Makroautofagia ja mitofagia neurodegeneratiivsete häirete korral: keskenduge terapeutilistele sekkumistele, 1. osa

Abstraktne:

Makroautofagia, kvaliteedikontrolli mehhanism, on evolutsiooniliselt konserveerunud valguagregaatide, patogeenide ja kahjustatud organellide lüsosomaalse lagunemise rada.

Valk on üks inimkehale vajalikest toitainetest. See pole mitte ainult oluline keha koostise allikas, vaid ka tihedalt seotud aju arengu ja kognitiivsete võimetega. Valk mängib ajus väga olulist rolli. See mitte ainult ei aita luua ja säilitada ajurakke, vaid aitab kaasa ka aju õppimis- ja mäluprotsessile.

Valk on ajurakkude üks olulisi komponente. See võib aidata kaasa rakkude kasvule ja paranemisele, soodustada neuronite vahelist ühendust ja suhtlust ning seeläbi aidata inimestel mälu tugevdada. Lisaks võib valk toota ka mõningaid olulisi aineid, näiteks neurotransmittereid, mis mängivad rolli ajus info edastamisel ja aitavad parandada ajufunktsiooni.

Toidu seisukohast on valgurikkad toidud liha, kala, munad, oad jne. Kui inimesed tarbivad piisavalt valku, saavad nad ajule piisavamad toitained, soodustades seeläbi aju normaalset arengut ja parandades kognitiivseid võimeid. ning aidata inimestel õppida ja paremini meeles pidada.

Samal ajal peavad inimesed oma rolli täielikuks täitmiseks kontrollima ka oma toitumise tasakaalu, tarbima rohkem puu- ja köögivilju, vältima rasva- ja soolarikka toidu liigset tarbimist ning säilitama head eluharjumused ja mentaliteet. , et maksimeerida valgu funktsiooni ajus.

Seetõttu võime järeldada, et valk on tihedalt seotud mäluga. Rikkaliku valgu tarbimine ei ole kasulik mitte ainult füüsilisele tervisele, vaid võib aidata inimestel paremini õppida ja paremini meeles pidada, lisades meie elule palju värvi. On näha, et peame mälu parandama. Cistanche võib märkimisväärselt parandada mälu, kuna Cistanche'il on antioksüdantne, põletikuvastane ja vananemisvastane toime, mis võib aidata vähendada oksüdatsiooni ja põletikulisi reaktsioone ajus, kaitstes seeläbi närvisüsteemi tervist. Lisaks võib Cistanche soodustada ka närvirakkude kasvu ja paranemist, parandades seeläbi närvivõrkude ühenduvust ja funktsiooni. Need mõjud võivad aidata parandada mälu, õppimisvõimet ja mõtlemiskiirust ning võivad samuti ära hoida kognitiivse düsfunktsiooni ja neurodegeneratiivsete haiguste teket.

Klõpsake teada, kuidas ajufunktsiooni parandada

Oma elutähtsa homöostaatilise rolli osana seostatakse makroautofagia dereguleerimist mitmesuguste inimese häiretega, sealhulgas neurodegeneratiivsete haigustega. On mitmeid tõendeid, mis seostavad valgu väärvoltimist ja mitokondriaalset düsfunktsiooni Alzheimeri, Parkinsoni ja Huntingtoni tõve etioloogiaga.

Makroautofaagiat on seostatud erinevate valguagregaatide, nagu A, tau, alfa-sünukleiini (-syn) ja mutantse huntingtiini (mHtt) lagunemisega ja düsfunktsionaalsete mitokondrite kliirensiga.

Neid arvesse võttes võib autofagia sihtimine olla tõhus terapeutiline strateegia valguagregaatide kõrvaldamiseks ja mitokondriaalse funktsiooni parandamiseks nendes häiretes.

Käesolev ülevaade kirjeldab meie praegust arusaama makroautofagia rollist neurodegeneratiivsetes häiretes ja keskendub selle terapeutilise moduleerimise võimalikele strateegiatele.

Märksõnad: neurodegeneratiivsed häired; autofagia; mitofagia mitokondriaalne düsfunktsioon; mutantsed valgud; terapeutilised strateegiad.

