帕金森病相关α-突触核蛋白的纤维状聚集形成和降解机制

Parkinson's disease (PD) is a long-term degenerative disorder of central nervous system that mainly affects the motor system, diagnosed by dopaminergic cells loss within the substantia nigra pars compacta in association with the development of intracytoplasmic, protein rich inclusions termed Lewy's body in other brain area. The classic Lewy’s body is spherical and contains fibrillar α-synuclein as well as its associated proteins such as ubiquitin. At the genetic level, Parkinson disease is correlated with α-synuclein mutation and gene dosage variations, as well as the disturbance in the autophagy-lysosome pathway. The collapse of protein quality control with age results in the accumulation of misfolded proteins, which disrupt the cellular homeostasis and eventually lead to cell death. However, it is still unknown the pathogenesis of α-synuclein aggregates as well as the aggregates degradation mechanism. In this proposal, we will mainly focus on the study of α-synuclein to dissect 1) What the mechanism is underlying the clearance of toxic α-synuclein by the protein quality control system? 2) How α-synuclein is transformed from the functional protein to fibrillar aggregates? 3) whether Lewy's body is toxic to cell or a protective mechanism? Only by answering these questions, can we harness the information to develop new therapeutics for Parkinson disease.

帕金森病的主要病理学依据是大脑中黑质区多巴胺能神经元的缺失和大脑各区域出现路易氏小体。路易氏小体是细胞内的包涵体，混杂了大量的高度纤维化的α-突触核蛋白以及其它一些蛋白如泛素等。在分子水平，α-突触核蛋白的基因突变和多拷贝表达是造成细胞毒性并引起帕金森病的常见原因，而这又通常与自噬-溶酶体途径的失调密切相关。这些提示在机体老化的过程中，由于细胞内蛋白质质量控制体系逐步失活，造成毒性蛋白在细胞中的逐年累积，最终形成不可逆的细胞死亡。但是，对α-突触核蛋白如何形成病态构像及如何清除体内的病态聚集却还未可知。本项目将通过以α-突触核蛋白作为模式底物，来研究 1)如何利用蛋白质质量控制体系修复和清除致病α-突触核蛋白? 2)α-突触核蛋白如何由正常状态转变为细胞毒性状态? 3)路易氏小体到底是细胞毒性还是一种保护机制? 我们希望通过对上述问题的系统研究，为帕金森症的治疗找到分子依据。

帕金森症主要表现为大脑黑质部的多巴胺神经元坏死和大脑其它细胞中路易小体的出现。路易小体中存在大量纤维状α-Synuclein（α-Syn）以及多种其它蛋白如泛素等。α-Syn的突变或拷贝数增加都能引发帕金森病，而自噬-溶酶体途径中的关键基因突变也与帕金森的发病密切相关。正常的α-Syn是一种在突触前神经细胞中高表达的蛋白。α-Syn可以单体、多聚体或者纤维状存在于细胞中，一般认为单体是有功能的，而多聚体和纤维状结构则是引发帕金森的毒性来源。但是，α-Syn如何形成病理性结构及如何清除体内的病理性聚集却还未可知。本项目以α-Syn为研究对象，探索（1）如何利用蛋白质质量控制体系修复和清除致病α-Syn?（2）α-Syn如何由正常状态转变为细胞毒性状态?（3）路易氏小体到底是细胞毒性还是一种保护机制?..在方向（1）中，我们围绕VCP/p97在蛋白质质控中的重要作用，进一步筛选了多个在蛋白质质控过程中发挥作用的蛋白因子，找到泛素连接酶复合物LUBAC和去泛素化酶OTULIN协同调控自噬的起始和成熟。同时也鉴定了另一组泛素连接酶gp78和去泛素化酶USP13协同调节细胞自噬和凋亡。在方向（2）中，通过筛选多种荧光标记多巴胺衍生物，我们找到了能够诱发α-Syn发生寡聚体和纤维化转变的化合物。也分析了α-Syn的各种形式在细胞中的定位，确定了膜结合α-Syn是促其发生寡聚化和纤维化的先决条件。并通过这个模型，筛选了多个在蛋白质质控过程中的重要基因，如VCP，SOD1，PARK2和OTULIN等，发现它们都能抑制α-Syn从单体到寡聚体和纤维的转变，这些结果为寻找治疗帕金森症提供了潜在药物靶点。在方向（3）中，我们通过对存在于路易小体中的去泛素化酶UCHL1的功能分析，发现其抑制自噬的特性，并且发现UCHL1I93 M丧失了对自噬的抑制，提出了UCHL1突变体引发细胞内平衡失调，突变蛋白被进一步挟裹入路易小体中的模型。..这些工作系统地解析了蛋白质质量控制体系抑制和清除α-Syn纤维状聚集的机制，同时筛选了多个能抑制α-Syn由正常单体状态转变为寡聚体或纤维状聚集的蛋白因子，也探究了路易氏小体对机体的作用机制，为开发针对帕金森的药物提供了理论基础。