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 %3-5) 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, mitokondri kalite kontrolü, parkin, pink-1, Erken- Başlangıçlı Parkinson Hastalığı
GĠRĠġ: Parkinson Hastalığı (PH) yaşla ilişkili nörodejeneratif hastalıklar arasında, Alzheimer hastalığından sonra ikinci sırada gelen prevelansı ile (65 yaşında %1; 85 yaş üzerine %3-5) 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 %60-65 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 PARK1 4q21 α -sinüklein OD PARK2 6q25.2-27 Parkin OR PARK3 2p13 Bilinmiyor OD PARK4 4q21 α -sinüklein/triplikasyon 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 PINK- 1/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 PINK- 1 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 seçici olarak transloke olan parkin mitofajiyi başlatır. 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; 20:255-263 9. Van Laar V.S., Berman S.B., Mitochondrial dynamics in Parkinson s disease. NIH- PA 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; 1802:935-11. Youle R. J., Narendra D. P., Mechanisms of mitophagy. Nature Reviews Molecular Cell Biology, 2011; 12:9-14