Nuovo ruolo di PINK1, mutata nella malattia di Parkinson a trasmissione autosomica recessiva, nel pathway metabolico della biosintesi di serina

The interest of the scientific community towards PINK1 (PTEN-induced kinase 1) has been steadily growing in the last decades since 2004, when it was discovered as one of the main causative genes of autosomal recessive Parkinson’s disease (PD). PINK1 encodes a serine/threonine mitochondrial kinase, which plays a crucial role in the protection from oxidative stress, mitochondrial damage and cell death through mechanisms such as mitophagy, regulation of calcium homeostasis and phosphorylation of anti-apoptotic proteins. Several unexpected functions of this protein have been recently reported beyond neuroprotection in biochemical pathways involved in viral infection, inflammation, and, mostly, cancer. The aim of my work was to investigate the novel hypothesis that PINK1 may counteract oxidative stress and contribute to neuroprotection by regulating the metabolism of the amino acid L-serine, involved in the antioxidant activity and in the regulation of synaptic plasticity. The rationale behind this hypothesis was based on some recent findings: cellular and animal models lacking functional PINK1 are compatible with a scenario of L-serine depletion, as they show increased oxidative stress, impaired dopamine release and synaptic functioning; loss of DJ-1, another protein mutated in Parkinson’s disease, counteracts oxidative stress by modulating L-serine biosynthesis, although the underlying mechanisms of this modulation are unknown; a preliminary study, performed on a cohort of advanced PD patients, showed that D-serine (racemic form of L-serine) adjuvant treatment alleviates behavioral as well as motor symptoms in Parkinson’s disease; finally, compounds like D-serine, which allosterically modulate NMDAR-mediated neurotransmission as full agonists, have been found to alleviate PD symptoms by enhancing dopamine release and synthesis within the striatum. In order to validate the hypothesis of the crosstalk between PINK1 and serine metabolism, transgenic cell lines lacking functional PINK1 have been generated and characterized. These cell lines were an essential tool to verify whether the absence of PINK1 modified the response of serine biosynthesis to starvation of serine and glycine and whether it affected the redox state of the cells, after selective starvation.

L’interesse della comunità scientifica nei confronti di PINK1 è cresciuto esponenzialmente negli ultimi decenni a partire dal 2004, quando fu identificato come uno dei principali geni causativi della malattia di Parkinson a trasmissione autosomica recessiva. PINK1 codifica per una chinasi mitocondriale, che svolge un ruolo cruciale nella protezione contro lo stress ossidativo, il danno mitocondriale e la morte cellulare attraverso meccanismi come la mitofagia, la regolazione dell’omeostasi del calcio e la fosforilazione di proteine anti-apoptotiche. Recentemente, nuove funzioni di questa proteina sono state identificate, come il suo coinvolgimento in pathways biochimici legati ad infezioni virali, stati infiammatori e, soprattutto, cancro. L’obiettivo della mai tesi è stato quello di studiare l’ipotesi innovativa che PINK1 possa combattere lo stress ossidativo e contribuire alla neuroprotezione attraverso la regolazione del metabolismo dell’amino acido L-serina. Alla base di questa ipotesi ci sono recenti scoperte: modelli animali e cellulari, in cui è assente PINK1, sono compatibili con uno scenario di deprivazione di L-serina e mostrano stress ossidativo e alterazioni nel rilascio di dopamina e funzionamento sinaptico; in assenza di DJ-1, un’altra proteina mutata nella malattia di Parkinson, la modulazione della biosintesi di L-serina ha un ruolo fondamentale nel combattere lo stress ossidativo, anche se i meccanismi molecolari di questa modulazione non sono ancora stati elucidati; uno studio preliminare, svolto su un gruppo di pazienti affetti da Parkinson in stadio avanzato, ha mostrato che la somministrazione di D-serina (forma racemica della L-serina) allevia sintomi motori e comportamentali tipici della malattia; infine, alcuni studi hanno dimostrato che composti chimici come la D-serina, che agiscono come agonisti nella neurotrasmissione mediata da recettori NMDA, alleviano sintomi tipici del Parkinson e portano ad un aumento nel rilascio di dopamina. Nel tentativo di validare l’ipotesi di un crosstalk tra PINK1 ed il metabolismo della serina, sono state generate e caratterizzate linee cellulari transgeniche, prive di PINK1. Queste linee cellulari sono state uno strumento essenziale per verificare se l’assenza di PINK1 potesse avere un effetto sulla risposta della biosintesi di serina e sullo stato redox delle cellule, in seguito ad una deprivazione selettiva degli amino acidi L-serina e glicina.