Autofagi ved Parkinsons sykdom

Dato: September 2021 
Utarbeidet av SIC-medlem: Hideki Mochizuki, lege, PhD 
Forfattere: Maria Xilouri, PhD., Dimitri Krainc, MD, PhD., Noriyuki Matsuda, PhD. 
Redaktør: Un Jung Kang, MD 

Funnet om at mutasjoner i Gauchers sykdom (GD)-genet GBA1 er en sterk risikofaktor for Parkinsons sykdom (PD), har gitt unik innsikt i patofysiologi sentrert rundt forstyrrelser i den autofagisk-lysosomale banen. Proteinansamlinger i form av Lewy-legemer og effektene av kanoniske PD-mutasjoner som konvergerer på det lysosomale nedbrytningssystemet, antyder at nevrodegenerasjon ved PD medieres av dysregulering av proteinhomeostase. Det velkarakteriserte kliniske og patologiske forholdet mellom PD og den lysosomale lagringsforstyrrelsen GD understreker viktigheten av dysregulert proteinmetabolisme i nevrodegenerasjon, og en interessant del av dette forholdet er en delt fenotype av autofagisk-lysosomal dysfunksjon i begge sykdommene. Translasjonell anvendelse av disse funnene kan akselereres ved bruk av dopamin-nevronale modeller i mellomhjernen avledet fra induserte pluripotente stamceller (iPSC-er) som rekapitulerer flere patologiske trekk ved GD og PD. I denne oversikten diskuterer vi bevis som knytter autofagisk dysfunksjon til patofysiologien til GD og GBA1-relatert parkinsonisme, og fokuserer mer spesifikt på studier som nylig er utført på iPSC-avledede nevroner. Funnet om at mutasjoner i Gauchers sykdom (GD)-genet GBA1 er en sterk risikofaktor for Parkinsons sykdom (PD), har gitt unik innsikt i patofysiologi sentrert rundt forstyrrelse av den autofagisk-lysosomale banen. Proteinansamlinger i form av Lewy-legemer og effektene av kanoniske PD-mutasjoner som konvergerer på det lysosomale nedbrytningssystemet, antyder at nevrodegenerasjon ved PD medieres av dysregulering av proteinhomeostase. Det velkarakteriserte kliniske og patologiske forholdet mellom PD og den lysosomale lagringsforstyrrelsen GD understreker viktigheten av dysregulert proteinmetabolisme i nevrodegenerasjon, og en interessant del av dette forholdet er en delt fenotype av autofagisk-lysosomal dysfunksjon ved begge sykdommene. Translasjonell anvendelse av disse funnene kan akselereres ved bruk av dopamin-nevronmodeller i mellomhjernen avledet fra induserte pluripotente stamceller (iPSC-er) som gjenskaper flere patologiske trekk ved GD og PD. I denne oversikten diskuterer vi bevis som knytter autofagisk dysfunksjon til patofysiologien til GD og GBA1-koblet parkinsonisme, og fokuserer mer spesifikt på studier som nylig er utført på iPSC-avledede nevroner. 

Dr. Mochizuki: 
Proteinaggregering og -avsetning er et vanlig kjennetegn ved mange nevrodegenerative lidelser, inkludert Parkinsons sykdom (PD). Proteinfeilfolding forekommer ofte i celler, og celler har utviklet en rekke mekanismer for å opprettholde intracellulær proteinhomeostase. Som en av de viktigste nedbrytningsveiene medierer autofagi eliminering av unormalt eller uønsket protein fra celler. Et økende antall studier av sykdomsmodeller og pasienter har implisert svekket autofagimaskineri i patogenesen til PD. Vi har invitert tre eksperter på dette feltet til å diskutere den spennende koblingen mellom autofagi og PD-relaterte gener, α-synuklein, parkin og GBA1, og den potensielle verdien av å målrette autofagiveien som en terapeutisk strategi for PD. 

Hva er ditt syn på forholdet mellom α-Syn og den autofagi-lysosomale banen? 

