线粒体激酶PINK1的功能及其在神经退行性疾病与肿瘤中作用的研究进展

高雁艳，纪 军，张 利

(大连市中心医院 中心实验室，辽宁 大连 116033)

综 述 doi:10.11724/jdmu.2016.06.19

线粒体激酶PINK1的功能及其在神经退行性疾病与肿瘤中作用的研究进展

高雁艳，纪 军，张 利

(大连市中心医院 中心实验室，辽宁 大连 116033)

PINK1是一种线粒体丝苏氨酸蛋白激酶，其在氧化应激诱导的线粒体功能失调中起保护性作用。线粒体膜电位去极化时，PINK1募集parkin蛋白诱导线粒体自噬。生理状态下，PINK1在线粒体中被剪切并释放入胞质促进神经元分化。PINK1突变能够导致常染色体隐性早发帕金森病。在非神经退行性疾病中，PINK1通过激活胞质AKT信号通路、与线粒体抗凋亡蛋白Bcl-XL相互作用等机制，调节神经胶质瘤、乳腺癌等肿瘤细胞的生长与凋亡。本文对PINK1的生理功能及其在神经退行性疾病和肿瘤发生过程中的作用进行综述。

PINK1；线粒体质量控制；神经退行性疾病；肿瘤

PINK1(PTEN induced putative kinase 1)基因定位于1号染色体短臂1p35-36区域，包含8个外显子，长度1.8 kb，编码产物包含581个氨基酸。PINK1蛋白全长63 kDa，是一个高度保守的线粒体丝苏氨酸蛋白激酶[1]。PINK1能够保护细胞免受氧化应激诱导的细胞凋亡，降低PINK1的表达使线粒体功能受损[2]。因此，PINK1在监控线粒体呼吸链功能，激发线粒体自噬等线粒体质量控制过程中，可能作为第一道防线发挥重要作用[1,3]。

神经退行性疾病是一种大脑和脊髓细胞神经元丧失的疾病状态。帕金森氏病是第二大神经退行性疾病，病因尚不明确。其中，PINK1被发现是帕金森氏病的一个相关基因，大量研究已证明，PINK1基因突变能够导致常染色体隐性遗传早发性帕金森病[4-5]。研究发现，帕金森病患者中肿瘤发病率很低。由此推测，在帕金森病与肿瘤之间存在一些共通的调节机制[6]。研究表明，PINK1在肿瘤发生中的功能远远超过其在神经组织中线粒体保护蛋白的作用，其能通过激活一系列胞质信号通路，调节肿瘤细胞如：胶质瘤、乳腺癌、膀胱癌等细胞的生长和凋亡[7-8]。

1 PINK1蛋白的结构与表达

PINK1蛋白由4部分构成：N端线粒体定位序列(1-77 AA)、跨膜结构域(101-107AA)、丝/苏氨酸蛋白激酶结构域(150-510 AA)和C末端尾部调节区(510-581 AA)。其中，丝/苏氨酸蛋白激酶结构域即中心结构域，在体外表现出自磷酸化活性[1]。

PINK1广泛表达于多种哺乳动物细胞中，在大脑、心脏、肌肉和睾丸等耗能高的器官表达尤为突出。大脑中，PINK1高表达的神经元主要分布于黑质纹状体，海马以及小脑的普尔基涅细胞。细胞内，线粒体外膜和内膜都可以发现PINK1蛋白，其定位依赖于氨基末端的线粒体定位结构域。翻译后的全长PINK1蛋白可以被线粒体膜裂解酶PARL在103位丙氨酸和104位苯丙氨酸残基之间进一步加工剪切成2个短片段，这些片段分布于线粒体和胞质中。生理情况下，PINK1的底物位于线粒体外膜或胞质临近线粒体表面的区域[1,9]。

2 PINK1的生理功能

2.1 PINK1对抗应激诱导的细胞凋亡

细胞应激期间，如细胞有异常高的能源需求时，PINK1具有线粒体保护功能。最初关于PINK1功能的报道是在细胞培养中发现的，过表达野生型PINK1保护细胞免受细胞毒剂MPTP和蛋白酶体抑制剂MG-132诱导的细胞死亡，突变型PINK1(激酶失活型或帕金森病相关突变型)失去了这种保护效应[10]。为了进一步证明PINK1功能与氧化应激的负相关性，表达突变型PINK1的淋巴母细胞表现出呼吸链复合物Ⅰ活性下降，同时氧化应激水平增高。缺失PINK1的细胞中，基础水平胞质活性氧簇(ROS)和线粒体活性氧簇(mROS)的产生都升高[10-12]。此外，PINK1通过磷酸化线粒体分子伴侣TRAP1，抑制细胞色素C从线粒体释放，保护细胞免受氧化应激损害，且这种保护作用随PINK1的突变而丧失[10]。

