Amüloidogeensete valkude diagnostiline potentsiaal, 1. osa

Abstraktne:

Neurodegeneratiivsed häired on väga levinud haiguste klass, mille patoloogilised mehhanismid algavad enne selgete sümptomite ilmnemist. See asjaolu on ajendanud teadlasi otsima biomarkereid, mis võiksid aidata varakult ravida.

Nendel praegu ravimatutel patoloogiatel on närvisüsteemis kõrvalekalduvad agregaadid, mida nimetatakse amüloidideks ja mis koosnevad spetsiifilistest valkudest.

Selles ülevaates arutame, kuidas neid valke, nende konformatsioone ja modifikatsioone saaks diagnostilistel eesmärkidel biomarkeritena kasutada.

Valk on üks olulisi aineid hea tervise säilitamiseks ja sellel on oluline mõju ka mälule. Valk koosneb aminohapetest, mis on ajurakkude ja neurotransmitterite tooraineks. Seetõttu on valkude tarbimine tihedalt seotud mäluga.

Esiteks on valk organismile kudede ehitamiseks ja parandamiseks hädavajalik aine. Ajurakud on rikkad ensüümide ja reguleerivate ainete poolest, mille normaalseks toimimiseks on vaja valku. Liiga madal valgusisaldus kehas põhjustab ajurakkude normaalset toimimist, mõjutades seega mälu. Seetõttu mängib piisava valgu tarbimise säilitamine aju arengus ja mälu säilitamises olulist rolli.

Teiseks on valkudel ajurakkude aktiivsust suurendav toime. Inimkeha vajab suurel hulgal aju neurotransmittereid, et säilitada selliste funktsioonide nagu mõtlemine, mälu ja käitumine normaalset toimimist. Aju neurotransmitterid sünteesitakse organismis aminohapetest ja nende aminohapete allikaks on valk. Seetõttu võib kvaliteetse valgurikka toidu valimine suurendada aju neurotransmitterite sünteesi, suurendades seeläbi ajurakkude aktiivsust ja aidates parandada mälu.

Lisaks aitab valk säilitada ka organismi stabiilsust ja ennetada veresuhkru kõikumist. Madal veresuhkru tase võib põhjustada selliseid sümptomeid nagu tähelepanematus, pearinglus ja keha väsimus, mis sageli mõjutavad mälu jõudlust. Säilitades mõõdukat valgutarbimist, saab tõhusalt vältida veresuhkru kõikumisi, mis aitab säilitada keha stabiilsust ja parandada mälu.

Lühidalt öeldes on valk tihedalt seotud mäluga. Mõõdukas valgu tarbimine võib säilitada keha stabiilsust, tõsta ajurakkude aktiivsust ja seeläbi parandada mälu. Peaksime püüdma süüa rohkem kvaliteetseid valgurikkaid toite, nagu kala, liha, oad ja piimatooted, ning vältima valgu täielikku eemaldamist toidust. See aitab meil püsida tervena, parandada mälu ja nautida paremat elu. On näha, et me peame oma mälu parandama ja Cistanche võib oluliselt parandada mälu, sest Cistanche on traditsiooniline Hiina meditsiin, millel on palju ainulaadseid toimeid, millest üks on mälu parandamine. Cistanche'i efektiivsus tuleneb selles sisalduvatest erinevatest toimeainetest, sealhulgas parkhape, polüsahhariidid, flavonoidglükosiidid jne, mis võivad aju tervist mitmel viisil edendada.

Klõpsake nuppu Tea 10 viisi mälu parandamiseks

Keskendume valkudele, mida seostatakse kõige levinumate neurodegeneratiivsete häiretega, sealhulgas Alzheimeri ja Parkinsoni tõve, amüotroofse lateraalskleroosi ja frontotemporaalse dementsusega.

Kirjeldame ka praegusi avastamise väljakutseid, uusimaid diagnostilise potentsiaaliga tehnikaid ja diagnoosimise võimalikke tulevasi arenguid.

