「Parkin」の版間の差分

Parkin遺伝子は、常染色体性潜性（劣性）若年性パーキンソニズム(autosomal recessive-juvenile parkinsonism: AR-JP) の原因遺伝子である。Parkin遺伝子の正式名称はPRKNであり、PARK2とも表記される。遺伝子産物Parkinはユビキチン転移酵素（ユビキチンリガーゼ）であり、損傷したミトコンドリアを排除するミトコンドリアの品質管理に関与すると考えられている。一方、がん抑制遺伝子、らい菌の感受性遺伝子としても報告され、未解明の生理的機能も示唆される。

パーキンソン病は振戦、無動・寡動、筋固縮、姿勢保持障害などの運動機能障害を特徴とする神経変性疾患である。運動症状は中脳黒質のドーパミン神経の選択的変性脱落に起因する。高齢になるほど発病率が増加し、60歳以上では約1%が罹患する。パーキンソン病の一部に、40歳以下で発症する若年性パーキンソン病と呼ばれる群があり、そのうち家族性(遺伝性)のものがいくつかみつかっている。

1998年、若年性パーキンソン病の一つである常染色体性潜性（劣性）若年性パーキンソニズム(Autosomal Recessive-Juvenile Parkinsonism: AR-JP)の原因遺伝子としてParkin (PRKN, PARK2)が同定された<ref name=Kitada1998><pubmed>9560156</pubmed></ref> 。パーキンソン病原因遺伝子としては、α-Synuclein (SNCA; PARK1/PARK4)に次いで、２番目に同定された遺伝子である。Parkinは、６番染色体（6q26）にある1.38 Mbの巨大な遺伝子で、欠失変異、フレームシフト変異、ミスセンス変異が、遺伝子全体にわたって見つかっている。Parkin変異は人種を越えてみられ、遺伝性若年性パーキンソン病の約50%を占めると報告されている<ref name=Lucking2000><pubmed>10824074</pubmed></ref><ref><pubmed>name=Hattori2004><pubmed>15325839</pubmed></ref> 。

Parkinタンパク質は基質タンパク質にユビキチンを転移するユビキチンリガーゼで、多くの病因変異でその活性が損なわれている<ref name=Shimura2000><pubmed>10888878</pubmed></ref><ref><pubmed>name=Imai2000><pubmed>10973942</pubmed></ref><ref><pubmed>name=Zhang2000><pubmed>11078524</pubmed></ref> 。これまでにユビキチン化基質候補として数多くのタンパク質が報告されている<ref name=Zhang2015><pubmed>26793099</pubmed></ref> 。

2004年、PINK1(PTEN induced kinase 1; PARK6)が、常染色体性潜性若年性パーキンソン病原因遺伝子として同定された<ref name=Valente2004><pubmed>15087508</pubmed></ref> 。遺伝性若年性パーキンソン病のうち、PINK1変異はParkinに次いで頻度が高く、Parkinと臨床像は類似している<ref name=Kumazawa2008><pubmed>18541801</pubmed></ref> 。ショウジョウバエを用いた遺伝学的研究から、常染色体性潜性（劣性）若年性パーキンソン病原因遺伝子PINK1がParkinの上流因子であり、PINK1とParkinがミトコンドリアの機能維持に関与することが明らかとなった<ref name=Clark2006><pubmed>16672981</pubmed></ref><ref><pubmed>name=Park2006><pubmed>16672980</pubmed></ref><ref><pubmed>name=Yang2006><pubmed>16818890</pubmed></ref> 。その後、ヒト培養細胞を用いた研究から、PINK1がParkinをリン酸化し<ref name=Kondapalli2012><pubmed>22724072</pubmed></ref><ref><pubmed>name=Shiba-Fukushima2012><pubmed>23256036</pubmed></ref><ref><pubmed>name=Shiba-Fukushima2014><pubmed>24901221</pubmed></ref> 、協働して膜電位の低下したミトコンドリアを除去するマイトファジー（ミトコンドリアを対象とするオートファジー）に関与することが明らかになった（図1）<ref name=Narendra2008><pubmed>19029340</pubmed></ref><ref><pubmed>name=Narendra2010><pubmed>20126261</pubmed></ref><ref><pubmed>name=Matsuda2010><pubmed>20404107</pubmed></ref><ref><pubmed>name=Geisler2010><pubmed>20098416</pubmed></ref> 。

