PINK1和Parkin在灵长类大脑中的差异分布具有不同功能

doi:10.4103/NRR.NRR-D-23-01140

摘要/Abstract

摘要：

PINK1和Parkin基因突变均可引发青少年型帕金森病。大量体外研究表明，PINK1可磷酸化激活Parkin并共同参与线粒体自噬以保护神经细胞。然而，PINK1和Parkin在生理状态下哺乳动物大脑中的表达模式仍不清楚，最主要的原因是既往小动物模型脑中检测不到PINK1蛋白表达且PINK1、Parkin敲除的小鼠模型无法模拟帕金森病患者脑中神经退变的病理特征。作者课题组最近研究发现 PINK1 在灵长类动物大脑中以激酶形式（PINK1-55）选择性表达。实验首先开发了一种新的小鼠单克隆抗体（E7B6），用于检测猴脑和人脑组织中PINK1蛋白的表达。其次，利用出生后和成年阶段的猴脑组织进行检测，发现PINK1蛋白在出生后的不同发育阶段的猴脑中均可稳定表达。更为重要的是，实验利用新鲜的猴脑组织进行蔗糖密度梯度离心，分离了不同的亚细胞组分（线粒体、核糖体、ER、突触体、核、细胞质和髓鞘蛋白），发现PINK1蛋白在生理状态下主要富集在多种膜结合亚细胞器中，而Parkin蛋白则以可溶性形式存在于细胞浆，二者具有明显区别的表达和分布形式。最后，利用原代培养的猴星形胶质细胞进行检测，发现在生理状态下PINK1和Parkin并无共定位，而当对线粒体进行药物应激时二者可共定位至线粒体。研究结果表明，PINK1/Parkin除了在线粒体损伤时参与线粒体自噬这种众所周知的传统功能之外，二者在生理状态下可能发挥各自独特的功能。

https://orcid.org/0000-0002-1187-4542 (Weili Yang)

Abstract: The vast majority of in vitro studies have demonstrated that PINK1 phosphorylates Parkin to work together in mitophagy to protect against neuronal degeneration. However, it remains largely unclear how PINK1 and Parkin are expressed in mammalian brains. This has been difficult to address because of the intrinsically low levels of PINK1 and undetectable levels of phosphorylated Parkin in small animals. Understanding this issue is critical for elucidating the in vivo roles of PINK1 and Parkin. Recently, we showed that the PINK1 kinase is selectively expressed as a truncated form (PINK1–55) in the primate brain. In the present study, we used multiple antibodies, including our recently developed monoclonal anti-PINK1, to validate the selective expression of PINK1 in the primate brain. We found that PINK1 was stably expressed in the monkey brain at postnatal and adulthood stages, which is consistent with the findings that depleting PINK1 can cause neuronal loss in developing and adult monkey brains. PINK1 was enriched in the membrane-bound fractionations, whereas Parkin was soluble with a distinguishable distribution. Immunofluorescent double staining experiments showed that PINK1 and Parkin did not colocalize under physiological conditions in cultured monkey astrocytes, though they did colocalize on mitochondria when the cells were exposed to mitochondrial stress. These findings suggest that PINK1 and Parkin may have distinct roles beyond their well-known function in mitophagy during mitochondrial damage.

Key words: neurodegeneration, Parkin, Parkinson’s disease, PINK1, subcellular distribution

. PINK1和Parkin在灵长类大脑中的差异分布具有不同功能[J]. 中国神经再生研究(英文版), 2025, 20(4): 1124-1134.

Yanting Liu, Wei Huang, Jiayi Wen, Xin Xiong, Ting Xu, Qi Wang, Xiusheng Chen, Xianxian Zhao, Shihua Li, Xiaojiang Li, Weili Yang. Differential distribution of PINK1 and Parkin in the primate brain implies distinct roles[J]. Neural Regeneration Research, 2025, 20(4): 1124-1134.

参考文献

引言

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《中国神经再生研究（英文版）》杂志为SCI、PubMed数据库收录的国际唯一一本专注神经再生领域研究的经同行评议的开放获取期刊，出版来自全球神经再生领域专业学者的前沿性基础研究及临床研究及转化医学、循证医学优秀的最新成果。

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延伸阅读

NRR：暨南大学李晓江教授团队揭示帕金森病重要致病基因PINK1和Parkin具有不同的功能

暨南大学粤港澳中枢神经再生研究院的李晓江和杨伟莉团队在《中国神经再生研究（英文版）》（Neural Regeneration Research）2025年第4期发表了研究论文。该研究首次证明PD关键致病蛋白PINK1和Parkin在生理状态下的猴脑中具有明显不同的表达和分布模式，与基于大量体外实验和线粒体应激刺激条件下所得出的PINK1和Parkin在细胞内分布的传统理论具有明显区别。研究成果为深入理解生理状态下灵长类脑中PINK1和Parkin的表达分布及功能提供了重要依据。

