A parkin 465 aminosavas E3 ubikvitin-ligáz, amelyet a PRKN, más néven PARK2 gén kódol. A parkin az ubikvitinációban – a fehérjéket kovalensen ubikvitinnel megjelölő, majd a proteaszóma vagy lizoszóma felé küldő folyamatban – alapvető. Az ubikvitináció 3 enzim egymást követő hatásából áll: először egy E1 ubikvitinaktivátor az inaktív Ub-hez köt tioészterkötéssel, és ATP-dependens folyamatban aktiválja. Ezután az Ub E2 ubikvitinkonjugátorhoz kerül, mielőtt a célfehérjére kerül E3 ubikvitin-ligáz által. Számos E3 ligáz ismert, melyek szerkezetben és szubsztrátban térnek el a fehérjék szelektív célzására sejtbeli bontáshoz.
A parkin a mitokondriumok külső membránján lévő fehérjékei ismeri fel sejtkárosodáskor, és a sérült mitokondriumokat autofágia és proteaszómás mechanizmusok útján távolítja el. A parkin a sejtek túlélését mitokondriumfüggő és -független apoptózis gátlásával egyaránt növeli. Mutációi mitokondriális diszfunkcióval függnek össze, amely neuronhalált okoz Parkinson-kórban, hibás metabolizmust tumorigenezis esetén. Szerkezet A parkin pontos funkciója ismeretlen, azonban a fehérje egy többfehérjés E3 ubikvitinligáz-komplex része, amely az ubikvitin-proteaszóma rendszer tagja, mely a fehérjék lebontásra való célzását okozza. A gén mutációi familiális Parkinson-kórt – autoszomális recesszív juvenilis Parkinson-kórt (AR-JP) okoznak. Ezenkívül a parkin alapvető fontosságú a mitofágia (mitokondriális autofágia) terén is.
Azonban az, hogy a parkin inaktivációja hogy okozza a dopaminerg sejtek halálát, ismeretlen. Egy jelentős hipotézis szerint a parkin segíti egyes, a dopaminerg neuronok számára mérgező fehérjék lebontását. A parkin lehetséges szubsztrátjai közé tartozik a szinfilin-1, a CDC-rel1, a ciklin E, a p38-tRNS-szintáz, a Pael-R, a szinaptotagmin XI, az sp22 és maga a parkin is. Ezenkívül a parkin rendelkezik olyan C-terminális motívummal, amely a PDZ doménhez köt. A parkin PDZ-dependensen tud így kötni az e domént tartalmazó CASK-hoz és PICK1-hez is. bélyegkép|A: A parkin doménjeinek sematikus ábrája. B: A parkin autoinhibeált állapotának rajza, ahol a RING2 domén katalitikus ciszteinjét a RING0 blokkolj, az Ubl és REP-kötő az E2-t gátolják a RING1-kötésben. A RING0, a RING1, az IBR és a RING2 mind 2 iont koordinálnak (hozzávetőleges hely szürkével) szerkezeti stabilitáshoz.
A RING-közi RING E3-ligáz-család (RBR) többi tagjához hasonlóan a parkin 2 RING ujjdoménnel és RING-közi (IBR) szakasszal rendelkezik. A RING1 domén alkotja az E2 ubikvitinkonjugáló enzim kötőhelyét, míg a RING2 része az ubikvitint az E2-ről leválasztó és az E3-hoz tioészterkötéssel ideiglenesen kötő katalitikus cisztein (C431). Az Ub-transzfert segítik a környező hisztidin (H433), mely a C431-ről protonálódik aktivációkor és a glutaminsav (Glu444), mely az autoubikvitinációban érintett. Ezek együtt alkotják a katalitikus triádot, melynek összeállítása szükséges a parkinaktivációhoz. A parkin tartalmaz továbbá N-terminális Ub-szerű (Ubl) domént specifikus szubsztrátfelismeréshez, egy egyedi RING0 domént és egy represszorszakaszt (REP), mely tonikusan gátolja a ligázaktivitást.
Nyugalomban a szorosan tekercselt parkin inaktív, mivel a RING2 ciszteinjéhez a hozzáférést a RING0 sztérikusan gátolja, míg a RING1 E2-kötő doménjét az Ubl és a REP fedik. Aktiváló stimulusok hatására e kölcsönhatások megszűnnek, és a parkin a RING1–RING0 felület mentén összeomlik. A RING2 aktív helye az E2–Ub határ felé tolódik a RING1-ben, könnyítve az Ub-tioészter köztitermék keletkezését. A parkinaktiváció az Ubl szerinjének foszforilációját igényli a PINK1 szerin–treonin-kináz által. A töltött foszfát destabilizálja az Ubl és a környező szakaszok közti hidrofób kölcsönhatásokat, csökkentve ez N-terminális domén autoinhibíciós hatását. Az S65A misszenz mutáció meg tudja szüntetni az Ub–parkin kötést, de gátolja a parkin aktiválását sérült mitokondriumoknál. A PINK1 az ubikvitint is foszforilálja az S65-nél, könnyítve annak leválasztását az E2-ről, és növelve a parkinhoz való affinitását.
