MUL1與帕金森病

熱依沙·塔西買買提綜述， 李紅燕審校

帕金森病(PD)是老年人好發(fā)的神經(jīng)變性病，其發(fā)病率隨著年齡的增長(zhǎng)而增加，60歲以上人口的發(fā)病率可達(dá)1%[1]。帕金森病的臨床主要特征為運(yùn)動(dòng)障礙，包括進(jìn)行性運(yùn)動(dòng)遲緩、肌強(qiáng)直、靜止性震顫和姿勢(shì)步態(tài)異常等，此外還可伴有大量的非運(yùn)動(dòng)癥狀(NMS)，如嗅覺(jué)減退、便秘、抑郁、睡眠障礙等[2]，嚴(yán)重影響患者的生活質(zhì)量，并給家庭和社會(huì)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)與照料負(fù)擔(dān)。

目前臨床上治療帕金森病的藥物如左旋多巴、金剛烷胺等并不能改變其自然病程，且長(zhǎng)期服用還會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的副作用。隨著基因治療技術(shù)的發(fā)展，帕金森病因其早期病變局限于黑質(zhì)的多巴胺能神經(jīng)元(DA神經(jīng)元)、可通過(guò)增加外源性多巴胺補(bǔ)償?shù)忍攸c(diǎn)，被認(rèn)為是中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病中最適合基因治療的疾病之一[3]。PD的病因很復(fù)雜，遺傳和環(huán)境因素都可能與其相關(guān)[4]，而線粒體融合/裂變功能的障礙被認(rèn)為是包括帕金森病在內(nèi)的神經(jīng)退行性疾病的罪魁禍?zhǔn)譡5]。因此，尋找線粒體中調(diào)控帕金森病相關(guān)基因的酶或底物作為治療的靶點(diǎn)十分重要。

線粒體E3泛素連接酶1(MUL1)，也稱為線粒體錨定蛋白連接酶(MAPL)[6]、NF-kB線粒體泛素連接酶活化劑(MULAN)[7]等，是人類細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)的多功能線粒體外膜蛋白[8]。人類的MUL1含有兩個(gè)跨膜結(jié)構(gòu)域(TM)和高度保守的C末端環(huán)指結(jié)構(gòu)域(RNF)，兩個(gè)TM結(jié)構(gòu)域?qū)UL1錨定到線粒體外膜，同時(shí)使RNF結(jié)構(gòu)域面向胞質(zhì)[9]。MUL1具有泛素樣修飾酶(SUMO)活性，并可穩(wěn)定Drp1或泛素連接酶，及降解線粒體融合蛋白(Mfn)[9]。在一些報(bào)道中提到，MUL1的表達(dá)可導(dǎo)致更小和更加碎片化的線粒體[6，7]。在既往研究中發(fā)現(xiàn)MUL1與動(dòng)物細(xì)胞中的多個(gè)生理過(guò)程有關(guān)，例如NF-kB激活、先天免疫和抗病毒信號(hào)傳導(dǎo)、骨骼肌中的線粒體自噬及蛋白酶依賴性細(xì)胞凋亡等[8，10～12]。

MUL1通過(guò)影響Mfn的表達(dá)來(lái)調(diào)控線粒體的融合及裂變之間的平衡。線粒體的融合及裂變過(guò)程，不僅控制線粒體的形狀、大小和數(shù)量，還調(diào)節(jié)線粒體的功能(如呼吸作用和細(xì)胞死亡/存活)、自噬和分布等[13]。線粒體的完整性對(duì)維持哺乳動(dòng)物細(xì)胞線粒體呼吸功能至關(guān)重要[14]，而線粒體呼吸功能障礙與帕金森病DA神經(jīng)元功能障礙密切相關(guān)[15]。線粒體完整性的保持通過(guò)兩種作用相反的機(jī)制進(jìn)行平衡：線粒體的融合主要由Mfn促進(jìn)；而線粒體的裂變主要由Dynamin相關(guān)蛋白1(Drp1)控制[9，16]。Mfn(包括Mfn1和MFN2)主要通過(guò)泛素化和蛋白酶降解，而Drp1的活性受到基因轉(zhuǎn)錄及翻譯后產(chǎn)物的調(diào)節(jié)，包括磷酸化、SUMO化和泛素化等[16]。融合有助于損傷的線粒體DNA(mtDNA)的修復(fù)；而裂變則有助于線粒體的合理分布，以滿足組織細(xì)胞對(duì)能量的需求[17]。目前有文獻(xiàn)提到，MUL1與帕金森相關(guān)PINK1/parkin及VPS35基因有關(guān)，并由此影響帕金森病的臨床癥狀。

