beyaz logo.png

PINK1: Parkin Aracılı Mitofajinin Parkinsondaki Rolü


 

Ali Aslan - Moleküler Biyoloji ve Genetik Bölümü, Biruni Üniversitesi

 

Parkinson hastalığı(PD), dünyada en yaygın görülen ikinci nörodejeneratif bozukluktur. Şuanlık kesin bir tedavisi bulunmamakla birlikte kronik ve progresif ilerleyen bu nörodejeneratif hastalık, dünya nüfusunun %2’sinde görülmektedir. Bu bakımdan dünya genelinde 6 milyondan fazla vaka olduğu bildirilmektedir[1]. Birçok nörodejeneratif bozukluk, çoklu etkilerle karakterize olduğundan Parkinson’da da çeşitli semptomlar mevcuttur. Bu semptomlara tremor, rijidite, bradikinezi ve postüral instabilite örnek verilebilir[2]. Hastalığın patogenezi, Merkezi Sinir Sisteminin(MSS) nigro-striatal yolağındaki dopaminerjik nöronların kaybıyla karakterizedir. Bu bakımdan MSS’nin substantia nigra pars kompakta(SNpc), striatum gibi bölgelerinde dopamin içeren nöronların bir şekilde hasar gördüğü ve bunun sonucunda da semptomlar geliştiği söylenebilir[3]. Ayrıca, PD ile ilişkili DJ-1, Parkin ve Fosfataz ve tensin homolog(PTEN)-indüklü kinaz 1(PINK1) gibi genlerde meydana gelen mutasyonların da dopaminerjik nöron kaybıyla ilişkili olduğu bilinmektedir[4]. Nörodejeneratif hastalıkların oluşum temelinde yatan protein agregasyonları aynı şekilde Parkinson’da hücre içi Lewy cisimciklerinin birikmesiyle kendini göstermektedir. Bununla birlikte, PD hastalarının beyinlerinde var olan mitokondriyal hasarın ve Lewy cisimciklerin etkileri görülmüştür[5]. Bu bakımdan PD, aynı zamanda mitokondriyal hastalıklar kategorisine de girmektedir. Parkinson hastalığında var olan bu mitokondriyal hasarların ve bozuklukların otofajik yolaklarla da ilişkisi olduğu görülmektedir[6]. Otofaji, bozulmuş hücre organellerinin ya da bozulması gereken fakat bozulmayan protein yapılarının yıkımından sorumlu bir hücre ölüm mekanizmasıdır. Bu anlamda işlevini tam olarak yerine getiremeyen, bozulmuş mitofajinin ortadan kaldırılması sürecine de “mitofaji” adı verilmektedir[7].


Şekil 1: Parkinson’un oluşumunda bazal gangliya bölgesine genel bir bakış. Görselde çeşitli yolakların haritası gösterilmektedir. Genel olarak bu yolaklar direkt(sol) ve indirekt(sağ) yolaklar olarak ikiye ayrılmaktadır. Burada eksitatör bağlantılar yeşille, inhibitör bağlantılar ise kırmızı ile ifade edilmiştir. Görselde bütün yolakların haritası gösterilmese de Parkinson’da önemli yolaklar olan striatum-kaudat nükleus bağlantısı, korteks-beyin sapı bağlantısı ve SNpc girdileri gösterilmektedir[8].



Şekil 2: Nigrostriatal yolakta, Striatum( kaudat nükleus ve putamen) ve orta beyinde yer alan SNpc arasındaki sinirsel bağlantı gösterilmektedir.


Şekil 3: Normal ve PD’li beynin karşılaştırılmasında yer alan SNpc kısmındaki oklar o bölgedeki hücre yapılarını göstermektedir. Normal SNpc’de yer alan karartılı bölgeler nöromelanin pigmentinin varlığını göstermektedir. Bölgenin karartılı olması, pigmentasyonun normal olduğuna ve dopaminerjik nöronlarda nöromelaninin üretildiği anlamına gelir. Görüldüğü üzere bu karartılar Parkinson hastalığında oldukça azalmaktadır[9,10].


Mitofaji süreci incelendiğinde, hasarlı mitokondri, otofagozom zarı tarafından çevrelenir ve oluşan otofagozom, daha sonra lizozoma katılarak içeriğin hidroksilaz enzimleriyle parçalanmasına izin verir. Normal işleyen bir süreçte, mitofajinin oluşması, nöronal mikroçevrede toksisitenin ve agregasyonun önlenmesi açısından oldukça önemlidir[11]. Mitofaji mekanizmasının down regülasyonu toksisitenin artmasına ve nihai olarak nöron ölümüne yol açmaktadır[12]. Ayrıca Mitofajinin up regülasyonu PINK1 ve Parkin aracılığı ile sağlanmaktadır[12]. Bu bakımdan PINK1/Parkin ilişkili mitofajinin incelenmesi, Parkinson patogenezinin anlaşılmasında önemli bir rol oynamaktadır.