Märksõnad: neurodegeneratiivsed haigused; biomarker; amüloid; oligomeer; translatsioonijärgne modifikatsioon.

1. Vajadus neurodegeneratsiooni uudsete diagnostiliste lähenemisviiside järele

Neurodegeneratiivsed haigused on surmavad ja ravimatud häired, mida iseloomustab närvisüsteemi teatud piirkondade neuronite progresseeruv kadu. Need on väga heterogeenne patoloogiate rühm, mille hulka kuuluvad Alzheimeri tõbi (AD), Parkinsoni tõbi (PD), frontotemporaalne dementsus (FTD) ja amüotroofne lateraalskleroos (ALS).

Praegu kannatab maailmas rohkem kui 50 miljonit inimest erinevate neurodegeneratsiooni vormide all [1]. Neurodegeneratiivsete haiguste kliiniline kulg kestab tavaliselt mitu aastat ja põhjustab sõltuvalt konkreetsest patoloogiast erineval määral progresseeruvat mälu-, tunnetus- ja liikumispuudulikkust [2]. . Olemasolevad uimastiravid keskenduvad nende sümptomite leevendamisele [3].

Lisaks peetakse neuropsühholoogilist hindamist endiselt dementsusega seotud neurodegeneratsiooni diagnoosimisel otsustavaks [4]. Kuid haiguse peamised molekulaarsed mehhanismid ilmnevad enne oluliste sümptomite ilmnemist.

Täpsete diagnostiliste lähenemisviiside väljatöötamine hõlbustaks õigeaegseid terapeutilisi sekkumisi neuronaalse füsioloogia taastamiseks enne pöördumatute kahjustuste tekkimist.

Samuti soodustaks see uute ravimite loomist ja olemasolevate ümberhindamist, mis võiksid olla tõhusamad, kui neid manustada varasematel etappidel. Hoolimata tungivast vajadusest neurodegeneratsiooni diagnostiliste lähenemisviiside järele, on nende väljatöötamine endiselt hirmutav väljakutse, kuna aju on piiratud ligipääsetavusega füüsiliseks läbivaatuseks ja kognitiivsetel võimetel põhinevate kliiniliste testide keerukus [2].

Hiljutised tehnoloogilised edusammud on võimaldanud iseloomustada närvisüsteemis ja teistes kehapiirkondades uusi radu, biomolekule ja struktuure, mida saaks kasutada neurodegeneratsiooni haigusmarkeritena [5,6].

Kuigi erinevatel neurodegeneratiivsetel haigustel on mõned erinevad fenotüübid, on neil ka mõned võtmemolekulaarsed tunnused. Täpsemalt, paljude selliste häirete puhul läbivad spetsiifilised valgud ja peptiidid, mis tavaliselt oleksid lahustuvad, isekoosnemisprotsessi, mis viib suurte fibrillaarsete agregaatide moodustumiseni, mida nimetatakse amüloidideks [7,8].

See protsess hõlmab ka väiksemate oligomeersete vaheühendite teket, mis on väga toksilised ja mida praegu peetakse haiguse mehhanismide peamiseks osalejaks [8]. Amüloidi agregatsioon on seotud ka teiste agregatsiooniprotsessidega, näiteks kondensaatide moodustumisega [9]. Need ei ole aga käesoleva ülevaate keskmes.

Siin kirjeldame mõningaid tuntumaid amüloidogeenseid valke ja nende diagnostilist tähtsust.

Keskendume AD puhul amüloid-beetale (A) ja tau-le, PD puhul -sünukleiinile (-syn), mis on sulandatud sarkoomi (FUS) korral, ning TAR DNA-d siduvale valgule 43 (TDP-43) ALS ja FTD puhul. Samuti arutame nende valkude agregatsiooni jälgimiseks avastamismeetodite kaasaegseid edusamme.