1. Autofagia ülevaade

Autofagia on oluline rakusisene iselagunev protsess, mis säilitab rakusisest homöostaasi toksiliste makromolekulide ja kahjustatud organellide lagunemise ja ringlussevõtu kaudu [1].

Suur osa praegustest teadmistest autofagia kohta avastati pärmimudelis või polariseerimata rakkudes [2]. See protsess toimub peaaegu kõigis imetajarakkudes baastasemel ja seda saab stimuleerida vastusena nälgimisele, pakkudes rakule ehitusplokke uute valkude ja lipiidide jaoks. Autofagia mängib olulist rolli valguagregaatide ja patogeenide kliirensis ning põletiku ja immuunsuse reguleerimises [3,4].

Nendel põhjustel on autofagia dereguleerimine seotud mitmete patoloogiliste seisunditega, sealhulgas neurodegeneratiivsete häiretega. Autofagia omab neuronites kriitilist rolli, kuna need rakud on valesti volditud valkude kogunemise suhtes väga tundlikud.

Neuronid toetuvad metaboolsete vajadustega toimetulekuks anterograadsele ja retrograadsele transpordile ning seega agregaatide moodustumine mitte ainult ei tühista neuronite õiget funktsiooni, vaid häirib ka suhtlemist ümbritseva keskkonnaga.

Seega nõuab autofagia ja neurodegeneratsiooni koosmõju iga protsessiga seotud regulatiivsete radade ja mitmete etappide põhjalikumat mõistmist.

Autofagia võib lüsosoomi lasti kohaletoimetamise järgi jagada kolmeks põhitüübiks: makroautofagia, mikroautofagia ja tšaperooni vahendatud autofagia (CMA). Makroautofagia korral neelab tsütoplasma lasti kasvav topeltmembraaniga vesiikul, mis pärast sulgemist (autofagosoom) sulandub lüsosoomiga lagunemiseks (autolüsosoom) [5].

Protsess on keeruline ja hõlmab spetsiifiliste autofagiaga seotud valkude rühma, mis toimivad kooskõlastatud voolus, ja see võib toimuda juhuslikult (bulkmakroautofagia) või selektiivselt spetsiifiliste adapterite kaudu. Mikroautofagia korral sisestatakse last (peamiselt valgud) otse lüsosoomimembraanide ja endosomaalsete vesiikulite sissetungimise kaudu [6].

CMA on selektiivne protsess, mille käigus tuntakse ära spetsiifilise sihtimismotiiviga (pentapeptiid KFERQ motiiv) valgud tsütosoolse chaperoneheat shock sugulas 70 (Hsc70) ja selle kaaschaperoonide poolt, aidates kaasa lasti translokatsioonile lüsosoomide luumenisse läbi lüsosoomiga seotud membraanivalgu. 2A retseptor (LAMP2A) [7].

CMA on alternatiivne lüsosoomide vahendatud lagunemisrada, mida saab makroautofaagia blokeerimisel ülesreguleerida [8]. Selle ülevaate raames käsitletakse makroautofaagiat ja mitokondrite selektiivset autofagiat, mida nimetatakse mitofagiaks, üksikasjalikumalt ja uuritakse neuronaalse funktsiooni ja neurodegeneratsiooni kontekstis (joonis 1).

1.1. Makroautofagia

Makroautofagia on keeruline ja järjestikune protsess, mis algab autofagosoomi moodustumise ja lasti neelamisega, millele järgneb sulgemine ja küpsemine ning lõpuks sulandumine lüsosoomiga lagunemiseks. Kõik need etapid hõlmavad erinevaid autofagiaga seotud (ATG) valke, mis koordineerivad mehaaniliselt autofagilist voogu mööda autofagosomebiogeneesi ja sulandumist lüsosoomiga [9].

Autofagia algust reguleerib unc{0}}nagu autofagiat aktiveeriva kinaasi 1 (ULK1) fosforüülimise staatus, mida reguleerib rapamütsiini kompleksi 1 (mTORC1) ülesvoolu imetaja sihtmärk [10]. mTORC1 on aktiivne toitaineterikkas osas. tingimustes või kui kasvufaktorid (nt insuliinitaoline kasvufaktor-1, IGF1) stimuleerivad PI3K/Akt rada.

