PTEN-induced putative kinase 1 (PINK1) and Parkin, encoded by their respective genes associated with Parkinson’s disease (PD), are linked in a common pathway involved in the protection against mitochondrial dysfunction. However, not enough information on their biochemical relationship and physiological roles in mitochondria exists. Using both mammalian and Drosophila systems, I here demonstrated that the PINK1 kinase activity is required for its function on mitochondria. PINK1 regulates the localization of Parkin to the mitochondria in its kinase activity-dependent manner. In detail, Parkin phosphorylation by PINK1 on its linker region promotes its mitochondrial translocation, and the RING1 domain of Parkin is the critical region required for this occurrence. Next, I showed that mitochondria-translocated Parkin induces mitochondrial aggregation by inducing degradation of newly found target protein (NFTP). NFTP overexpression induces mitochondrial fragmentation, and knockdown of NFTP induces mitochondria fusion. Parkin degrades NFTP by ubiquitinating on Lys 200 and 201 residues and knockdown of Parkin induces an increase of NFTP protein amount. Down-regulation of NFTP by NFTP shRNA, compound A, B, and C blocks mitochondrial fragmentation in both parkin null or knockdown and PINK1 knockdown primary neurons. In conclusion, I discovered the mechanism by which PINK1 regulates Parkin and their protective effect on mitochondria by regulating NFTP. I believe that these results provide the central mechanism of PINK-Parkin-associated PD pathogenesis, which leads us one step closer to the development of effective treatment strategies for AR-JP.
PINK1과 Parkin은 파킨슨씨 병에 관여된 유전자 중 하나이다. PINK1이 Parkin의 상위에 위치하는 신호 전달계를 구성하며, 이를 통해 미토콘드리아의 기능장애를 보호하는 기능을 하는 것으로 알려져 있다. 하지만, 이 둘간의 생화학적인 관계나 미토콘드리아에 미치는 생리학적인 영향에 대해서는 알려진 바가 없다. 노랑 초파리와 고등동물 세포배양을 이용하여, 첫째로, PINK1은 인산화 효소인 카이네이즈로서, PINK1의 활성이 미토콘드리아의 기능 유지에 필수적이며, 이는 PINK1에 의한 Parkin의 미토콘드리아로 위치가 변하는 것을 통해서 일어난다는 것을 밝혔다. 또한, 이렇게 Parkin이 미토콘드리아로 이동하는데 Parkin의 RING1 도메인이 중요하며, 이는 PINK1에 의한 Parkin linker 부위의 인산화작용에 의해서 일어난다는 것을 보였다. 두번째로, 이렇게 미토콘드리아로 이동한 Parkin은 미토콘드리아들을 핵막 근처로 모두 응집시키며, 이러한 현상은 미토콘드리아의 Newly Found Target Protein (NFTP)이라는 단백질의 분해를 통해서 이루어진다는 것을 밝혔다. NFTP이 과발현 되었을 때는 미토콘드리아의 분열을 일으키며, siRNA를 이용하여 단백질 발현을 줄였을 경우에는 미토콘드리아의 융합이 일어난다. Parkin은 NFTP 단백질의 라이신 2XX번과 2XY번 아미노산기에 유비퀴틴을 붙여서 깨어버리며, 반대로 Parkin 발현양을 줄이면, NFTP의 단백질양이 증가한다. Parkin 단백질의 이상으로 인한 미토콘드리아의 분열현상은 NFTP 단백질의 양을 shRNA나 compound A으로 줄여 주었을 경우, 정상적인 모양으로 돌아오는 것을 확인하였으며, NFTP의 기능적인 억제제인 compound B나 C로도 Parkin의 이상으로 인한 미토콘드리아의 이상이 모두 정상적으로 돌아오는 것을 확인하였다. 게다가, Parkin을 상위에서 조절하는 PINK1도 NFTP을 깨뜨렸으며, PINK1의 이상에 의한 미토콘드리아의 이상도 NFTP 단백질의 조절을 통해서 모두 정상적인 미토콘드리아로 돌아오는 것을 확인하였다. 결론적으로, 나는 PINK1-Parkin 신호전달계가 NFTP을 조절함으로써, 미토콘드리아의 기능을 조절하며, 이러한 연구 결과가 향후 파킨슨씨 병의 치료제 개발에 한걸음 더 가까워지게 했다고 생각한다.
