Mesenchymal stem cells modulate alpha-synuclein clearance through selective ER (endoplasmic reticulum) phagy in Parkinson’s disease

Abstract

Parkinson’s disease (PD), a neurodegenerative disease, is pathologically characterized by dopaminergic neuron loss in the substantia nigra (SN) and the presence of cytoplasmic aggregation of alpha-synuclein (αSyn). In PD environment, αSyn accumulates in various organelles including endoplasmic reticulum (ER), which would trigger ER stress and dysfunction. When ER stress is induced, ER is selectively degraded through ER phagy to protect cells from excessive ER stress. Thus, enhancing ER phagy to eleminate αSyn accumulated in the ER and relieve ER stress could be a novel strategy for PD treatment. Here, we evaluated whether mesenchymal stem cells (MSCs) would modulate ER phagy in cellular and animal models of PD using over expression of αSyn in the ER. In a cellular model, co-culture with MSCs promoted ER-αSyn clearance through selective ER phagy as well as recovered cell viability. We identified that MSCs promoted FAM134B-meidated ER phagy via regulating transcription factor of nuclear receptor subfamily 4 group A member 1 (NR4A1). In animal model using adeno-associated virus vectors to overexpress αSyn in the ER (AAV-ER-αSyn), injection of MSCs decreased the expression of αSyn in the ER with dereased ER stress markers, which led to attenuated dopaminergic neuron loss in SN and denervation in striatum. As a result, treatment of MSCs counteracted motor deficits observed in AAV-ER-αSyn animals. In addition, treatment of MSCs increased the expression of FAM134B and NR4A1 in AAV-ER-αSyn animals. These data suggest that MSCs modulate FAM134B-mediated ER phagy to attenuate ER-accumulated αSyn in PD cellular and animal models, which could be a promising therapeutic strategy for PD. 파킨슨병(Parkinson’s disease, PD)은 이상 운동 장애를 수반하는 퇴행성 뇌 질환으로, 병리적으로는 중뇌의 흑질 부위의 도파민성 신경세포의 사멸과 루이소체의 발현이 특징이다. 루이소체의 주된 구성 성분으로 보고된 알파시누클레인의 축적 및 응집은 파킨슨병의 병인에 핵심적인 역할을 담당한다. 응집 형태의 알파시누클레인은 여러 세포 소기관의 내부에 축적되어 기능 이상을 유발하고, 특히 소포체 내부의 축적은 다른 여러 세포 소기관 신호전달 제어능을 억제하여, 소포체 스트레스를 유발함으로써 세포사멸을 촉진한다. 파킨슨병에서 알파시누클레인이 소포체에 축적되고, 축적 알파시누클레인은 소포체 스트레스를 유발한다고 보고되었다. 소포체 스트레스를 감소시키고 항상성을 유지하는 방법으로 ER phagy가 제시되었으며, ER phagy를 통해 소포체 축적 알파시누클레인을 제거하고 소포체 스트레스를 완화하는 것이 파킨슨병의 치료에 있어서 새로운 전략이 될 수 있을 것으로 보여진다. 본 연구에서는, 중간엽 줄기세포가 소포체 축적 알파시누클레인 파킨슨 모델에서 ER phagy를 증강시켜 알파시누클레인 해소 및 작용 기전을 규명하여 새로운 치료 전략으로서의 가능성을 제시하고자 한다. 파킨슨 세포 모델에서, 중간엽 줄기세포의 공배양은 ER phagy를 통한 알파시누클레인 제거 촉진 및 세포 보호 효과를 보였고, 해당 과정은 FAM134B라는 ER phagy 수용체를 매개로 한 것임을 확인하였다. 바이러스를 이용한 파킨슨 동물 모델에서는 중간엽 줄기세포를 투여하였을 때 ER phagy를 통해 알파시누클레인이 제거됐을 뿐만 아니라, 흑질에서의 도파민성 세포와 선조체에서의 신경 손상 또한 회복된 것을 확인하였다. 이에 따른 이상 운동 장애 또한 유의미하게 개선된 것을 관찰하였다. 추가적으로, 중간엽 줄기세포가 FAM134B의 전사인자 중 하나인 NR4A1을 증강시키는 기전을 통해 ER phagy를 유도한다는 것을 규명하였다. ER phagy는 자가포식의 일종으로 소포체 내의 독성단백질을 분해하는 기전이나, 단백질의 응집 및 축적을 특징으로 하는 퇴행성 질환에서 연구는 아직 미흡한 상황이다. 이에 본 연구는 ER phagy를 통한 알파 시누클레인의 조절 기전을 확인하고 중간엽 줄기세포의 ER phagy 증강 효과 및 기전을 규명하여 파킨슨병의 새로운 치료 전략으로서의 가능성을 제시하고자 한다.