Bevis fra humane obduksjonsprøver og celle-/dyremodeller av PD knytter α-synukleinakkumulering til svekket clearance på grunn av endringer i det proteolytiske maskineriet. Er autofagis lysosomale bane (ALP) snarere enn ubiquitin-proteasomsystemet (UPS) hovedruten ansvarlig for α-synuklein-nedbrytning? Hvor mye bidrar autofagi til utviklingen og progresjonen av α-synukleinpatologi? På den annen side, hvordan påvirker α-synukleinuttrykk funksjonen til autofagis lysosomale bane under patologiske forhold?   

Dr. Xilouri:
Både UPS og ALP har blitt foreslått å fjerne α-synuklein, men i ulik grad og på en celle-, konformasjons- og vevsspesifikk måte. α-synuklein kan gjennomgå både ubiquitinavhengig og ubiquitin-uavhengig nedbrytning via 26S/20S-proteasomet, mens bare en liten andel av løselige celleavledede mellomliggende α-synukleinoligomerer, ikke inkludert monomerisk α-synuklein, er målrettet mot 26S-proteasomet for nedbrytning. In vivo ser det ut til at UPS er den viktigste nedbrytningsveien for α-synuklein under normale forhold, mens ALP rekrutteres med økt α-synukleinbelastning. På den annen side brytes villtype α-synuklein og ikke de PD-koblede A53T- og A30P-formene, den fosforylerte eller dopaminmodifiserte α-synukleinen, ned via den selektive prosessen med chaperonmediert autofagi (CMA). CMA kan bare degradere monomere eller dimere former av proteinet, mens makroautofagi er den eneste prosessen som kan fjerne oligomer α-synuklein gjennom aggrepagisprosessen. Ikke bare mutasjoner, men også posttranslasjonelle modifikasjoner som fosforylering, sumoylering og ubiquitinering kan også endre partisjoneringen av α-synuklein til proteasomal eller lysosomal nedbrytning. Foruten UPS og ALP har andre proteaser som kalpainer og neurosin blitt implisert i spaltingen av normale eller aggregerte former av intracellulær α-synuklein. Slik spalting kan fremme genereringen av avkortede α-synukleinarter med patogen betydning. Dessuten har det blitt funnet at utskilt neurosin og metalloproteinaser spalter ekstracellulær α-synuklein på selektive steder, og genererer fragmenter med økt tendens til aggregering. 

Ettersom total α-synukleinproteinmengde er en kritisk faktor for utviklingen av patologi, kan faktorer som kontrollerer nivåene, som ALP, påvirke utviklingen og progresjonen av synukleinopatier. I denne forbindelse tyder genetiske og humane post mortem-studier på at ALP er svekket ved synukleinopatier og ser ut til å være involvert i α-synuklein-aggregering. Forstyrrelser i ALP kan også påvirke celle-til-celle-overføringen av α-synuklein, gjennom økt sekresjon av frie eller eksosom-assosierte ikke-nedbrutte former av proteinet, og dermed legge til rette for spredning av α-synuklein-koblet patologi i forskjellige hjerneområder i CNS. 

Autofagi degraderer ikke bare ulike former/konformasjoner av α-synuklein, men kan også være et mål for proteinets avvikende effekter. Økt α-synuklein har vist seg å svekke makroautofagi både in vitro og in vivo, muligens gjennom interaksjonen med Rab1a, som forårsaker feillokalisering av Atg9, et protein relatert til autofagosomdannelse. Det finnes også bevis som tyder på at de PD-koblede α-synukleinmutasjonene kan påvirke makroautofagimaskineriet på forskjellige stadier (makroautofagiinitiering, dannelse av autofagosomer, autofagosommodning og fusjon av autofagosomer med lysosomet). Videre har A53T-mutasjonen vist seg å dysregulere den selektive fjerningen av mitokondrier gjennom mitofagi, noe som resulterer i massiv mitokondriell fjerning ledsaget av bioenergetiske underskudd og neuronal degenerasjon. Når det gjelder CMA, har det blitt rapportert at de A30P- og A53T PD-koblede mutante α-synukleinformene binder seg tettere til LAMP2A, CMAs spesifikke reseptor, men ikke tas opp og degraderes i lysosomer, og dermed blir toksiske ved å hemme den CMA-medierte nedbrytningen av andre cytosoliske substratproteiner. Dessuten endrer posttranslasjonelle modifikasjoner av villtype α-synuklein, som oksidasjon og nitrering av proteinet, bindingen og opptaket i lysosomer, mens fosforylering og dopaminmodifisering nesten fullstendig forhindrer dets CMA-avhengige nedbrytning. I tillegg kan ekstracellulært α-synuklein utløse autofagisk svekkelse i mottakerceller ved opptak, som observert ved en akkumulering av forstørrede mangelfulle lysosomer, noe som ytterligere bidrar til spredningen av patologien. Avvikende α-synuklein kan også påvirke lysosomal aktivitet i seg selv, ved å endre aktiviteten til lysosomale enzymer, som katepsiner og GCase. 

