Enhancement of the ubiquitin proteasome system function by parkin-mediated ubiquitination in cholinergic neurons

Abstract

Parkin functions as E3 ligase for the ubiquitination in the non-lysosomal protein degradation process. Dysfunction of E3 ligase in the specific neurons has been reported to explain the abnormal protein degradation in several neurodegenerative diseases (e.g. parkin mutation in Parkinson’s disease). In this study, we hypothesized that parkin function is closely related to UPS activity in the cholinergic neurons, which are major pathological target in Alzheimer’s disease (AD) patients. First, we determined the expression level of parkin in the hippocampus of AD patients. Parkin was highly expressed in the hippocampus of AD patients’ brains. Secondly, to determine whether amyloid-β (Aβ) deposits result in high expression of parkin, we used AD mice model, hAPP-YAC transgenic mice, which contain mutant human amyloid precursor protein (hAPP) genes in yeast artificial chromosome system (YAC). Interestingly, in this hAPP-YAC mice, parkin was highly expressed in the hippocampus and the frontal cortex. We also found that ubiquitin binds to Aβ in the frontal cortex and the hippocampus of both littermate controls and hAPP-YAC mice. Third, to determine the effect of parkin in the normal cholinergic neurons, we overexpressed wild-type parkin in the cholinergic neuro-2a (N2a) neurons via stable transfection. First, the expression of parkin protein was confirmed using Western blot analysis and immunocytochemistry. Second, we determined that the overexpression of parkin increased the 20s proteasome activities in cholinergic N2a cells, which were decreased by Aβ treatment. These data suggest that parkin-mediated ubiquitination enhances UPS function in AD like pathological conditions.; 비정상적인 단백질의 축적은 파킨슨씨 병이나 알츠하이머씨 병과 같은 퇴행성 뇌질환에서 병리학적 발전의 공통적인 원인이 된다. 세포내의 단백질 분해 시스템의 고장은 이러한 비정상적인 단백질 축적의 원인이 될 수 있다. 세포내의 단백질 분해기구인 유비퀴틴-프로테아좀 시스템에는 많은 단백질이 관여되어 일을 한다. 그 중, 분해될 단백질에 유비퀴틴을 붙여주는 E3 ligase (유비퀴틴화의 마지막 단계에 관여하는 효소, 리가아제)에는 많은 종류가 있다고 알려져 있으며, E3 ligase인 parkin 단백질은, 그 돌연변이가 파킨슨씨 병에서 Lewy body (루이체)라는 비정상적인 단백질 응고체를 만드는 원인이 된다고 알려져 있다. 본 연구에서는, parkin이 알츠하이머씨 병에서 선택적으로 취약한 콜린성 신경세포에서도 유비퀴틴-프로테아좀 시스템의 기능에 영향을 주는지 알아보았다. 먼저, 알츠하이머씨 병 환자의 해마체에서 parkin의 발현 정도를 알아보기 위해 Western blot을 수행한 결과, parkin 단백질이 정상인에 비해 높은 양으로 발현되고 있음을 확인할 수 있었다. 이어서, parkin의 높은 발현양이 알츠하이머씨 병에서 비정상적으로 축적되어 응축되는 펩티드인 아밀로이드 베타 (amyloid beta, Aβ)에 의한 것인지 확인하기 위해, 사람 아밀로이드 전구체 단백질이 과발현 되어있는 알츠하이머씨 병 형질전환 쥐 (hAPP-YAC transgenic mice) 모델을 사용하였다. 그 결과, 알츠하이머씨 병 모델 쥐의 해마체와 전두엽 피질에서도 parkin의 발현양이, 정상 쥐 그룹에 비교해 높은 것을 확인할 수 있었다. 또한 parkin의 산물이라고 볼 수 있는 유비퀴틴화 되어있는 Aβ가 알츠하이머씨 병 쥐 모델에서 확인되었다. 콜린성 신경세포에 parkin이 미치는 영향을 알아보기 위해, 콜린성 신경세포 모델, N2a 세포에서 stable transfection을 통해 parkin의 과발현을 유도한 결과, 정상 N2a 세포에서 프로테아좀 활성이 향상된 것을 확인할 수 있었다. 다음으로 N2a 세포에서 Aβ에 의한 프로테아좀 활성의 변화를 알아보고자 하였다. Aβ의 농도가 증가함에 따라 프로테아좀의 활성은 감소했지만 parkin이 발현되어 있지 않은 세포와 비교하였을 때 유의성 있는 차이는 관찰할 수 없었다. 이와 같은 결과는 parkin이 매개된 유비퀴틴화가 콜린성 신경세포에서 프로테아좀의 활성을 향상시키고, 세포기능을 변화시킬 수 있음을 시사한다.