Makroavtofagija in mitofagija pri nevrodegenerativnih motnjah: poudarek na terapevtskih posegih 2. del

2. Mitofagija

Mitohondriji imajo dvojno membrano, sestavljeno iz notranje mitohondrijske membrane (IMM) in zunanje mitohondrijske membrane (OMM), ločeni z intramembranskim prostorom.

Notranja mitohondrijska membrana je pomembna sestavina celice. Njegova glavna naloga je ustvarjanje energije, ki jo potrebuje celica, in nadzor metabolizma celotne celice. Sodobne biološke raziskave kažejo, da je notranja mitohondrijska membrana tesno povezana tudi s človekovimi kognitivnimi sposobnostmi, predvsem s spominom.

Molekule notranje mitohondrijske membrane vsebujejo tudi nekatere komponente, povezane s kognicijo in živčnim sistemom, kot so membranski proteini in sistemi oksidativne fosforilacije. Te komponente so neposredno vključene v presnovni proces možganskih celic in njihov status aktivnosti bo vplival na normalno delovanje nevronov, s čimer vpliva na človeško spoznanje in spomin.

Poleg tega ima molekula, imenovana mitohondrijski prenašalec v notranji mitohondrijski membrani, tudi pomembno vlogo pri shranjevanju in priklicu spomina. Ta molekula lahko pomaga nevronom prenašati kemične signale med sinapsami in krepi povezljivost sinaps, s čimer doseže dolgoročno shranjevanje in natančen priklic spomina.

Če povzamemo, povezava med notranjo mitohondrijsko membrano ter kognitivnimi sposobnostmi in spominom je že dolgo znanstveno potrjena. Optimiziranje presnovnega stanja notranje mitohondrijske membrane pomaga izboljšati delovno učinkovitost možganov ter izboljša kognitivne in spominske sposobnosti ljudi. Zato lahko spodbujamo zdravje notranje mitohondrijske membrane s pravilno prilagoditvijo prehrane, vadbo in ohranjanjem dobrega odnosa ter s tem izboljšamo svoj spomin in kognitivne sposobnosti. Vidi se, da moramo izboljšati spomin in Cistanche lahko bistveno izboljša spomin, saj lahko uravnava tudi ravnovesje nevrotransmiterjev, kot je povečanje ravni acetilholina in rastnih faktorjev, ki so zelo pomembni za spomin in učenje. Poleg tega lahko Cistanche izboljša pretok krvi in ​​spodbuja dostavo kisika, kar lahko zagotovi, da možgani dobijo dovolj hranil in energije, s čimer se izboljša vitalnost in vzdržljivost možganov.

Kliknite poznajte dodatke za izboljšanje spomina

Ta konfiguracija organelov je bistvenega pomena za vzdrževanje elektrokemičnega gradienta, ki omogoča mitohondrijem, da ustvarijo potrebno količino ATP, ki ga celice uporabijo [77]. Odstranjevanje okvarjenih mitohondrijev je bistven mehanizem za nadzor kakovosti za ohranjanje zdravega bazena mitohondrijev in ohranjanje sposobnega preživetja. mreže v nevronskih celicah [78].

Te celice so bolj občutljive na mitohondrijske okvare zaradi svojih visokih presnovnih zahtev; zato je selektivno odstranjevanje disfunkcionalnih organelov ključnega pomena za zanesljiv nevrotransmisijo.

Mitohondriji, ki so nepopravljivo poškodovani ali postanejo neučinkoviti, se odstranijo z mitofagijo, selektivnim mehanizmom, pri katerem specializirani receptorji prepoznajo okvarjene mitohondrije in posredujejo tovor, ki cilja na avtofagične vezikle [79]. Celice uporabljajo različne metode za recikliranje okvarjenih mitohondrijev, in sicer od ljubikvitina odvisne in neodvisne poti.

Večinoma se nevronske celice zatečejo k mehanizmu, odvisnemu od ubikvitina, ki ga nadzira PTEN-inducirana kinaza 1 (PINK1)/Parkin, da ohranijo aktivno in dinamično skupino mitohondrijev.