Aktiivne mTORC1 fosforüülib ULK1 ja ATG13, ULK1 initsiatsioonikompleksi komponente (mis koosnevad ka ATG101-st ja FAK perekonna kinaasiga interakteeruvast valgust 200 kDa, FIP200) [11], pärssides autofagiat. Toitainetevaeses tingimustes mTORC1 inaktiveeritakse, hõlbustades ULK1 autofosforüülimist [12].

Veelgi enam, kui raku energeetiline staatus on madal, aktiveerib AMP AMPK, mis omakorda inhibeerib mTORC1 ja fosforüülib ULK1, soodustades autofaagiat [12,13]. Kui ULK1 on aktiveeritud, fosforüülib see ATG13 ja FIP200, aktiveerides seega kogu ULK1 initsiatsioonikompleksi [14].

Pärast ULK1 kompleksi aktiveerimist translokeerub see omegasoomidesse (spetsiifilised piirkonnad endoplasmaatilises retikulumis (ER), käivitades fagofoori membraani kokkupaneku autofagosoomi biogeneesi jaoks [15].

Oomegasoomides soodustab ULK1 III klassi fosfatidüülinositooli 3-kinaasikompleksi (PI3PK, mis koosneb vaakumvalgu sorteerimisest 34, bekliin-1, fosfoinositiidi-3- ATG14 ATG14L ja kinaasi reguleerimise alaühikust) värbamist ja aktiveerimist. Beclin-1 [15,16] fosforüülimise kaudu. PI3PK vastutab fosfatidüülinositool-3 fosfaadi (PI3P) tekke eest fagofoori laienemiseks [17].

Fagofoori tuuma moodustamise membraanide esialgsed allikad on COPII vesiikulid, ATG9 vesiikulite reservuaarid ja ER-omegasoomi membraan ise [18]. ATG9 on transmembraanne glükoproteiin, mis tsirkuleerib trans-Golgi võrgu (TGN) ja endosomaalse süsteemi vahel endosoomide ringlussevõtu kaudu [19] ja värvatakse autofagia induktsioonil omegasoomi, viies seega membraanid tekkivasse fagofoori [20, 21].

Lisaks liigub ATG9 plasmamembraanile ja sealt tagasi, viimane klatriini vahendatud protsessi kaudu [22]. ATG9 kaubitsemine membraanide vahel sõltub ULK1-vahendatud fosforüülimisest basaal- ja autofaagiat indutseerivates tingimustes [23]. Vesiikulite tuuma moodustamises ja laienemises osalemiseks on pakutud ka teisi membraaniallikaid, nagu mitokondrid, Golgi kompleks ja plasmamembraan [24–26].

Spetsiifilised lahustuvad N-etüülmaleimiidi suhtes tundlikud faktorkinnitusvalgu retseptorid (SNARE) ja muud sidumisfaktorid osalevad Golgist pärinevate membraanide, endosoomide või plasmamembraanide liitmises omegasoomi membraaniga [15], säilitades vesiikulite kasvu.

PI3P genereerimine on oluline fagofoori vesiikulite tuuma moodustamiseks, PI3P-d siduvate valkude värbamiseks, mis on seotud fagofoori laienemisega, ning allavoolu ATG valkude kõveruse kujundamiseks ja värbamiseks [27]. PI3P efektorite, nagu WD-kordusdomeeni fosfoinositiidiga interakteeruvad valgud (WIPI) värbamine teogasoomi on autofagosoomi biogeneesi ja autofagilise voo jaoks hädavajalik [27, 28].

Alfy, suur karkass FYVE domeeni sisaldav valk, on PI3P efektor, mis suunab ubikvitineeritud agregaadid autofagosoomi, osaledes seega selektiivses autofaagias [29].

Järgmine samm on mikrotuubulitega seotud valgu 1A/1B-kerge ahela (LC3) värbamine fagofoori, mida abistavad ubikvitiinitaolised konjugatsioonisüsteemid. Esialgu osalevad E1 ubikvitiini ligaas ATG7 ja E2 ubikvitiini ligaas ATG10 ATG12 konjugeerimises ATG5-ga, mis seondub täiendavalt ATG16L1-ga. Kompleks ATG12 – ATG5 – ATG161L on oluline LC3 värbamiseks PI3P-positiivsetele membraanidele [27].

