Un neosubstrat care amplifică activitatea catalitică a kinazei PINK1 legate de boala Parkinson
Nicholas T. Hertz
1 Institutul medical Howard Hughes și Departamentul de farmacologie celulară și moleculară, Universitatea din California San Francisco, San Francisco, CA 94158, SUA
2 Program absolvent în chimie și biologie chimică, Universitatea din California San Francisco, San Francisco, CA 94158, SUA
Amandine Berthet
3 Gladstone Institute of Neurological Disease, Universitatea din California, San Francisco, San Francisco, CA 94158, SUA
Martin L. Sos
1 Institutul medical Howard Hughes și Departamentul de farmacologie celulară și moleculară, Universitatea din California San Francisco, San Francisco, CA 94158, SUA
Kurt S. Thorn
6 Departamentul de Biochimie, Universitatea din California, San Francisco, San Francisco, CA 94158, SUA
Al L. Burlingame
5 Departamentul de chimie farmaceutică, Universitatea din California, San Francisco, San Francisco, CA 94158, SUA
Ken Nakamura
3 Gladstone Institute of Neurological Disease, Universitatea din California, San Francisco, San Francisco, CA 94158, SUA
4 Departamentul de neurologie și programe postuniversitare în neuroștiințe și științe biomedicale, Universitatea din California, San Francisco, San Francisco, CA 94158, SUA
Kevan M. Shokat
1 Institutul medical Howard Hughes și Departamentul de farmacologie celulară și moleculară, Universitatea din California San Francisco, San Francisco, CA 94158, SUA
Date asociate
rezumat
Mitocondriile au fost implicate mult timp în patogeneza bolii Parkinson (PD). Mutațiile din kinaza mitocondrială PINK1 care reduc activitatea kinazei sunt asociate cu defecte mitocondriale și duc la o formă autosomală recesivă de PD cu debut precoce. Abordările terapeutice pentru îmbunătățirea activității PINK1 nu au fost luate în considerare, deoarece nu sunt cunoscute site-uri de reglementare alosterice pentru PINK1. Aici arătăm că o strategie alternativă, o abordare neo-substrat care implică trifosfatul analogic al kinetinei ATP (KTP), poate fi utilizată pentru a crește activitatea ambelor mutante legate de PD PINK1 G309D și PINK1 wt. Mai mult decât atât, arătăm că aplicarea precursorului kinetinei KTP la celule are ca rezultat creșteri semnificative biologic ale activității PINK1, manifestate ca niveluri mai ridicate de recrutare Parkin la mitocondriile depolarizate, motilitate mitocondrială redusă la axoni și niveluri mai mici de apoptoză. Descoperirea neo-substraturilor pentru kinaze ar putea oferi o modalitate neapreciată până acum pentru reglarea activității kinazei.
Introducere
Boala Parkinson (PD) se caracterizează prin pierderea neuronilor dopaminergici (DA) în substanța neagră, o regiune din creierul central care este critică pentru controlul motor (Lang și Lozano, 1998). Disfuncția mitocondrială a fost strâns legată de PD prin mai multe mecanisme (Nunnari și Suomalainen, 2012; Rugarli și Langer, 2012), inclusiv mutații în kinaza specifică mitocondriilor indusă de PTEN kinaza 1 (PINK1) (Valente și colab., 2004) și mitocondriile -ubicitină ligază E3 asociată Parkin (Kitada și colab., 1998). PINK1 joacă un rol important în repararea disfuncției mitocondriale, răspunzând la daune la nivelul mitocondriilor individuale. În mitocondriile sănătoase, PINK1 este degradat rapid de proteaza ParL (Meissner și colab., 2011); dar în prezența depolarizării membranei interne, PINK1 este stabilizat pe membrana exterioară, unde recrutează și activează Parkin (Narendra și colab., 2010), blochează fuziunea și traficul mitocondrial (Clark și colab., 2006; Deng și colab., 2008; Wang și colab., 2011) și, în cele din urmă, declanșează autofagia mitocondrială (Geisler și colab., 2010; Narendra și colab., 2008; Youle și Narendra, 2011). Calea PINK1 a fost, de asemenea, legată de inducerea biogenezei mitocondriale și de reducerea apoptozei induse de mitocondrie în neuroni, ultimul fenotip datorat cel puțin parțial efectului PINK1 asupra motilității mitocondriale, un fenotip specific neuronului (Deng și colab.)., 2005; Petit și colab., 2005; Pridgeon și colab., 2007; Shin și colab., 2011; Wang și colab., 2011).
Persoanele homozigote pentru mutațiile pierderii funcției PINK1 pot dezvolta o formă de PD cu debut precoce care rezultă din pierderea neuronală DA foarte selectivă și, în cel puțin un caz clinic, împărtășește patologia corpului Lewy a PD sporadice (Gautier și colab., 2008; Geisler și colab., 2010; Haque și colab., 2008; Henchcliffe și Beal, 2008; Petit și colab., 2005; Samaranch și colab., 2010). Lucrările recente au arătat că din 17 mutații PINK1 relevante din punct de vedere clinic, acele mutante care afectează activitatea catalitică, dar nu afectează clivajul sau localizarea subcelulară au cel mai dramatic efect asupra viabilității neuronilor, susținând în continuare un rol pentru activitatea PINK1 în prevenirea neurodegenerării (Song et. al., 2013). Unul dintre cele mai comune mutanți catalitici, PINK1 G309D, arată un
Scăderea cu 70% a activității kinazei și abrogă efectul neuroprotector al PINK1 (Petit și colab., 2005; Pridgeon și colab., 2007). Cu toate acestea, activitatea catalitică PINK G309D mai scăzută poate fi salvată prin supraexprimarea PINK1 wt și creșterea activității PINK1 prin PINK1 wt supraexpresia reduce apoptoza indusă de stresosporină și stres oxidativ în mai multe linii celulare, sugerând că activitatea PINK1 îmbunătățită o strategie terapeutică eficientă pentru PD (Arena și colab., 2013; Deng și colab., 2005; Kondapalli și colab., 2012; Petit și colab., 2005; Pridgeon și colab., 2007).
Recunoscând potențialul terapeutic al activării căii PINK1/Parkin, am început să investigăm mecanismele de activare farmacologică a PINK1. Activarea moleculelor mici a kinazelor se realizează de obicei prin legarea situsurilor de reglare alosterice: de exemplu, produsele naturale, cum ar fi esterii de forbol, se leagă de domeniul de legare a lipidelor PKC și recrutează kinaza de membrană (Castagna și colab., 1982; Nishizuka, 1984); separat, proteina kinază activată AMP (AMPK) este activată prin legarea AMP la un situs alosteric (Ferrer și colab., 1985; Hardie și colab., 2012). Cu toate acestea, PINK1 nu conține situri de legare a moleculelor mici cunoscute. O altă strategie potențială ar putea implica manipularea siturilor de interacțiune cu proteinele sau a sitului activ, dat fiind faptul că au fost identificați liganzi sintetici care se leagă de siturile de andocare a proteinelor pe kinaza PDK1 (Hindie și colab., 2009; Wei și colab., 2010) și, separat, că activitatea Src poate fi controlată prin complementarea chimică a unui situs de reziduu catalitic activ, permițând ca ATP să fie acceptat numai atunci când imidazolul a fost furnizat mutantului Src (Ferrando și colab., 2012; Qiao și colab., 2006). Cu toate acestea, aceste abordări nu au fost aplicabile PINK1, deoarece nu sunt disponibile date structurale pentru PINK1.