c-Abl对Parkin相互作用底物的磷酸化驱动多巴胺能神经退行性变

Parkin interacting substrate phosphorylation by c-Abl drives dopaminergic neurodegeneration

作者信息Hyojung Kim, Jeong-Yong Shin, Areum Jo, Ji Hun Kim, Sangwook Park, Jeong-Yun Choi, Ho Chul Kang, Valina L Dawson, Ted M Dawson, Joo-Ho Shin, Yunjong Lee
PMID34581802
期刊Brain
发布时间2021-12-31
DOI10.1093/brain/awab356

实验完整度

包含体外细胞实验(SH-SY5Y、原代多巴胺能神经元)、体内动物模型(AAV-PARIS小鼠、parkin条件敲除小鼠)、患者样本分析及机制验证(ChIP、激酶实验、转录组分析)。

主要模型

人神经母细胞瘤SH-SY5Y细胞 小鼠原代多巴胺能神经元 AAV-PARIS小鼠模型 成年parkin条件敲除小鼠模型 帕金森病患者死后脑组织样本

重点核对

SH-SY5Y细胞中FLAG-PARIS野生型或突变体(Y121F、Y137F、Y403F)与GFP-Bcr-Abl共转染,检测PARIS Y137磷酸化及KAP1结合 SH-SY5Y细胞中PARIS过表达伴随c-Abl激活,STI-571或尼罗替尼抑制c-Abl活性 AAV-PARIS小鼠模型:立体定位注射AAV-PARIS至SNpc,3周后行为学及免疫组化分析,尼罗替尼给药(50 mg/kg/day,i.p.,2周) parkin条件敲除小鼠:AAV-GFPCre注射至parkinfl/fl小鼠SNpc,3个月后行为学及组织学分析,尼罗替尼给药(200 mg/kg饮食,p.o.,2个月) 帕金森病患者死后皮层切片免疫荧光检测PARIS、pY137-PARIS、MDM4、pS15-p53表达

摘要

非受体激酶c-Abl的异常激活与帕金森病致病标志物(如α-突触核蛋白聚集和进行性神经元丢失)的发生有关。c-Abl介导的parkin连接酶功能的磷酸化和抑制导致parkin相互作用底物(PARIS)积累,从而介导α-突触核蛋白病理启动的多巴胺能神经退行性变。在这里,我们表明,除了PARIS积累外,c-Abl对PARIS的磷酸化是PARIS诱导的细胞毒性所必需的。c-Abl介导的PARIS在Y137(位于Krüppel相关盒结构域内)的磷酸化驱动其与KAP1的结合,并抑制染色质重塑和p53依赖性细胞死亡等通路中功能多样的基因。一个依赖磷酸化的PARIS靶标MDM4(一种与MDM2结合的p53抑制剂;也称为MDMX)通过PARIS结合MDM4启动子内的胰岛素反应序列基序,以组蛋白去乙酰化酶依赖性方式被转录抑制。病毒诱导的PARIS转基因小鼠出现依赖c-Abl活性的帕金森病特征,如运动缺陷、多巴胺能神经元丢失和神经炎症。中脑中的PARIS表达导致c-Abl激活、PARIS磷酸化、MDM4抑制和p53激活,所有这些都被c-Abl抑制剂尼罗替尼阻断。重要的是,我们还观察到成年parkin基因敲除小鼠中脑中异常的c-Abl激活和PARIS磷酸化以及PARIS积累,表明c-Abl参与隐性帕金森病。在成年parkin基因敲除小鼠中,通过尼罗替尼或Y137F-PARIS表达抑制c-Abl或PARIS磷酸化可阻断MDM4抑制和p53激活,防止运动缺陷和多巴胺能神经退行性变。最后,我们发现帕金森病死后大脑中PARIS磷酸化、MDM4抑制和p53激活的相关性增加,表明c-Abl-PARIS-MDM4-p53通路的临床相关性。总之,我们的结果描述了帕金森病中病理性c-Abl激活下游多巴胺能变性的表观遗传调控新机制。由于c-Abl激活已在散发性帕金森病中显示,PARIS磷酸化可能作为有用的生物标志物和调节帕金森病神经元丢失的潜在治疗靶点。