2. Amüloidi agregatsioon kui potentsiaalne biomarkerite allikas

Amüloidid on riststruktuuriga rikastatud lahustumatud fibrillaarsed agregaadid ja nende teket on in vitro põhjalikult iseloomustatud [7,8].

Amüloidi agregatsioon koosneb tuuma moodustumise sündmuste keerulisest võrgustikust. Algselt interakteeruvad lahustuvad monomeersed valgud ja moodustavad primaarse tuumastamise teel oligomeere. Primaarse tuuma moodustumise võib vallandada ka teiste biomolekulide, näiteks teiste valkude [10], nukleiinhapete [11, 12] ja membraanide [13] olemasolu.

Seejärel muunduvad oligomeerid kõrgemat järku agregaatideks ja lõpuks amüloidfibrillideks. Kui fibrillide kriitiline kontsentratsioon on moodustunud, katalüüsib nende fibrillide pind täiendavate oligomeeride moodustumist sekundaarse tuuma moodustumise teel [7, 8]. Fibrillid pikenevad ka otstesse monomeeride lisamisel ja killustuvad [7,8]. Amüloidfibrillid on tänu oma rikkalikule ristsisule [8,14–16] äärmiselt stabiilsed valguliigid.

Vastupidi, oligomeerid muutuvad kiiresti kõrgema järgu amüloidagregaatideks (joonis 1). Oligomeeride mööduv olemus muudab nende isoleerimise ja iseloomustamise struktuuritasandil keeruliseks.

Alles hiljuti on tänu uutele lähenemisviisidele, nagu ühemolekuliline fluorestsents ja elektronmikroskoopia [14, 17, 18], näidatud, et oligomeerid on oma füsiokeemiliste omaduste ja struktuuride poolest väga heterogeensed ning erineva sekundaarstruktuuri sisaldusega [16, 19, 20]. .

Oligomeerid on toksilised paljude mehhanismide, sealhulgas ebanormaalsete hüdrofoobsete interaktsioonide tõttu. On näidatud, et kudedes ja isoleeritud rakkudes võivad oligomeerid mõjutada membraani läbilaskvust ja ioonide homöostaasi ning kutsuda esile oksüdatiivset stressi [16, 21–23].

Oligomeeride poolt indutseeritud vabad radikaalid võivad seejärel vallandada valkude valesti voltimise, mitokondriaalse düsfunktsiooni ja lõpuks apoptoosi [24]. A ja -syn oligomeere on seostatud ka neuropõletiku [22] ja sünapsi kadumisega [25, 26].

Amüloidfibrillide ja oligomeeride moodustumist võivad mõjutada mitmed tegurid. Nende hulka kuuluvad geneetilised mutatsioonid, rakuline stress ja spetsiifiliste biomolekulide olemasolu või puudumine.

Lisaks muudetakse amüloide ulatuslikult translatsioonijärgselt in vivo [27–29] ja translatsioonijärgsed modifikatsioonid (PTM) muudavad oluliselt amüloidfibrillide moodustumist ja toksilisust in vitro [27–31].

3. Neurodegeneratsioonis osalevad amüloidogeensed valgud

Neurodegeneratsiooni kontekstis võib haigusmarkerid jagada neuropsühholoogilisteks, neuroimaging-, geneetilisteks, c- ja biokeemilisteks markeriteks [2]. Eelkõige on biokeemilised markerid (või biomarkerid) meie kehas mõõdetavad molekulid (nt valgud, nukleiinhapped, metaboliidid), mis annavad teada haiguse staadiumist [32].

Amüloidogeensed valgud on paljulubavad biomarkerid, kuna need annavad teavet närvisüsteemi düsfunktsiooni biokeemilise profiili kohta [2]. Allpool tõstame esile asjakohased amüloidogeensed valgud ja nende patoloogilised modifikatsioonid, mis võivad olla neurodegeneratiivsete seisundite biomarkeriteks.