1 MUL1與PINK1/parkin基因

PINK1和Parkin基因與線粒體的存活及分布有關(guān)[18]，其功能喪失可導(dǎo)致線粒體形態(tài)和功能改變，導(dǎo)致特定的DA神經(jīng)元簇所管轄的的肌肉變性及細(xì)胞死亡[19]。Parkin基因的表達(dá)產(chǎn)物Parkin蛋白(胞質(zhì)E3泛素連接酶)在泛素蛋白酶體系統(tǒng)(UPS)中發(fā)揮重要作用。該基因突變可導(dǎo)致Parkin 蛋白功能障礙，其底物蛋白質(zhì)不能通過(guò)泛素化途徑降解，最終導(dǎo)致神經(jīng)元死亡[20]。PINK1基因表達(dá)產(chǎn)生PINK1蛋白(線粒體激酶)，其與Parkin通過(guò)自噬溶酶體途徑共同調(diào)節(jié)功能失調(diào)線粒體的清除，即線粒體自噬[19，21～23]。果蠅MUL1(CG1134)編碼具有類似結(jié)構(gòu)域結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)，與人類MUL1具有52%的氨基酸相似性。Yun等[9]運(yùn)用UAS/GAL4系統(tǒng)將MUL1在果蠅的多種組織中過(guò)表達(dá)[24]時(shí)發(fā)現(xiàn)，連接酶非失活狀態(tài)下過(guò)表達(dá)的MUL1，可以抑制PINK1突變的DA神經(jīng)中線粒體的凝集現(xiàn)象及果蠅胸部間接飛行肌的萎縮。為解釋該現(xiàn)象他們將果蠅MUL1編碼基因中的P元件敲除，形成MUL1A6突變型，而攜帶該突變型的果蠅線粒體變得小且碎片化，由此他們推斷MUL1與線粒體的裂解有關(guān)。

線粒體的融合及裂解由Mfn及Drp1，而目前認(rèn)為PINK1/parkin通路對(duì)調(diào)控該過(guò)程有重要意義。PINK1/parkin通路可泛素化Mfn并促進(jìn)Mfn降解，從而引起有缺陷的線粒體的選擇性凋亡，即自噬。Yun等發(fā)現(xiàn)，MUL1通過(guò)泛素化依賴性降解，可抑制PINK1/parkin基因的突變，從而與PINK1/parkin通路一同調(diào)控線粒體基因的完整性及質(zhì)量。同時(shí)，MUL1可調(diào)控Mfn來(lái)維持線粒體的功能及形態(tài)，但并不促進(jìn)其生成。

當(dāng)PINK1/parkin基因突變時(shí)，Mfn增多而Drp1的表達(dá)相對(duì)減少，這使得線粒體自噬作用受抑制。而這一變化可導(dǎo)致線粒體的形態(tài)異常、自凈作用減弱，從而無(wú)法有效的給細(xì)胞供能，引起包括DA神經(jīng)元、肌肉細(xì)胞在內(nèi)的多種組織細(xì)胞的死亡，并引發(fā)各種臨床癥狀。

Yun等通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)PINK1/parkin基因缺失時(shí)，MUL1過(guò)度表達(dá)，與Mfn物理結(jié)合并促進(jìn)其降解，從而降低Mfn，但并不影響Drp1的表達(dá)水平，由此維持細(xì)胞內(nèi)Mfn與Drp1的相對(duì)平衡。他們推測(cè)：MUL1與PINK1/parkin基因通路協(xié)同調(diào)控線粒體的完整性，且當(dāng)PINK1/parkin基因缺失時(shí)，MUL1的過(guò)度表達(dá)可起補(bǔ)償作用來(lái)維持線粒體的功能，同時(shí)挽救肌肉細(xì)胞免于凋亡。而這一機(jī)制有可能成為帕金森病治療的潛在靶點(diǎn)。