Hvorvidt ALP-feilfunksjon er den primære årsaken til synukleinopatier eller oppstår sekundært, delvis gjennom svekkelse av disse signalveiene av avvikende α-synukleinarter, gjenstår å studeres videre.    

Hvordan knytter dysfunksjon i autofagi-lysosomal signalvei koblingen mellom GBA1 og PD? 

Mutasjoner i Gauchers sykdomsgenet glukokerebrosidase (GBA1) øker risikoen for PD. Glukokerebrosidase (GCase)-mangel har også blitt observert hos idiopatiske PD-pasienter uten GBA1-mutasjon. Det er verdt å merke seg at autofagisk lysosomal dysfunksjon er en felles fenotype ved begge sykdommene. Hvordan påvirker glukokerebrosidasemangel den autofagilysosomale banen og bidrar til slutt til PD-patogenesen? 

Dr. Krainc: 
Mekanisk sett fører tap av GCase-aktivitet til akkumulering av glukosylceramid (GluCer), som stabiliserer giftige, løselige oligomere former av α-synuklein med høy molekylvekt. Det er viktig å merke seg at en lignende effekt på α-synuklein ikke sees med andre sfingolipider, og akkumulering av disse giftige mellomformene av α-synuklein ser ut til å være reversibel med reduksjon av GluCer, noe som tyder på at GluCer har en spesifikk forbindelse til α-synukleinakkumulering. Mens redusert GCase-aktivitet resulterer i α-synukleinakkumulering, kan α-synuklein igjen svekke lysosomal GCase-aktivitet i nevroner. Spesielt forstyrrer α-synuklein transporten av GCase og andre lysosomale hydrolaser fra ER, noe som resulterer i akkumulering av den umodne ER-formen av GCase og en reduksjon i post-ER GCase. Redusert lysosomal GCase-aktivitet resulterer igjen i akkumulering av lipidsubstrater og lysosomal dysfunksjon. Svekket transport av GCase som respons på α-synuklein-akkumulering er i det minste delvis mediert av SNARE-proteinet ykt6, som spiller en nøkkelrolle i ER-Golgi-transporten. Ykt6 inaktiveres av α-synuklein, noe som resulterer i svekket transport av GCase og andre lysosomale enzymer, og dermed redusert GCase-aktivitet i det lysosomale rommet. Ytterligere bevis har vist at GCase og α-synuklein også kan interagere direkte med hverandre. 

Siden α-synukleinakkumulering er vanlig for alle former for Parkinsons sykdom, kan effekten av α-synuklein på lysosomal GCase-aktivitet sees selv hos personer med Parkinsons sykdom uten patogene GBA1-mutasjoner. GCase-aktiviteten er faktisk redusert i hjernen til Parkinsons sykdom, både med og uten GBA1-mutasjoner, inkludert pasienter med sporadisk Parkinsons sykdom uten kjent patogen mutasjon. Det toveis forholdet mellom GCase-aktivitet og α-synuklein kan resultere i en kritisk patogen tilbakekoblingssløyfe som resulterer i vedvarende α-synukleinakkumulering og lysosomal dysfunksjon, noe som til slutt fører til progressivt neuronalt tap.  

Dysregulert metabolisme av dopamin i seg selv kan i det minste delvis forklare sårbarheten til dopaminerge nevroner i synukleinopatiene, ettersom dopaminavhengig toksisk kaskade har vist seg å forårsake lysosomal dysfunksjon. Interessant nok har oksidert dopamin en direkte innvirkning på GCase, noe som fremgår av funnet at inkubasjon av rekombinant GCase med dopamin reduserer GCase enzymatisk aktivitet, og at dopaminkinoner modifiserer cysteinrester i det katalytiske stedet for dette enzymet. 

