P5-Mitokondri Kalite Kontrolü: PINK

MĠTOKONDRĠ KALĠTE KONTROLÜ: PINK-1/PARKĠN ĠLĠġKĠSĠ
Cansu Çelik, Mert Yiğitbaşı, Özer Tuç, Doğuşcan Kurular
Danışman: Prof. Dr. F. Belgin Ataç
ÖZET
Parkinson hastalığı (PH) yaşla ilişkili nörodejeneratif hastalıklar arasında, Alzheimer
hastalığından sonra ikinci sırada gelen prevelansı ile (65 yaşında %1; 85 yaş üzerine %35) önemli bir yer tutmaktadır. PH'deki seçici nöron kaybı temel olarak substansiya
nigradaki dopaminerjik nöronlarda gerçekleşmektedir. Hayatiyetini koruyan nöronlarda
ise Lewy Cisimciği (LC) olarak adlandırılan intrasitoplazmik inklüzyonlar hastalığın önemli
patolojik belirteçleridir. %90’ı sporadik olmakla beraber, %10 kadar ailesel geçiş
gösteren vakaların moleküler analizi hastalığın patogenezinde ubikütin-proteazom yıkım
yolu ve otofaji bozukluğuna dikkat çekmektedir.
LC içinde varlığı tespit edilen hasarlı mitokondri, mitofaji bozukluğunun hastalık
patogenezindeki önemine işaret etmektedir. Yapılan işlevsel çalışmalar ise, ubikütin ligaz
ailesi üyesi olan parkin ve mitokondriyal ser/thr kinaz ailesi üyesi olan PTEN-tarafından
indüklenen kinaz-1’in (PINK-1) mitofajide birlikte rol aldığını göstermektedir.
Nükleer genom tarafından kodlanan PINK-1’in amino terminalinde bulunan mitokondri
yönlendirme sinyali ile organele transportu gerçekleşir. Mitokondri membran potansiyeli,
PINK-1’in mitokondriyal proteoliz hızını belirler. Hasarlı mitokondride proteoliz
inhibisyonuna bağlı olarak PINK-1 birikir. Bu birikim parkinin hasarlı mitokondri üzerinde
seçici lokalizasyonunun gerçekleşmesini sağlar. PINK-1 tarafından aktive edilen parkin,
mitofusin 1 ve 2’yi ubikütinleyerek mitokondriyal füzyonu bloke eder ve aynı zamanda
voltaj bağımlı anyon seçici kanal protein1’in apoptozisi tetiklemesini engeller.
Sitoplazmada bulunan ubikütin bağlayıcı reseptörler tarafından fagazom içinde lizozoma
aktarımı ile hasarlı mitokondrinin seçici mitofajisi gerçekleşir.
Mitokondriyal işlev bozukluğu ise nörodejeneratif hastalıkların ilk belirtilerinden biri olarak
kabul edilmektedir. Mitokondri kalite kontrolünde işlevsel olan PINK-1 veya parkin
proteinlerinin işlev kaybı da Otozomal Resesif Parkinson Hastalığının fenotipinden
sorumludur.
PH ile ilişkilendirilen genlerin ürünü olan proteinlerin rolleri anlaşıldıkça hastalığın
patogenezi ile ilgili bilgiler artmaktadır. Bu durum, farklı hücresel tedavi tekniklerinin
gelişimine olanak sağlamaktadır. Mitofaji bozukluğunun giderilebilmesine yönelik
çalışmalar ise Erken Başlangıçlı Parkinson Hastalığının hücresel temelli tedavi stratejileri
arasında yerini almıştır.
Anahtar kelimeler: Mitofaji,
Başlangıçlı Parkinson Hastalığı
mitokondri
kalite
kontrolü,
parkin,
pink-1,
Erken-
GĠRĠġ:
Parkinson Hastalığı (PH) yaşla ilişkili nörodejeneratif hastalıklar arasında, Alzheimer
hastalığından sonra ikinci sırada gelen prevelansı ile (65 yaşında %1; 85 yaş üzerine %35) önemli bir yer tutan hareket bozukluğudur. İlerleyici bir hastalık olan PH, semptomatik
açıdan istirahat tremoru, bradikinezi, kaslarda sertlik (rijidite) ve duruşsal (postural)
dengesizlik ile karakterize edilebilir (9).
