МОЛЕКУЛЯРНАЯ БИОЛОГИЯ, 2014, том 48, № 1, с. 3-14
= ОБЗОРЫ =
УДК 575.1:616.15
МОЛЕКУЛЯРНЫЕ ОСНОВЫ БОЛЕЗНИ ПАРКИНСОНА, ОБУСЛОВЛЕННОЙ МУТАЦИЯМИ В ГЕНЕ LRRK2
© 2014 г. С. Н. Пчелина1,2,3*, А. К. Емельянов1,2,3, Т. С. Усенко1,2
Петербургский институт ядерной физики им. Б.П. Константинова, Национальный исследовательский центр
"Курчатовский институт", Гатчина, 188300 2Санкт-Петербургский государственный университет им. акад. И.П. Павлова Минздрава России,
Санкт-Петербург, 197220 3Санкт-Петербургский академический университет — научно-образовательный центр нанотехнологий Российской академии наук, Санкт-Петербург, 194021 Поступила в редакцию 30.05.2013 г. Принята к печати 10.08.2013 г.
Болезнь Паркинсона — широко распространенное нейродегенеративное заболевание, симптомы которого коррелируют с гибелью дофаминергических нейронов черной субстанции головного мозга. В патогенез болезни Паркинсона вовлечены такие факторы, как агрегация белка а-синуклеина, окислительный стресс, дисфункция митохондрий и активация апоптоза, однако точный молекулярный механизм нейродегенерации остается неизвестным. Болезнь Паркинсона носит преимущественно спорадический характер. Между тем, за последние 15 лет выявлены и описаны редкие моногенные формы этого заболевания. При семейных формах болезни Паркинсона наиболее часто обнаруживают мутации в гене LRRK2, кодирующем протеинкиназу 2, обогащенную лейциновыми повторами, однако механизм возникновения заболевания у носителей мутаций в этом гене не установлен. Изучение сигнальных каскадов, регулируемых этой киназой, существенно затрудняется отсутствием знаний о физиологических субстратах LRRK2. Наличие основной мутации в гене LRRK2 — G2019S — значительно облегчает выявление больных с LRRK2-ассоциированной формой болезни Паркинсона в различных популяциях. В представленном обзоре обсуждаются данные о влиянии мутаций в гене LRRK2 на формирование белковых агрегатов, в частности агрегатов а-синуклеина, динамику цитоскелета, развитие воспаления и индукцию апоптоза, полученные как в опытах in vitro, так и при обследовании больных. Изучение редких наследственных форм болезни Паркинсона с известной этиологией способствует пониманию механизмов нейродегенерации при более распространенных спорадических формах этого заболевания.
Ключевые слова: болезнь Паркинсона, наследственные формы, LRRK2, агрегация а-синуклеина, апоптоз.
MOLECULAR BASIS OF PARKINSON'S DISEASE LINKED WITH MUTATIONS IN THE LRRK2 GENE, by S. N. Pchelina1,2 3*, A. K. Emelyanov12 3, T. S. Usenko12 ^Petersburg Nuclear Physics Institute, St. Petersburg, 188300 Russia; *e-mail: sopchelina@hotmail.com; 2Pavlov's State Medical University of Saint-Petersburg, St. Petersburg, 197220 Russia; 3St. Petersburg Academic University — Nanothecnology Research and Education Centre, Russian Academy of Sciences, St. Petersburg, 194021 Russia). Parkinson's disease (PD) is a common neurodegenerative disorder. Disease symptoms correlate with the degeneration of dopaminergic neurons in substantia nigra pars compacta. A number of factors are supposed to take part in PD pathogenesis including а-synuclein aggregation, oxidative stress, mitochondrial dysfunction and apoptosis, although the precise molecular mechanism of neudegeneration remains unknown. PD is generally a sporadic neurological disorder, however, rare monogenic forms have been described during previous 15 years. Despite of the fact that mutations in the leucine-rich repeat kinase (LRRK2) gene are the most common cause of inherited forms of PD known today, the mechanisms by which mutations in the LRRK2 gene lead to disease remain unclear. It's difficult to understand the signaling pathways, regulated by LRRK2 in the absence of its clear physiological substrates. The G2019S substitution was shown to be the most common in mutations' spectrum of the LRRK2 gene in different populations which makes it easier to reveal patients with LRRK2-associated PD. In this review LRRK2 influence on protein aggregation, cytoskeletal dynamics, apoptosis rate and inflammatory response is discussed. Groups of patients with inherited forms of PD with known etiology are worth to be included into investigations. It could promote our understanding of the mechanisms of neurodegeneration in more common sporadic cases.
Keywords: Parkinson's disease, inherited forms, LRRK2, а-synuclein aggregation, apoptosis. DOI: 10.7868/S002689841401011X
* Эл. почта: sopchelina@hotmail.com
ВВЕДЕНИЕ
Болезнь Паркинсона (БП) — распространенное прогрессирующее нейродегенеративное заболевание с нарастающей симптоматикой (тремор, ригидность, брадикинезия), приводящее в ряде случаев к полной обездвиженности больных. В большинстве развитых стран БП диагностируется примерно у 2% населения в возрасте старше 65 лет. При этом в 20% случаев заболевание начинается в трудоспособном возрасте — до 50 лет, и может носить как спорадический, так и семейный характер. Симптомы БП, независимо от этиологии, коррелируют с гибелью дофаминергических нейронов черной субстанции головного мозга [1]. Механизмы нейродегенерации остаются неизвестными, поэтому сегодня не существует лекарственных средств, способных предотвратить или замедлить процесс нейродегенерации. Подбор нейро-протекторной терапии при БП осложняется появлением клинической симптоматики при гибели 80% нейронов черной субстанции и отсутствием лабораторных диагностических тестов. Изучение механизмов нейродегенерации при БП будет способствовать разработке методов преклинической диагностики и новых подходов к терапии этого заболевания.
