Parkin蛋白與人類疾病的關(guān)系及其天然產(chǎn)物調(diào)節(jié)作用*

李鳳嬌，李艷芹 綜述，張 范，顧 雯，楊 敏，穆健康，俞 捷，楊興鑫 審校

(1.云南中醫(yī)藥大學(xué)中藥學(xué)院，昆明 650500；2.云南省南藥可持續(xù)利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，昆明 650500)

Parkin蛋白是激活E3泛素-蛋白連接酶活性的高效產(chǎn)物，研究表明，Parkin蛋白與帕金森病，腫瘤，肝臟、心臟、骨骼肌等疾病密切相關(guān)。Parkin蛋白在不同部位均有表達(dá)，結(jié)構(gòu)多樣，Parkin的功能可能與這些部位編碼的蛋白質(zhì)相關(guān)。

在PDB數(shù)據(jù)庫(https://www.rcsb.org/)中檢索到Parkin蛋白的結(jié)構(gòu)共385個，其中有145個來源于人，37個來源于運(yùn)動發(fā)酵單胞菌，27個來源于歐洲水蛭，22個來源于大腸埃希菌，20個來源于牛，14個來源于熱保護(hù)芽孢桿菌，12個來源人體免疫缺陷病毒，108個來源于其他。這些蛋白根據(jù)蛋白分子庫名稱進(jìn)行分類有51個醛糖還原酶、37個Queuine tRNA-核糖基轉(zhuǎn)移酶，27個凝血酶原，24個E3泛素連接酶，23個碳酸酐酶2，20個水蛭素變體-1，5個Gag-Pol polyprotein。本文針對E3泛素連接酶Parkin的結(jié)構(gòu)功能，與人類疾病的關(guān)系及天然產(chǎn)物對Parkin的調(diào)節(jié)作用進(jìn)行簡要綜述。

1 Parkin蛋白結(jié)構(gòu)

Parkin基因，又稱PARK2，定位于染色體6q25-q27，包含12個外顯子，長約1.5 mb，編碼465個氨基酸，相對分子質(zhì)量為52×103，在健康人腦組織中呈散在分布，包括黑質(zhì)、新皮質(zhì)和海馬等部位。Parkin是一種環(huán)間E3泛素連接酶(E3 ubiquitin ligases)，在泛素與特定底物的共價連接中發(fā)揮作用，Parkin的突變與帕金森病、癌癥和分枝桿菌感染有關(guān)。環(huán)間E3連接酶家族被認(rèn)為具有典型的環(huán)區(qū)和催化半胱氨酸殘基，通常局限于Hect E3連接酶，因此被稱為“環(huán)/Hect雜合酶”。在N端有1個泛素樣(UBL)功能區(qū)和1個靠近C端的RBR(RING-between-RING)功能區(qū)。RBR功能區(qū)調(diào)節(jié)鋅離子，由2個RING功能區(qū)組成。1個RING功能區(qū)已經(jīng)被鑒定是位于UBL和RBR的生物序列之間，具有鋅離子結(jié)合能力。Parkin蛋白可以定位于細(xì)胞質(zhì)和線粒體，依賴于線粒體膜電位的改變，具有E3泛素-蛋白連接酶活性，可連接并介導(dǎo)毒性蛋白發(fā)生泛素化，因此，毒性蛋白可以通過Parkin從泛素蛋白酶體通路降解。另外，Parkin蛋白還參與調(diào)控線粒體形態(tài)和功能維持，當(dāng)存在線粒體腫脹、線粒體嵴斷裂等明顯缺陷時，通過線粒體自噬途徑將其清除，從而達(dá)到提高線粒體功能的作用。

2 Parkin蛋白表達(dá)與人類疾病

Parkin蛋白在不同部位的表達(dá)與人類疾病關(guān)系密切，Parkin蛋白在許多組織中均有表達(dá)，包括腦、骨骼肌、心臟和肝臟中，多分布在胞質(zhì)，在線粒體外膜、高爾基體、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和突觸小泡中也存在，提示Parkin蛋白也可能與這些部位的功能相關(guān)，具有廣泛的生理意義。

