Mechanisms of signal transduction pathways in Parkinson’s disease

Abstract

Over the last years it has become increasingly clear that the protein levels of α-synuclein (α-syn) appear to be critical in the pathogenesis of Parkinson’s disease (PD). Recent evidence also suggests that specific extracellular α-syn strains are implicated in the progression of PD pathology. It is, therefore, plausible that deregulation in the normal processing of secreted α-syn may be a causative risk factor for PD. In this capacity, elucidation of the underlying mechanisms that regulate the protein levels of extracellular α-syn becomes essential. To date, the degradation mechanisms involved have received very little attention. Here, we sought to investigate factors and mechanisms that regulate the extracellular levels of α-syn exploiting a series of enzymatic, biochemical and proteomic approaches. As a source of secreted α-syn we used conditioned media from inducible SH-SY5Y cells overexpressing and secreting this protein under biologically relevant conditions. Using kallikrein-related peptidase 6 (KLK6), an extracellular enzyme known to cleave recombinant α-syn, we demonstrate, for the first time, that unlike recombinant forms, naturally secreted α-syn forms (wild-type & A53T) are resistant to direct KLK6 proteolysis. This differential susceptibility appears to be partially due to the non-covalent association of secreted α-syn with lipids. We further provide evidence that secreted α-syn can be cleaved by KLK6 indirectly through activation of a secreted metalloprotease, suggestive of the involvement of a proteolytic cascade in the catabolism of secreted α-syn. Our results clearly suggest that physiologic modifications affect the biochemical behavior of secreted α-syn and provide novel insights into mechanisms and potential targets for therapeutic interventions.

Κατά τα τελευταία χρόνια έχει καταστεί ολοένα και πιο σαφές ότι τα πρωτεϊνικά επίπεδα της α-συνουκλεΐνης παίζουν σημαντικό ρόλο στην παθογένεια της νόσου του Πάρκινσον. Πρόσφατα στοιχεία δείχνουν επίσης ότι συγκεκριμένες μορφές της εξωκυττάριας α-συνουκλεΐνης εμπλέκονται στην εξέλιξη της παθολογίας της νόσου. Ως εκ τούτου, είναι εύλογο ότι η απορρύθμιση των φυσιολογικών επιπέδων της εξωκυττάριας α-συνουκλεΐνης μπορεί να αποτελεί έναν αιτιολογικό παράγοντα κινδύνου στη νόσο του Πάρκινσον. Συνεπώς, η διαλεύκανση των υποκείμενων μηχανισμών που ρυθμίζουν τα επίπεδα της εξωκυττάριας α-συνουκλεΐνης γίνεται απαραίτητη. Μέχρι σήμερα, οι αποικοδομητικοί μηχανισμοί που εμπλέκονται έχουν λάβει πολύ λίγη προσοχή. Στη παρούσα μελέτη, επιδιώξαμε να διερευνήσουμε παράγοντες και μηχανισμούς που ρυθμίζουν τα επίπεδα της εξωκυττάριας α-συνουκλεΐνης αξιοποιώντας μια σειρά ενζυμικών, βιοχημικών και πρωτεομικών προσεγγίσεων. Ως πηγή εξωκυττάριας α-συνουκλεΐνης χρησιμοποιήσαμε το θρεπτικό μέσο επαγόμενων SH-SY5Y κυττάρων που υπερεκφράζουν και εκκρίνουν την πρωτεΐνη αυτή σε φυσιολογικές συγκεντρώσεις. Χρησιμοποιώντας την καλλικρεΐνη 6, ένα εξωκυττάριο ένζυμο που είναι γνωστό ότι πρωτεολύει την ανασυνδυασμένη α-συνουκλεΐνη, δείξαμε για πρώτη φορά, ότι σε αντίθεση με τις ανασυνδυασμένες μορφές, οι φυσικά εκκρινόμενες μορφές της α-συνουκλεΐνης (αγρίου τύπου & A53T) είναι ανθεκτικές σε απευθείας πρωτεόλυση από το ένζυμο αυτό. Αυτή η διαφορική επιδεκτικότητα φαίνεται να οφείλεται, εν μέρει, στη μη ομοιοπολική σύνδεση της εκκρινόμενης α-συνουκλεΐνης με λιπίδια. Στην συνέχεια, δείξαμε ότι η εκκρινόμενη α-συνουκλεΐνη μπορεί να πρωτεολυθεί από την καλλικρεΐνη 6 εμμέσως και συγκεκριμένα μέσω της ενεργοποίησης μιας εκκρινόμενης μεταλλοπρωτεάσης, υποδηλώνοντας τη συμμετοχή ενός πρωτεολυτικού μονοπατιού στον καταβολισμό της εκκρινόμενης α-συνουκλεΐνης. Τα αποτελέσματά αυτά, υποδηλώνουν ξεκάθαρα ότι οι φυσιολογικές τροποποιήσεις της εκκρινόμενης α-συνουκλεΐνης επηρεάζουν την βιοχημική συμπεριφορά της και παρέχουν νέες γνώσεις για μηχανισμούς και πιθανούς στόχους για θεραπευτικές παρεμβάσεις.