3.1. A ja Tau AD

AD on dementsuse kõige levinum vorm. AD aju iseloomulikud kahjustused on ekstratsellulaarsed seniilsed naastud, mis koosnevad A amüloidi agregaatidest ja intratsellulaarsetest neurofibrillaarsetest puntratest (NFT), mis on moodustatud hüperfosforüülitud tau (p-tau) valgu paaritud spiraalsetest amüloidfilamentidest (PHF) [2, 27].

A on lühike peptiid, mis tekib suurema transmembraanse prekursori, mida nimetatakse amüloidi prekursorvalguks (APP), lõhustamisel - ja -sekretaaside järjestikuse lõhustamise teel ja vabaneb rakuvälisesse ruumi [2,33].

See protsess võib tekitada erineva pikkusega isovorme (tabel 1), millel on AD kontekstis erinev toksilisuse määr [34]. Kõige levinumad A isovormid on 40- ja 42-jääkide longonid, mida üldiselt nimetatakse vastavalt A 40 ja A 42. A 40 on naastudes kõige rikkalikum variant (~ 80% kuni 90%) ja see esineb ka tervete inimeste ajus.

A 42-l on palju suurem kalduvus agregeeruda ja A 42/A 40 suhte suurenemist seostatakse AD ja muude dementsuse vormidega [30, 34] (tabel 2). Lisaks lõhustumisele on AD-ga seostatud geneetilisi mutatsioone (A692G, E693Q APP geenis [35, 36], tabel 2) ja paljusid teisi A PTM-e, sealhulgas oksüdatsiooni, fosforüülimist, glükosüülimist ja isomerisatsiooni [30].

Uuringud näitavad atsetüülimise (nt Lys16 ja Lys28), fosforüülimise (nt Ser8 ja Ser26), nitreerimise (nt Tyr10), püroglutamaadi (nt Glu3 ja Glu11), isomerisatsiooni (nt Asp1 ja Asp7) ja ratsemiseerumise (nt. , Asp1, Asp23 ja Ser26) haiguse kontekstis [30, 37–39] (tabel 1).

Väärib märkimist, et kognitiivne langus korreleerub pigem A lahustuvate vahevormidega kui amüloidi ladestumise määraga [16]. Tau on peamine mikrotuubulitega seotud valk, mis stabiliseerib mikrotuubulite inneuroneid [2,40]. Inimese ajus eksisteerib tau kuue erineva isovormina, mis kannavad kas kolme või nelja mikrotuubulit siduvat kordust (R). Neid isovorme nimetatakse vastavalt 3R ja 4R.

On leitud, et kas 3R või 4R või mõlema 3R ja 4R amüloidide esinemine on haigusspetsiifiline. Näiteks AD, ALS, FT, D ja parkinsonismi korral esinevad nii 3R kui ka 4R amüloidid, samas kui kortikobasaalsete degeneratsioonide ja Picki tõve korral leitakse ainult vastavalt 4R ja 3R amüloide [41,42]. Tau läbib PTM-e, eriti fosforüülimist [40].

Patoloogiline hüperfosforüülimine vähendab tau afiinsust mikrotuubulite suhtes ja põhjustab nende eraldumist mikrotuubulitest, mille tulemuseks on PHF-ide ja NFT-de moodustumine [2].

Praeguseks on tuvastatud 85 tau potentsiaalset fosforüülimissaiti [40]. Lisaks näitasid molekulaar- ja rakuuuringud, et atsetüülimine (nt Lys174, Lys274 ja Lys280), oksüdatsioon (nt Cys322), nitreerimine (nt Tyr29), glükeerimine (nt Lys87, Lys132 ja Lys150), kärbimine (nt Asp13 ja Asp421 ja Glu391) ja ubikvitinatsioon (nt Lys48 ja Lys63) mõjutavad ka tau agregatsiooni [27] (tabel 1).

