Parkinson’s disease (PD) is characterized by motor disturbances and dopaminergic (DA) neurodegeneration. parkin and PINK1, PD-associated genes, have been intensively studied to address its underlying molecular pathogenesis, but our understanding still remains unclear. Through generation and characterization of Drosophila mutants for PINK1, I show that PINK1 is required for mitochondrial integrity and function in both indirect flight muscles and dopaminergic neurons. Surprisingly, I found that PINK1 mutants share striking phenotypic similarities with parkin mutants. Indeed, transgenic expression of parkin dramatically ameliorates all PINK1 loss-of-function phenotypes, but not vice versa, implicating that Parkin acts downstream of PINK1 in maintaining mitochondrial integrity and function in both muscles and DA neurons. With the establishment of the PINK1-Parkin pathway, I further investigated the details in the relationship between PINK1 and Parkin. First, I examined whether the kinase activity of PINK1 is essential for the protection of mitochondria integrity and function in vivo. While expression of PINK1 wild type transgene almost fully rescued the impaired mitochondria of PINK1 mutants, the expression of the kinase inactive mutant (KD) could not rescue at all, which indicates that the kinase activity of PINK1 is essential for its mitochondrial function in vivo. Then, I examined whether this kinase activity is required for Parkin regulation. Through both biochemical and genetic analyses, I found that PINK1 induces Parkin translocation to mitochondria and subsequently promotes mitochondrial aggregation in a kinase-dependent manner. In conclusion, I discovered a functional interaction between PINK1 and Parkin, the mechanism by which PINK1 regulates Parkin and their protective effect on mitochondria. I believe that these results provide a greater understanding of the pathogenic mechanism of Parkinson’s disease.
파킨슨병은 치매에 이어 두 번째로 빈번하게 유발되는 퇴행성 뇌질환으로 노인 100명당 1명꼴로 나타난다고 알려져 있다. 인구의 고령화에 따라 환자의 수는 급격히 늘어나고 있지만, 현재까지 이 병의 정확한 질병 발생 원인을 모르기 때문에 효과적인 치료제와 진단시약 등의 개발이 미흡한 상태이다. 따라서 본 연구자는 초파리 모델동물을 이용하여 유전적인 요인에 의해 발생하는 파킨슨병의 발병원인을 규명하였다. 파킨슨병의 핵심 원인유전자로 알려진 PINK1이 없는 초파리 모델동물을 만들어 관찰해본 결과 날개위치 이상, 가슴부위의 구조 변형, 운동성 장애 등의 특징을 나타냈다. 날개를 담당하는 근육 구조를 살펴본 결과 근육 조직이 퇴화 되었을 뿐만이 아니라 미토콘드리아가 비정상적으로 확대변형 되어있었다. 또한, 이 돌연변이 파리들의 도파민성 신경세포 내에서의 미토콘드리아의 모양도 변형되어있음을 관찰할 수 있었고, 도파민 뇌신경세포의 수도 감소됨을 알 수 있었다. 따라서 PINK1은 근육과 도파민 뇌신경세포 내 미토콘드리아의 정상적인 기능유지에 반드시 필요하다는 사실을 밝혀내었다. 그리고 PINK1 유전자가 망가질 경우 급격한 미토콘드리아의 변형 및 파괴로 인해 파킨슨병과 유사한 현상이 유발됨을 증명하였다. 하지만 놀랍게도 PINK1 돌연변이 파리의 특징은 또 다른 파킨슨병의 핵심유전자인 Parkin을 돌연변이 시킨 경우와 유사하였다. 이에 두 유전자의 상관관계를 검정하였다. Parkin 유전자를 인위적으로 과발현 시킬 경우, PINK1이 망가져서 유도되는 모든 파킨슨병 관련 증상을 정상에 가깝게 되돌렸지만 PINK1을 Parkin 돌연변이 동물에 과발현 시켰을 경우에는 정상으로 되돌리지 못하는 것을 보였다. 이로서 이들 유전자의 상호작용을 증명할 수 있었다. 결론적으로, PINK1과 Parkin 변이의 유전적인 요인에 의한 파킨슨병은 미토콘드리아의 기능상실에서 기인할 가능성을 증명한 것이다. PINK1과 Parkin의 유전학적인 연관관계를 밝혔지만 이들 간의 분자 수준에서의 명확한 상호관계에 대한 연구도 필요하다. 따라서 PINK1에 의한 Parkin의 기능변화를 보고자 우선 PINK1의 kinase activity가 미토콘드리아에 어떠한 영향을 미칠지 관찰해본 결과 이는 미토콘드리아의 기능을 유지하는데 있어서 꼭 필요한 것임을 알 수 있었다. 그리고 PINK1의 kinase activity가 존재했을 때 Parkin이 세포 내의 미토콘드리아에 위치하게 되고, 미토콘드리아가 한 곳에 뭉치는 현상을 볼 수 있었다. Parkin의 위치가 PINK1에 의해 미토콘드리아로 옮겨지는 것이 미토콘드리아의 기능을 보호하기 위한 메커니즘임을 초파리 시스템을 이용하여 다시 한번 증명할 수 있었다. 이렇게 새롭게 PINK1와 Parkin의 기능을 밝힘으로써 앞으로의 파킨슨병의 병리학적 기작을 이해하는 데에 큰 도움을 줄 수 있을 것이다.