Bár a foszforilációt követő szerkezeti változások ismeretlenek, a parkin kristályosítása kimutatott egy lizin és arginin által alkotott kationos zsebet (K161, R163, K211), mely lehetséges foszfátkötő helyet alkot. Mivel a RING0 csak a parkinra jellemző, és hidrofób felülete a RING1-gyel az inaktív parkinban fedi a 431. ciszteint, a foszforilált Ub vagy Ubl célzása e kötőhelyre fontos lehet az autoinhibíciós komplexek lebontásában aktiváció során. Funkció Mitofágia A parkin alapvető a mitofágiában és a reaktív oxigénszármazékok eltávolításában. A mitofágia a sérült mitokondriumok eltávolítása autofagoszóma révén, és a parkin és a PINK1 szinergiáját tartalmazó pozitív visszacsatolástól függ. Súlyos sejtkárosodás esetén a mitokondriális membránpotenciál gátolja a PINK1 mitokondriális mátrixba kerülését, ami a külső mitokondriális membránon való felhalmozódását okozza. A parkin a mitokondriumokban depolarizáció és a PINK1 általi foszforiláció után aktiválódik, amely egyúttal foszforilálja a mitokondriális membránfehérjékhez kötött Ub-t. A PINK1 és az Ub-foszforiláció könnyítik a parkin aktivációját és a mono- és poliubikvitin-láncok összeállítását. E láncok PINK1-hez való közelsége miatt az Ub további foszforilációja az S65-ön gyakori, könnyítve a parkin mobilizációját és a szubsztrát ubikvitinációját önmegerősítő körben.
A parkin szubsztrátjai közé tartozik a mitofuzin 1 és mitofuzin 2, amelyek nagy GTPázok, melyek a mitokondriumok egyesülését segítik dinamikus csőszerű komplexekké, melyek maximalizálják az oxidatív foszforiláció hatékonyságát. Azonban mitokondriális károsodás esetén e fehérjék bontása szükséges a hálózatról mitokondriális hasadással való leválasztáshoz és az egészséges mitokondriumok károsításának elkerüléséhez. A parkin ezért szükséges a mitofágiához, mivel ubikvitinálja az MFN1-et és MFN2-t, proteaszomális bontásra jelölve ezeket. Proteomikai tanulmányok további külső mitokondriális membránfehérjéket azonosítottak szubsztrátként, például a FIS hasadásfehérjét, adaptorát, a TBC1D15-öt és a TOMM20 és TOMM70 transzlokázokat, melyek könnyítik a PINK1-hez hasonló fehérjék mitokondriumon való mozgását. A Miro (vagy RHOT1/RHOT2) az axonális transzportban fontos külső mitokondriális membránfehérje, és ubikvitinálhatja és proteaszomális bontásra jelölheti a parkin. A Miro lebontása csökkenti a sérült mitokondriumok axonközi átvitelét egerek hippokampuszában, megerősítve a parkin fontosságát a sérült mitokondriumok működőktől való elkülönítését és a mitokondriális diszfunkció térbeli korlátozását mitofágia előtt.
Mitofágia során a parkin a VDAC1-et – egy feszültségvezérelt anioncsatornát, mely a mitokondriális membrán depolarizációjakor konformációváltozáson megy át, citoszolikus domént felfedve ubikvitinációhoz – is jelöl. A VDAC1-expresszió megszüntetése HeLa sejtekben csökkentette a parkin depolarizált mitokondriumokhoz kerülését és azok eltávolítását, kiemelve a VDAC1 alapvető szerepét a mitokondriális károsodás szelektív markereként és a mitofágia elindítójaként. Ub-konjugáció után a parkin autofágiareceptorokat – például p62-t, TAX1BP1-et vagy CALCOCO2-t – aktivál, könnyítve az autofagoszómák összeállását, melyek lebonthatják a hibás mitokondriumokat. Sejtek életben tartása Az NF-κB-jelzőút aktiválásával a parkin növeli a sejtek túlélőképességét, és gátolja stresszindukált apoptózisukat. Károsodás esetén a parkin aktiválja a LURAC E3-ligáz katalitikus HOIP doménjét. Ez lineáris Ub-polimereket állít össze az NF-κB esszenciális modulátorán (NEMO), növelve az OPA1 mitokondriális GTPáz transzkripcióját. A megnövekedett OPA1-transzláció fenntartja a mitokondrium belső szerkezetét, és csökkenti a citokróm c-felszabadítást, gátolva a kaszpázmediált apoptózist. A parkin a HOIP-ot nagyobb potenciállal aktiválja más LUBAC-asszociált faktoroknál, például a HOIL–1-nél vagy a sharpinnál, vagyis a parkin aktivációja növeli a közepes stresszorokkal szembeni toleranciát.