Esiteks lõhustatakse LC3 C-otsas proteolüütiliselt ATG4 proteaasi poolt, moodustades LC3-I, mis omakorda genereerib ATG3 ja ATG7 ning ATG12–ATG5–ATG161L toimel LC3-II. seondumine fosfatidüületanoolamiini (PE) teamiini pearühmaga fagofoori membraanis [30, 31].

Selline LC3 lipidatsioon on oluline fagofoori laienemiseks ja sulgemiseks ning autofagosoomi edasiseks küpsemiseks [32]. Lisaks on lipiiditud LC3 seotud mittespetsiifilise lasti äratundmisega LIR (LC3 interaktsioonipiirkonna) domeeni kaudu selektiivsete adaptervalkude kaudu [33]. Fagofoori laienemine ja pikenemine on halvasti määratletud, kuid WIPI2 koostoime ATG9--rikastatud vesiikulitega on protsessi jaoks hädavajalik [21].

Mitmed tööd näitasid, et autofagosoomi biogeneesi viimastes etappides osalevad täiendavad ATG valgud, kuid nende täpsed rollid pole veel selgelt määratletud. Uuringud näitasid, et LC3 ubikvitiini konjugatsioonisüsteemide defektid kahjustasid autofagosoomi sulgumist [34, 35], kaasates need kompleksid autofagosoomi biogeneesi viimastesse etappidesse.

Autofagosoomi vesiikulite sulgemist vahendab transpordimasinate (ESCRT) jaoks vajalik endosomaalne sorteerimiskompleks [36]. Pärast sulgemist dissotsieerub autofagosoom ER-st ja selle küpsemine toimub interaktsiooni kaudu mitme endotsüütilise vesiikuliga.

Autofagosoomid võivad sulanduda erinevate endolüsosomaalsete osadega, nagu hilised endosoomid (LE) ja multivesikulaarsed kehad (MVB), mis varieerub sõltuvalt rakutüübist ja teatud füsioloogilistest tingimustest [37].

Autofagosoomide liitmine mööduva MVB-ga moodustab vahestruktuuri, mida nimetatakse amfisoomiks, mis sulandub veelgi lüsosoomiga, et laguneda [38]. PI3P defosforüülimine autofagosoomi membraanil müotubulariini valgu perekonna fosfoinositiidi 3- fosfataaside poolt on vajalik enne nende liitumist lüsosoomidega [39].

Autofagosoomid on tsütoplasmas juhuslikult jaotunud, samas kui lateendosoomid ja lüsosoomid paiknevad valdavalt perinukleaarses piirkonnas, aga ka neuronaalsetes aksonites ja dendriitsetes sektsioonides [40]. Autofagosoomid liiguvad mööda mikrotuubuleid lüsosoomide suunas LC3 ja düneiinist sõltuvate mehhanismide abil [41]. Autofagosoomide liitmist lüsosoomidega aitavad erinevad valguperekonnad. RabGTPaasid lokaliseeruvad vesiikulite membraanidel ja värbavad membraani siduvaid valke, mis aitavad SNARE-sid fusioonisündmustes (vaadatud artiklis [42]).

Järjekindlalt põhjustab SNARE-valkude ammendumine autofagosoomide akumuleerumist erinevates rakkudes [43, 44]. Autofagosoomide küpsemist reguleerivate Rab GTPaaside hulgast värvatakse Rab7 autofagosoommembraani ja toimib molekulaarse lülitina, aidates sellel seonduda düneiiniga, hõlbustades seega autofagosoomi ja lüsosoomide transporti perinukleaarsesse piirkonda [45]. Rab7-knockdown-rakkudel on lüsosoomiga autofagosoomi sulandumise selektiivne kahjustus, kuid mitte LE või MVB [45,46].

Lisaks osalevad GABARAPi alamperekonna valgud (LC3 homoloogid) autofagosoomide küpsemises ja nende ammendumine peatab autofagosoomi-lüsosoomi sulandumise [47].

