Parkinson’s disease (PD) is the second most common neurodegenerative disease characterized by dopaminergic (DA) neuronal loss in the substantia nigra pars compacta region. There have been many proposed models to explain the pathogenesis of PD. Above all, mitochondrial dysfunction and oxidative stresses are implicated as central players in PD pathogenesis. Among the genes with PD-causative mutations, PINK1 and Parkin have been shown to be important for mitochondrial function and quality control. I characterized 17 representative PINK1 pathogenic mutations. These mutations did not affect the typical cleavage patterns and subcellular localization of PINK1 under both normal and damaged-mitochondria conditions in mammalian cells. However, PINK1 mutations in the kinase domain failed to translocate Parkin to mitochondria and to induce mitochondrial aggregation. Consistent with the mammalian data, Drosophila PINK1 mutants with mutations in the kinase domain showed similar defects. Collectively, these results support the hypothesis that the kinase activity of PINK1 is essential for its function and for regulating downstream Parkin functions in mitochondria. In addition, I studied about DJ-1, another PD-causative gene, by elucidating the downstream signaling pathway of DJ-1 under oxidative stress condition. I found that DJ-1 protects DA neurons from oxidative stress by regulating the gene expression and subcellular localization of Daxx. Furthermore, I conducted a study of Mitofusins (Mfns) to understand the regulatory mechanism. Mfns play an essential role in mediating the mitochondrial outer membrane fusion, however the molecular mechanisms how the activity and function of Mfns are regulated have been elusive. I investigated the various post-translational modifications on Mfns. I found a highly conserved lysine residue (K357) on Mfns, which could be a putative post-translational modification site. Taken together, I revealed the function of PINK1, Parkin, and DJ-1 at the molecular and physiological level, and thereby suggest that both mitochondrial dysfunction and oxidative stresses contribute to PD occurrence. I believe that my research on the PD-causative genes and Mfns will provide insights to understand the pathogenic mechanisms of PD.
파킨슨병은 뇌의 흑질에 분포하는 도파민의 신경세포가 점차 소실되어 발생하는 것으로 알려진 신경 퇴행성 질환이다. 60세 이상 인구의 약 1%에서 발병하는 것으로 추정되며 안정떨림, 경직, 운동 느림 및 자세 불안정성이 특징적으로 나타난다. 현재까지 뚜렷한 치료제가 없는 실정이므로, 정확한 진단과 질병의 발병을 막기 위한 병리학적 이해가 반드시 필요하다. 유전자 돌연변이에 의한 가족성 파킨슨병이 발견됨에 따라, 해당 유전자가 암호화하고 있는 단백질의 기능을 밝혀 파킨슨병의 발병원인을 찾으려는 연구가 활발히 진행되고 있다. PINK1와 Parkin은 대표적인 파킨슨병의 원인 유전자로서, PINK1 단백질이 Parkin 단백질의 상위에 위치하며 미토콘드리아의 기능을 보호하는 신호 전달계를 구성하고 있음이 알려져 있다. 본 연구자는 고등동물 세포 배양과 노랑 초파리 배양을 이용하여, PINK1과 Parkin 간의 생화학적 관계를 밝혔다. 첫째, 가족성 파킨슨병 환자에게 발견된 17개의 돌연변이형 PINK1을 유전자 재조합으로 제작한 뒤, 이 돌연변이들이 파킨슨병을 일으키게 되는 분자적 기전을 이해하기 위한 연구를 수행하였다. PINK1에 의해 Parkin은 미토콘드리아로 이동하며 이 현상이 핵막 주위에 거대한 미토콘드리아의 결합을 유도하는 데 중요한 역할을 수행하는데, 이 때 PINK1의 키나아제 활성이 필요하다는 것을 밝혔다. 둘째, DJ-1은 또 다른 파킨슨병의 원인 유전자로서 산화 스트레스에 민감하게 반응하는 기능이 알려져 있다. 본 연구자는 도파민성 신경세포를 이용한 연구를 통해, DJ-1이 산화 스트레스에 의해 반응하는 분자적 기전을 규명하였다. 산화 스트레스가 주어진 상황에서 DJ-1은 세포사멸 유전자인 Daxx의 발현량을 높이는 것을 관찰하였다. 또한 평소 핵에 위치하는 Daxx는 세포 사멸 신호 전달에 의해 세포질로 이동하게 되는데, 인위적으로 미토콘드리아로 이동할 수 있는 DJ-1 단백질을 과발현하면 이러한 Daxx의 세포질로의 이동을 억제함으로써, 도파민 신경세포를 보호하는 것을 밝혔다. 미토콘드리아는 세포 밖의 환경이나 다양한 신호 전달에 따라 결합과 분열을 반복하는 구조를 가지고 있다. Mitofusin은 미토콘드리아의 외막에 위치하며 미토콘드리아의 결합을 촉진하는 것으로 알려진 단백질로써 PINK1/Parkin 신호전달계의 하위에서 작용할 것으로 예상된다. Mitofusin 단백질의 활성을 조절하는 분자적 기전에 대해서는 연구가 미진한 상태이다. 유비퀴틴화, 메틸화, 산화화 등 다양한 번역 후 수정 현상이 Mitofusin 단백질을 조절할 수 있다는 가능성을 관찰하였다. Cilia는 세포 표면의 섬모근에서 발생한 털 모양의 돌기 구조물로서, 9+2개의 미소관으로 이루어졌으며 운동, 감지 등의 기능을 한다. Cilia의 형성과 길이 조절을 관장하는 신호 전달계를 찾기 위한 연구를 수행하였다. 세포의 대표적인 세포 증식과 성장 신호 전달계인 PI(3)K 신호 전달계가 하위 조절자로서 전사인자로 작동하는 FOXO 단백질의 기능을 억제하여 cilia 형성에 필수적인 유전자들의 전사를 방해하는 작용을 한다는 것을 관찰하였다. 이렇게 미토콘드리아 및 cilia와 같은 세포 내 소기관의 역동성을 조절하는 데에 다양한 신호 전달계가 관여하고 있으며, 이러한 역할을 담당하는 유전자의 분자적 · 생리적 기능을 연구하는 것이 다양한 질병에 관련된 분자적 기작을 이해하는 데에 큰 도움을 줄 수 있을 것이다.