ヒトParkinタンパク質は465 アミノ酸残基からなり、N末端のユビキチン様ドメイン(Ubl)、C末端に２つのRING fingerモチーフ(RING1, RING2)とIn-Between-RINGs (IBR)という構造をもつ（図2）。その後、UblとRNIG1-IBR-RING2の間に、RING様構造が見つかり、RING0（またはUPD; unique parkin domain）と呼ばれる<ref name=Hristova2009><pubmed>19339245</pubmed></ref> （図2）。Parkinは、RING-IBR-RINGドメインを有するRBR型ユビキチンリガーゼに分類され、同様の構造をもヒトユビキチンリガーゼに、HOIL-1, HHARI, DORFINがある。タンパク質の全体構造は2013-2015年に解かれ、コンパクトに折り畳まれた状態であることが明らかとなった<ref name=Trempe2013><pubmed>23661642</pubmed></ref><ref><pubmed>name=Wauer2015><pubmed>26161729</pubmed></ref> （図3）。

コンパクトに折り畳まれたParkinは、活性中心がマスクされ不活性型である。Parkinの活性化は２つのステップで起こる。１段階目として、PINK1によってSer65がリン酸化されたユビキチン<ref name=Kane2014><pubmed>24751536</pubmed></ref><ref><pubmed>name=Kazlauskaite2014><pubmed>24660806</pubmed></ref><ref><pubmed>name=Koyano2014><pubmed>24784582</pubmed></ref> がParkinのリン酸基結合ポケットに結合し、Ublのリン酸化サイト（Ser65）が露出する。２段階目に、露出したUblのSer65がPINK1によりリン酸化され、リン酸化UblがRING0/UPDに結合することで、RING2にある活性中心とRING1にあるユビキチン結合酵素（E2）結合部位が安定的に露出する<ref name=Wauer2015><pubmed>26161729</pubmed></ref>  （図3）。

ヒトParkin mRNAはユビキタスに発現しているが、筋組織、腎臓、脳で比較的高発現をしている<ref name=Kitada1998><pubmed>9560156</pubmed></ref><ref><pubmed>name=Uhlen2015><pubmed>25613900</pubmed></ref> 。哺乳類ゲノムにおいて、PRKNはPACRG (Parkin co-regulated gene)と双方向プロモーターを共有する<ref name=West2003><pubmed>12547187</pubmed></ref> 。Parkinの発現を制御する転写因子として、N-myc <ref name=West2004><pubmed>15078880</pubmed></ref> , p53 <ref name=Zhang2011><pubmed>21930938</pubmed></ref> , ATF4 <ref name=Bouman2011><pubmed>21113145</pubmed></ref> が報告されている。小胞体ストレス・ミトコンドリアストレス <ref name=Imai2000><pubmed>10973942</pubmed></ref><ref><pubmed>name=Bouman2011><pubmed>21113145</pubmed></ref><ref><pubmed>name=Wang2007><pubmed>17465879</pubmed></ref> 、成長因子・栄養制限 <ref name=Klinkenberg2012><pubmed>22028146</pubmed></ref> などの環境要因でも発現上昇が見られる。

哺乳類細胞内では主に細胞質に局在するが、PINK1の活性化に伴って、ミトコンドリアへの集積が見られる<ref name=Narendra2010><pubmed>20126261</pubmed></ref><ref><pubmed>name=Matsuda2010><pubmed>20404107</pubmed></ref> 。PINK1によるParkinのミトコンドリアへの集積の分子メカニズムは、2014-2015年に明らかされた（図4）<ref name=Ordureau2014><pubmed>25284222</pubmed></ref><ref><pubmed>name=Shiba-Fukushima2014><pubmed>25474007</pubmed></ref><ref><pubmed>name=Okatsu2015><pubmed>25609704</pubmed></ref> 。

===不良（不要）ミトコンドリア排除のためのマイトファジー===

 

活性化したPINK1は、近傍のポリユビキチン化修飾を受けたタンパク質（主にミトコンドリア外膜のタンパク質）をリン酸化する（リン酸化ポリユビキチン鎖の種の形成）。Parkinはリン酸化ポリユビキチンへの親和性が高く、細胞質からミトコンドリア上のリン酸化ポリユビキチンへ繋留され活性化する。活性化されたParkinは、近傍のミトコンドリアタンパク質をユビキチン化する。さらに、PINK1がParkinによるポリユビキチン鎖をリン酸化し、新たなリン酸化ポリユビキチン鎖をミトコンドリア外膜上に形成する（リン酸化ポリユビキチン鎖の増幅）。増幅されたリン酸化ポリユビキチン鎖に、細胞質に残っている不活性型Parkinが繋留され活性化し、PINK1と協働して、さらにリン酸化ポリユビキチン鎖を形成する（リン酸化ポリユビキチン鎖の再増幅）。PINK1とParkinの役割は、上述のようなフィードフォワードループを形成して、不良ミトコンドリアをリン酸化ポリユビキチン鎖にて速やかにマーキングすることだと考えられる（図4）<ref name=Ordureau2014><pubmed>25284222</pubmed></ref><ref><pubmed>name=Shiba-Fukushima2014><pubmed>25474007</pubmed></ref> 。

