控机制的研究有别于Chang等人S对CisD2对IP3R活性调控的研究。尽管两者在结构和功能上有相似之处，但由于它们与不同的蛋白质相互作用，这两个蛋白质具有不同的亚细胞定位，并且参与了相互独立的作用。总体而言，我们和Chang等人的S研究结果表明，CisD1和CisD2都是IP3R活性的调节器，但它们是通过各自独特的机制实现这一功能的。
PINK1和Parkin活性通过IP3R钙通道调节内质网钙释放
以往的研究报道，CisD 1参与了铁的动态平衡，而CisD 1的下调导致线粒体中铁的积累和ROS的产生。鉴于这些影响，我们测定了PINK1和Parkin WT或KO哺乳动物细胞和果蝇的ROS水平，证实了PINK1和Parkin KO MEF细胞和果蝇的ROS水平增加。我们还观察到，与对照果蝇相比，CISD KD和KO果蝇体内ROS水平增加。有趣的是，与PINK1、Parkin KO细胞和果蝇相比，PINK1和Parkin KO细胞和果蝇中的CisD1/CisD KD或KO导致了相似的ROS水平。此外，PINK1或Parkin KO细胞和果蝇体内增加的ROS水平不能在Cisd1/CisD被敲除或删除时恢复。这些结果表明，由于失去了CisD1/CisD而导致的ROS水平的升高并不直接参与了我们在CisD/CisD功能缺失实验中观察到的PD表型的挽救。
CisD1Fe-S结合能力可能在其与IP3R相互作用中起作用。已有报道称，CisD1可与多种蛋白质相互作用，包括CisD2、VDAC1和转铁蛋白受体(TfR)。研究表明，CisD2、VDAC1和TfR蛋白之间存在相互作用，这种相互作用参与了线粒体铁稳态的调节、氧化还原信号和铁-S簇的合成。然而，CisD1Fe-S结合基序是否在蛋白质相互作用中发挥重要作用尚不清楚。我们测试了CisD1Fe-S结合相关的功能是否对调节IP3R活性起重要作用，并确定了CisD1Fe-S结合基序(CDGSH结构域)中的半胱氨酸74残基对与IP3R1的相互作用至关重要。然而，我们也证实了CisD1Fe-S结合基序与IP3R结合，尽管C72A突变和CDGSH五肽缺失。因此，我们推测，CisD1Fe-S结合基序的结构变化不影响CisD1IP3R之间的结合，无论Fe-S结合的稳定性如何，吡格列酮都会减少CisD1IP3R的结合。总之，CisD1Fe-S结合能力与调节IP3R活性没有直接关系。
CisD1/CisD介导依赖Parkin的内质网钙释放调节
通过广泛的研究，我们了解到PINK1或Parkin的缺失损害了有丝分裂吞噬功能，并且有丝分裂吞噬功能缺陷是帕金森病发病的潜在因素之一。此外，最近的一项研究表明，CisD KO或KD果蝇胸腺和神经元中的有丝分裂吞噬作用增加，而PINK1或Parkin KO果蝇与CisD KO或KD果蝇杂交后，其有丝分裂吞噬作用降低的现象得到缓解。在我们的研究中，我们观察到，在PINK1或Parkin KO细胞和果蝇中观察到的胞浆钙水平升高的情况下，CisD1/CisD的缺失降低了观察到的升高。细胞内钙信号是吞噬有丝分裂的重要因素。NIX，也被称为BCL2相互作用蛋白3样(BNIP3L)，在线粒体和内质网都具有生物活性。在线粒体上，Nix作为选择性自噬受体，促进了LC3B的募集。在肌肉中，在有丝分裂反应中，Nix促进内质网依赖的钙信号，激活线粒体分裂调节因子Dynamin-Related Protein 1(Drp1)，表明Nix对有丝分裂起作用。低氧时，线粒体Lon蛋白通过与线粒体Na+/Ca~(2+)交换器(NCLX)结合，促进Fundc1-ULK1介导的细胞有丝分裂作用。这种相互作用通过调节线粒体和细胞质之间的钙水平来稳定MAM上的Fundc1-ULK1，并启动有丝分裂。这一过程独立于PINK1和Parkin而发生。此外，其他钙敏感蛋白和途径也可能有助于PINK1Parkin非依赖性有丝分裂吞噬。
这表明，胞浆内钙离子水平的降低可能激活了有丝分裂吞噬作用。总之，由CisD1/CisD调控的有丝分裂吞噬具有减轻PINK1或Parkin缺失引起的帕金森病发病的潜力。然而，还需要进一步的研究来解开cisd1调控有丝分裂的分子机制以及它与细胞内钙信号的相互作用。
虽然已知帕金森病患者存在DA神经元的变性，但这种选择性神经变性是如何发生的仍不清楚。我们的结果表明，PINK1和Parkin KO果蝇的DA神经元丢失和运动损伤可以通过调节ER钙释放来恢复，提示ER和线粒体钙失衡可能导致选择性DA神经元死亡。DA神经元的细胞内钙信号是非常微调的，因为它控制着许多细胞过程，包括基因转录、膜兴奋性、多巴胺神经递质分泌和突触可塑性。此外，神经元的能量产生受到内质网和线粒体钙的严格调控。DA神经元促进线粒体钙从内质网内流，从而刺激OXPHOS和ATP的产生。这种生物能量控制系统是昂贵的，因为在没有强劲的ATP需求的情况下增强OXPHOS会导致线粒体超极化，通过电子传递链逆行电子通量，并增加ROS的产生。因此，DA神经元钙稳态的持续失调以及暴露于危险因素(如衰老、线粒体毒素、突变)可能选择性地诱导代谢应激和线粒体损伤，使DA神经元比其他神经元群体更容易死亡。
PINK1或Parkin缺失导致内质网失调和细胞内钙稳态
总结
虽然钙调节在帕金森病发病机制中的重要性已被认识到，但先前的钙相关药物试验未能改善帕金森病患者的症状。我们的研究表明，吡格列酮是一种噻唑烷二酮(TZD)和抗糖尿病药物，可以缓解PD的发病。尽管之前的临床研究报道了关于吡格列酮抗帕金森病疗效的不同结果，但我们的结果清楚地表明，给果蝇喂食吡格列酮可以挽救由PINK1或Parkin缺乏症引起的帕金森病相关表型。此外，吡格列酮可逆转PINK1和Parkin KO MEF细胞内质网钙释放和胞浆钙水平的增加。因此，我们确定吡格列酮可以特异性地保护由细胞内钙稳态失调引起的帕金森病的发病机制，呼吁未来对吡格列酮及其类似物进行专门针对携带PINK1或Parkin突变的帕金森病患者的临床研究。
原文链接
https://doi.org/10.1038/s41467-023-40929-z
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