PINK1/Parkin依赖性线粒体自噬中的泛素信号传导机制解析

《The Journal of Biochemistry》：Ubiquitin signaling in PINK1/Parkin-dependent mitophagy

为阐明线粒体质量失控与帕金森病发病的关联，Okatsu和Fukai团队系统综述了PINK1/Parkin依赖性线粒体自噬通路中泛素信号的核心作用。研究揭示了PINK1激酶通过磷酸化泛素(pUb)和Parkin的UBL结构域启动级联反应，Parkin催化多类型泛素链标记受损线粒体，OPTN/NDP52/TAX1BP1等自噬接头蛋白通过特异性识别泛素信号驱动线粒体清除，而USP30和TBK1分别作为负向和正向调控因子精细调节该过程。该成果为神经退行性疾病治疗提供了新靶点。

　　

线粒体作为细胞的能量工厂，其功能稳定性直接关系到细胞生存。当线粒体受损时，会触发一套精密的“清理”机制——线粒体自噬，其中PINK1/Parkin通路是最关键的调控路径。该通路的失常与帕金森病的发生密切相关，但其中泛素信号如何精确调控整个自噬过程，仍是未解之谜。来自京都大学的Okatsu和Fukai在《The Journal of Biochemistry》上发表综述，系统梳理了该领域的最新进展。

研究人员主要运用了结构生物学方法（如冷冻电镜单颗粒分析、X射线晶体学）解析PINK1-TOM-VDAC复合物及泛素与自噬接头蛋白的结合模式；通过生物化学分析（体外泛素化实验、磷酸化检测）阐明Parkin的激活机制与泛素链类型；利用细胞生物学技术（基因敲除、CRISPR-Cas9筛选）验证自噬接头蛋白的功能层次；并采用蛋白质组学分析线粒体泛素化修饰的动态变化。

PINK1的处理与降解

在正常线粒体中，PINK1通过线粒体靶向序列(MTS)被TOM/TIM23复合物识别并导入线粒体基质，随后被线粒体加工肽酶(MPP)和内膜蛋白酶PARL依次切割。切割后的PINK1释放到胞质，被UBR1/2/4等E3连接酶识别并通过蛋白酶体降解，从而维持低水平。线粒体去极化时，PINK1的导入受阻，转而稳定积累于外膜(OMM)。

受损线粒体上PINK1的激活

PINK1在OMM上通过TOM7介导与TOM复合物结合，形成二聚体并发生自磷酸化（Ser²²⁸和Ser⁴⁰²），从而激活激酶活性。冷冻电镜结构显示，PINK1-TOM-VDAC阵列中，两个PINK1分子分别嵌入TOM40桶状结构，其激酶结构域相对排列。去极化促进PINK1与TOM复合物结合，进而磷酸化泛素和Parkin的UBL结构域。

受损线粒体上Parkin的激活

Parkin作为RBR型E3连接酶，在静息状态下呈自抑制构象。pUb结合于Parkin的RING1与IBR结构域之间，引发初步构象变化；随后PINK1对Parkin的UBL结构域进行磷酸化(pUBL)，促使UBL与RING0结构域结合，驱动Parkin从闭合状态转变为开放状态。AlphaFold3结构预测支持这一大幅构象重排，使RING2结构域能够接收E2~Ub中的泛素，完成泛素转移。

Parkin介导的泛素化

激活的Parkin催化OMM蛋白（如MFN1/2、VDAC等）的泛素化，形成K6、K11、K48和K63等多种类型的泛素链。体外实验显示，Parkin与UBE2D2、UBE2E1等E2酶协作可合成上述链型，其中K48链促进线粒体融合蛋白的蛋白酶体降解，K63链参与自噬信号，K6链则是线粒体自噬的特异性标记。Parkin通过其RING2结构域的半胱氨酸接收泛素，再转移至底物，这一机制与RING型E3酶直接转移泛素有所不同。

自噬接头蛋白对泛素的识别

OPTN、NDP52和TAX1BP1是线粒体自噬中的关键接头蛋白。OPTN通过UBAN结构域以平行卷曲螺旋形式识别M1和K63泛素链，其Ser⁴⁷³（人）被TBK1磷酸化后增强与泛素的亲和力；NDP52通过C端锌指(ZnF)结构域与泛素结合；TAX1BP1则通过两个ZnF结构域识别泛素，且与FIP200和LC3/GABARAP蛋白互作，可能参与受损线粒体的液-液相分离和聚集。

TBK1对自噬接头蛋白的调控

TBK1被OPTN等接头蛋白招募至泛素化线粒体，通过磷酸化OPTN（如Ser¹⁷⁷增强与LC3结合）增强其功能。TBK1自身通过二聚体间Ser¹⁷²自磷酸化激活。近期研究发现，OPTN在泛素化线粒体与自噬起始位点的接触处组装，促进TBK1激活，进而触发自噬体形成；OPTN和NDP52还可形成液态凝聚物，调控ATG9囊泡招募和隔离膜延伸。

线粒体去泛素化酶USP30

USP30是定位于线粒体的去泛素化酶，优先切割K6泛素链，对K11、K48和K63链活性较弱。泛素的磷酸化会抑制USP30的活性，从而保护泛素链免被降解。基因或药物抑制USP30可增强线粒体泛素化和自噬流，表明USP30是线粒体自噬的负调控因子，也是帕金森病的潜在治疗靶点。

本综述系统阐释了PINK1/Parkin依赖性线粒体自噬中泛素信号的核心作用：PINK1感知线粒体损伤并启动泛素-磷酸化正反馈循环，Parkin催化多类型泛素链标记底物，自噬接头蛋白通过特异性识别泛素信号招募自噬机器，而TBK1和USP30分别进行正向和负向精细调控。该通路机制的解析不仅深化了对线粒体质量控制的认知，也为开发以PINK1、Parkin或USP30为靶点的神经退行性疾病治疗策略提供了理论基础。未来研究需进一步阐明泛素链特异性形成的机制、不同接头蛋白的时空调控规律，以及它们在应对不同线粒体压力时的特异性功能。