2.2 PINK1在线粒体呼吸中的作用

PINK1沉默的小鼠表现出线粒体呼吸功能受损以及氧化磷酸化活性降低，因此PINK1的缺失可导致线粒体呼吸功能障碍。发生热休克时线粒体的这种呼吸功能损坏更加严重。线粒体分级分离结果显示，PINK1存在于呼吸链复合体Ⅰ-Ⅳ中。研究显示，缺失PINK1的多巴胺能神经元细胞SH-SY5Y中，线粒体DNA的表达及合成水平显著降低，并伴随呼吸链复合体Ⅳ特异性受损[2]。PINK1功能降低或突变直接影响ATP产生，使能量供应受阻，从而影响蛋白酶体功能并使ROS水平增高。增高的ROS能够抑制葡萄糖转运体的功能，并诱导线粒体DNA突变，影响呼吸复合体Ⅰ/Ⅱ底物向呼吸链传递[1,13-14]。

2.3 PINK1与泛素化蛋白质折叠和线粒体自噬

PINK1能够和丝氨酸蛋白酶HtrA2，E3泛素连接酶Parkin以及分子伴侣Hsp90、Cdc37相互作用。HtrA2在泛素依赖的线粒体蛋白质质量控制中发挥作用。Parkin通过干扰PINK1的泛素化降解过程，稳定PINK1的表达。PINK1- Hsp90-Cdc37复合体不仅能影响PINK1的亚细胞定位还能调控全长PINK1及其剪切片段(63/55 kDa)的比例，稳定PINK1全长及其42 kDa剪切产物的表达[15]。

此外，PINK1能够与Parkin和DJ-1形成E3泛素连接酶复合体，促进Parkin的底物——未折叠蛋白和错误折叠蛋白通过泛素蛋白酶体系统降解。由于泛素蛋白酶体系统功能依赖ATP，而PINK1功能缺失降低ATP水平，因此，缺失PINK1能够间接损伤泛素蛋白酶体系统功能，使未折叠和错误折叠的泛素化蛋白蓄积，从而启动线粒体自噬以补偿受损泛素蛋白酶体系统的功能。缺失PINK1引起的线粒体自稳性的改变也能诱导线粒体自噬的发生[2,13]。

越来越多实验证明，自噬作为细胞蛋白质降解的补偿机制，在泛素蛋白酶体系统受损时发挥作用[3]。缺失PINK1的细胞中自噬小体和溶酶体的表达水平显著增高，胞质中线粒体向溶酶体转运增加，线粒体数量减少。过表达野生型或△N(111-581 AA)-PINK1阻止了线粒体自噬的发生，说明PINK1对抗线粒体自噬的过程需要其激酶活性。总之，PINK1通过维持线粒体稳定性、磷酸化下游分子伴侣以及调节线粒体自噬的发生在线粒体质量控制过程中发挥重要作用[2,12-13]。

2.4 PINK1在线粒体融合与分裂过程中的作用

近年来，一些文献报道了PINK1在线粒体融合/分裂这一动态平衡过程中的调控作用。哺乳动物中，PINK1作为线粒体促融合蛋白发挥作用，而在果蝇中PINK1却促进线粒体分裂。研究证明，PINK1缺失或突变(Q126P/G309D)能够促进哺乳动物线粒体分裂，使线粒体发生片段化形态改变，降低膜电位，而过表达显性负性突变的线粒体分裂动力相关蛋白DRP-1能纠正这种效应。与之相反，在果蝇中缺失PINK1，驱使线粒体融合，同样这种效应能够被过表达野生型DRP-1纠正[1,13]。

2.5 PINK1在线粒体转运中的作用

线粒体转运依赖微管蛋白，实验证明，PINK1能够和蛋白Miro、Milton以及驱动蛋白Kinesin-1形成一个多蛋白复合体，在线粒体沿微管从细胞体到突触的顺势运输过程中发挥重要作用。除此之外，很多细胞内信号通路能够调控线粒体转运从而影响线粒体在胞内的分布。其中，细胞内钙离子水平升高抑制微管依赖性线粒体的转运。研究表明，PINK1通过调控线粒体钙离子外流，与Miro/Milton/Kinesin复合体共同调节线粒体在细胞内的转运和移动。PINK1功能缺失提高细胞内钙离子水平，从而抑制线粒体的移动[1,16]。

