PINK1线粒体外膜稳定的信号机制与转运过程机制研究

A major physiological function of two Parkinson’s disease (PD) genes, PINK1 and Parkin, is to regulate mitochondrial degradation (mitophagy). The mitochondrial matrix-targeting PINK1 turns to transport into mitochondrial out membrane (OMM) and then induces Parkin-mediated mitophagy. Thus, PINK1 OMM accumulation is the upstream signal for mitophagy. However, the signal for PINK1 accumulation is still unclear. In our previous study, we found that mitochondrial oxidative stress is necessary for PINK1 accumulation in membrane potential lost mitochondrion. Mitochondrial oxidative stress may improve activity of mitochondrial inter-membrane space (IMS) disulfide relay system that imports PINK1 into IMS to help PINK1 avoid releasing into cytoplasm. In present proposal, we will further explore the mechanism about how mitochondrial oxidative stress promotes PINK1 import into IMS and how IMS PINK1 transports into OMM. We also examine whether the PINK1 accumulation process is affected in PD, which will help us understand why the damaged mitochondrion were not appropriately degraded. Together, this research will provide a new insight of damaged mitochondrial degradation in PD.

帕金森病相关基因PINK1和Parkin一项重要的生理功能是参与线粒体降解。线粒体损伤后，靶向线粒体基质的PINK1转向进入线粒体外膜稳定，促进Parkin介导的线粒体自噬发生。因此PINK1外膜稳定是线粒体自噬发生的上游机制。但是诱导PINK1稳定的机制目前仍不清楚。在前期工作中,我们发现线粒体氧化应激是线粒体膜电位丢失后PINK1稳定的必要条件之一，其可能通过提高线粒体膜间隙二硫键转移系统的活性，促进膜电位丢失后不能进入内膜的PINK1进入膜间隙，使其避免释放到细胞质中降解。本项目在此基础上，进一步探究线粒体氧化应激促进PINK1稳定的机制以及PINK1进入外膜稳定的过程机制，揭示PINK1稳定的信号机制与完整的过程机制。并研究PINK1稳定过程在PD发生过程中受到的影响，解释损伤线粒体在PD发生中不能及时清除的机制。为研究选择性促进损伤线粒体的清除，缓解PD发生提供新的思路。

线粒体降解是细胞线粒体稳态维持的重要生理机制。研究发现蛋白激酶PINK1在线粒体外膜上的稳定是诱导损伤线粒体降解的上游信号机制之一。但是促进PINK1在线粒体外膜稳定的信号机制目前还不清楚。本项目研究发现，线粒体膜电位的丢失是诱导PINK1在线粒体外膜稳定的条件之一，线粒体本身的氧化应激也是PINK1稳定的重要条件。抑制线粒体的氧化应激会导致PINK1不能改在膜电位丢失的线粒体上聚集及其介导的线粒体降解。通过机制的研究，我们发现线粒体氧化应激促进线粒体膜间隙内二硫键转移系统活性，使其能够结合PINK1蛋白，促进PINK1进入线粒体膜间隙内，避免因为膜电位丢失而释放到细胞质中降解。进入线粒体膜间隙的PINK1，需要进一步在线粒体外膜转运与组装复合体的协助下，完成线粒体外膜的定位。本项目还发现无论是影响PINK1与二硫键结合，还是影响与外膜组装复合体的结合的帕金森病突变体，都最终会抑制PIN K1的稳定，从而影响线粒体的降解清除。重要的是，我们还发现肌萎缩性侧索硬化症相关的SOD1突变体，由于在线粒体膜间隙的富集并影响线粒体膜间隙的二硫键转移系统的活性，并进一步影响到PINK1的稳定与线粒体的降解，这位解释肌萎缩性侧索硬化症病人体内的异常损伤线粒体堆积提供了理论解释。因此本项目的开展解释了PINK1在线粒体外膜上稳定的信号条件，即线粒体的膜电位丢失与线粒体升高的氧化应激发生。同时，我们揭示了PINK1从靶向线粒体内膜运输转向线粒体外膜运输的过程机制。