3.2. -Sünd PD-s

Erinevalt AD-st mõjutab PD peamiselt motoorset süsteemi, põhjustades värinaid, jäikust, bradükineesiat ja asendi ebastabiilsust [2]. PD patoloogiline tunnus on tsütoplasmaatiliste amüloidi inklusioonide esinemine, mida tuntakse Lewy kehadena (LB) ja Lewy neuriitidena (LN). LB-d ja LN-d koosnevad amüloidi agregaatidest, mille põhikomponent on -syn [43].

-Syn sisaldab 140 jääki positiivselt laetud N-terminaalse piirkonnaga, agregatsioonile kalduva mitteamüloidkomponendi (NAC) keskpiirkonnaga n, n ja negatiivselt laetud C-terminaalse piirkonnaga [44,45].

Duplikatsioonid või triplikatsioonid -syn kromosoomi piirkonnas (4q21-23) ja mutatsioonid, sealhulgas A53T, G51D, H50Q, E46K ja A30P -syn järjestuses, mis on seotud varajase algusega PD-ga [46–48] (tabel 2 ). -Syn kuulub valgu perekonda, mis sisaldab ka - ja -sünukleiine 55–62% sarnasusega. -Sünukleiinil on vähenenud kalduvus agregeeruda ja on avastatud, et see pärsib -syn kui loodusliku inhibiitori agregatsiooni, samas kui oksüdeeritud -sünukleiin võib algatada -syn agregatsiooni [49,50].

On teada, et mitmed PTM-id mõjutavad -syn agregatsiooni, on seotud PD-ga [28,] ja omavad diagnostilist potentsiaali [51] (tabel 1).

Nende hulka kuuluvad N-terminaalne atsetüülimine, mitmed kärped N-otsas (nt -syn7-140, 14-140, 40-140 ja 72–140, mis leiti in vitro, 5–140 ja 68 –140 leitud in vivo ja mitu mõlemas) ja C-otsas (nt -syn1-115, 1-119, 1-122, 1-124, 1-125, {{ 19}}, 1-133 ja 1-135), Ser87 ja Ser129 fosforüülimine, Met1, Met5, Met116 ja Met127 oksüdatsioon, Lys96 ja Lys102 sumoleerimine, Tyr39, Tyr125 ja Tyr133 nitreerimine ja Lyubiquitination , Lys10, Lys12 Lys21, Lys23, Lys43 ja Lys96 [28,52,53] (tabel 1).

3.3. TDP-43 ja FUS ALS-is ja FTD-s

ALS ja FTD on neurodegeneratiivsed haigused, mille mehhanismid kattuvad. ALS mõjutab ülemisi ja alumisi neuroneid, põhjustades lihaste kontrolli kaotuse. FTD on dementsuse vorm, mis on seotud eesmise ja eesmise oimusagara degeneratsiooniga [54].

Ligikaudu 97% ALS-i ja 45% FTD juhtudest on seotud ubikvitineeritud, hüperfosforüülitud ja C-terminaalselt kärbitud TDP-43 agregaatide esinemisega neuronite ja gliiarakkude tsütoplasmas [29].

TDP-43 on 414 jäägi pikkune ribonukleoproteiin, mis on võimeline patoloogilistes tingimustes moodustama in vitro amüloiditaolisi agregaate ja kondensaate (st stressigraanuleid) [9]. See koosneb tuuma lokaliseerimise signaaliga N-terminaalsest traktist, kahest RNA äratundmismotiivist, tuuma ekspordisignaalist ja korrastamata C-terminaalsest piirkonnast [29].

On teatatud, et kõik need piirkonnad mängivad valgu agregatsioonis olulist rolli [55–57]. Mitmed TDP-43 mutatsioonid on tuvastatud nii sporaadiliste kui perekondlike ALS-i ja FTD juhtude puhul, sealhulgas G294A, Q331K, M337V [58] ja K181E [59] (tabel 2). Nagu A ja -syn puhul, mängivad ka TDP{11}} PTM-id valgu liitmisel ja haiguse progresseerumisel võtmerolli.

