Неосубстрат, який підсилює каталітичну активність кінази PINK1, пов’язаної з хворобою Паркінсона

Ніколас Т. Герц

1 Медичний інститут Говарда Х'юза та кафедра клітинної та молекулярної фармакології Каліфорнійського університету, Сан-Франциско, Сан-Франциско, Каліфорнія, 94158, США

2 аспірантура з хімії та хімічної біології, Каліфорнійський університет, Сан-Франциско, Сан-Франциско, Каліфорнія, 94158, США

Амандін Берт

3 Інститут неврологічних захворювань Гладстона, Каліфорнійський університет, Сан-Франциско, Сан-Франциско, Каліфорнія 94158, США

Мартін Л. Сос

Курт С. Торн

6 Кафедра біохімії Каліфорнійського університету, Сан-Франциско, Сан-Франциско, Каліфорнія 94158, США

Ел Л. Берлінгейм

5 Кафедра фармацевтичної хімії Каліфорнійського університету, Сан-Франциско, Сан-Франциско, Каліфорнія 94158, США

Кен Накамура

4 Кафедра неврології та аспірантури з неврології та біомедичних наук, Каліфорнійський університет, Сан-Франциско, Сан-Франциско, Каліфорнія 94158, США

Кеван М. Шокат

Пов’язані дані

Резюме

Мітохондрії вже давно беруть участь у патогенезі хвороби Паркінсона (БП). Мутації мітохондріальної кінази PINK1, що знижують активність кінази, пов'язані з мітохондріальними дефектами і призводять до аутосомно-рецесивної форми раннього початку PD. Терапевтичні підходи для посилення активності PINK1 не розглядались, оскільки не відомі алостеричні регуляторні сайти для PINK1. Тут ми показуємо, що альтернативна стратегія, підхід до нео-субстрату, що включає аналог АТФ кінетину трифосфату (KTP), може бути використана для збільшення активності як мутантного, пов'язаного з PD, PINK1 G309D, так і PINK1 wt. Більше того, ми показуємо, що застосування кінетину-попередника KTP до клітин призводить до біологічно значного збільшення активності PINK1, що проявляється у підвищенні рівня набору Паркіна в деполяризовані мітохондрії, зниженні рухливості мітохондрій в аксонах та нижчому рівні апоптозу. Відкриття нео-субстратів для кіназ може забезпечити раніше недооцінений спосіб регулювання активності кіназ.

Вступ

Хвороба Паркінсона (PD) характеризується втратою дофамінергічних (DA) нейронів у чорній речовині, області середнього мозку, що є критично важливою для моторного контролю (Lang and Lozano, 1998). Мітохондріальна дисфункція була тісно пов'язана з ПД за допомогою декількох механізмів (Nunnari and Suomalainen, 2012; Rugarli and Langer, 2012), включаючи мутації мітохондрій-специфічної кінази PTEN-індукованої кінази 1 (PINK1) (Valente et al., 2004) та мітохондрій -асоційована Е3 убиквитин-лігаза Паркін (Kitada et al., 1998). PINK1 відіграє важливу роль у відновленні дисфункції мітохондрій, реагуючи на пошкодження на рівні окремих мітохондрій. У здорових мітохондріях PINK1 швидко руйнується протеазою ParL (Meissner et al., 2011); але за наявності деполяризації внутрішньої мембрани PINK1 стабілізується на зовнішній мембрані, де завербує і активізує паркін (Narendra et al., 2010), блокує злиття і торгівлю мітохондріями (Clark et al., 2006; Deng et al., 2008; Wang et al., 2011) і, зрештою, викликає мітохондріальну аутофагію (Geisler et al., 2010; Narendra et al., 2008; Youle and Narendra, 2011). Шлях PINK1 також був пов'язаний з індукцією біогенезу мітохондрій та зменшенням індукованого мітохондріями апоптозу в нейронах, останній фенотип принаймні частково обумовлений впливом PINK1 на рухливість мітохондрій, нейроноспецифічний фенотип (Deng et al., 2005; Petit et al., 2005; Pridgeon et al., 2007; Shin et al., 2011; Wang et al., 2011).

Особи, гомозиготні для мутацій втрати функції PINK1, можуть розвинути форму раннього початку ПД, що є результатом високоселективної втрати нейронів ДА, і, принаймні в одному клінічному випадку, поділяють патологію спонтанної БД Леві-тіла (Gautier et al., 2008; Geisler et al., 2010; Haque et al., 2008; Henchcliffe and Beal, 2008; Petit et al., 2005; Samaranch et al., 2010). Недавня робота показала, що із 17 клінічно значущих мутацій PINK1 ті мутанти, які впливають на каталітичну активність, але не впливають на розщеплення або субклітинну локалізацію, мають найбільш значний вплив на життєздатність нейронів, додатково підтримуючи роль діяльності PINK1 у профілактиці нейродегенерації (Song et al., 2013). Один з найпоширеніших каталітичних мутантів, PINK1 G309D, показує a

Зменшення активності кінази на 70% і скасовує нейропротекторний ефект PINK1 (Petit et al., 2005; Pridgeon et al., 2007). Однак нижчу каталітичну активність PINK G309D можна врятувати надмірною експресією PINK1 wt, а підвищення активності PINK1 за допомогою надмірної експресії PINK1 wt зменшує апоптоз, спричинений ставроспорином та окислювальним стресом, у багатьох клітинних лініях, що припускає, що посилена активність PINK1 може ефективна терапевтична стратегія для БД (Arena et al., 2013; Deng et al., 2005; Kondapalli et al., 2012; Petit et al., 2005; Pridgeon et al., 2007).

Визнаючи терапевтичний потенціал активації шляху PINK1/Паркін, ми розпочали дослідження механізмів фармакологічної активації PINK1. Активація малих молекул кіназ, як правило, здійснюється шляхом зв'язування алостеричних регуляторних ділянок: наприклад, природні продукти, такі як ефіри форболу, зв'язуються з домом зв'язування ліпідів ПКС і рекрутують кіназу до мембрани (Castagna et al., 1982; Nishizuka, 1984); окремо АМФ-активована протеїнкіназа (АМРК) активується шляхом зв'язування АМФ з алостеричним сайтом (Ferrer et al., 1985; Hardie et al., 2012). Однак PINK1 не містить відомих сайтів зв'язування малих молекул. Інша потенційна стратегія може включати маніпуляції з ділянками взаємодії білка або активним сайтом, враховуючи те, що були ідентифіковані синтетичні ліганди, які зв'язуються з місцями стикування білка на кіназі PDK1 (Hindie et al., 2009; Wei et al., 2010), і, окремо, що активність Src можна контролювати хімічним доповненням каталітичного залишку з активним центром, що дозволяє приймати АТФ лише тоді, коли мутантному Src був наданий імідазол (Ferrando et al., 2012; Qiao et al., 2006). Однак ці підходи не застосовувались до PINK1, оскільки відсутні структурні дані для PINK1.