2.1 Parkin與帕金森病

Parkin是一種E3泛素連接酶，它用泛素標(biāo)記特定的蛋白底物，并將它們靶向蛋白酶體或溶酶體[1-2]。基因突變導(dǎo)致的Parkin功能喪失是家族性早發(fā)性常染色體隱性遺傳性帕金森病(PD)最常見的原因[3]。帕金森病是一種神經(jīng)退行性疾病，其特征是黑質(zhì)致密部產(chǎn)生多巴胺的神經(jīng)元選擇性喪失，并出現(xiàn)富含α-突觸核蛋白和泛素的包涵體路易小體。與PD相關(guān)的Parkin突變通過催化損傷或降低Parkin溶解度和穩(wěn)定性導(dǎo)致Parkin功能喪失。在散發(fā)性帕金森病中，Parkin失活與淀粉樣蛋白的積累有關(guān)，淀粉樣蛋白的積累改變了它的溶解性，從而改變了它的穩(wěn)定性[4]，這表明Parkin喪失功能可導(dǎo)致疾病的發(fā)生。

2.2 Parkin與腫瘤

越來越多的證據(jù)表明，Parkin也是一種腫瘤抑制因子。已有報道稱其在人類多種癌癥中失活。Parkin在30%的人類腫瘤細(xì)胞中缺失，且Parkin缺陷的小鼠更容易發(fā)生腫瘤[5-6]。Parkin基因定位于人類染色體6q25-27，這是癌癥中經(jīng)常丟失的區(qū)域[4]。在乳腺癌、肺癌、結(jié)直腸癌和卵巢癌中已經(jīng)觀察到PARK2丟失[7-8]。Parkin基因的突變已經(jīng)在許多類型的癌癥中被報道，如，Parkin基因在乳腺癌、結(jié)直腸癌、肺鱗癌和胃癌中發(fā)生突變[9]。許多流行病學(xué)研究表明，PD與前列腺癌、肺癌、膀胱癌、胃癌、子宮癌和結(jié)直腸癌的風(fēng)險降低及黑色素瘤、腦癌和乳腺癌的風(fēng)險增加有關(guān)[10]。在一項研究中，Parkin促進(jìn)人癌細(xì)胞系異種移植物中的磷酸甘油酸脫氫酶降解，抑制絲氨酸合成并抑制腫瘤生長[11]。提示未來的研究還應(yīng)該觀察Parkin基因突變在介導(dǎo)PD和癌癥風(fēng)險之間的聯(lián)系中的潛在作用。

2.3 Parkin與肝臟疾病

近年來，大量研究表明Parkin與肝臟疾病密切相關(guān)，2013年P(guān)LOS PATHOGENS首次在慢性丙型肝炎患者的肝組織檢測到了Parkin誘導(dǎo)的線粒體自噬，這在慢性丙型肝炎相關(guān)的線粒體肝損傷中有重要貢獻(xiàn)[12]。隨后，WILLIAMS等[13]研究發(fā)現(xiàn)與正常小鼠相比，乙醇導(dǎo)致Parkin基因敲除小鼠肝損傷、氧化應(yīng)激和脂肪變性更嚴(yán)重，這可能是由于乙醇處理后，Parkin基因敲除小鼠肝臟的線粒體損傷和功能障礙比正常小鼠肝臟嚴(yán)重所致。PENG等[14]討論了調(diào)節(jié)Parkin介導(dǎo)的線粒體自噬可能是治療酒精性脂肪肝的途徑。YAMADA等[15]和LIU等[16]研究發(fā)現(xiàn)Pink1/Parkin介導(dǎo)的線粒體自噬能緩解非酒精性脂肪肝(NAFLD)。李相遷[17]研究發(fā)現(xiàn)，隨NAFLD發(fā)展，線粒體損傷加重，Pink1/Parkin介導(dǎo)線粒體自噬降低，ROS釋放增加，炎性反應(yīng)加重，推測Pink1/Parkin介導(dǎo)的線粒體自噬途徑參與了NAFLD過程。2019年ZHOU等[18]研究發(fā)現(xiàn)Mst1通過AMPK途徑調(diào)節(jié)Parkin的表達(dá)，阻斷AMPK抑制了Parkin介導(dǎo)的線粒體自噬，使肝細(xì)胞線粒體發(fā)生凋亡，研究證實(shí)非酒精性脂肪肝與Mst1上調(diào)導(dǎo)致的Parkin介導(dǎo)線粒體自噬密切相關(guān)。