Hvordan er autofagireseptoren og autofagirelaterte proteiner (ATG-er) involvert i parkinmediert mitofagi under normale og patologiske forhold? 

Mutasjoner i Parkin forårsaker tidlig debut av Parkinsons sykdom. Parkin binder seg til, ubikvitinerer og målretter skadede mitokondrier for autofagisk fjerning. Kan du oppdatere oss om hvordan autofagireseptorer og autofagirelaterte proteiner (ATG-er) rekrutterer ubikvitinerte mitokondrier til autofagosomdannelsessted? 

Dr. Matsuda: 
I pattedyrceller samarbeider de forårsakende genproduktene av arvelig Parkinsons sykdom, PINK1 (en serinkinase) og Parkin (en E3 ubiquitinligase), for å ubikvitylere skadede mitokondrier og dermed utløse mitofagi (Ref 1, Onishi et al., 2021). Fem typer autofagi-adapterproteiner (p62/SQSTM1, NBR1, NDP52/CALCOCO2, OPTN/optineurin og TAX1BP1) er identifisert i pattedyrceller som kobler ubikvitylerte proteiner med autofagisk nedbrytning. I 2015 avslørte CRISPR/Cas9-medierte eksperimenter at to av disse adapterne, NDP52 og OPTN, er kritiske for Parkin-avhengig mitokondriell autofagi (dvs. mitofagi) (Ref 2, Lazarou et al., 2015). Den neste brikken i puslespillet er å bestemme hvilke autofagi-relaterte faktorer (ATG-er) som samarbeider med NDP52 og OPTN i mitofagi. 

Det er allment akseptert at autofagiadaptere (p62/SQSTM1, NBR1, NDP52/CALCOCO2, OPTN/optineurin og TAX1BP1) binder seg til både ubiquitin og LC3, og at disse interaksjonene spiller en rolle i autofagisk nedbrytning av ubiquitylerte mål. LC3 er et evolusjonært konservert autofagi-relatert protein som lokaliseres på isolasjonsmembranen og autofagosomer. I dette scenariet antas bindingen av LC3 av autofagiadaptere å fremme rekrutteringen av eksisterende isolasjonsmembraner til områder i nærheten av mitokondrier som et tidlig trinn i mitofagi. 

Den nåværende modellen er imidlertid begrenset, ettersom den ikke forklarer alle eksperimentelle resultater tilstrekkelig. Selv om alle autofagiadaptere kan transporteres til skadede mitokondrier og binde LC3 (Ref 3, Yamano et al., 2020), er det bare NDP52 og OPTN som er nødvendige for mitofagi (Ref 2, Lazarou et al., 2015). Dette antyder at NDP52 og OPTN har viktige funksjoner utover å «binde LC3», som fremmer ubiquitinavhengig mitofagi i pattedyrceller. 

Nylig ble det rapportert at NDP52 og OPTN binder autofagiinitieringsfaktorer i tillegg til LC3 (Ref 3, Yamano et al., 2020; Ref 4, Vargas et al., 2019). En studie fra 2019 fant at et SKITCH-domene i NDP52 binder FIP200 (Ref 4, Vargas et al., 2019), en komponent av ULK1-kinasekomplekset som fungerer som en autofagiinitieringsfaktor. Tilsvarende viste en studie fra 2020 at OPTN binder seg til ATG9 via et leucin-glidelåsdomene (Ref 3, Yamano et al., 2020). ATG9 er unikt blant ATG-proteiner ved at det er et multippelt transmembranprotein som er essensielt for autofagi og antas å spille en rolle i ekspansjonen av vesikler (ATG9-vesikler) som fungerer som frø for autofagosomet.  

Oppsummert er to prosesser viktige for Parkin-avhengig mitofagi i pattedyrceller. Den ene er NDP52/OPTN-avhengig binding av LC3, som rekrutterer eksisterende isolasjonsmembraner til mitokondrier. Den andre prosessen er også NDP52/OPTN-avhengig, men involverer binding av autofagi-initieringsfaktorer som ATG9 og FIP200. Disse interaksjonene er viktige for å fremme akkumulering av ATG9-vesikler og ULK1-komplekser nær mitokondrier, noe som er nødvendig for de novo-syntese av isolasjonsmembranen og mer effektiv induksjon av mitofagi. 