2.6 PINK1与钙离子信号通路

PINK1可以通过线粒体钠钙交换器，直接调控钙的释放[1,3]。缺失PINK1使线粒体内钙蓄积，而线粒体钙超载进一步诱导活性氧簇的产生，继而抑制葡萄糖转运体的功能，降低底物向呼吸链的转运[14]。此外在PINK1缺失的细胞中，钙缓冲能力的减弱以及活性氧簇的产生降低线粒体膜电位，使线粒体通透性转换孔开放的阈值降低。这使线粒体更容易释放促凋亡因子，如细胞色素c，诱导细胞凋亡[1]。PINK1在钙离子通路中的另一作用是其可以和钙敏感分子NCS-1相互作用，作为神经元促存活因子在调节神经递质的释放，电压门控钙离子通道和D2多巴胺受体方面发挥作用[1]。

3 PINK1在神经退行性疾病中的作用

上述PINK1的功能表明，PINK1通过维持线粒体稳定性、磷酸化下游线粒体分子伴侣以及调节线粒体自噬的发生在线粒体质量控制过程中发挥重要作用。然而，线粒体功能紊乱能够引起神经元萎缩、神经突退化变性以及神经元死亡[10, 12]。PINK1的突变能够导致常染色体隐性遗传早发帕金森病，研究发现，在PINK1的激酶域和羧基末端调节结构域已鉴定出50多种突变形式，主要集中在其蛋白激酶结构域，其中一个位于ATP结合位点[4-5,10]。由此说明，PINK1缺失激酶活性与帕金森病的发生密切相关。

早老素相关线粒体驻留丝氨酸蛋白酶PARL，能够介导PINK1在线粒体内的降解，这一过程与神经退行性疾病相关[1]。帕金森病的患者中存在基因突变，使PARL剪切PINK1的过程下降[1]。线粒体去极化时，PINK1在线粒体表面聚集，并募集了帕金森病相关蛋白Parkin从胞质聚集到线粒体表面，最终引起线粒体自噬[1,17]。此外，Beclin1是重要的自噬相关蛋白与阿尔茨海默病和亨廷顿病的发病机制相关。全长PINK1与Beclin1相互作用，增强了饥饿诱导的自噬[17]。

微管调节激酶 MARK2在神经退行性疾病，如阿尔茨海默病的发生过程中也扮演重要角色。MARK2通过磷酸化tau蛋白使其从微管上解离。MARK2也能磷酸化并激活PINK1(Thr 313)，帕金森病患者中常存在PINK1苏氨酸313位点的非磷酸化突变，这种突变型PINK1使线粒体在神经元中异常分布[4]。

HtrA2的点突变是帕金森病易感因素之一。HtrA2能够被PINK1非直接磷酸化，在信号转导通路中与PINK1相互作用[4]。线粒体蛋白酶rhomboid-7和PINK1与HtrA2的翻译后调节有关[4]。

以上这些病理机制并不只局限于帕金森病与阿尔茨海默病，其可能是许多神经退行性疾病和感染性神经功能失调等疾病的共同特点。

4 PINK1在多种肿瘤发生发展中的作用

研究发现帕金森病患者中，肿瘤发病率很低。由此推测，可能在帕金森病和肿瘤之间存在一些共通的调节机制[6,8,18]。PINK1基因最初是在肿瘤抑制基因PTEN缺乏时出现下调而被鉴定出的。PTEN在抑制PI3K/Akt通路中起重要作用，推测PINK1可能是PTEN生长抑制信号通路的潜在调节靶点。虽然PINK1的研究多集中于神经退行性疾病，但已有研究发现PINK1的功能远远超过其在神经系统中线粒体保护蛋白的作用[8,19]。