PH’nin patolojik açıdan ayırıcı özelliği, substansiya nigradaki dopaminerjik nöronların
kaybı ve henüz işlevini kaybetmemiş olan hücrelerin sitoplazmalarında, içinde protein
agregatlarını barındıran Lewy Cisimciğinin (LC) varlığıdır. Dopaminerjik nöronların %6065’nin kaybı sonucu striatal dopamin seviyesinin %80-85 oranında azalmasıyla yukarıda
sözü edilen semptomlar ortaya çıkar. Bu durum, PH’de bir subklinik dönemin varlığına
işaret eder (9-11).
PH olgularının %90’ı sporadik olmakla beraber, %10’u ailesel geçiş göstermektedir. Her
ne kadar tüm hasta popülasyonu içinde ailesel PH’nin oranı düşükse de, hastalığın hem
klinik seyrin,
hem de moleküler patolojisinin çok benzer, genellikle aynı olması
nedeniyle bu gruptaki olgulardan sorumlu genlerin ve kodladıkları proteinlerin
işlevlerinin belirlenmesi önemlidir. Çünkü ilgili proteinlerin rol oynadıkları metabolik
yolların tanımlanması ile PH’ye yol açan moleküler patoloji büyük oranda
açıklanabilmektedir (1) .
Ailesel PH otozomal dominant (OD) ve otozomal resesif (OR) olmak üzere iki gruba
ayrılır. Güncel veriler doğrultusunda PH’ye neden olan onaltı lokus bulunmuş ve
bunlardan on tanesinde sorumlu gen izole edilebilmiştir (Tablo 1).
Tablo 1. Parkinson Hastalığının Ailesel Formları
Ailesel PH tipi Gen lokusu Gen
Kalıtım şekli
α -sinüklein
PARK1
4q21
OD
PARK2
6q25.2-27 Parkin
OR
PARK3
2p13
Bilinmiyor
OD
α
-sinüklein/triplikasyon
PARK4
4q21
OD
PARK5
4p14
UCHL1
OD
PARK6
1p36
PINK1
OR
PARK7
1p36
DJ1
OR
PARK8
12q12
LRRK2
OD
PARK9
1p36
ATP13A2
OR
PARK10
1p32
?
OD
PARK11
2q37.1
?
OD
PARK12
Xq21-q25
?
X'e bağlı
PARK13
2p12
OmiHtrA2
OD
PARK14
18q11
?
?
PARK15
22q12-q13 FBOX7
OR
PARK16
1q32
?
?
OD: Otozomal dominant, OR: Otozomal resesif
Ailesel Parkinsonizm olgularından sorumlu genler ve bu genlerin kodladığı proteinlerin
işlevlerinden, PH’deki moleküler patolojinin hatalı sentezlenen veya hasarlanan protein
ve hasarlı mitokondri klerans mekanizmalarındaki işlevsel olan ubikütin-proteazom
yıkım yolu ve otofaji bozukluğundan kaynaklanabileceği görülmektedir. Bu derlemede,
hasarlı mitokondri klerans bozukluğunda işlevsel olan mitofaji bozukluğu özetlenerek
sunulmaktadır.
PARKĠNSON HASTALIĞI ĠLE MĠTOKONDRĠ ĠLĠġKĠSĠ:
Mitokondriyal işlev bozukluğu nörodejeneratif hastalıkların ilk belirtilerinden biri olarak
kabul edimektedir. Mitokondri, hücrede enerji metabolizmasının kalbi durumundadır. PH
olgularının hemen tamanında oksidatif fosforilasyonda kilit rolü olan mitokondriyel
kompleks I’in aktivitesinin düştüğü gösterilmiştir. Bu da PH’de mitokondriyel hasarı
gösteren ilk delil olarak kabul edilmektedir. Bu hasarın bir nedeni mitokondrinin doğası
gereği “serbest radikallerin” aşırı üretimi olabilir. Hücrede bu molekülleri etkisiz hale
getirecek anti-oksidan sistemler de mevcuttur. Serbest radikallerin çevresel etmenler
etkisiyle aşırı üretimi, ya da antioksidan sistemindeki işlev bozuklukları sonucu hücredeki
yarıömürlerinin artması, başta mitokondri olmak üzere hücredeki birçok yapıya zarar
verebilir. Ancak antioksidan sisteminde görev alan proteinleri kodlayan genlerdeki
mutasyon/polimorfizm taramaları istatistiksel olarak PH ile ilişkili anlamlı sonuçlar
vermemiştir. Mitokondri ile PH ilişkisine bağlı diğer önemli delil ise elektron transport
zincir inhibitörleri kullanılarak deney hayvanları üzerinde parkinson semptomlarının
oluşturulmasıdır. Bir diğer kanıt, Parkin geninde mutasyonu olan Erken Başlangıçlı
Parkinson Hastalarının lökositlerinde kompleks 1 ve 4 aktivitesinin azalmış olmasıdır. En
son moleküler veri ise mitofajinin ana bileşeni olan PTEN-tarafından indüklenen kinaz-1
(PINK-1)’i kodlayan gendeki mutasyona bağlı olarak proteinin işlev kaybı nedeni ile
mitofajinin bozulmasıdır. Güncel verilerde mitokondri morfolojisinin kontrolünde PINK1/parkin’in birlikte işlev gördüğü ve herhangi birinde işlev kaybı olduğunda mitokondri
morfolojisinin bozulduğu görülmektedir (2-5).
