Identification of natural compounds targeting Parkin for neuroprotection in Parkinson’s disease model

Abstract

Parkinson’s disease (PD) is characterized by progressive degeneration of dopaminergic neurons in substantia nigra, which play essential role in regulation of motor activity. Along with dopamine-based therapies that provide symptomatic relief for PD patients, there has been growing interest in disease-modifying strategies that suppress or delay the degeneration of dopaminergic neurons. In this study, I screened PD-preventing natural compounds that promote the expression of Parkin through a high-throughput luciferase-based assay. I discovered four novel compounds inducing the expression of Parkin protein with activation of CREB, but not ATF4 signaling. While these compounds inhibited cellular death in SH- SY5Y cells under 6-hydroxydopamine (6-OHDA) treatment, notably, demethylzeylasteral (T-96) restored the expression of Parkin, which was suppressed by 6-OHDA treatment, in a Parkin-dependent manner, as the effect was abolished in the absence of Parkin. AIMP2, a neurotoxic protein and known substrate of Parkin, has been reported to show increased expression under 6-OHDA exposure and oxidative stress. However, in our study, we observed a distinct expression of AIMP2 that differs from previously reported findings. The AIMP2 expression was markedly decreased, especially in the soluble fraction, whereas a high-molecular-weight species of AIMP2 accumulated exclusively in the insoluble fraction following 6-OHDA treatment. T-96 treatment effectively suppressed this accumulation. Furthermore, pretreatment with T-96 ameliorated the degeneration of dopaminergic neurons in a 6-OHDA mouse model. Taken together, this study suggests that pharmacological induction of Parkin through natural compounds, such as T-96, may provide a promising therapeutic intervention for PD.|파킨슨병(Parkinson’s disease, PD)은 운동 조절에 필수적인 역할을 하는 흑질(substantia nigra)의 도파민성 신경세포가 점차적으로 퇴행하는 질환이다. 도파민 기반의 치료법이 PD 환자의 증상 완화에 도움을 주는 가운데, 최근에는 도파민성 신경세포의 퇴행을 억제하거나 지연시키기 위한 질병 조절 전략(disease-modifying strategies)에 대한 관심이 높아지고 있다. 본 연구에서는 루시퍼레이스 기반 고속대량 분석법(High-throughput luciferase-based assay)을 통해 파킨(Parkin)의 발현을 유도하는 파킨슨병 예방 천연화합물을 탐색하였다. 그 결과 ATF 신호는 활성화시키지 않고 CREB 신호 경로 활성화를 통해 파킨 단백질의 발현을 유도하는 네 가지 신규 화합물을 발견하였다. 이러한 화합물은 6-하이드록시도파민(6-OHDA) 처리하에서 SH-SY5Y 세포사멸으 억제하였으며, 특히 demethylzeylasteral (T-96)은 6-OHDA 처리에 의해 억제된 파킨의 발현을 회복시켰다. 이 효과는 파킨이 존재하지 않는 경우에는 소실되어 파킨에 의존적인 효과임을 나타내었다. AIMP2 는 파킨(Parkin)의 기질로 알려진 신경독성 단백질로, 기존의 선행연구들에서는 6-OHDA처리 및 산화적 스트레스 조건에서 AIMP2 의 발현이 증가하는 것으로 보고된 바 있다. 그러나 본 연구에서는 이와는 상이한 형태의 AIMP2 발현 양상이 관찰되었다. 6-OHDA 처리에 의해 AIMP2 의 발현은 전체적으로 감소하였으며, 특히 용해성 분획에서 현저한 감소를 보였다. 반면, 고분자량(high-molecular-weight) 형태의 AIMP2 는 불용성 분획에서 특이적으로 축적되는 양상을 나타냈다. 이러한 비정상적인 축적은 T-96 처리에 의해 효과적으로 억제되었다. 뿐만 아니라, 6-OHDA 마우스 모델에서 T-96 투여는 도파민성 신경세포의 퇴행을 완화시켰다. 종합하면, 본 연구는 T-96 과 같은 천연화합물을 통한 파킨을 약리학적으로 발현 유도하는 것이 파킨슨병 치료에 있어 유망한 치료 전략이 될 수 있음을 보여준다.