实验证明，在高转移性小鼠癌细胞中PINK1表达升高[20]，并且其通过激活PI3K/AKT信号通路保护细胞免受多种细胞毒制剂的损害，促进多种肿瘤如：神经母细胞瘤、前列腺癌、肺癌、乳腺癌细胞存活[8]。Murata H等[7]研究显示，过表达PINK1抑制了多种毒剂如鱼藤酮、顺铂、过氧化氢、衣霉素、蛋白酶体抑制剂以及细胞氧化应激所诱导的神经母细胞瘤细胞SH-SY5Y和前列腺癌细胞PC3、DU145细胞凋亡，且PINK1通过激活胞质信号通路mTORC2/AKT对神经母细胞瘤细胞起保护作用。Berthier A等[9]在实验中发现，在人乳腺癌和肺癌标本中存在PINK1胞质和胞膜的异常分布，并且过表达PINK1抑制过氧化氢诱导的乳腺癌细胞系MCF-7细胞凋亡，并调控细胞生长。最近研究表明，PINK1能够与磷酸化的Bcl-XL(S62)相互作用，并能阻止Bcl-xL N末端促凋亡片段的剪切，抑制了线粒体去极化诱导的神经胶质瘤细胞凋亡[21]。除此之外，有研究发现PINK1可成为DNA错配修复缺陷肿瘤的潜在治疗靶点[22]。下调PINK1使膀胱癌细胞对基因治疗的敏感性增加[23]。

综上所述，PINK1与线粒体功能、氧化应激、细胞凋亡、泛素蛋白酶体系统、线粒体相关性自噬等功能紧密相关，而上述生物学功能的异常均可导致肿瘤发生[18,24]，这使PINK1成为肿瘤治疗和新药开发的潜在靶点。

5 结语与展望

PINK1作为线粒体丝苏氨酸蛋白激酶，在监控线粒体质量控制、呼吸链功能、线粒体转运、钙离子通道以及对抗细胞应激等过程中发挥重要作用。PINK1的异常表达和分布与神经退行性疾病和多种肿瘤的发生发展密切相关。此外，PINK1在Ⅱ型糖尿病与肥胖等代谢性疾病中的关系和作用被不断发现。尽管如此，依然存在很多问题尚待明确，如：进一步明确和鉴定PINK1的剪切形式及其作用底物，以便更加深入解析PINK1在多种疾病中的详细作用机制；稳定而特异的PINK1抗体的产生等等。

[1] Matsuda S, Kitagishi Y, Kobayashi M. Function and characteristics of PINK1 in mitochondria[J]. Oxid Med Cell Longev, 2013, 2013: 601587.

[2] Parganlija D, Klinkenberg M, Dominguez-Bautista J, et al. Loss of PINK1 impairs stress-induced autophagy and cell survival[J]. PLoS One, 2014, 9(4):e95288.

[3] Ding WX, Yin XM. Mitophagy: mechanisms, pathophysiological roles, and analysis[J]. Biol Chem, 2012, 393(7):547-564.

[4] Gaki GS, Papavassiliou AG. Oxidative stress-induced signaling pathways implicated in the pathogenesis of Parkinson's disease[J]. Neuromolecular Med, 2014, 16(2):217-230.

[5] Valente EM, Abou-Sleiman PM, Caputo V, et al. Hereditary early-onset Parkinson's disease caused by mutations in PINK1[J]. Science, 2004, 304(5674):1158-1160.

[6] Realmuto S, Cinturino A, Arnao V, et al. Tumor diagnosis preceding Alzheimer's disease onset: is there a link between cancer and Alzheimer's disease?[J]. J Alzheimers Dis, 2012, 31(1):177-182.

[7] Murata H, Sakaguchi M, Jin Y, et al. A new cytosolic pathway from a Parkinson disease-associated kinase, BRPK/PINK1: activation of AKT via mTORC2[J]. J Biol Chem, 2010, 286(9):7182-7189.

[8] O′Flanagan CH, Morais VA, Wurst W, et al. The Parkinson's gene PINK1 regulates cell cycle progression and promotes cancer-associated phenotypes[J]. Oncogene, 2015, 34(11):1363-1374.

[9] Berthier A, Navarro S, Jimenez-Sainz J, et al. PINK1 displays tissue-specific subcellular location and regulates apoptosis and cell growth in breast cancer cells[J]. Hum Pathol, 2010, 42(1):75-87.

[10] Li L, Hu GK. Pink1 protects cortical neurons from thapsigargin-induced oxidative stress and neuronal apoptosis[J]. Biosci Rep, 2015, 35(1):1-8.

[11] Chen SD, Lin TK, Yang DI, et al. Roles of PTEN-induced putative kinase 1 and dynamin-related protein 1 in transient global ischemia-induced hippocampal neuronal injury[J]. Biochem Biophys Res Commun, 2015, 460(2):397-403.

