Synaptojanin1（SJ1），也稱為PARK20，是一種磷酸肌醇磷酸酶，集中在與內吞膜運輸有關的突觸中。之前的研究顯示，SJ1在Sac肌醇磷酸酶結構域中的失活突變（R258Q）可導致早發性帕金森氏病。有趣的是，通過全基因組關聯分析發現 Sac2/INPP5F基因（另一種包含Sac結構域的蛋白質，主要起PI4P 4-磷酸酶的作用）被認為是PD的危險基因。同時，Sac2通過與Rab5的相互作用參與了內吞途徑，並且像SJ1一樣主要表達在神經系統中。
因此，作者提出了如下假設：SJ1和Sac2的Sac結構域可能在突觸內吞途徑中具有一些重疊的功能。Sac2的缺失與SJ1的突變具有協同作用，引起突觸內吞流的減少，Sac2可以作為PD的潛在風險基因。
近日，Pietro De Camilli課題組在PNAS上發文發現SJ1和Sac2具有協同作用，其功能障礙導致帕金森病（PD），對假設進行了進一步闡明。
Pietro De Camilli教授現為耶魯大學講席教授，耶魯大學醫學院神經科學系主任，Kavli神經科學研究所所長。De Camilli教授包攬了美國科學院（National Academy of Sciences）、藝術與科學院（AmericanAcademy of Arts & Sciences）和醫學院（Institute of Medicine）三院院士。
Pietro De Camilli實驗室致力於研究神經元突觸的細胞生物學機制，對突觸囊泡動力學的研究為胞吐和內吞作用的研究做出了突出貢獻。他發現並描述了磷脂醯肌醇代謝在控制細胞內吞中的作用，在磷脂信號傳導和膜運輸領域具有廣泛的意義。
1，SJ1和Sac2突變對小鼠存活的影響
儘管Sac2敲除（Sac2KO）小鼠沒有明顯的病理神經表型，同時SJ突變敲入（SJ1 RQKI）小鼠雖然有神經功能損傷，但仍然有約60%的小鼠可以成年。但是Sac2 KO和SJ1 RQ KI交配得到的子代大多數在出生後24小時內死亡，少數存活了幾天，其餘的則在3周內斷奶之前死亡。利用含有GFP-Sac2的慢病毒感染培養的野生型小鼠海馬神經元，發現GFP-Sac2在整個神經元（包括軸突和軸突末端）中具有彌散和廣泛的分布，這與SJ的表達分布相似。這些結果增加了作者對Sac2與SJ1可能具有某些重疊功能可能性的猜測。
2，缺失Sac2可增強SJRQ KI神經元軸突末端內吞因子的積累
作者之前的研究曾報導過SJ1RQ KI小鼠在大腦的各個區域中都出現了非常強的內吞因子過度積累的現象。因此培養了WT，Sac2 KO，SJ1RQKI和Sac2 KO/SJ1RQ KI小鼠的皮層神經元進行了類似的分析。但是在Sac2 KO神經元的突觸末端沒有觀察到這樣的積累或聚類。而在Sac2 KO/SJ1 RQKI神經元中，兩性纖維蛋白2，網格蛋白輕鏈（CLC），生長素和SJ1自身的積累比SJ1 RQ KI神經元明顯更強，從而證實了這兩個突變的協同效應（圖1）。通過分別對vGAT和vGlut1進行免疫螢光檢測，發現在雙突變小鼠皮層神經元中抑制性突觸比興奮性突觸在突觸前內吞因子的積累更為明顯。
圖1 Sac2的缺失增強了SJ1RQ KI突觸中的內吞因子的異常積累
3，VC軸突末端內吞因子的積累與異常囊泡中間體的積累相關
接下來，作者進行了光學和電子顯微鏡（CLEM）檢測，以確定內吞蛋白的聚集是否對應於內吞囊泡中間體的積累。使用SNAP標記CLC，然後將SNAP-CLC陽性區域進行處理以進行epon包埋，切片和電子顯微鏡（EM）分析。EM觀察表明，Sac2 KO/SJ1RQ KI雙突變小鼠軸突末端的SNAP-CLC螢光所顯示的位置存在大量囊泡和突觸。但是，這些囊泡的積累明顯不同於野生型突觸的真正突觸小泡簇，這些囊泡之間的間隔較大，同時基質更為緻密（圖2）。
圖2. Sac2 KO/SJ1RQ KI雙突變突觸前末端的小囊泡異常積累
4，Sac2的缺乏會加速SJ1RQ KI神經元神經退行性病變的發生
作者檢測SJ1RQ KI小鼠腦中與PD相關的E3泛素連接酶Parkin的表達，發現在3.5月齡時觀察到Parkin的表達的增加，而在2.5 月齡時卻沒有顯著的變化。但是，對2周齡的Sac2 KO/SJ1RQ KI雙突變小鼠相對於WT，SJ1RQ KI或Sac2 KO小鼠，Parkin的表達顯著增加。同時，在培養三周的Sac2 KO/SJ1RQ KI雙突變海馬神經元中也發現類似結果（圖3）。
作者之前的研究通過標記酪氨酸羥化酶（TH）和多巴胺質膜轉運蛋白（DAT）發現在1月齡的SJ1RQ KI小鼠的紋狀體神經元軸突末端出現了年齡依賴的營養障礙性病變。在本研究中，作者在出生後15和19天的兩隻Sac2 KO/SJ1RQKI小鼠的背側紋狀體中同樣檢測到TH和DAT陽性的稀疏營養障礙軸突末端，表明軸突營養障礙的早期發生（圖3）。
圖3. Sac2的缺失加速了SJ1RQ KI神經元中神經變性表型的發生
5，總結及展望
在本研究中作者揭示了兩種含Sac磷酸酶結構域蛋白SJ1和Sac2的功能喪失或突變具有協同作用。雖然在SJ1的Sac結構域失活突變（SJRQKI）小鼠具有類PD的神經系統缺陷，但通常可以存活到成年，但是大多數具有SJ1和Sac2這兩種突變的小鼠都具有嚴重的神經系統缺陷並在圍產期死亡。缺失Sac2會增強SJRQ KI神經元的突觸前缺陷，加速了Parkin異常積聚並提前了背側紋狀體中營養缺陷性多巴胺能軸突出現的時間。這些結果表明兩種蛋白質的Sac磷酸酶結構域具有至少部分重疊的功能，同時Sac2的基因是PD的風險基因。
此外，作者猜測也有其他機制將SJ1功能與PD聯繫起來。例如，內啡肽負責將SJ1募集到內吞位點並與Parkin結合，內啡肽的缺失會導致parkin水平升高。實際上，內啡肽和SJ1都被parkin泛素化，並且內啡肽A1基因本身已被確定為PD的風險基因。另一方面，PD相關蛋白LRRK2（PARK8）使SJ1，內啡肽和生長素磷酸化。因此，進一步闡明這些管家蛋白的突變如何影響PD相關神經元的功能將促進我們對PD機制的理解。
參考文獻：
Cao, M., et al. (2020). Absence of Sac2/INPP5F enhancesthe phenotype of a Parkinson's disease mutation of synaptojanin 1. Proc NatlAcad Sci U S A.
Cao, M., etal. (2017). Parkinson Sac Domain Mutation in Synaptojanin 1 Impairs ClathrinUncoating at Synapses and Triggers Dystrophic Changes in Dopaminergic Axons.Neuron 93, 882.
編譯作者：胖兔子可可 (Brainnews創作團隊)
校審：Victoria, Simon (Brainnews編輯部)