PINK1 je amitohondrijski protein, katerega kopičenje v OMM deluje kot senzor za vzdrževanje mitohondrijske funkcije, saj označuje poškodovane mitohondrije za razgradnjo [80].

PINK1 kaže ciljno zaporedje mitohondrijev in se tako sistematično uvaža v IMM s kompleksiranjem s translokazami zunanje membrane 20 in 40 (TOM20 in TOM40) [81], kjer ga cepi intramembranska serinska proteaza, presenilin povezana s romboidom (PARL) [ 82] in se zato vzdržujejo na nizkih ravneh pod fiziološkimi pogoji.

Po določeni poškodbi se molekularne interakcije med TOM20/40 in PINK1 zmanjšajo, PINK1 pa se grozdi v OMM poškodovanih mitohondrijev, kar spodbuja fosforilacijo Parkina in njegovo kasnejše rekrutiranje [83].

Parkin, citosolna E3 ubikvitin ligaza, ubikvitinira nešteto proteinov OMM, ki jih prepoznajo receptorji, kot je p62, imenovan tudi sekvestosom 1 (SQSTM1). p62/SQSTM1 je receptor za vezavo ubikvitina, ki je odgovoren za vožnjo vseprisotnih mitohondrijev na mesto sestavljanja avtofagosoma z interakcijo z LC3/GABARApreceptorji družine ATG8 [84].

Ti receptorji prav tako prepoznajo motive LIR mnogih proteinov OMM za specifično ciljanje poškodovanih mitohondrijev na mestu sestavljanja avtofagosoma [85]. V nevronskih celicah je od ubikvitina neodvisna mitofagija orkestrirana z dvema bifunkcionalnima proteinoma, BCL2 in proteinom 3, ki interagira z adenovirusom E1B 19 kDa. (BNIP3L) in BNIP3-, podobno kot protein X (NIX), je odgovoren tudi za diferenciacijo retinalnih ganglijskih celic (RGC). BNIP3 in NIX vsebujeta domeno BH3 in se večinoma nahajata na OMM.

Ti proteini imajo WXXL podoben motiv z afiniteto za LC3 in njegov homolog GABARAP, ki poganja mitohondrije v avtofagične vezikle. Med nevrogenezo mrežnice pride do presnovnega premika, ki ga spremlja povečanje izražanja obeh proteinov [86].

Aktivnost NIX se lahko posreduje s povečanjem ravni reaktivnih kisikovih vrst (ROS) v več celičnih linijah [87], kar poleg razvojnih funkcij doda novo plast kompleksnosti. Proizvodnja ROS se dejansko poveča kot posledica poškodovanih mitohondrijev [88] in lahko povzroči mitofagijo [88]. NIX lahko uravnava tudi translokacijo Parkina v mitohondrije po depolarizirajočem dražljaju, kot je CCCP [87].

Poleg tega imata BNIP3L in NIX-regulirana mitofagija nevroprotektivne funkcije. V modelu možganske ishemije je bila selektivna razgradnja mitohondrijev, posredovana s temi proteini, ključnega pomena za preživetje in delovanje nevronov [89]. Poleg tega samo prekomerna ekspresija NIX zadostuje za obnovitev mitofagnih defektov, opaženih v celičnih linijah, pridobljenih iz bolnikov s PD [90].

Protein 1, ki vsebuje domeno Fun14 (FUNDC1), je protein OMM, ki sodeluje z LC3 in GABARAP ter posreduje pri mitofagiji v hipoksičnih pogojih. Na homeostatskih ravneh je mitofagija, odvisna od FUNDC1-, potlačena s fosforilacijo, posredovano s kinazo Src, v delu motiva LIR pri Tyr18.

V hipoksičnem stanju zmanjšana aktivnost Src povzroči defosforilacijo FDUNC1 Tyr18, kar olajša njegovo interakcijo z LC3 in kasnejšo mitofagijo [91]. Poleg tega fosforilacija ULK1, ki jo poganja hipoksija, z AMPK pri Ser555 daje prednost translokaciji ULK1 v mitohondrije, kar povečuje aktivnost FUNDC1 [92]. Poleg tega je optineurin (OPTN) citosolni receptor, ki se nahaja na OMM, ki spodbuja mitofagijo prek interakcije z LC3 [93].