Liitmisel aktiveerib autolüsosomallumeni hapestamine prootonpumba või v-ATPaasi poolt lüsosomaalsed hüdrolüütilised ensüümid [48], mille tulemuseks on lasti lagunemine. Saadud metaboliidid on rakus taaskasutamiseks saadaval või toimivad rakusiseste signaalmolekulidena (joonis 2).

Makroautofagia regulatsiooni oluline punkt on mitmete ATG ja mitte-ATG valkude translatsioonijärgsed modifikatsioonid (vaadatud artiklis [49]). See on oluline, et piirata autofagia laienemist ja vältida tsütoplasmasisalduse kontrollimatut lagunemist, mis kahjustaks rakusisest homöostaasi ja võib viia rakusurma.

1.2. Autofagia funktsioon neuronites

Neuronaalne ellujäämine tugineb nii CMA-le kui ka makroautofagiale, et tasakaalustada valesti volditud valkude ja kahjustatud organellide taset, mida muidu ei saa rakkude jagunemise kaudu lahjendada, ja säilitada rakuprotsesse metaboliitide ringlussevõtu kaudu [50].

Valguagregaatide ebatõhus eemaldamine põhjustab aksonite transpordi blokaadi ja suuri transkriptsioonilisi muutusi; seega on autofagia hädavajalik homöostaasi säilitamiseks kogu neuronaalses rakus (akson, soma ja dendriidid). Sünaptilistes piirkondades on pidev valguvahetus hädavajalik kohalike kõrgete energeetiliste vajaduste rahuldamiseks ning funktsionaalse valgusünteesi ja lagunemistsükli säilitamiseks [51].

See on oluline mitte ainult sünaptilise plastilisuse säilitamiseks [52], vaid ka aksonaalse homöostaasi toetamiseks [53, 54]. Tõepoolest, neuronaalne stimulatsioon reguleerib autofagia taset, samas kui autofagia säilitab sünaptilise funktsiooni nii pre- kui ka postsünaptilistes domeenides [55].

Huvitav on see, et peale autofagia põhimasinate on presünaptilistes piirkondades autofagia jaoks vaja mitmeid närvispetsiifilisi regulaatorvalke: Endophillin-A on endotsüticadaptor, mis genereerib kõveraid membraane ja toimib platvormina autofagiliste valkude värbamiseks, soodustades seega autofagosoomi biogeneesi, ja [56]. sünaptojaniin 1, lipiidfosfataas, mis vahendab sünaptiliste vesiikulite kaubitsemist, on samuti vajalik autofagosomebiogeneesi jaoks [57].

Teisest küljest saab autofagiat negatiivselt reguleerida presünapsist Bassooni, ATG5-ga interakteeruva karkassivalgu kaudu, muutes selle autofagosoomi biogeneesi jaoks kättesaamatuks [58]. Postsünaptilistes piirkondades on autofagia sünaptilise plastilisuse säilitamiseks hädavajalik.

Pikaajalise depressiooni (LTD) korral on autofagia ülioluline -amino-3-hüdroksü-5-metüül-4-isoksasoolpropioonhappe (AMPA) retseptorite kaubitsemise ja eliminatsiooni vahendamisel. Huvitav on see, et N-metüül-D-aspartaadi (NMDA) retseptorite stimuleerimine aktiveerib AMPA retseptorite lagunemise autofagia toimel [59]. Veelgi enam, ajust tuletatud neurotroofne faktor (BDNF) pärsib autofagiat hipokampuse neuronites, hõlbustades hiirtel pikaajalist potentsiaali (LTP) ja mälu püsimist, toetades seega autofagia rolli sünaptilises plastilisuses [60].

Neuronaalne makroautofagia on oluline mehhanism, mis eemaldab vigased intratsellulaarsed materjalid, ja on neuronites äärmiselt tõhus autofagosoomide kiire kliirensiga, kuna pärast lüsosomaliini inhibeerimist koguneb neuronitesse suur hulk autofagosoome [61].

Kesknärvisüsteemi ja ka perifeerse närvisüsteemi (PNS) neuronites algab autofagosoomi biogenees neuriitidest ja sünaptilistest terminaalsetest piirkondadest distalaksonis, mis seejärel transporditakse tagasi rakusomasse, et sulanduda aktiivsete lüsosoomidega [62].