2.4 Parkin與心臟疾病

2019年SUN等[19]報道了Parkin通過催化CypD的泛素化來抑制MPTP的開放，減輕心肌損傷，改善心臟功能。KAGEYAMA等[20]證明需要蛋白Drp1和Parkin協(xié)同維持小鼠心臟和大腦線粒體結(jié)構(gòu)和功能的完整性。缺乏Drp1的小鼠表現(xiàn)出致命的心臟缺陷。在Drp1基因敲除后，線粒體泛素化不依賴于Parkin，這會加重心臟缺陷。ZHANG等[21]通過研究Parkin蛋白在心肌梗死大鼠心功能和心室重構(gòu)中的作用發(fā)現(xiàn)，經(jīng)Parkin治療后，心肌梗死大鼠相關(guān)mRNA水平降低，凋亡細(xì)胞數(shù)量減少，心肌纖維形態(tài)恢復(fù)正常，心肌梗死范圍縮小，心功能改善。證明Parkin對心肌梗死大鼠的心功能和心室重構(gòu)有積極的作用。QIAO等[22]研究發(fā)現(xiàn)利拉魯肽通過上調(diào)NAD依賴的蛋白去乙?；竤irtuin-1(SIRT1)的表達(dá)，從而增加Parkin的表達(dá)，激活線粒體自噬，進(jìn)而發(fā)揮心肌梗死的修復(fù)作用。Parkin過表達(dá)也能激活Nrf2/ARE信號通路，減少炎癥介導(dǎo)的心肌細(xì)胞凋亡。

2.5 Parkin與骨骼肌功能

2018年P(guān)EKER等[23]研究發(fā)現(xiàn)，將體外培養(yǎng)的骨骼肌Parkin基因敲除后可導(dǎo)致肌小管萎縮，且Parkin基因敲除的肌肉中線粒體功能受損，肌纖維面積變小，這表明Parkin是骨骼肌生長發(fā)育所必需的。同年，GOUSPILLOU等[24]報道了在Park2-/-小鼠中發(fā)現(xiàn)Parkin消融導(dǎo)致肌肉比力降低，線粒體呼吸嚴(yán)重減少，線粒體解偶聯(lián)，并增加了通透性轉(zhuǎn)換孔開放的敏感性。這些結(jié)果表明Parkin在維持骨骼肌的線粒體功能方面起著保護(hù)作用。

2.6 Parkin與抗菌作用

Parkin還在通過吞噬異種來防御病原體方面起著關(guān)鍵作用，這是一種與線粒體自噬相關(guān)的途徑。在異源吞噬中，細(xì)菌被泛素鏈標(biāo)記，這些泛素鏈招募泛素結(jié)合的自噬適配器，導(dǎo)致自噬小體的形成，并最終與溶酶體融合。這一途徑涉及的泛素化底物和連接酶目前了解甚少。基因組研究證實(shí)Parkin是細(xì)胞內(nèi)麻風(fēng)分枝桿菌病原體的易感因素。近年來，已經(jīng)證明Parkin是通過自噬依賴的機(jī)制來抵抗細(xì)胞內(nèi)的病原體，如結(jié)核分枝桿和腸沙門菌[25]。線粒體和細(xì)菌的共同作用表明了Parkin介導(dǎo)的自噬的共同機(jī)制，但異種吞噬是否需要PINK1或相關(guān)激酶尚不清楚。