同時(shí)，他們的研究也發(fā)現(xiàn)，當(dāng)MUL1缺乏時(shí)，線粒體的破壞程度比單一缺失PINK1或parkin基因時(shí)所造成的損害更為嚴(yán)重。他們由此提出MUL1可能是PINK1/parkin途徑的下游靶點(diǎn)，以及Mfn的上游靶點(diǎn)?；蛘?，其可能與PINK1/Parkin途徑并行起作用，且擁有一個(gè)共同的作用目標(biāo)，如Mfn等。但也有一些研究發(fā)現(xiàn)需要同時(shí)去除parkin和MUL1基因，才能使泛素化過(guò)程明顯的降低[25]，但這些推測(cè)都還需進(jìn)一步的大樣本量實(shí)驗(yàn)證實(shí)。

2 MUL1與VPS35基因

液泡蛋白分選相關(guān)蛋白35(VPS35，也叫PARK17)基因是一種與溶酶體系統(tǒng)有關(guān)的基因，與常染色體顯性遺傳的多發(fā)性家族性晚發(fā)性PD有關(guān)[26，27]。VPS35是Retromer復(fù)合物的亞基，其在指導(dǎo)細(xì)胞蛋白轉(zhuǎn)運(yùn)到反面高爾基網(wǎng)中起作用[27]。有研究發(fā)現(xiàn)，PD患者黑質(zhì)及阿爾茨海默病(AD)患者海馬中VPS35蛋白減少，且VPS35/retromer功能障礙或缺陷[28，29]。在DA神經(jīng)元中，VPS35減少可導(dǎo)致小鼠出現(xiàn)PD相關(guān)的病變，例如α-突觸核蛋白的積聚、DA神經(jīng)元死亡及運(yùn)動(dòng)障礙等[30，31]。

因VPS35突變 (VPS35-/-)的小鼠早年即死亡[32]，故Tang 等[13]通過(guò)研究VPS35雜合子(VPS35+/-)小鼠及DA神經(jīng)元VPS基因缺陷(VPS35DAT-Cre)的模型小鼠發(fā)現(xiàn)：VPS35+/-小鼠PD的發(fā)病率呈現(xiàn)與年齡正相關(guān)，而VPS35DAT-Cre模型小鼠在成年早期就出現(xiàn)進(jìn)展迅速的PD癥狀，其中步態(tài)不穩(wěn)、起步困難等運(yùn)動(dòng)癥狀更加突出。他們進(jìn)一步指出：VPS35缺陷或突變，可損傷DA神經(jīng)元、神經(jīng)母細(xì)胞瘤細(xì)胞系(SH-SY5Y和NLT)和腹側(cè)中腦的線粒體融合及裂變功能。VPS35通過(guò)促進(jìn)MUL1的降解來(lái)增加Mfn2蛋白的穩(wěn)定性，從而調(diào)節(jié)線粒體的融合功能。在VPS35缺陷的SH-SY5Y細(xì)胞中，MUL1表達(dá)增加而MFN2減少，這表明MFN2可能為MUL1的底物。同時(shí)他們發(fā)現(xiàn)，在VPS35缺陷型的DA神經(jīng)元中抑制MUL1的表達(dá)，可修復(fù)帕金森病相關(guān)病理過(guò)程，包括MFN2的減少、線粒體的碎片化及DA神經(jīng)元損失，但對(duì)α-突觸核蛋白的積聚無(wú)改善作用。

他們提出，這些結(jié)果表明VPS35可能是MUL1轉(zhuǎn)運(yùn)和降解的關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子，通過(guò)抑制MUL1的表達(dá)可增加Mfn2，并促進(jìn)Mfn2介導(dǎo)的線粒體融合及DA神經(jīng)元存活。而當(dāng)VPS35基因缺陷/突變時(shí)，MUL1降解和線粒體融合受抑制，從而引起DA神經(jīng)元中線粒體的數(shù)量及功能下降，最終導(dǎo)致DA神經(jīng)元死亡，而這有可能是帕金森病發(fā)病的基礎(chǔ)。