PINK1 geni, serin/treyonin kinaz alanı ve N-terminus mitokondriyal lokalizasyon sekansından oluşan düzenleyici bir gen çeşididir[13]. PINK1 temel olarak mitokondrinin işleyişini, işlevini ve kalitesini kontrol eden bir gendir. Araştırmalarda PINK1 eksikliğine sahip fare modellerinde, mitokondriyal respirasyonun etkinsizleştiği, anormal mitokondri morfolojisinin oluştuğu ve oksidatif stresin geliştiği görülmüştür[14]. Kısaca, PINK1’in mitofajide rol alması itibarıyla beyinde nörokoruyucu bir etkisi olduğu söylenebilir.

Şekil 4: Mitofajinin aşamalarının gösterimi. A) Görselde, Ubikitin bağımlı PINK1/Parkin aracılı mitofajinin oluşumu görülmektedir. P62, NDP52 ve OPTN otofaji reseptörlerinin LC3’e bağlanmasıyla Mitokondri ve Otofagozom arasında bağlantı sağlanmaktadır. PINK1’in mitokondri dış zarında lokalize olması, Parkin’in de alımına sebep olmakta, Parkin’in fosforile olması da diğer ubikitin adaptör proteinlerin alımına sebep olmaktadır. WIPI 1/2, ATG16L1, ATG5 ve ATG 12 ise otofagozom oluşumunda rol oynamaktadır. Otofagozom yüzey reseptörü ile Lizozomal proteinlerin bağlantı kurmasıyla otofagozom içi maddelerin sindirimi gerçekleşir. B) Ubikitin’den bağımsız reseptör aracılı mitofaji. NIX, BNIP3 ve FUNDC1 gibi aracı proteinlerin oluşturduğu bu mitofaji çeşidinde deubikitinasyon olmadığından süreç kısa yoldan işlemektedir. C) Alternatif degradasyon yolağı. Parçalı mitofaji ve mitokondriyal vezikül degradasyonu, mitokondrinin lokalize yıkımında rol oynayan hücresel yollardır[15].


Normal işleyen sistemde, PINK1 proteini işlevini yerine getirdikten sonra veya yıkılması gerektiğinde mitokondri içine alınarak Presenilin-ilişkili romboid benzeri protein(PARP) tarafından yıkıma uğratılır[16]. Ne var ki, sistemdeki sürecin bozulmasıyla birlikte, mitokondri zarı depolarizasyonun etkisiyle PINK1 parçalanamaz ve mitokondrinin dış zarında birikmeye başlar[17]. Bununla birlikte, PINK1 mitokondri dış zarında ubikitin proteinlerinin Serin 65(Ser65) rezidüsünde fosforile olmasına sebep olmaktadır[18]. Fosforile olmuş ubikitin proteinleri, Parkin uyarımına neden olmakta ve beraberinde Parkin katkılı ubikitin ligaz aktivitesi sonrasında mitokondri dış zarında bulunan voltaj bağımlı anyon kanalı 1(VDAC1) ve mitofüzin 2(Mfn2) gibi çoklu proteinlerin ubikitinasyona uğramasına neden olmaktadır[19]. Bu sistem kısır bir döngüde ve ileri beslemeli mekanizmada sürekli tekrar etmektedir. Sonuç olarak oluşan bu düzensizlik, önemli dış zar proteinlerinin yıkımıyla beraber mitokondriyal hasarın oluşmasına sebep olmaktadır.

Şekil 5: Sağlıklı ve Hasarlı mitokondrideki PINK1/Parkin ilişkili süreçlerin gösterimi[20].



Diğer bir konu ise disfonksiyonel PINK1/Parkin aracılı mitofajinin inflamasyonda da rol oynamasıdır. In vivo çalışmalarda, PINK1/Parkin aracılı mitofajinin doğal immün yanıtı baskınladığı ve mitofajide oluşan bu disfonksiyonun interferon genlerinin uyarıcısı (STING) yolağının up regülasyonuna neden olduğu görülmüştür[21]. STING yolağının up regüle olması enflamatif bir fenotip oluşturduğundan bu da nöronal ölüme sebep olmaktadır[22]. PINK1 knockout(KO) edilmiş farelerde immün yanıtın ve enflamasyonun değiştiği gözlemlenmiştir[23]. Buna karşın Parkin’in KO edilmesi farelerde nigral dejenerasyon ilişkili enflamasyona karşı savunmasız hale getirdiği gözlemlenmiştir[24]. Yapılan bu çalışmalarla PINK1 ve Parkin genlerinin enflamasyonla yakın bir ilişki içerisinde olduğu görülmektedir.

Şekil 6: Mitokondriyal disfonksiyon sonucunda parçalanan mitokondri’den ayrılan mitokondriyal DNA(mtDNA) endozom yoluyla TLR9’u etkinleştirip enflamasyonun oluşumuna sebep olmaktadır. Diğer yandan, cGAS-STING yolağının etkinleşmesi de NF-kB bağımlı pro enflamatuvar sinyal yolağının etkinleşmesine ve IFN yanıtına sebep olmaktadır. Ayrıca, Enflamazom yolağının etkinleşmesiyle IL-1 ve IL8 salınımı da meydana gelmektedir[25].