3 天然產(chǎn)物對Parkin蛋白的調(diào)節(jié)作用

天然產(chǎn)物富含眾多活性成分，其特點(diǎn)是可從多環(huán)節(jié)、多靶點(diǎn)調(diào)節(jié)機(jī)體功能，從而達(dá)到綜合治療的目的。當(dāng)前，從天然產(chǎn)物中發(fā)現(xiàn)可調(diào)節(jié)Parkin蛋白進(jìn)而緩解相關(guān)疾病的活性物質(zhì)/藥物已成為研究熱點(diǎn)，其對于天然產(chǎn)物資源的開發(fā)具有重大意義。研究發(fā)現(xiàn)，一些天然產(chǎn)物對Parkin蛋白有調(diào)節(jié)作用并能有效緩解相關(guān)病癥(表1)，這些天然產(chǎn)物主要是通過調(diào)節(jié)Parkin蛋白表達(dá)量以發(fā)揮藥效。

表1 天然產(chǎn)物調(diào)節(jié)Parkin蛋白、緩解疾病的作用

續(xù)表1 天然產(chǎn)物調(diào)節(jié)Parkin蛋白、緩解疾病的作用

4 總結(jié)與展望

Parkin蛋白是線粒體自噬調(diào)控的關(guān)鍵靶位，Parkin功能異常將會引發(fā)線粒體自噬異常，進(jìn)而誘發(fā)帕金森、腫瘤等相關(guān)疾病發(fā)生、發(fā)展。然而當(dāng)前已發(fā)現(xiàn)的可調(diào)節(jié)Parkin表達(dá)量的小分子配體仍非常少，且仍未見報道可調(diào)節(jié)Parkin活力的小分子配體；此外，雖然當(dāng)前已發(fā)現(xiàn)一些天然產(chǎn)物可調(diào)節(jié)Parkin蛋白表達(dá)而調(diào)節(jié)線粒體自噬，進(jìn)而緩解相關(guān)病癥，但已報道的可調(diào)節(jié)Parkin蛋白表達(dá)的單體成分仍較少，且通過調(diào)節(jié)Parkin活力而防治疾病的天然產(chǎn)物當(dāng)前仍未見報道。因此，應(yīng)廣泛開展Parkin配體的篩選研究，以期發(fā)現(xiàn)更多Parkin配體(尤其是小分子配體)，為新藥研發(fā)提供新思路；同時，應(yīng)加強(qiáng)天然產(chǎn)物對Parkin蛋白表達(dá)量/活力的調(diào)節(jié)作用及相關(guān)機(jī)制的研究，為揭示天然產(chǎn)物發(fā)揮藥效的本質(zhì)提供科學(xué)依據(jù)。

此外，當(dāng)前對于天然產(chǎn)物調(diào)節(jié)Parkin蛋白而緩解疾病的大量研究仍停留在實(shí)驗(yàn)室階段，未能較好地指導(dǎo)臨床用藥。廣大科研工作者仍需將天然產(chǎn)物調(diào)節(jié)Parkin蛋白相關(guān)作用機(jī)制運(yùn)用到疾病防治中，為臨床探索防治疾病的有效方法提供新途徑。

可以相信，隨著Parkin蛋白與人類疾病關(guān)系，以及天然產(chǎn)物對Parkin蛋白調(diào)節(jié)等研究的不斷深入，將會發(fā)現(xiàn)眾多可通過調(diào)節(jié)Parkin蛋白而緩解疾病的天然藥品或健康產(chǎn)品，并將明確天然產(chǎn)物調(diào)節(jié)Parkin作用機(jī)制，不僅有助于闡明天然產(chǎn)物復(fù)雜體系的抗病機(jī)制，還能提高新藥研發(fā)及臨床治療水平，同時也為其他疾病的防治提供依據(jù)。