Zanimivo je, da je disfunkcija OPTN povezana z nevrodegenerativnimi boleznimi, pa tudi z drugimi patologijami [94]. Na splošno je mitofagija bistveni mehanizem za nadzor kakovosti za vzdrževanje nevronske presnove in homeostaze.

Prenos mitohondrijev znotraj nevronov je odvisen od anterogradnih in retrogradnih gibanj in je bistvenega pomena za izpolnjevanje energijskih in presnovnih potreb vzdolž nevronske strukture. Ta gibanja so bistvena tudi za popravilo in razgradnjo mitohondrijev, pomagajo pa jim transportni adapterski proteini (slika 3).

3. Avtofagija in nevrodegenerativne bolezni

3.1. Alzheimerjeva bolezen

AD je nevrodegenerativna motnja in najpogostejša oblika demence pri starejši populaciji, ki prizadene skoraj 50 milijonov ljudi po vsem svetu [95]. Zgodnji družinski AD (EOAD, fAD) predstavlja manj kot 5 % primerov in se razvije pred 65. letom starosti.

Avtosomno dominantne mutacije v treh genih so bile povezane z EOAD: genom za amiloidni prekurzorski protein (APP) ter genoma za presenilin-1 (PSEN1) in presenilin-2(PSEN2), podenotami kompleksa -sekretaze [ 95]. Najpogostejša oblika pa je sporadična oblika AD s poznim nastopom (LOAD, sAD) s prevalenco nad 95 % in z neznano etiologijo.

Za nevropatologijo AD so značilne progresivne kognitivne okvare in upad spomina, kar je bilo povezano s prisotnostjo zunajceličnega odlaganja amiloidnih plakov (A, agregacija -amiloidnih peptidov) in intranevronskih nevrofibrilarnih pentlj (NFT, agregacija hiperfosforiliranega proteina tau), ki ogrožajo sinaptično celovitost in homeostazo, kar vodi do nepopravljivih poškodb v specifičnih možganskih regijah, kot sta hipokampus in skorja [96].

Peptidi A nastanejo z zaporedno proteolitično obdelavo amiloidnega prekurzorskega proteina (APP) z encimom 1/-sekretazo (BACE1) in -sekretazo, ki cepita APP na mestu po amiloidogeni poti. Cepitev APP z BACE1, katerega aktivnost je povečana v možganih občasnih bolnikov z AD [97], poteka predvsem v endosomih, ki zagotavljajo kislo okolje za optimalno encimsko aktivnost [98].

Znotrajcelični promet z APP poteka po sekretornih in endocitnih poteh. APP se izloča v plazemsko membrano in se nato internalizira z endocitozo, ki jo posreduje klatrin ali kaveolin [99].

V endosomih lahko APP razcepi BACE1, kar povzroči N-terminalni fragment APP (sAPP) in C-terminalni fragment; slednji se lahko dodatno razcepi z -sekretazo, kar povzroči nastanek A in znotrajcelične domene APP. V neamiloidogeni poti APP cepi -sekretaza na sredini domene A, kar preprečuje tvorbo peptidov A.

Cepitev z -sekretazo poteka na različnih položajih C-terminalnega fragmenta, kar ima za posledico tvorbo A peptidov z različnimi dolžinami. Najpogostejša topna peptida, ki nastaneta, sta A 1-38 in A 1-40, sledita ji A 1-42, pri čemer je slednji bolj hidrofoben in bolj nagnjen k tvorbi trimernih in tetramernih oligomerov, zato predstavlja najbolj strupeno izoformo [100].

Oligomerstend tvori A fibrile z nagubanimi lističi, ki se zunajcelično sestavljajo v amiloidne plake [101]. A je bil povezan tudi s hiperfosforilacijo in agregacijo tau, proteina, povezanega z mikrotubulami, ki običajno pomaga pri polimerizaciji in sestavljanju aksonskih mikrotubulov in transportu veziklov.

