由格拉德斯通研究所(Gladstone Institutes)的研究人员领导的研究，对与帕金森氏症有关的pINK1和parkin基因在脑细胞中产生能量的线粒体循环过程中所起的作用产生了新的见解。这个由Gladstone副研究员Ken Nakamura医学博士领导的团队表示，他们报告的研究结果，在未来的调查支持下，可能指向新的治疗途径。

Nakamura评论道:“这项工作让我们对线粒体的生命周期以及它们是如何被关键蛋白质循环利用的有了前所未有的了解，而这些关键蛋白质一旦发生变异，就会导致帕金森病。”“这表明，线粒体循环对保持健康的线粒体至关重要，而这一过程的破坏可能会导致神经退化……我们未来的研究将调查这些途径如何导致疾病，以及如何将它们作为治疗目标。”

Nakamura是研究人员在《科学进展》杂志上发表的论文的资深作者，论文题为“Longitudinal tracking of neuronal mitochondria delineates pINK1/parkin-dependent mechanisms of mitochondrial recycling and degradation.”

科学家们早就知道，活细胞是回收高手，不断分解旧的部分，并将它们重新组装成新的分子机器。在大多数细胞中，受损的线粒体在一种称为自噬的过程中分解，这是由两种蛋白质pINK1和parkin启动的。这些蛋白质的突变也会导致帕金森氏病的遗传性。虽然pINK1和parkin在线粒体吞噬中的作用已经在许多细胞类型中进行了大量研究，但尚不清楚这些蛋白质在神经元中是否也有同样的作用，而神经元也是帕金森病中死亡的细胞。研究人员指出:“线粒体质量控制和动力学的改变可能会导致神经退行性疾病，包括帕金森病，但我们对神经元中的这些过程知之甚少。”事实上，神经元有异常高的能量需求，它们的线粒体比其他细胞类型的线粒体更能抵抗帕金的降解。

在他们最新报告的研究中，中村的小组跟踪了活神经元内的线粒体，并检查了pINK1和parkin如何影响它们的命运。线粒体很小，它们在细胞内移动，经常相互融合或一分为二，这使它们很难被追踪。格莱斯顿大学和加州大学旧金山分校(UCSF)的研究生扎克·多利克(Zak Doric)是这项新研究的第一作者之一，他解释说:“我们必须开发一种新的方法，在几乎一整天的时间里跟踪单个线粒体。”“掌握这种技术并使之运行起来是一个相当大的挑战。”

科学家们还使用了一种方法，使它们产生比正常线粒体更大的线粒体，使它们在显微镜下更容易被看到。他们指出:“我们结合了慢速显微镜和相关光镜和电子显微镜来跟踪缺乏促分裂蛋白动力相关蛋白1 (Drp1)的神经元中的单个线粒体，并描绘出线粒体质量控制中pink1依赖途径的动力学。”该方法的高分辨率将有助于研究人员更详细地了解帕金森氏病中parkin和pINK1如何影响线粒体降解。

Gladstone的研究人员，包括Ken Nakamura(左)、Zak Doric(中)和Huihui Li(右)，跟踪了神经元内的线粒体，发现了一种新的循环通路，可能与帕金森病有关。[图片:Michael Short/Gladstone Institutes]

通过最新报道的研究，该团队发现帕金蛋白包围了受损的线粒体，并将其作为降解的目标，这表明自噬在神经元中开始的方式与在其他细胞类型中相同。“去极化的线粒体将parkin招募到线粒体外膜，触发自噬小体形成、溶酶体快速融合和parkin再分配，”该团队指出。

但是，通过使用这项新技术，科学家们也可以详细地观察这一过程。他们记录了受损的帕金森氏蛋白包裹的线粒体与细胞内的其他成分融合，形成被称为丝裂酶体的线粒体降解结构的关键初始步骤。加州大学旧金山分校的神经学副教授中村指出:“我们能够将这些步骤可视化，这是以前在任何细胞类型中都没有做到的。”

然后，研究人员检查了线粒体吞噬的后期阶段，监测有丝分裂溶酶体中的线粒体发生了什么。“到目前为止，没有人知道这些有丝分裂酶体附近会发生什么，”中村说。科学家们普遍认为，它们会迅速分解成细胞可以重新利用的分子，从头开始构建新的线粒体。但中村和他的团队发现，相反，有丝分裂酶在细胞内存活了数小时。

令人惊讶的是，一些有丝溶酶体被健康的线粒体吞噬，而另一些时候，它们突然破裂，将其内容物释放到细胞内部，包括一些仍有功能的蛋白质。“我们发现，在溶酶体与线粒体融合后，产生的酸性溶酶体继续与其他健康线粒体积极相互作用数小时，有时被功能性线粒体吞噬，”研究人员说。此外，一个子集最终使其pH值正常化，破裂，并将其内容物释放到细胞质中。

“这似乎是一种新的线粒体质量控制和回收系统，”格莱斯顿博士后学者、该论文的共同第一作者李慧慧(Huihui Li)博士说。“我们认为，我们发现了线粒体回收的途径——这就像在拆除房子里的贵重家具之前，先将其回收。”

重要的是，这项研究表明，科学家们确定的回收途径需要pINK1和parkin，支持了这样一个概念，即线粒体回收可能在防止帕金森病神经退化方面也至关重要。中村评论道:“死于帕金森氏症的多巴胺神经元特别容易受到pINK1和parkin突变的影响。”“我们的研究加深了我们对这两种关键的帕金森病蛋白如何降解和回收线粒体的理解。”

作者指出，新发现提出了一些“关键问题”。科学家需要了解丝裂酶是如何以及为什么与线粒体融合并被线粒体吞噬的，包括线粒体内容物在这些过程中回收的程度。“这也很重要吗?”确定有丝分裂酶体破裂的过程，以及这是否有助于降解的线粒体内容物的回收和不可回收成分的降解，”他们写道，并了解这些过程对神经元的健康和生存是如何以及何时需要的。“需要进一步的研究来确定我们在这里描述的线粒体质量控制机制，包括将线粒体内容释放到细胞质中，是否可能启动免疫和其他信号通路，并有助于神经元对pINK1和parkin突变的选择性脆弱性。”