Parkin通过两步机制激活NLRP3炎性小体以驱动帕金森病中的神经变性

中脑黑质致密部（SNpc）中多巴胺能（DA）神经元的死亡是帕金森病（PD）的标志，α-突触核蛋白（α-syn）的神经元内积累和线粒体功能障碍是PD的主要病理学特征。NLRP3 炎性小体是先天免疫系统的主要组成部分，是由胞质模式识别受体 NLRP3、衔接蛋白ASC和caspase-1（Casp1）组成的三蛋白复合物，其组装通常由病原体感染和无菌炎症原触发。尽管小胶质细胞中NLRP3炎症小体的过度活化已在包括PD在内的各种神经退行性疾病中得到充分证明【1, 2】，但具体机制还不得而知。

2022年6月1日，来自美国约翰霍普金斯大学医学院的Ted M. Dawson团队和Valina L. Dawson团队在Neuron杂志上合作发表了一篇题为Neuronal NLRP3 is a parkin substrate that drives neurodegeneration in Parkinson’s disease的文章，他们证明DA神经元中Parkin活性丧失导致NLRP3炎性小体组装和激活的具体机制，因而限制神经元中NLRP3炎性小体激活的策略将有望作为缓解PD疾病的潜在疗法。

研究人员在定向敲除中脑SNpc DA神经元中的Parkin后，观察到NLRP3和切割型Casp1蛋白水平增加，以及ASC寡聚化形成，但这些蛋白的mRNA水平并未改变，说明Parkin的缺失在蛋白质水平上促进NLRP3炎性小体的激活。已有研究指出NLRP3炎性小体进化出两步机制以防止其意外组装激活，一为启动信号NLRP3蛋白，二为激活信号，由mitoROS的产生引发，导致ASC 寡聚化和蛋白酶 Casp1 的自身蛋白水解激活【3】。结合上述发现，研究人员首先证实parkin蛋白可以与NLRP3发生直接结合作用，并能引起NLRP3的多泛素化修饰，在蛋白半衰期测定实验中，Parkin蛋白的缺陷可以明显增加NLRP3的稳定性。

已知parkin相互作用底物（parkin-interacting substrate, PARIS）ZNF746可以诱导线粒体生物发生抑制，且线粒体功能障碍介导的mitoROS产生对于NLRP3炎性小体激活是必要和充分条件【4, 5】。基于此，他们在Parkin缺陷小鼠中通过shRNA定向沉默PARIS的表达，此时，切割型Casp1和ASC寡聚化显著降低，但NLPR3并无明显改变，一方面说明炎性小体的启动和激活是相互独立的过程，另一方面也说明NLRP3炎性小体的激活需要PARIS。随后，他们在Parkin缺陷小鼠中通过shRNA定向沉默NLRP3的表达，这一处理可以有效阻止DA神经元的丢失。类似的，如果将激活途径上的蛋白酶Casp1沉默也能表现出显著的DA神经元保护作用。

α-syn原纤维（pre-formed fibril, PFF）注射到小鼠纹状体中可以导致Parkin失活，及其底物累积和线粒体缺陷【6】。通过构建α-syn PFF模型，研究人员发现Parkin活性降低伴随着NLRP3的启动和激活。为了评估神经元炎性小体的激活是否有助于病理性α-syn PFF触发的DA神经元的神经变性，他们将α-syn PFF注射至Casp1+/+和Casp1-/-小鼠纹状体中，后者的DA神经元丢失表型得以挽救，显著改善酪氨酸羟化酶的表达并降低了寡聚α-syn的累积。与这些发现一致的是，人类PD患者死后也表现出SNpc裂解物中的NLRP3、PARIS和切割型Casp1水平显着上调。

总的来说，这项工作强调了E3泛素连接酶Parkin在抑制DA神经元内NLRP3炎性小体的启动和激活过程中发挥重要作用，一方面Parkin结合并多聚泛素化NLRP3，将其作为蛋白酶体清除的目标，另一方面Parkin底物PARIS的积累能够引起mitoROS产生从而促进NLRP3炎性小体的激活。因此，靶向炎性小体激活可能作为包括PD在内的神经退行性疾病的潜在治疗策略。