マイトファジー時のParkinのユビキチン化基質は数多く報告され、ミトコンドリア外膜・内膜・マトリクスタンパク質のほか、細胞質や核のタンパク質も含まれる<ref name=Sarraf2013><pubmed>23503661</pubmed></ref> 。そのうち、Dynamin-like GTPase, Mitofusin（哺乳類ではMitofusin 1とMitofusin 2がある）は、Parkinによって早期にユビキチン化とその後のプロテアソーム経路での分解を受けるミトコンドリア外膜分子として知られる。Mitofusinの分解により、ミトコンドリアが断片化する<ref name=Gegg2010><pubmed>20871098</pubmed></ref><ref><pubmed>name=Poole2010><pubmed>20383334</pubmed></ref><ref><pubmed>name=Rakovic2011><pubmed>21408142</pubmed></ref><ref><pubmed>name=Tanaka2010><pubmed>21173115</pubmed></ref><ref><pubmed>name=Ziviani2010><pubmed>20194754</pubmed></ref> 。ミトコンドリアの断片化は、隔離膜形成とオートファジーによる除去を容易にすると考えられる<ref name=Tanaka2010><pubmed>21173115</pubmed></ref> 。実際、ミトコンドリア断片化に働くDynamin-like GTPase, Drp1の過剰発現は、ParkinやPINK1ノックアウトハエのミトコンドリア変性を緩和する<ref name=Deng2008><pubmed>18799731</pubmed></ref><ref><pubmed>name=Yang2008><pubmed>18443288</pubmed></ref> 。このDrp1の効果は、Parkin非介在マイトファジーによる補完を促進するからと考えられる。

生理的なミトコンドリア排除へのParkinの関与も報告されている。寒冷暴露に応じて発達するベージュ脂肪細胞は、熱産生のためにミトコンドリアが豊富である。しかし寒冷ストレスがなくなると、脂肪滴貯蔵のためミトコンドリアが少ない白色脂肪細胞へと変化する。ベージュ脂肪細胞の白色脂肪細胞化の際に不要となったミトコンドリアがParkinによって除去される<ref name=Lu2018><pubmed>29692364</pubmed></ref> 。

ミトコンドリア外膜Rho-GTPase, Miro (哺乳類ではMiro 1とMiro 2がある）は、キネシンタンパク質KIF5と協働して、微小管を介したミトコンドリアの順行輸送に関与する<ref name=Wang2011><pubmed>22078885</pubmed></ref><ref><pubmed>name=Liu2012><pubmed>22396657</pubmed></ref> 。神経細胞においては、神経軸索、前シナプスへのミトコンドリア供給機構として重要である。MiroがPINK1-Parkinによりユビキチン化、プロテアソーム経路での分解を受けることにより、ミトコンドリア輸送が停止する<ref name=Wang2011><pubmed>22078885</pubmed></ref><ref><pubmed>name=Liu2012><pubmed>22396657</pubmed></ref> 。その生理的意義として、不良ミトコンドリアを神経終末へ輸送しないミトコンドリア品質管理と考えられる（図6）。

ParkinはPACRG (Parkin co-regulated gene)とともにサルモネラ菌、らい菌感染の感受性遺伝子座に位置する<ref name=Mira2004><pubmed>14737177</pubmed></ref><ref><pubmed>name=Ali2006><pubmed>16734611</pubmed></ref> 。実験的にParkinが結核菌のゼノファジー（異物排除のためのオートファジー）に関与することが示されたが、Parkinが活性化するメカニズムは不明である<ref name=Manzanillo2013><pubmed>24005326</pubmed></ref> 。

ミトコンドリアゲノム変異<ref name=Pickrell2015><pubmed>26182419</pubmed></ref> ・異常タンパク質のミトコンドリアへの蓄積<ref name=Pimenta de Castro2012><pubmed>22301916</pubmed></ref> を示す動物モデルで、Parkinが不良ミトコンドリアの除去に関与することが示されている。しかし、マイトファジーを可視化できるmito-QCマウスの中脳黒質ドーパミン神経では、Parkinを介したマイトファジーは検出されていない<ref name=McWilliams2018><pubmed>29337137</pubmed></ref> 。一方、マイトファジーを可視化するmt-Keimaを用いたマウスでは、PINK1の欠失によって、強負荷運動後の心筋におけるマイトファジーが減少することが報告されている<ref name=Sliter2018><pubmed>30135585</pubmed></ref> 。

