Rescue of Defective Mitophagy Caused by PINK1 Deficiency by Nitric Oxide and cGMP

Abstract

Parkinson’s disease (PD) is a neurodegenerative disease characterized by the selective loss of dopaminergic (DA) neurons in the substantia nigra (SN) pars compacta. Mitochondrial dysfunction, oxidative stress and protein mishandling have been proposed to be involved in the pathogenesis of PD. Especially, defective mitophagy plays an important role in the pathogenesis of familial PD (fPD) caused by mutation of PTEN-induced putative kinase 1 (PINK1) or Parkin. However, effective therapeutic strategy to target mitochondrial impairment in PD is not available. Defective mitophagy, the selective degradation of damaged or excess mitochondria, leads to the accumulation of damaged mitochondria in the cells, and subsequently neuronal damages and neuronal death. In PINK1/Parkin-mediated mitophagy, PINK1-dependent translocation of Parkin to mitochondria is important. However, it is largely unknown how PINK1 recruits Parkin to damaged mitochondria. Here, I demonstrated that the treatment with optimal concentration of either nitric oxide (NO) or 3′,5′-cyclic guanosine monophosphate (cGMP), which acts in downstream of NO signaling is sufficient for induction of the translocation of Parkin to mitochondria, and this process can occur even in the PINK1 deficiency. To be specific, appropriate concentrations of NO (20 nM ~ 10 μM) and cGMP (100 nM ~ 2 μM) helped PINK1-null DA neuronal cells to regain translocation of Parkin to mitochondria, despite of PINK1 deficiency. Furthermore, the nNOS-null mutation exhibited the same mitochondrial electron transport chain (ETC; OXPHOS) enzyme deficits as PINK1-null mutation did. Mitochondrial ETC (OXPHOS) enzyme deficits in PINK1-null dopaminergic neuronal cells were recovered by NO and cGMP treatments. The results in the present study suggest that the neuronal NO synthase (nNOS) is necessary for maintaining mitochondrial function and its downstream signals, NO and cGMP, are involved in Parkin translocation to mitochondria during PINK1/Parkin-mediated mitophagy. These results propose the feasibility of NO/cGMP-based pharmacotherapeutics to alleviate mitochondrial ETC (OXPHOS) enzyme deficits and defective mitophagy in certain forms of fPD.;파킨슨병은 알츠하이머병 다음으로 가장 흔한 신경퇴행성 뇌질환이며, 뇌의 흑질에 분포하는 도파민 신경세포의 선택적인 소실을 특징으로 한다. 미토파지 결함을 포함한 미토콘드리아 기능장애, 산화 스트레스, 단백질 조절장애 등이 파킨슨병의 발병에 영향을 주는 것으로 알려져 있다. 특히, 미토파지 결함은 PINK1이나 Parkin의 돌연변이에 의한 가족성 파킨슨병의 발병에 중요한 역할을 하는 것으로 생각된다. 그러나, 현재로서는 파킨슨병에서의 미토콘드리아 장애를 타겟으로 하는 치료제들은 개발되어있지 않다. 미토파지 결함은 세포 내에 손상된 미토콘드리아의 축적을 유발하며, 이는 신경세포 손상을 일으킴으로써, 결국 신경세포 사멸을 초래하게 된다. 현재의 ‘PINK1/Parkin-유도 미토파지’ 모델에 따르면, 미토파지는 PINK1에 의한 Parkin의 미토콘드리아로의 이동에 의해 시작된다. 하지만, PINK1이 어떻게 Parkin을 끌어오는지에 대해서는 아직까지 알려져 있지 않다. 이번 연구에서는, 최적화된 농도의 일산화질소 (NO)와 환상 구아노신일인산 (cGMP)이 PINK1이 결핍된 상태에서도 Parkin의 미토콘드리아로의 이동을 유발함을 증명하였다. 자세히 말하면, 특정 농도 범위의 NO (20 nM ~ 10 μM)와 cGMP (100 nM ~ 2 μM)는 PINK1-결손 도파민 신경세포에서 Parkin의 미토콘드리아로의 이동을 유도하였다. 뿐만 아니라, nNOS 결손은 PINK1 결손과 동일한 미토콘드리아의 전자 전달계 효소들의 결함을 나타내었다. 이는 적정 농도의 NO와 cGMP의 처리에 의해 회복되었다. 요약하면, nNOS는 미토콘드리아가 기능을 유지하는데 필수적이고, nNOS에 의해 생성된 NO와 cGMP는 ‘PINK1/Parkin-유도 미토파지’에서 Parkin의 이동을 유도하는데 필요하다. 그러므로, 가족성 파킨슨병에서의 미토파지 이상과 미토콘드리아 전자 전달계 효소 기능 저하를 완화시킬 수 있는 약물학적 치료로써 NO와 cGMP를 제시할 수 있다.