Funnet om at mutasjoner i Gauchers sykdom (GD)-genet GBA1 er en sterk risikofaktor for Parkinsons sykdom (PD), har gitt unik innsikt i patofysiologi sentrert rundt forstyrrelser i den autofagisk-lysosomale banen. Proteinansamlinger i form av Lewy-legemer og effektene av kanoniske PD-mutasjoner som konvergerer på det lysosomale nedbrytningssystemet, antyder at nevrodegenerasjon ved PD medieres av dysregulering av proteinhomeostase. Det velkarakteriserte kliniske og patologiske forholdet mellom PD og den lysosomale lagringsforstyrrelsen GD understreker viktigheten av dysregulert proteinmetabolisme i nevrodegenerasjon, og en interessant del av dette forholdet er en delt fenotype av autofagisk-lysosomal dysfunksjon i begge sykdommene. Translasjonell anvendelse av disse funnene kan akselereres ved bruk av dopamin-nevronale modeller i mellomhjernen avledet fra induserte pluripotente stamceller (iPSC-er) som rekapitulerer flere patologiske trekk ved GD og PD. I denne oversikten diskuterer vi bevis som knytter autofagisk dysfunksjon til patofysiologien til GD og GBA1-relatert parkinsonisme, og fokuserer mer spesifikt på studier som nylig er utført på iPSC-avledede nevroner. 

Autofagi har blitt beskrevet som et tveegget sverd, ettersom både mangelfull og overdreven autofagi kan være skadelig. Hva er dine meninger om potensialet for å utvikle terapeutiske midler som øker autofagiaktiviteten for Parkinsons sykdom? 

Dr. Xilouri: 
Forbedring av α-synuklein-nedbrytning representerer et attraktivt kandidatalternativ for terapi som tar sikte på å redusere ikke bare de intracellulære proteinnivåene, men også det ekstracellulære proteinbassenget, som i økende grad blir anerkjent som en potensiell nøkkelaktør i synukleopati-forplantning. Ulike tilnærminger for å målrette ALP har vist seg vellykkede i både cellulære og animalske α-synukleinpati-modeller. Spesielt er det rapportert at forsterkning av makroautofagi via mTOR-avhengige (rapamycin) eller mTOR-uavhengige farmakologiske og ernæringsmessige modulatorer (Metformin, Nilotinib, AICAR, Trehalose, Resveratrol, Pomegranate, C1) forbedrer autofagosomdannelse, lysosombiogenese og lysosomfunksjon, og dermed fremmer α-synukleinclearance. I tillegg er det også rapportert at molekylær modulering av makroautofagi via Atg7-, Beclin1- eller TFEB-overekspresjon har gunstige effekter på α-synukleinrelatert toksisitet. På den annen side har det også vist seg at målretting av CMA gjennom molekylær oppregulering av LAMP2A-ekspresjon eller anvendelse av kjemiske modulatorer som retinsyrereseptor alfa (RARα)-antagonister er vellykket i å lindre α-synuklein-assosiert toksisitet. Når det gjelder CMA-forsterkning, ser det ut til at denne tilnærmingen har potensial til å redusere α-synukleinnivåer og samtidig dempe proteinets skadelige effekter på lysosomal funksjon, og dermed «slå to fluer i en smekk». Til slutt har gjenoppretting av riktig enzymatisk aktivitet til GCase vist seg å forbedre lysosomal funksjon og redusere α-synukleinnivåer. 

Slike tilnærminger bør imidlertid håndteres med forsiktighet, ettersom ukontrollert manipulering av de globale α-synukleinnivåene kan føre til nevrotoksisitet på grunn av proteinets rådende rolle i synaptisk nevrotransmisjon. Når det gjelder nedbrytningsmaskineriet spesielt, antyder eksperimentelle funn at slike strategier innebærer omfattende kunnskap om dosering og tidspunkt for påføring, et faktum som kan begrense deres nåværende terapeutiske anvendelighet. Andre har rapportert at induksjon av makroautofagi under spesifikke omstendigheter kan ha skadelige effekter, og derfor bør den terapeutiske nytten av kjemiske modulatorer av makroautofagi eller til og med CMA undersøkes nøye, gitt at de kan være involvert i et bredt spekter av prosesser. Samlet sett kan målrettet manipulering av selektive ALP-komponenter, snarere enn bred autofagistimulering, være en tryggere strategi for utvikling av nye farmakologiske terapier ved Parkinsons sykdom.  