В настоящее время одним из основных звеньев патогенеза БП считается формирование нейроток-сических агрегатов небольшого пресинаптического белка а-синуклеина. Предполагается, что индуцировать агрегацию этого белка может ряд факторов, включая точечные мутации и мультипликации гена, кодирующего а-синуклеин (¿ЖЛ), усиление окислительного стресса, митохондриальную дисфункцию, повреждение систем деградации белка и т.д. [2, 3]. При этом нарушение регуляции апоптоза дофа-минергических нейронов черной субстанции рассматривается как один из возможных механизмов их гибели [4]. Обсуждается также возможность вовлечения в патогенез БП таких механизмов, как воспаление и аутофагия [4, 5].
Выяснение механизма нейродегенерации при моногенных формах БП известной молекулярной природы представляется важным для понимания патогенеза более распространенных спорадических форм заболевания. Сегодня с развитием наследственных форм БП в геноме человека ассоциировано 18 локусов [6]. Однозначно доказано, что за развитие менделирующих форм заболевания ответственны мутации в пяти генах — генах а-синуклеина (¿ЖЛ), ЕЗ-убиквитин-лигазы (пар-кин, РЛЯК2), митохондриальной киназы (РШК1), редокс-зависимого шаперона (БЛ) и обогащенной лейциновыми повторами киназы 2 (£ЯЕК2). В то время как мутации в генах РЛВК2, БЛ, РШК1 ассоциированы с развитием редких аутосомно-рецессивных форм БП с ранним началом (как правило, до 40 лет), мутации в гене ЬЯЯК2 обна-
руживаются при более распространенной ауто-сомно-доминантной форме с поздним началом, а также при спорадической форме заболевания. Таким образом, мутации в гене LRRK2 часто являются причиной наследственных форм БП [7]. В некоторых популяциях мутации в гене LRRK2 находят у 40% больных семейной формой БП [8, 9], однако механизм нейродегенерации при этой форме заболевания не установлен. Широкая распространенность мутаций в гене LRRK2 позволяет сформировать репрезентативную выборку больных с однородной этиологией БП с целью описания клинических особенностей данной формы заболевания, с одной стороны, и для изучения молекулярных механизмов, лежащих в ее основе, с другой.
В ходе многолетних исследований нами описано 14 случаев БП, обусловленной мутациями в гене LRRK2, выявлены особенности клинического течения заболевания, изучено влияние мутаций в гене LRRK2 на метаболизм а-синуклеина и индукцию апоптоза.
СПЕКТР МУТАЦИЙ В ГЕНЕ LRRK2 И ОСОБЕННОСТИ КЛИНИЧЕСКОГО ТЕЧЕНИЯ LRRK2-АССОЦИИРОВАННОЙ БОЛЕЗНИ ПАРКИНСОНА
В 2002 г. в японской семье был картирован ло-кус PARK8 [10]. Практически одновременно мутации в гене LRRK2, расположенном в этом локусе, обнаружили в британской семье у больных с ауто-сомно-доминантным типом БП, а также в семьях басков в Испании [11, 12]. Ген LRRK2, состоящий из 51 экзона, находится на длинном плече хромосомы 12. Ген LRRK2 кодирует большой белок (2527 аминокислотных остатков, 286 кДа), содержащий ряд функциональных доменов, в том числе киназ-ный и GTPазный (рис. 1). В отсутствие знаний о физиологических субстратах ЬЯЯК2-киназы представление о клеточных функциях этого фермента остается далеко не полным [13]. Протеинкиназа LRRK2 входит в семейство белков ROCO, так как наряду с киназным доменом содержит домены ROC и COR (рис. 1). Считается, что LRRK2 обладает как киназной, так и GTPазной активностями, которые могут быть взаимосвязанными [14]. LRRK2 — это крупный белок, способный к образованию гомо- и, предположительно, гетеродимеров, с центральной GTPазной/киназной каталитической областью, окруженной мотивами, вовлеченными в белок-белковые и, возможно, белок-мембранные взаимодействия.
Мутации в гене LRRK2 обнаруживают в различных популяциях в семьях с аутосомно-доми-нантной формой БП [15], а также при спорадической форме этого заболевания и считают наиболее частой причиной развития БП. Из всех известных мутаций в гене LRRK2 (около 75% мутантных аллелей) при БП наиболее распространена мутация
R1441C R1441G R1441H
Y1699C
G20195 I2020T
Рис. 1. Структура белка LRRK2 с указанием консервативных доменов. ARM — Armadillo, ANK — Ankyrin repeat, LRR — Leucine-Rich Repeat, ROC - Ras of complex proteins: GTPase, COR - C-terminal of ROC, MAPKKK - Mitogen Activated Kinase Kinase Kinase, WD40 — WD-40 domain. Указаны мутации, приводящие к развитию БП.
G6055A, приводящая к замене глицина в положении 2019 на серин (G2019S) в киназном домене. В европейских популяциях эту мутацию выявляют в 5—7% случаев семейной БП и в 0.6—1.6% спорадических случаев. В некоторых изо
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.