PINK1和Parkin基因突变均可引发青少年型帕金森病。大量体外研究表明，PINK1可磷酸化激活Parkin并共同参与线粒体自噬以保护神经细胞。然而，PINK1和Parkin在生理状态下哺乳动物大脑中的表达模式仍不清楚，最主要的原因是既往小动物模型脑中检测不到PINK1蛋白表达且PINK1、Parkin敲除的小鼠模型无法模拟PD病人脑中神经退变的病理特征。在以往研究中，该团队已证实PINK1缺失可造成非人灵长类猴大脑中神经细胞退变（Cell Res. 2019），且PINK1蛋白在灵长类脑中特异表达并作为激酶调控与神经细胞功能及细胞存活相关底物蛋白的磷酸化，与基于大量体外实验研究关于PINK1参与线粒体自噬的传统理论具有明显区别（Protein Cell 2021）。因此，该团队的研究表明非人灵长类动物是深入研究PINK1和Parkin生理功能的重要模型。

在此次的最新研究中，该团队首先开发了一种新的小鼠单克隆抗体（E7B6），用于检测猴脑和人脑组织中PINK1蛋白的表达。其次，他们利用出生后和成年阶段的猴脑组织进行检测，发现PINK1蛋白在出生后的不同发育阶段的猴脑中均可稳定表达，这与该团队先前报道的敲除PINK1会导致发育期和成年期猴大脑中神经元丧失的发现一致。更为重要的是，研究者利用新鲜的猴脑组织进行蔗糖密度梯度离心，分离了不同的亚细胞组分（线粒体、核糖体、ER、突触体、核、细胞质和髓鞘蛋白），发现PINK1蛋白在生理状态下主要富集在多种膜结合亚细胞器中，而Parkin蛋白则以可溶性形式存在于细胞浆，二者具有明显区别的表达和分布形式。最后，研究者利用原代培养的猴星形胶质细胞进行检测，发现在生理状态下PINK1和Parkin并无共定位，而当对线粒体进行药物应激时二者可共定位至线粒体。研究结果表明，PINK1/Parkin除了在线粒体损伤时参与线粒体自噬这种众所周知的传统功能之外，二者在生理状态下可能发挥各自独特的功能（如图1）。考虑到PINK1和Parkin的突变均可导致早发性PD，因此在某些病理条件下PINK1和Parkin之间的关联很可能导致在PD患者中观察到的神经变性表型。然而，值得注意的是，线粒体去极化药物引起的急性和严重的线粒体损伤在体内发生的几率较小，并且不能准确复制在PD患者大脑中观察到的慢性细胞应激。因此，该团队在非人类灵长类动物中关于PINK1和Parkin差异分布的发现为探索二者在生理和病理情况下的独特作用提供了新的思路，而不是仅仅局限于二者已公认的线粒体自噬功能。

这项发现的重要性体现在以下方面：

1. 利用特异性的PINK1抗体证实了生理状态下PINK1蛋白在灵长类脑中不同发育阶段的丰富表达。既往研究中领域内公认的观点是小动物模型及常见细胞系在生理状态下PINK1蛋白表达极低而检测不到，仅在对线粒体进行药物损伤时才能检测到PINK1蛋白表达。因此PINK1如何在生理状态下分布和表达一直是一个悬而未解的问题。而非人灵长类猴脑中可特异表达与人脑中类似丰富的PINK1蛋白，提示猴模型用于研究PINK1的功能具有不可替代性。

2. 首次证实PINK1和Parkin在生理条件下的非人灵长类脑中具有明显不同的表达和分布。既往基于大量体外实验的传统理论认为：PINK1/Parkin在线粒体损伤时主要定位于线粒体并通过线粒体自噬保护细胞。目前领域内也有超过3300篇PINK1、Parkin研究的相关论文，但并没有报道过PINK1和Parkin在生理状态下的哺乳动物大脑中的表达模式是否一致，最主要的原因是小动物模型脑中检测不到PINK1蛋白表达。该团队近期发表的另一项研究表明，在猪的大脑中也检测不到PINK1蛋白的表达（Zool Res 2023），再次支持了本研究中利用猴模型组织研究PINK1和Parkin蛋白在生理状态下表达及功能的重要性。

图1：PINK1和Parkin在灵长类大脑中可能具有独立的功能，并在生理和病理条件下表达和分布有所不同