Väärib märkimist, et kärbitud 25 kDa ja 35 kDa C-otsa fragmente leidub tavaliselt ALS-i patsientide patoloogilistes agregaatides [29, 31, 54]. Ubikvitineerimine on ka TDP-43 lisamise tüüpiline modifikatsioon [31]. Lõpuks seostatakse TDP-43 ebanormaalset fosforüülimist, atsetüülimist ja oksüdatsiooni sageli valgu vale lokaliseerimise ja aberrantse agregatsiooniga [29] (tabel 1).

ALS ja FTD on seotud ka teise RNA/DNA-d siduva valguga FUS. FUS on 526 jäägi pikkune valk, mis on valmistatud N-terminaalse transkriptsiooni aktiveerimisdomeeni ja C-terminaalse domeeni poolt, mis interakteerub transkriptsioonifaktoritega ja sisaldab ka tuumalokalisatsiooni signaali [60, 61].

Mõlemad domeenid sisaldavad madala keerukusega piirkondi ja mängivad rolli kondensaatide ja hüdrogeelide moodustumisel [62]. ALS/FTD juhtudel on teatatud enam kui 50 FUS-i mutatsioonist (nt R521C, R521H [63]).

Erinevalt TDP-st-43 on FUS üldiselt täispika valguna agregaatides [61]. Fosforüülimine toimub FUS-i prioonilaadsetes domeenides ja on näidatud, et see mõjutab selle faaside eraldumist ja agregatsioonimustrit, samas kui selle C-terminaldomeeni mutatsioonid ja PTM-id (peamiselt metüülimine ja fosforüülimine) reguleerivad selle tuuma/tsütoplasma lokaliseerimist [61, 64].

Vaatamata FUS-i selgele patoloogilisele rollile seostatakse ALS/FTD fenotüüpe harvemini FUS-ga kui TDP{0}} düsfunktsioonidega [61,65]. Seega jääb FUS-i roll biomarkerina kindlaks määrata.

4. Amüloidogeensete valkude geneetiliste, struktuuriliste ja keemiliste omaduste diagnostiline potentsiaal

Amüloidogeensete valkude inbioloogiliste proovide kvantifitseerimiseks ja nende valkude ja neurodegeneratiivsete haiguste vahelise seose määramiseks on kasutatud mitmeid tuvastamismeetodeid.

Mõned neist strateegiatest on suunatud amüloidogeensete valkude ekspressioonitasemete/kontsentratsiooni muutuste kvantifitseerimisele, sõltumata nende konformatsioonist või modifikatsioonist (tabel 2). Mõned teised lähenemisviisid keskenduvad selle asemel amüloidogeensete valkude spetsiifiliste struktuursete (nt agregeeritud olekute) või keemiliste (st PTM) omaduste uurimisele (tabel 1).

Kõik need lähenemisviisid analüüsivad keha erinevaid piirkondi. Meetodid, nagu aspositron-emissioontomograafia (PET), võivad sondeerida valke otse kesknärvisüsteemis (KNS), näiteks ajus [2, 44, 66].

Amüloidogeenseid valke saab aga tuvastada ka teistes paremini ligipääsetavates kehapiirkondades. Selles jaotises käsitleme leide, mis on saadud nii ajukudede kui ka ligipääsetavate kehavedelike analüüsil, kasutades peamiselt immuunanalüüse, nagu immunoblotanalüüs ja ensüümiga seotud immunosorbentanalüüsid (ELISA).

Vaatlusalused vedelikud hõlmavad tserebrospinaalvedelikku (CSF), mis on otseses kontaktis aju ekstratsellulaarse osaga ja on sellisena optimaalne vedelik aju metabolismi mõõtmiseks [44].

For more information:1950477648nn@gmail.com