Dr. Matsuda: 
Autofagi er involvert i en rekke biologiske prosesser, og som påpekt kan både mangelfull og overdreven autofagi være skadelig. Derfor kan det være vanskelig å oppnå økt autofagisk aktivitet som en terapeutisk strategi for Parkins sykdom uten skadelige effekter. I stedet kan vi vurdere en terapeutisk strategi som øker aktiviteten til Parkin i seg selv. Generelt er det vanskelig å aktivere proteinfunksjonen. Imidlertid undertrykkes den enzymatiske aktiviteten til Parkin via autohemming, og kan dermed aktiveres ved "hemming av autohemmende mekanismer". Faktisk er det funnet flere "hyperaktive mutasjoner (V224A, W403A og F146A)" som frigjør autohemmingen og aktiverer Parkins E3-funksjon, og interessant nok ble den svekkede mitofagiske aktiviteten til patogene Parkin-mutasjoner reddet ved å inkorporere en hyperaktiv mutasjon (Ref 5, Yi et al., 2019). Ved å søke etter småmolekylforbindelser som fremmer effekter på Parkin-aktivitet som ligner på V224A-, W403A- og F146A-mutasjonene, kan det dermed være mulig å utvikle en terapeutisk strategi for Parkinsons sykdom via Parkin-aktivering. 

Konklusjon  

Nyere fremskritt innen feltet har vist at flere PD-relaterte gener og svekket autofagi danner en toveis patogen sløyfe, noe som forverrer PD-progresjon. Det avgjørende spørsmålet som må tas opp er det terapeutiske potensialet til autofagiforsterkende midler mot PD. Mens økt autofagiaktivitet kan kompensere for den reduserte nedbrytningen av patogene proteiner, kan overaktivering av autofagi forårsake overdreven lysosomal clearance og deretter cellestress. Fremtidig legemiddelutvikling rettet mot autofagi bør sikte på å bestemme terskelen som dikterer om autofagi har en rolle som pro-overlevelse eller pro-død. Et alternativt alternativ ville være å målrette selektive ALP-molekyler, som parkin og GCase, som krever mindre, men ikke helt ingen, bekymring for sine terskeleffekter. Generelt har studier vist at parkin-overekspresjon har en fremtredende beskyttende rolle på neuronal overlevelse. Det pågår også en klinisk studie av Ambroxol, et farmakologisk chaperon som kan forbedre GCase-aktiviteten for PD-pasienter med eller uten GBA1-mutasjoner. Men som alltid må dosering, effekt og sikkerhet for hvert potensielt terapeutisk middel bestemmes nøye. 

Referanser: 

1. Onishi M, Yamano K, Sato M, Matsuda N, Okamoto K. 2021. Molekylære mekanismer og fysiologiske funksjoner ved mitofagi. EMBO J 40: e104705. 

2. Lazarou M, Sliter DA, Kane LA, Sarraf SA, Wang C, Burman JL, Sideris DP, Fogel AI, Youle RJ. 2015. Ubiquitin-kinasen PINK1 rekrutterer autofagi-reseptorer for å indusere mitofagi. Nature 524:309-314. 

3. Yamano K, Kikuchi R, Kojima W, Hayashida R, Koyano F, Kawawaki J, Shoda T, Demizu Y, Naito M, Tanaka K, Matsuda N. 2020. Kritisk rolle for mitokondriell ubiquitinering og OPTN-ATG9A-aksen i mitofagi. J Cell Biol 219(9):e201912144. 

4. Vargas JNS, Wang C, Bunker E, Hao L, Maric D, Schiavo G, Randow F, Youle RJ. 2019. Spatiotemporal kontroll av ULK1-aktivering av NDP52 og TBK1 under selektiv autofagi. Mol Cell 74:347-362 e346. 

5. Yi W, MacDougall EJ, Tang MY, Krahn AI, Gan-Or Z, Trempe JF, Fon EA. 2019 Landskapet til Parkin-varianter avslører patogene mekanismer og terapeutiske mål ved Parkinsons sykdom. Hum Mol Genet. 2019 28(17):2811-2825.