MĠTOFAJĠ:
Mitokondrinin otofagozom aracılığı ile lizozomda parçalanmasıdır. Normal gelişim
sürecinde kırmızı kan hücrelerinin matür hale gelmesinde işlevsel olan bu yıkım yolu
nöron hücreleri gibi postmitotik hücrelerde hasarlı mitokondri yıkımı açısından önemlidir.
Her iki olayda benzer mekanizma işlevsel olduğu halde mitokondriyal kalite kontrolün
gerçekleşeceği zaman seçicilik ön plana çıkmaktadır. Bu nedenle de hasarlı mitokondrinin
mitofajisi sırasında farklı proteinler rol almaktadır. Bunlar:
1. PINK-1: 1p35-36’ya lokalize olan PINK-1 geni sekiz ekzondan oluşur ve
581 amino asitten oluşan, yaygın olarak ifade edilen PINK-1 proteinini
kodlamaktadır. Bu protein serin/treonin kinaz aktivitesine sahip olup
mitokondriyel hedefleme motifi içermektedir. İn-vitro çalışmalar da PINK1’in lokalizasyonunun mitokondri olduğunu göstermektedir. Sağlam
mitokondride lokal konsantrasyonu oldukça düşük tutulurken mitokondriyal
membran potansiyel kaybı olduğunda hasarı belirlemek amacı ile PINK-1’in
proteolizi henüz tanımlanmamış bir protein tarafından baskılanarak,
mitokondriyal konsantrasyonu yüksek düzeyde tutulmaktadır (4)
2. PARKĠN: 6q25.2-27’ye lokalize olan ve oniki ekzondan oluşan genin ürünü
olup; ubikütin–proteazom yıkım yolunda işlevsel olan E3 ligaz ailesi üyesi
olan Parkin proteinini kodlamaktadır. Söz konusu proteinin beyin, iskelet
kası, kalp ve karaciğer gibi farklı dokularda eksprese olması farklı fizyolojik
işlevlerinin olabileceğine işaret eder. Mitokondrideki elektrokimyasal
gradientin azalması, mitokondriyal füzyonun bloklanması veya paraguat
gibi
toksik ajanların kullanılması ile hasarlı mitokondriye
transloke olan parkin mitofajiyi başlatır.
seçici olarak
Parkinin mitokondrideki substratları:
A. Mitofusin 1 ve 2: Bu proteinler mitokondri füzyonunun başlamasından
sorumludur. Parkin tarafından ubikütinlendiğinde ise mitokondriyal füzyon
bloke olur. Söz konusu blokajın amacı ise hasarlı mitokondrinin sağlam
mitokondri ile füzyonunu önlemektir(3,4).
B. Voltaj bağımlı anyon seçici kanal protein 1 (VDAC1): Mitokondri dış
zarında en çok eksprese olan proteinlerdendir. Amino terminali aracılığı ile
voltaj sensörü görevi görür ve aynı zamanda mitokondriyal geçirgenlik
porunun bileşeni olup; pro-apoptotik faktörler ile ilişkilidir. K27
ubikütinlenmesi ile apoptoza gidiş bloklanmakta, mitofajik klerans ile hasarlı
mitokondri imha edilebilmektedir (3,4).