A parkin ezenkívül DNS-kötő affinitással is rendelkezi, és dózisfüggően csökkenti a p53 szintjét. A p53 promoter rövidített parkinváltozatokkal SH-SY5Y neuronokba való transzfekciója alapján a parkin közvetlenül köt a p53 promoterhez RING1 doménjén keresztül. Emellett a parkin a p53 transzkripciós célpontja is lehet H460 tüdősejtekben, ahol a p53 tumorszupresszor funkcióját biztosítja. A mitokondriális homeosztázisan való szerepe mellett a parkin segíti a p53-at a mitokondriális sejtlégzés fenntartásában a glükózfelvétel és tejsavtermelés korlátozása mellett, gátolva a tumorigenezis során fellépő Warburg-hatást. A parkin növeli a citoszolikus glutationszintet, és véd az oxidatív stresszel szemben, így fontos tumorszupresszor antiglikolitikus és antioxidáns hatással. Klinikai jelentőség Parkinson-kór A PARK2 () a parkin génje, mely az autoszomális recesszív juvenilis Parkinson-kór egy változatát okozhatja () a parkin mutációja miatt. E gén mutációja a juvenilis Parkinson-kór egyik leggyakoribb oka lehet. Egy 40 éves kor előtt jelentkező Parkinson-kórt mutató betegek körében végzett tanulmány résztvevőinek 18%-ában volt parkinmutáció, ebből 5% homozigóta. A családban korábban előfordult autoszomális recesszív parkinsonizmus kockázati tényező, ha a megjelenéskor az életkor 20 év alatti (80%, szemben a 40 év feletti megjelenési kor esetén mért 28%-kal).
A parkinmutációs betegek nem mutatnak Lewy-testeket. E betegek a sporadikus Parkinson-kórhoz hasonló szindrómát mutatnak, de tünetei fiatalabb korban jelentkeznek. Emberben a PARK2 gén funkcióvesztéses mutációja az öröklött Parkinson-kór 50%-ában, a juvenilis Parkinson-kór 15%-ában mutatható ki. Bár a PD általában késői megjelenésű neurodegeneratív betegség, melyet α-szinukleinben gazdag Lewy-testek jellemeznek, az autoszomális recesszív parkinmutáció miatti PD általában korán jelenik meg, és nem jellemzik a sporadikus PD patognómonjai, az ubikvitinált fehérjelerakódások. A parkinmutáns PD a noradrenerg neuronok elvesztését is érintheti a locus coeruleusban a dopaminerg neuronok degenerációja mellett a substantia nigra pars compactában (SNpc). Azonban tünetei az idiopátiás PD-éhez hasonlítanak, jellemzői tremor, instabil tartás és bradykinesia.
Bár a mitokondriumok számos eukarióta sejtben alapvetőek az ATP-termeléshez, a katekolaminerg neuronok különösen igénylik a dopamin anyagcseréje során keletkező reaktív oxigénszármazékok eltávolításához és a katekolamin-termelés magas energiaszükségletének biztosításához. Hajlamuk az oxidatív károsodásra és a metabolikus stresszre sérülékennyé teszi a neurotoxicitásra, melyet a nem megfelelő mitokondriálisaktivitás-szabáyzás okozhat, amely bekövetkezhet genetikai és idiopátiás PD esetén egyaránt. Például a megnövekedett oxidatív stressz a neuronokban, a vázizmokban és a trombocitákban az elektrontranszportlánc I. komplexének csökkent aktivitásával együtt ismert PD-ben, az mtDNS deléciói megtalálhatók a feketeállományban.
A mitokondriális minőség-ellenőrzésben játszott alapvető szerepének megfelelően több mint 120 PD-okozó parkinmutáció ismert. Egyes ilyen mutációk lehetnek örökletesek, és szerkezeti instabilitást, csökkent katalitikus hatékonyságot és hibás szubsztrátkötést és ubikvitinációt okoznak. 3 csoportba sorolhatók e mutációk: a RING és IBR szakaszok Zn-kötő aminosavjai mutációja csökkentheti a szerkezeti integritást és a katalízist, egy másik osztály, ahová a T240R is tartozik, az E2-kötő hely aminosavjait érintik, és befolyásolhatják a RING1 autoinhibícióját, a C431F és G430D gátolják a katalitikus hely ligázaktivitását, csökkentve a parkin funkcióját.