铁抑制自噬在帕金森病中的作用机制研究

Accumulating evidences showed that iron in substantia nigra of patients with Parkinson’s disease (PD) was deposited, and iron content was positively correlated with the severity of PD. Meanwhile, autophagy called as scavenger is inhibited in PD. Nevertheless, the molecular mechanism and the role of iron and autophagy in PD are not yet elucidated. Our previous studies have shown that iron in substantia nigra was significantly increased in MPTP/MPP+ induced mouse and Caenorhabditis elegans (C.elegans) model of PD, autophagy genes (LC3-II and Beclin 1) in mouse were suppressed, and the number of autophagosomes in C.elegans also was obviously reduced. Moreover, after iron supplement-FAC treatment, there was almost no autophagosome, and more damaged dopaminergic neurons in C.elegans model of PD. Conversely, the iron chelator - DFO would decrease the death of dopamine neurons and expression of α-synuclein. It's worth noting that autophagosomes remarkably increased treated with DFO. Therefore, we hypothesize that iron may inhibit autophagy in PD. To test it, here, we build PD model using mouse and C. elegans. We firstly screen and investigate the molecular mechanism that iron suppresses autophagy by C.elegans based on its simple genetic operation advantages, then back into the mouse for further validation. The study will reveal the signaling pathway of autophagy inhibition via iron from an entirely new angle and perspective, and lay a theoretical foundation for the treatment of Parkinson’s disease.

大量证据表明帕金森病人黑质中的铁过载，且铁含量与帕金森病的严重程度呈正相关；同时，作为机体“清道夫”的自噬机制被显著抑制。然而，在帕金森病中铁与自噬的作用及其分子机制还未阐明。我们的前期研究发现，MPTP/MPP+诱导的小鼠和线虫帕金森病模型中，铁显著增加，同时黑质中自噬基因LC3-II、Beclin1的表达被抑制，线虫中自噬小体数量减少。此外，线虫帕金森病模型中，铁剂（FAC）处理后几乎检测不到自噬小体，而多巴胺神经元进一步损伤；相反，铁螯合剂（DFO）则会减少多巴胺神经元的死亡和α-突触核蛋白的表达，并显著增加自噬小体。因此，我们设想铁可能通过抑制自噬加重帕金森病。本项目用小鼠和模式生物秀丽隐杆线虫制备帕金森病模型，借助线虫基因操作等优势筛选介导铁抑制自噬的信号途径，最后再回到小鼠中进行验证，从全新的角度揭示铁抑制自噬在帕金森病中的作用及参与其中的分子机制，为治疗帕金森奠定理论基础。

由于人口老龄化和帕金森病(Parkinson’s disease, PD)发病机制的复杂性，帕金森病的治疗极具挑战性。越来越多的证据表明，PD患者脑黑质铁沉积，且铁含量与PD的严重程度呈正相关。同时，自噬在神经元存活和神经变性中起着至关重要的作用。自噬功能障碍导致错误折叠的蛋白质聚集和受损的细胞器，最终导致亨廷顿病、阿尔茨海默病和PD等神经退行性疾病。许多文献提示增强自噬可能是PD的一种治疗策略。然而，在神经退行性疾病中，当大量低分级的自噬空泡累积时，活化的自噬可能是有害的。当自噬在神经变性中失活时，最佳方法是激活相对应的不同的自噬途径。然而，PD中铁和自噬的分子机制和作用尚未阐明，进一步的研究将有助于阐明铁介导帕金森病的分子机制，为帕金森病提供更多的治疗靶点。本项目中，我们发现在1-甲基-4-苯基-1,2,3,6-四氢吡啶(MPTP)诱导的PD小鼠模型中，小鼠有明显的运动功能障碍，黑质中铁的含量显著增加，且随着铁的增加，黑质多巴胺神经元的数量明显减少，α-突触核蛋白（α-syn）累积增加；去铁胺处理后，动物的运动障碍得到缓解，铁的含量减少，随之多巴胺神经元的数量明显增加，α-syn也明显减少。同时检测发现：小鼠和细胞两种PD模型中，LC3引起的自噬被抑制；自噬抑制剂氯奎处理后，酪氨酸羟化酶蛋白水平降低；而铁处理后，LC3诱导的自噬被抑制，去铁胺处理，LC3诱导的自噬增加。通过转录组测序和后续验证表明：在小鼠和细胞两种PD模型中，铁聚集抑制胰岛素样生长因子2(IGF2)和转录因子锌指蛋白27(ZFP27)。此外，质粒转染敲低ZFP27后发现LC3显著降低，且双色荧光质粒也发现ZFP27抑制自噬流。进一步通过双荧光素酶报告基因检测发现：ZFP27通过调控LC3基因的启动子活性影响自噬。以上数据表明：铁沉积抑制激酶激活剂IGF2和转录因子ZFP27，减少LC3诱导的自噬，最终增加黑质多巴胺神经元的死亡，加速帕金森病的恶化。我们的研究结果为临床帕金森病的治疗提供更多的治疗靶点。