实验结论

提炼研究问题、关键发现与证据,快速把握文章的核心贡献。

研究问题
c-Abl介导的PARIS磷酸化是否以及如何驱动多巴胺能神经退行性变?
核心机制
c-Abl磷酸化PARIS Y137,增强其与KAP1结合,通过HDAC依赖的表观遗传机制抑制MDM4转录,导致p53激活和凋亡性神经元死亡。
主要证据
体外激酶实验、SH-SY5Y细胞转染实验、ChIP实验、AAV-PARIS小鼠模型和parkin条件敲除小鼠模型,以及帕金森病患者死后脑样本分析。
研究意义
PARIS Y137磷酸化可能作为帕金森病的诊断标志物和治疗靶点,抑制c-Abl-PARIS通路可能有效预防疾病相关的表观遗传失调。

研究路径

按研究推进顺序梳理实验设计、验证步骤与关键观察。

1

鉴定c-Abl介导的PARIS磷酸化位点

确定c-Abl是否直接磷酸化PARIS以及主要磷酸化位点。

在SH-SY5Y细胞中共表达FLAG-PARIS野生型或突变体(Y121F、Y137F、Y403F)与GFP-Bcr-Abl,通过免疫沉淀和磷酸化酪氨酸抗体检测;体外激酶实验使用重组GST-PARIS和c-Abl。

2

验证PARIS Y137磷酸化对细胞毒性的作用

探究PARIS磷酸化是否影响细胞死亡。

在SH-SY5Y细胞中过表达PARIS及Y137F突变体,用台盼蓝排斥实验检测细胞活力,TUNEL染色检测凋亡,并使用c-Abl抑制剂或CRISPR敲除验证。

3

转录组分析PARIS磷酸化依赖性基因调控

鉴定受PARIS磷酸化调控的下游靶基因和通路。

在SH-SY5Y细胞中表达mock、PARIS野生型或Y137F突变体,进行微阵列分析,筛选差异表达基因,并通过RT-qPCR验证。

4

验证MDM4作为PARIS磷酸化依赖性靶基因

验证PARIS磷酸化是否通过表观遗传机制抑制MDM4表达。

在SH-SY5Y细胞中检测MDM4 mRNA和蛋白水平,使用TSA抑制HDAC,ChIP检测PARIS与MDM4启动子IRS基序结合及组蛋白乙酰化状态。

5

AAV-PARIS小鼠模型的体内验证

在体内评估PARIS过表达对多巴胺能神经元的影响及c-Abl的参与。

将AAV-PARIS或对照注射到小鼠SNpc,进行行为学测试、TH免疫组化、立体计数、TUNEL染色和分子检测,并用尼罗替尼处理。

6

parkin条件敲除小鼠模型的验证

探究parkin缺失是否通过c-Abl-PARIS通路导致神经退行性变。

向parkinfl/fl小鼠SNpc注射AAV-GFPCre建立成年parkin敲除模型,进行行为学、组织学及分子分析,并用尼罗替尼处理或共注射AAV-Y137F-PARIS。