Araştırmacılar PINK1/Parkin aracılı mitofajinin çeşitli yollarla iyileştirilmesinde ve etkinleştirilmesi üzerinde araştırmalar yapmaktadır. Mitokondriyal disfonksiyonun oluşturduğu PD patogenezi bazı terapötik yaklaşımlarla düzeltilebileceği öngörülmektedir. Bunlardan ilki PINK1 etkinleştiricileridir. Yapılan araştırmalarda PINK1’in üç bölgede oto fosforile olduğu görülmüştür. Bu otofosforilasyon bölgeleri arasında Thr257, Ser228 ve Ser402 gibi bölgeler bulunmaktadır[26]. Ayrıca, Ser228 ve Ser402 Parkin uyarımını sağlayan iki bölgedir. Ser402’nin otofosforile olması ve PINK1’in etkinleşmesi Parkin alınımını arttırmakta ve Ser402’deki otofosforilasyon eksikliği ise Parkin alınımını azaltmaktadır[27]. Küçük moleküllerle yapılması planlanan PINK1 etkinleştirmesi ile hasarlı mitokondrilerin otofajiye doğrudan gitmesi ve toksisitenin azaltılması düşünülmektedir[28]. Diğer bir yaklaşım ise PINK1 KO sıçanlarda kullanılan kinetin trifosfat etken maddesidir. PINK1 KO edilmiş sıçanlarda kinetin etkisi görülemese de kinetin etkinliğinde dopaminerjik nörodejenerasyonun da görülmediği bildirilmiştir[29]. PINK1 KO edilmesinin yaratmış olduğu patolojinin kinetin ile düzeltilmesi amaçlanmaktadır.


İkinci terapötik yaklaşım ise Parkin etkinleştiricileridir. Parkin, E3 ligaz proteinleri ailesinden olan bir protein çeşididir. Parkin proteininin beş alandan oluşmaktadır. Bunlar, ubikitin benzeri alan (Ubl), RING0, RING1, IBR, ve RING2’dir[30]. Parkin ilişkili PD vakalarında 100’den fazlam mutasyonun gen bölgelerinde silinmeye, kesilmeye ve duplikasyonlara neden olduğu bilinmektedir[31]. Ayrıca oluşan mutasyonların bu beş alanla ilişkili olduğu da görülmüştür. Parkin etkinleştiricilerinin Parkin yapısında yarattıkları değişim ile oto inhibitör mekanizmaların bozulması ve katalitik aktivitenin uyarılması amaçlanmaktadır[32]. Parkin’nin etkinleştirilmesi ile mitofajinin iyileştirilmesi ve hasarlı mitokondrinin otofaj edilmesi düşünülmektedir. Bu bakımdan Parkin etkinleştirici olan UbFluor prob molekülünün Parkin etkinleştirmesinde etkili rol oynadığı görülmüştür[33].

Üçüncü terapötik yaklaşım ise Ubikitin spesifik proteaz(USP) 30’un inhibe edilmesidir. İnsan hücrelerinde ve Drosophila modellerinde yapılan çalışmalarda USP15 ve USP30’un Parkin ilişkili mitokondriyal ubikitinasyonu ve mitofajiyi engellediği görülmüştür[34]. Diğer bir USP çeşidi olan USP8’de ise Parkin üzerindeki ubikitin rezidülerini kaldırdığı ve oto inhibisyonu engelleyerek mitofajiye katkıda bulunduğu görülmüştür[35]. Ayrıca insan hücre hatlarında USP30’un KO edilmesinin de mitofajiyi hızlandırdığı rapor edilmiştir[36].

Bu yaklaşımların dışında yeni geliştirilen yaklaşımlar ve hedefler de mevcuttur. Genom siRNA görüntüleme çalışmalarında, Parkini overeksprese eden HeLa hücrelerinde Parkin ve ATPaz inhibitör faktör 1’in CCCP-indüklü mitofajide anahtar rol oynayan modülatörler olarak tanımlandı[37]. Başka bir siRNA taramasında Drosophila hücrelerinde mitofajiyi iyileştirme yolunda birkaç hedef daha tespit edildi. Sterol düzenleyici element bağlayıcı transkripsiyon faktörü(SREBF) lipogenez yolağı ve ekzojen lipitlerin mitofajide rol oynayabileceği düşünülmektedir[38]. Mitofajiyi iyileştirmede etkin olabilecek moleküller ve moleküler yolaklar üzerinde halen çalışmalar yürütülmektedir.


Şekil 7: Görselde USP8’in Parkin ile birleşen K6 ilişkili ubikitinasyonu elimine ettiği görülmektedir. Ayrıca USP8, Parkinin depolarize mitokondride yer almasını sağlamaktadır. Bu bakımdan USP8 aracılı deubikitinasyon mitofajiye katkıda bulunmakta ve mitofajiyi kolaylaştırmaktadır. Öte yandan, USP15 ve USP30 ise mitokondriyal proteinlerin üzerindeki ubikitin dizisini kaldırarak mitofajiyi zorlaştırmaktadır. USP15 ve USP30 mitofaji antagonisti olarak işlev görmektedir[39].