Autofagosoomid läbivad küpsemise, kui nad liiguvad distaalselt (neuriidi otsast) proksimaalselt (raku soma), haarates endasse organellid ja lahustuva lasti ning suurendades luminaalset hapestumist, et lasti tõhusalt laguneda. Somas esineb segapopulatsioon erineva küpsemisolekuga autofagosoome, mis pärinevad distaalsetest piirkondadest või on tekkinud kohapeal [63].

Distaalse päritoluga autofagosoomid jäävad somatodendriitide sektsiooni ja nad ei suuda aksonisse naasta, samas kui somast pärinevad autofagosoomid võivad dendriitide ja soma vahel vabalt liikuda [63].

Normaalsetes tingimustes autofagosoome neuronites peaaegu ei tuvastata, kuna need sulanduvad kiiresti lüsosoomidega, mis näitab, et autofagia on väga tõhus neuronite autofagia esilekutsumisel ja autofagosoomide kliirensil [64].

Distaalsetest aksonitest pärinevad autofagosoomid sisaldavad tsütoplasmaatilist sisu ja vähemalt 10% populatsioonist sisaldab mitokondrite fragmente [62], mis toetab mitokondrite autofagiast sõltuvat lagunemist.

Makroautofagia on oluline neuriitide kujundamiseks selle kasvu ajal ja ka neuralplastilisuse jaoks. Autofagilise tuumavalgu ATG16L1 funktsiooni kadumine on piisav, et esile kutsuda defekte hiire aju moodustumises [65]. Lisaks põhjustab ATG9 närvispetsiifiline deletsioon aksonitraktide puuduliku arengu ja puuduliku neuriitide väljakasvu in vitro [66].

ATG-de ja nendega seotud valkude vähenemine vananemisega [67] viib aga makroautofaagia progresseeruva kahjustuseni, mis tõenäoliselt aitab kaasa mitmete neurodegeneratiivsete haiguste hilisele ilmnemisele.

Autofagosoomide kuhjumine tuleneb nende moodustumise ja lagunemise vahelisest tasakaalustamatusest [68], mida on kirjeldatud Alzheimeri tõve (AD), Parkinsoni tõve (PD) ja Huntingtoni tõve (HD) [69] puhul.

Kuigi autofagiaga seotud geenide geneetilisi mutatsioone ei kirjeldata neurodegeneratiivsete haiguste otseste põhjuslike teguritena, kinnitavad mitmed tõendid, et makroautofagia protsessi ja selle regulatsiooni häired on seotud neurodegeneratsiooniga.

Tõepoolest, autofagilise protsessi düsfunktsioon, nagu autofagosoomi-lüsosoomi fusiooni kahjustus [64], defektne lüsosomaalne hapestumine [70] või defektne autofagosoomitransport [71, 72], põhjustavad mürgiste valguagregaatide ja talitlushäiretega organellide kogunemist, aidates seega kaasa neurodegeneratsioonile.

ATG5, ATG7 või FIP200 geneetiline inaktiveerimine kesknärvisüsteemis põhjustab hiirtel aksonite turset ja neuronite surma, mille tulemuseks on motoorse funktsiooni progresseeruv kahjustus [73–75].

Veelgi enam, ATG5-null hiired surevad ühe päeva jooksul pärast sündi autofagia kahjustusest põhjustatud neuronite kaotuse tõttu [76]. Kuigi mitmed uuringud tõendavad makroautofagia tähtsust neuronite ellujäämise ja funktsioonide jaoks, on selle reguleerimisest neuronites ja glias vähe teada. .

Hälbivate valkude või inklusioonkehade akumuleerumine on hästi kirjeldatud mitmete neurodegeneratiivsete haiguste korral ning autofagilise aktiivsuse muutused võivad mõjutada neuronaalset homöostaasi ja ellujäämist. Autofagia ja regulatsiooni rollide paljastamine neuronaalses ja gliaalfunktsioonis on võtmetähtsusega uudsete terapeutiliste strateegiate järgimisel neuronite düsfunktsiooni ja degeneratsiooni peatamiseks.

For more information:1950477648nn@gmail.com