Functional Recovery from Mitochondrial Dysfunction in PINK1-null Dopamine Neuron Model

Abstract

Parkinson's disease (PD) is a major neurodegenerative motor disease that is pathologically characterized by the selective loss of dopaminergic (DA) neurons in the substantia nigra (SN). Several factors, such as oxidative stress, protein mishandling, proteasomal stress, and mitochondrial dysfunction, have been identified to contribute to PD pathogenesis; however there are no effective neuroprotective therapies that can slow or halt pathogenic progression of PD. Of interest, mitochondrial abnormalities are consistently discovered in postmortem brain tissues from human patients with sporadic PD. And additionally characterized as one of major pathogenic mechanisms of familial PD cases affecting about 10% of PD patients. Gene mutations in α-synuclein, Leucine-rich repeat kinase 2 (LRRK2), Phosphatase and tensin homolog (PTEN)-induced putative kinase 1 (PINK1), Parkin, and DJ-1 are involved in mitochondrial dysfunction observed in both patients and animal models of familial PD. Especially, PINK1 and Parkin are implicated in playing key roles in both mitophagy and mitochondrial biogenesis. In our previous studies, optimal levels of nitric oxide (NO) and cyclic guanosine monophosphate (cGMP) analog were demonstrated to help the PINK1-null DA neuron cells recover from the mitochondrial dysfunction. However, it is still unknown how the NO/cGMP signaling pathway help recover from electron transfer chain (ETC) enzyme deficits by regulating mitochondrial biogenesis and mitophagy. Here, I demonstrated that the optimal concentrations of SNP and 8-Br-cGMP resulted in the full recovery from the mitochondrial ETC enzyme deficits via the enhanced mitochondrial biogenesis in the absence of PINK1, which was demonstrated by the increases in the mitochondrial biogenesis activators, such as peroxisome proliferator-activated receptor gamma coactivator (PGC-1α), nuclear respiratory factors (NRF-1) and mitochondrial transcription factor A (Tfam) as well as the increased mitochondrial masses. Moreover, the recovery from the mitochondrial ETC enzyme deficits was also achieved by Sildenafil, a phosphodiesterase-5 (PDE5) inhibitor, in PINK1-null DA neuron cells. The present data suggest that NO/cGMP signaling pathway is essential for the appropriate maintenance of mitochondrial ETC activity via mitochondrial biogenesis. Therefore, this study will provide further mechanistic evidences for the pharmacological intervention for the mitochondrial dysfunction observed in not only the familial PD caused by PINK1 mutations but also other diseases related with mitochondrial dysfunction.;파킨슨 병은 대표적인 신경퇴행성 뇌 질환으로 특이한 병리학적 형태를 가지는 데 이는 뇌의 흑질에 분포하는 도파민 신경세포의 선택적인 소실이다. 파킨슨 병의 병인기전으로는 미토콘드리아의 기능장애를 비롯하여 산화 스트레스, 단백질 조절장애, 프로테아좀 스트레스 등이 제시되고 있으나 아직까지 명확한 파킨슨병의 유발 기전이 알려져 있지 않고 때문에 증상완화 이상의 효과를 내는 치료법이 존재하지 않고 있다. 그러나 계속되는 연구를 통해 파킨슨 병 중 약 10% 정도를 차지하는 유전성 파킨슨 병의 경우에는 원인 단백질들(PINK1, Parkin, DJ-1, LRRK2, a-synuclein 등)의 변이로 인한 미토콘드리아의 이상이 주된 병인 기전으로 제안되고 있다. 이러한 유전자들은 미토콘드리아의 다이내믹스를 유지하는데 중요한 역할을 함이 이미 알려져 있고, 미토콘드리아의 끊임없는 생성, 분열, 융합, 제거 기전에 관여하여 미토콘드리아의 항상성을 유지하도록 설계되어 있다. 예를 들어 PINK1과 Parkin의 경우, 기능이상이 있는 미토콘드리아의 선택적 제거 기전인 미토파지의 유도 기전에서 주요한 역할을 하며, 만약 이 유전자들의 결함 때문에 미토파지가 일어나지 않으면 세포 내에 이상이 생긴 미토콘드리아가 축적되고 이는 신경세포의 손상을 유도하여 최종적으로 신경세포의 사멸의 초래하게 됨이 이미 밝혀져 있다. 특히, PINK1이 변이 되었을 경우, 미토파지뿐만 아니라 미토콘드리아의 분열과 생성에서 이상이 관찰된 바 있어 PINK1 은 미토콘드리아의 제거, 생성, 분열 모두에 관여하여 중요한 역할을 한다고 고려된다. 이전 연구에서 최적화된 농도의 일산화질소 (NO)와 환상 구아노신일인산(cGMP)이 이미 PINK1이 제거된 세포에서도 Parkin의 미토콘드리아로 이동을 유발함을 증명하였고 NO와 cGMP의 유전성 파킨슨병의 치료제로서의 가능성을 제시한 바 있다. 이에 더하여 이번 연구에서는 PINK1 결손 도파민 신경세포 모델에서 미토콘드리아의 생성을 유도할 것으로 추정되는 상대적으로 고농도의 NO의 처리가 NO/cGMP 신호전달 경로를 통해 미토콘드리아의 생성의 유도할 수 있다는 가능성을 확인하였다. 이는 미토파지 기능의 회복을 유도한 농도(50nM)와 새로운 농도 (100μM)의 NO를 처리하여 미토콘드리아의 전자 전달계 효소들의 활성도가 회복되고 미토콘드리아의 질량이 증가한 결과를 통해 확인할 수 있었다. 또한 NO와 cGMP을 처리하여 미토콘드리아 단백질과 궁극적으로 미토콘드리아 생성의 유도에 관여하는 전사인자가 증가한 것을 관찰할 수 있었다. 뿐만 아니라 cGMP의 축적을 유도하는 포스포다이에스터레이스5 억제제(PDE5 inhibitor)인 실데나필의 처리를 통해 PINK-결손 도파민 신경세포에서의 미토콘드리아의 mass 증가와 전자 전달계의 회복을 관찰할 수 있었다. 본 연구에서는 고농도의 NO가 미토콘드리아의 생성을 통해 약물학적 기능 회복을 일으키는 것을 증명하였고 이는 NO/cGMP 신호 전달 경로를 통해 유도됨을 cGMP과 실데나필의 처리를 통해 확인하였다. 따라서 NO뿐만 아니라 cGMP과 실데나필이 미토콘드리아의 생성을 증가시킴으로써 기존의 미토파지 회복 기전과 다른 기전을 통해 미토콘드리아의 기능 이상의 극복을 유도할 수 있는 약물학적 치료제로의 가능성을 제시하고, 이어 PINK1과 같은 특정 유전자 결함 파킨슨 병에서의 치료 타겟과 약물학적 치료 전략을 함께 제안 할 수 있다.