[12] Dai H, Deng Y, Zhang J, et al. PINK1/Parkin-mediated mitophagy alleviates chlorpyrifos-induced apoptosis in SH-SY5Y cells[J]. Toxicology, 2015, 334: 72-80.

[13] Wu W, Xu H, Wang Z, et al. PINK1-Parkin-Mediated Mitophagy Protects Mitochondrial Integrity and Prevents Metabolic Stress-Induced Endothelial Injury[J]. PLoS One, 2015, 10(7):e0132499.

[14] Lee S, Zhang C, Liu X. Role of glucose metabolism and ATP in maintaining PINK1 levels during Parkin-mediated mitochondrial damage responses[J]. J Biol Chem, 2015, 290(2):904-917.

[15] Zhang C, Lee S, Peng Y, et al. PINK1 triggers autocatalytic activation of Parkin to specify cell fate decisions[J]. Curr Biol, 2014, 24(16):1854-1865.

[16] McLelland GL, Soubannier V, Chen CX, et al. Parkin and PINK1 function in a vesicular trafficking pathway regulating mitochondrial quality control[J]. EMBO J, 2014, 33(4):282-295.

[17] Lazarou M, Sliter DA, Kane LA, et al. The ubiquitin kinase PINK1 recruits autophagy receptors to induce mitophagy[J]. Nature, 2015, 524(7565):309-314.

[18] Vyas S, Zaganjor E, Haigis MC. Mitochondria and Cancer[J]. Cell, 2016, 166(3):555-566.

[19] Matsuda S, Nakanishi A, Minami A, et al. Functions and characteristics of PINK1 and Parkin in cancer[J]. Front Biosci (Landmark Ed), 2015, 20: 491-501.

[20] Nakajima A, Kataoka K, Hong M, et al. BRPK, a novel protein kinase showing increased expression in mouse cancer cell lines with higher metastatic potential[J]. Cancer Lett, 2003, 201(2):195-201.

[21] Arena G, Gelmetti V, Torosantucci L, et al. PINK1 protects against cell death induced by mitochondrial depolarization, by phosphorylating Bcl-xL and impairing its pro-apoptotic cleavage[J]. Cell Death Differ, 2013, 20(7):920-930.

[22] Martin SA, Hewish M, Sims D, et al. Parallel high-throughput RNA interference screens identify PINK1 as a potential therapeutic target for the treatment of DNA mismatch repair-deficient cancers[J]. Cancer Res, 2011, 71(5):1836-1848.

[23] Jin Y, Murata H, Sakaguchi M, et al. Partial sensitization of human bladder cancer cells to a gene-therapeutic adenovirus carrying REIC/Dkk-3 by downregulation of BRPK/PINK1[J]. Oncol Rep, 2011, 27(3):695-699.

[24] Bernardini JP, Lazarou M, Dewson G. Parkin and mitophagy in cancer[J]. Oncogene, 2016. DOI:10.1038/onc.2016.302.

Function of mitochondrial kinase PINK1 and the study progress in neurodegenerative diseases and cancer

GAO Yan-yan, JI Jun, ZHANG Li

(DepartmentofCentralLaboratory,DalianMunicipalCentralHospital,Dalian116033,China)

PTEN-induced kinase 1 (PINK1) is a mitochondria targeted serine/threonine kinase, which protects cells against stress-induced mitochondrial dysfunction. PINK1 activity causes the parkin protein to bind to depolarized mitochondria and induces autophagy of the mitochondria. PINK1 is processed by healthy mitochondria and released to trigger neuron differentiation. Its mutations cause one form of autosomal recessive early-onset Parkinson's disease. In addition, PINK1 can regulate growth and apoptosis of tumor cells such as gliocytoma and breast cancer via activation of AKT signaling or interaction with anti-apoptotic protein Bcl-XL in non-neurodegenerative disease.This review summarizes the physiological roles of PINK1 and the mechanisms in the pathogenesis of neurodegenerative disease and cancer.

PINK1; mitochondrial quality control; neurodegenerative diseases; cancer

大连市卫生局课题(2014)

高雁艳(1985-)，女，辽宁大连人，硕士。E-mail：yan-yangao@hotmail.com

张 利，博士，主任医师。E-mail：tyouri19652004@hotmail.com

R34

A

1671-7295(2016)06-0598-05

高雁艳，纪军，张利.线粒体激酶PINK1的功能及其在神经退行性疾病与肿瘤中作用的研究进展[J].大连医科大学学报，2016,38(6)：598-602.

2016-05-12；

2016-11-08)