MĠTOFAJĠ BASAMAKLARI:
1. Mitokondriyal depolarizasyon olduğunda mitokondride PINK-1 birikir (Şekil 1A)
2. Parkin mitokondriye geçer ve PINK-1 tarafından fosforlanır.
3. Aktive olan parkin ise mitokondriyal substratları mitofusin 1,2 ve VDAC1’i
ubikütinleyerek füzyon ve apoptozisi baskılar (Şekil 1B)
4. K68 ubikütinlenmesi ile sitoplazmada bulunan ubikütin bağlayıcı reseptörler
tarafından hasarlı mitokondrinin fagazom içinde lizozoma aktarımı ile seçici mitofajisi
gerçekleşir (Şekil 1 C,D)
Mitokondri kalite kontrolünde işlevsel olan PINK-1 veya parkin proteinlerinin işlev
kaybı Erken Başlangıçlı Parkinson Hastalığının fenotipinden sorumludur. Literatür
verilerinin ışığında karmaşık bir etiyolojiye sahip olsa da, Parkinson Hastalığı
moleküler patogenezinde rol oynayan mekanizmalar bütüncül bir tabloya oturmaya
başlamıştır. Ubikütin-proteazom yıkım yolu ve otofaji bozukluğu yanısıra mitofaji
bozukluğu yalnız Parkinson hastalığında değil, Alzheimer hastalığı (AH) , amiyotrofik
lateral skleroz gibi diğer hastalıklarda da görülmekte, dolayısıyla söz konusu
hastalıklardaki dejeneratif süreçlerde ortak bir payda oluşturmaktadır Şekil 1 (1-10) .
Şekil 2: PINK-1/Parkin aracılı mitofaji
Sonuç:
Hastalıkların erken evrede tanımlanması ve tedavi olanaklarının gelişmesine paralel
olarak insan ömrü uzamıştır. Bu durum ise yaşlanma ile bereber gelen hastalıklar ile baş
etme stratejilerinin geliştirilimesini zorunlu kılmaktadır. PH, AH’den sonra en sık görülen
ileri yaş hastalığı olarak kabul edilmekte ve hatta insan ömrünün uzaması ile kaçınılmaz
bir son olarak görülmektedir. Dopamin üretiminden sorumlu olan hücrelerin ölüm sebebi
ise halen tam olarak anlaşılamamıştır. Bu multifaktöriyel hastalığın patogenezi ile ilgili
bilgilerimiz ise ailesel PH’lere dayanmaktadır. Hastalık ile ilişkilendirilen genlerin ürünü
olan proteinlerin rolleri anlaşıldıkça hastalığın patogenezi ile ilgili bilgiler artmaktadır.
Farklı hücresel temelli tedavi tekniklerine son olarak eklenen bir mekanizma ise
mitofajidir. Bu tür çalışmaların artması ile yeni tedavi yaklaşımlarının ortaya
konulabileceği düşünülmektedir (10) .
Kaynaklar:
1. Burbulla F.L., Krebiehl G., Krüger R., Balance is the challenge – The impact of
mitochondrial dynamics in Parkinson’s disease. European Journal of Clinical
Investigation, 2010; 40:1048-1060.
2. Büeler H., Impaired mitochondrial dynamics and function in the pathogenesis of
Parkinson’s disease. Experimental Neurology, 2009; 218:235-246
3. Chen H., Chan D.V., Mitochondrial dynamics-fusion, fission, movement, and
mitophagy-in neurodegenerative diseases. Human Molecular Genetics, 2009;
18:169-176
4. Chu C.T., A pivotal role for PINK1 and autophagy in mitochondrial quality control:
implications for Parkinson disease. Human Molecular Genetics, 2010; 19:28-37
5. Dodson M.W., Guo M., Pink1, Parkin, DJ-1 and mitochondrial dysfunction in
Parkinson’s disease. Current Opinion in Neurobiology, 2007; 17:331-337
6. Friguet B., Bulteau A., Petropoulos I., Mitochondrial protein quality control:
Implications in ageing. Biotechnol, 2008; 3:757-764
7. Gottlieb R. A., Carreira R.S., Autophagy in health and disease. 5. Mitophagy as a
way of life. Am J Physiol Cell Physiol, 2010; 299:203-210
8. Morais V. A., Strooper B., Mitochondria Dysfunction and Neurodegenerative
Disorders: Cause or Consequence. Journal of Alzheimer’s Disease, 2010; 20:255263
9. Van Laar V.S., Berman S.B., Mitochondrial dynamics in Parkinson’s disease. NIHPA Author Manuscript, 2009; 218(2):247-256
10. Xie W., Wan Wan O., Chung K.K.K., New insights into the role of mitochondrial
dysfunction and protein aggregation in Parkinson’s disease. Biochimica et
Biophysica Acta, 2010; 1802:93511. Youle R. J., Narendra D. P., Mechanisms of mitophagy. Nature Reviews Molecular
Cell Biology, 2011; 12:9-14