ショウジョウバエでは、加齢依存的な中枢ドーパミン神経のマイトファジーにParkinが関与するという報告<ref name=Cornelissen2018><pubmed>29809156</pubmed></ref> 、しないという報告<ref name=Lee2018><pubmed>29500189</pubmed></ref><ref><pubmed>name=Kim2019><pubmed>31120803</pubmed></ref> がある。ただし文献<ref name=Kim2019><pubmed>31120803</pubmed></ref> では、非神経組織において、低酸素処理によるマイトファジーや、ミトコンドリアから活性酸素種を発生させるロテノン処理で誘導されるマイトファジーにPINK1、Parkinが関与すると報告している。ショウジョウバエモデルにおいて、PINK1やParkinが中枢ドーパミン神経のマイトファジーに関与するという文献<ref name=Cornelissen2018><pubmed>29809156</pubmed></ref> ではmt-Keimaを、関与しないという文献<ref name=Lee2018><pubmed>29500189</pubmed></ref> ではmt-Keimaとmito-QCを、非神経組織でのPINK1-Parkin依存的なマイトファジーをみた文献<ref name=Kim2019><pubmed>31120803</pubmed></ref> ではmt-Keimaを、マイトファジーのレポーターとして用いている。今後、新たなマイトファジー解析手法が待たれる状況である。

ショウジョウバエでは、ParkinやPINK1変異でミトコンドリア呼吸鎖複合体サブユニット群の半減期が長くなっており、マイトファジー以外の選択的なミトコンドリアタンパク質分解機構も提唱されている<ref name=Vincow2013><pubmed>23509287</pubmed></ref><ref><pubmed>name=McLelland2016><pubmed>27458136</pubmed></ref> 。

AR-JP脳アストロサイトの形態的異常や患者iPS細胞で作製した中脳オルガノイドでのアストロサイトの分化能低下<ref name=Kano2020><pubmed></pubmed></ref> 、Parkinノックアウトマウスにおいてアストロサイトのミトコンドリア損傷の報告<ref name=Schmidt2011><pubmed>21212098</pubmed></ref> がある。

免疫・炎症へのParkinの関与が示唆されている。PINK1とParkinは、ミトコンドリアの抗原提示経路に関わる分子Sorting nexin-9を分解し、T細胞への抗原提示を阻害する。Parkinのこの機能が過剰な免疫反応を抑制している可能性が報告された<ref name=Matheoud2016><pubmed>27345367</pubmed></ref> . PINK1, Parkinノックアウトマウスでは、ミトコンドリアへの強い負荷（激しい運動やミトコンドリアDNAへの構成的な変異の蓄積）により、STING経路を介した炎症性サイトカインの上昇がみられる <ref name=Sliter2018><pubmed>30135585</pubmed></ref> 。STINGは血清中に遊離した損傷ミトコンドリアのDNAを認識し、自然免疫を活性化する。ミトコンドリアストレスで生した損傷ミトコンドリアのPINK1-Parkin経路を介したマイトファジーでの除去が、炎症の沈静化に寄与していることが示唆されている。

PRKNのホモ接合性変異、複合ヘテロ接合性変異で、若年発症のパーキンソン病を発症する。ヘテロ接合性変異により、パーキンソン病を晩発で発症する例も見られる<ref name=Klein2007><pubmed>17582365</pubmed></ref> 。PRKNの病因変異やレアバリアントの報告は、世界中で多数あり、以下のデータベースで検索できる。

https://www.mdsgene.org/d/1/g/4

https://databases.lovd.nl/shared/variants/PARK2/unique

https://www.ncbi.nlm.nih.gov/clinvar/

http://www.hgmd.cf.ac.uk/ac/index.php

https://decipher.sanger.ac.uk/browser

PRKNミスセンス病因変異・レアバリアントとタンパク質の安定性・マイトファジーとの相関を培養細胞で調べた研究がある<ref name=Yi2019><pubmed>30994895</pubmed></ref> 。病態が比較的重篤なミスセンス病因変異は、すべてマイトファジー活性が50%以下に低下していた。しかし、病態が軽度・病態への意義が不明なミスセンス病因変異・レアバリアントでは、マイトファジーへの影響がほとんどなく、まれに亢進しているものも観察された。ユビキチンリガーゼ活性やタンパク質の安定性に影響しない病因変異については、不活性状態を解くアミノ酸への置換（REPを不安定化させるF146AやW403A、図3参照）の導入により、マイトファジー活性が戻ることが示された。この観察は、Parkinの不活性状態を解く化合物がパーキンソン病の疾患修飾薬となる可能性を示唆している。

Parkin変異患者由来のiPS細胞から作製したドーパミン神経では、リン酸化ユビキチンのシグナルが低下し、不良ミトコンドリアの神経軸索輸送停止が障害されている<ref name=Shiba-Fukushima2017><pubmed>28541509</pubmed></ref> 。