7

临床样本验证

评估PARIS磷酸化与MDM4抑制在帕金森病患者中的相关性。

对帕金森病患者及年龄匹配对照的死后皮层切片进行免疫荧光检测PARIS、pY137-PARIS、MDM4、p53,并进行相关分析。

研究方法

按研究目的归类文中使用的方法,便于定位所需技术。

产品清单

实验环节名称品牌货号
STI-571(伊马替尼)SigmaSML1027
尼罗替尼Cayman Chemical641571-10-0
DMEM培养基GIBCO11995073
胎牛血清GIBCO26140079
青霉素-链霉素SigmaP4333
X-tremeGENE HP转染试剂Roche6366546001
Lipofectamine 3000转染试剂ThermoFisher ScientificL3000015
GFP抗体(兔)Cell Signaling Technology2956
GFP抗体(小鼠)Santa Cruz Biotechnologysc-9996
FLAG抗体SigmaF1804
PARIS(ZNF746)抗体Proteintech24543-1-AP
磷酸化c-Abl抗体Cell Signaling Technology2868
c-Abl抗体SigmaA5844
MDM4抗体Proteintech17914-1-AP
磷酸化p53抗体Cell Signaling Technology9284
p53抗体Santa Cruz Biotechnologysc-126
PGC-1α抗体CalbiochemST1202
NRF1抗体Abcamab34682
酪氨酸羟化酶抗体Novus BiologicalsNB300-109
Parkin抗体Cell Signaling Technology4211
乙酰化组蛋白H3抗体Merck Millipore06-599
组蛋白H3抗体Cell Signaling Technology4620
HRP偶联FLAG抗体Sigma8592
HRP偶联HA抗体Cell Signaling Technology2999
HRP偶联β-肌动蛋白抗体SigmaA3854
BCA蛋白定量试剂盒Pierce--
iScript cDNA合成试剂盒Bio-Rad170-8891
SYBR Green PCR预混液Applied Biosystems4309155
RNeasy小型试剂盒QIAGEN74104
曲古抑菌素ASigmaT8552
Z-VAD-FMK(泛caspase抑制剂)SigmaC2105
多聚鸟氨酸----
纤连蛋白----
胰岛素SigmaI9278
碱性成纤维细胞生长因子R&D Systems--
表皮生长因子R&D Systems--
抗坏血酸Sigma--
Alexa Fluor 568偶联驴抗兔IgGInvitrogenA10042
Alexa Fluor 488偶联山羊抗兔IgGInvitrogenA11008
Alexa Fluor 568偶联驴抗小鼠IgGInvitrogenA10037
Alexa Fluor 488偶联驴抗小鼠IgGInvitrogenA21202
DAPISigmaD9542
Immu-Mount封片剂ThermoFisher Scientific9990402
Countess II自动细胞计数器Life Technologies--
TUNEL凋亡检测试剂盒Abcamab661110
JC-1线粒体膜电位检测试剂盒Cayman Chemical10009172
SYNERGYneo酶标仪Bio-Tek--
Axio Imager M2荧光显微镜Zeiss--
Diax 900匀浆器----
蛋白G琼脂糖珠GE Healthcare18-0618-01
SulfoLink偶联柱Thermo Fisher Scientific44999
QIAzol裂解试剂QIAGEN79306
QuantStudio 6 Flex实时荧光定量PCR系统Applied Biosystems--
QuikChange II定点突变试剂盒Agilent200522
AAV1载体Vector Biolabs7002
AAV-GFPCre病毒Vector Biolabs7015
pAM-CBA-WPRE-bGHpA质粒----
Vectastain ABC试剂盒Vector Laboratories--
DAB显色底物SigmaD4293
pCMV-Tag2A-FLAG载体Stratagene--
pLenti-CRISPR-V2质粒Addgene52961
TRIM28(HA-KAP1)质粒Addgene10841
c-Abl gRNA质粒Addgene77733

关键环节

汇总复现实验时建议重点确认的条件及原文阅读提示。

环节核对要点
细胞培养与转染
细胞系(SH-SY5Y)来源、培养基成分、转染试剂及转染时间
阅读提示:Methods: Cell culture and transfection
c-Abl磷酸化PARIS的体外验证
重组蛋白浓度、激酶反应条件、STI-571浓度
阅读提示:Methods: In vitro kinase assay; Figure 1C
PARIS过表达诱导细胞毒性
转染质粒、细胞密度、处理药物浓度(STI-571、3AB、Z-VAD)
阅读提示:Methods: Cell viability assay; Figure 2A-C
AAV-PARIS小鼠模型
病毒滴度、注射体积、坐标、小鼠品系和年龄、尼罗替尼给药方案
阅读提示:Methods: Animal experiments; Figure 5
parkin条件敲除小鼠模型
parkin floxed小鼠来源、AAV-GFPCre注射、尼罗替尼饮食浓度、Y137F-PARIS共注射
阅读提示:Methods: Animal experiments; Figure 6
临床样本分析
帕金森病患者和对照的死后脑组织来源、切片处理、抗体使用及定量方法
阅读提示:Methods: Immunofluorescence; Results: Clinical relevance; Figure 8