3 其 他

目前對(duì)MUL1的研究正在不斷深入，多項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)其與帕金森病的發(fā)病與臨床表現(xiàn)在很多方面有關(guān)聯(lián)。

Casado等[33]通過(guò)研究斑馬魚(yú)PD模型發(fā)現(xiàn)：當(dāng)將斑馬魚(yú)胚胎暴露于MPTP時(shí)，MPTP可抑制parkin/PINK1/DJ-1基因的表達(dá)，阻礙parkin/PINK1/DJ-1/MUL1網(wǎng)絡(luò)的正常功能，而去除MPTP不能阻止神經(jīng)變性過(guò)程的發(fā)展并使胚胎出現(xiàn)嚴(yán)重的運(yùn)動(dòng)障礙。而當(dāng)把褪黑素與MPTP一起加入時(shí)，褪黑素有利于保持和恢復(fù)parkin/PINK1/DJ-1/MUL1環(huán)的基因表達(dá)和正常功能，同時(shí)胚胎活動(dòng)呈現(xiàn)正常運(yùn)動(dòng)。他們認(rèn)為這是由于褪黑激素弱化MPTP對(duì)parkin和PINK1基因的影響，增強(qiáng)MUL1的表達(dá)并增強(qiáng)其在線粒體穩(wěn)態(tài)平衡中的作用。因此他們推測(cè)褪黑激素有利于恢復(fù)斑馬魚(yú)帕金森病模型的腦功能。這項(xiàng)研究表明褪黑素可能不僅有利于緩解帕金森患者的運(yùn)動(dòng)癥狀，對(duì)其非運(yùn)動(dòng)癥狀如睡眠障礙、不寧腿綜合征等也有一定的治療作用。

Attaix等[34]在他們的文章中提到：當(dāng)通過(guò)饑餓和去神經(jīng)支配誘導(dǎo)肌肉萎縮時(shí)，可導(dǎo)致小鼠肌肉中MUL1的水平升高。而MUL1的增加可通過(guò)促進(jìn)Mfn的降解抑制線粒體的自噬作用，從而使肌細(xì)胞中的功能性線粒體增加，減少肌肉蛋白的分解。肌肉萎縮是PD中后期影響患者運(yùn)動(dòng)能力的重要因素，這項(xiàng)研究表明MUL1在抑制肌肉萎縮方面起積極作用。如果能適當(dāng)提高肌肉中MUL1的表達(dá)，勢(shì)必可以改善PD患者生活質(zhì)量。

4 展 望

PD的發(fā)病機(jī)制非常復(fù)雜，其可以引起進(jìn)行性DA神經(jīng)元損傷和運(yùn)動(dòng)障礙，影響神經(jīng)功能及其完整性。目前多巴胺替代療法是治療PD早期的有效方法，但隨著疾病的進(jìn)展，藥物的有效性下降，患者出現(xiàn)左旋多巴誘導(dǎo)的運(yùn)動(dòng)障礙如異動(dòng)癥等，妨礙了藥物的使用。因此，尋找新的治療神經(jīng)系統(tǒng)變性病的方法顯得十分重要，而基因治療技術(shù)給我們帶來(lái)了新的希望?；蛑委煹膬?yōu)點(diǎn)在于，我們可以在特定的腦區(qū)域植入某些基因，通過(guò)其代謝產(chǎn)物達(dá)到治療PD的目的，同時(shí)避免或減少靶向外的影響[35，36]。雖然現(xiàn)在該領(lǐng)域的研究因?yàn)楦鞣N因素的限制還僅局限于實(shí)驗(yàn)室階段，但隨著技術(shù)的發(fā)展和成熟，若能將該基因治療技術(shù)運(yùn)用于臨床將造福廣大PD患者。MUL1作為一種線粒體蛋白，若能根據(jù)PD患者的基因缺陷類型，通過(guò)基因技術(shù)合理的增強(qiáng)或減弱其表達(dá)，也許能從根本上調(diào)節(jié)線粒體的功能，以達(dá)到改善PD臨床癥狀的目的。

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