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帕金森病（Parkinson's Disease, PD）是一种常见的神经退行性疾病，患者大脑中的多巴胺能神经元会逐渐丧失，并出现运动障碍、震颤和肌肉僵硬等症状。根据今年2月《英国医学杂志》（The BMJ）杂志上的一项研究，到2050年全球帕金森病患者数量可达到约2500万人，相较于2021年增长112%。因此，当下亟待研发出有效治疗帕金森病的新策略。
20多年前，科学家在探索帕金森病发生机制时发现了一个特殊的基因PINK1，PINK1基因突变导致的功能异常与早发性帕金森病发生密切相关。功能上来看，PINK1蛋白专门负责监测线粒体的健康状态。在线粒体运作正常时，PINK1会进入线粒体内部并迅速降解。然而，当线粒体受损时，PINK1会积累在线粒体外膜上，激活另一种名为Parkin的蛋白来启动自噬机制，清除受损的线粒体。但目前，PINK1如何在受损线粒体上稳定并激活，仍是一个未解之谜。
图片来源：123RF
在最新的《科学》杂志上，来自澳大利亚WEHI研究所的研究团队借助冷冻电镜技术，首次解析了人类PINK1蛋白在线粒体外膜上的关键相互作用结构，他们发现了两个关键分子TOM复合体与VDAC蛋白对PINK1发挥正常功能至关重要。当PINK1出现帕金森病相关突变时，分子间的相互作用会被破坏，PINK1也无法正常激活自噬程序。这会导致损伤线粒体无法及时清除，促进了神经元的死亡。
根据论文，TOM复合体是线粒体的外膜移位酶，同时也是重要的蛋白质通道，负责将大约1500种蛋白质从细胞质导入线粒体。VDAC则主要负责调控线粒体与细胞质之间的代谢物交换。
在健康状态下，PINK1也是通过TOM复合体进入线粒体内膜并被切割和分解。而在线粒体受损、去极化时，PINK1不会进入线粒体内部，而是被留在表面来激活线粒体自噬。
研究人员通过冷冻电镜发现，PINK1以二聚体（dimer）的形式存在，其两部分对称地位于VDAC2蛋白上方，这种二聚体结构可以通过一系列氢键和二硫键进行稳定。而TOM复合体则围绕对称排列，PINK1的C端与TOM20亚基结合，而N端则进入TOM40亚基通道，随后在TOM7和TOM22两个亚基的引导下穿过线粒体外膜。
▲PINK1结构示意图（图片来源：参考资料[1]）
总的来说，VDAC2蛋白在整个复合体中起到“支架”作用，稳定了PINK1和TOM复合体的排列。TOM复合体则扮演着“引路者”的角色，介导PINK1穿过线粒体外膜。
基于这些发现，新研究也解答了为何PINK1突变与帕金森病发生有关。结构模型显示，PINK1蛋白有两个重要的氨基酸残基Cys166和Cys125，它们所形成的二硫键是维持复合体三维结构的关键，有助于保持PINK1的稳定性和活性。
而过往已经有研究发现帕金森病患者PINK1基因会出现Cys125突变，这会造成潜在的负面后果，包括影响PINK1二聚化，PINK1无法正常进入线粒体内膜以及无法启动自噬机制。
如果受损的线粒体没有及时被清除，则会持续增加神经元的氧化应激，损伤神经元功能。其中多巴胺能神经元对线粒体障碍格外敏感，这类神经元的损伤是帕金森病的重要致病因素。
研究者指出，这是帕金森病研究的一个重要里程碑，人类首次了解了PINK1与线粒体结合的细节。他们希望在未来可以找到一些针对PINK1的潜在药物，来阻止PINK1突变导致的帕金森病发展，帮助治愈这类将困扰数千万人的神经疾病。
参考资料：
[1] Callegari, S., et al. (2025). Structure of human PINK1 at a mitochondrial TOM-VDAC array. Science, 10.1126/science.a4u6445.
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