Status fosforilacije tauisa uravnavajo različne kinaze in fosfataze, ki so modulirane v prisotnosti oligomerov A; na primer glikogen sintaza kinaza -3 (GSK3 ) in protein fosfataza 2A (PP2A) neposredno uravnavata status fosforilacije tau [102]. Hiperfosforilirano stanje tau zavira njegovo povezavo z mikrotubuli, kar vpliva na njegovo stabilizacijo in vodi do razgradnje mreže mikrotubulov [103,104].

Proteolitično cepitev hiperfosforiliranega tau sproži tvorbo tau oligomerov [105], ki so bolj toksični kot agregati, kar vodi do progresivne smrti nevronov [106].

3.1.1. Okvara avtofagije pri AD

Pri AD so poročali o različnih molekularnih patogenih mehanizmih, ki so posledica kopičenja oligomerov A in hiperfosforilacije tau, in sicer mitohondrijske disfunkcije [107, 108] in motenj proteostaznih sistemov, kot sta nezvit proteinski odziv in avtofagija [109].

Čeprav peptidi A kažejo motiv, povezan s KFERQ, ki je pomemben za normalno obdelavo in razgradnjo APP, ti fragmenti niso substrati za razgradnjo CMA [110] in makroavtofagija pomaga pri njihovem očistku [111].

Dejansko ima makroavtofagija pomembno vlogo pri presnovi A, ker je vključena v razgradnjo in očistek APP [112] in njegovih produktov cepitve, vključno z A [113] in APP-CTF (amiloidni prekurzorski protein, odcepljen C-terminalni fragment) [114].

Disfunkcija avtofagije je bila dokazana pri bolnikih z AD in živalskih modelih. V možganih bolnikov z AD so pri distrofičnih nevritih opazili kopičenje nezrelih avtofagičnih veziklov, ki vsebujejo filamentni tau [115].

Te avtofagne vezikle pogosto najdemo v proksimalnih predelih amiloidnih plakov v možganih bolnikov in modelov glodalcev [116]. Zanimivo je, da so kopičenje avtofagosomov opazili tudi v dendritih in somah transgenih mišjih nevronov APP/PS1 še pred pojavom A plakov [117]. Poleg tega so opazili kopičenje nezrelih avtofagnih veziklov pred izgubo nevronov v hipokampusu mišjega modela PS1M146L/APP751SL [118].

Nenormalno kopičenje avtofagosomov v nevronih nakazuje, da okvarjena avtofagno-lizosomska pot prispeva h kopičenju oligomerov A in tau pri AD [117]. APP in PSEN1 se lokalizirata v avtofagosomih; tako je kopičenje teh organelov povezano s povečanjem generacije A, kar posledično moti avtofagosomske membrane [115].

Posledično lahko nezreli avtofagosomi, opisani v možganih AD in transgenih miših APP/PS1, predstavljajo drug vir za generacijo A. Možgani bolnikov s PSEN1-EOAD kažejo lizosomsko okvaro, povezano z amiloidno patologijo in nevrodegeneracijo [119].

Predlagano je bilo, da je kopičenje avtofagosomov lahko posledica okvare fuzije avtofagosomov in lizosomov ali okvarjene prebave lizosomov [120]. Študije so pokazale spremembo začetka avtofagije, zlasti zmanjšanje izražanja Beclin 1 v skorji bolnikov z AD in mišjih modelov [121]. . Povečana aktivnost kaspaze 3 pri bolnikih z AD bi lahko pojasnila čezmerno cepitev Beclin 1 [122].

Genetska redukcija Beclina 1 v transgenskem mišjem modelu AD, ki izraža človeški APP, je povečala kopičenje A, medtem ko je čezmerna ekspresija Beclina 1 bistveno zmanjšala ravni A [113]. Poleg Beclina-1 so bili drugi proteini ATG znižani v starosti odvisen način, kar ima za posledico kopičenje A [123]. ATG7, ključni protein pri regulaciji avtofagije, je bil vpleten v patologijo AD.

Ugotovljeno je bilo, da so bile ravni ATG7 znižane v možganski skorji in hipokampusu mišjega modela AD, vendar niso bile zaznane nobene spremembe v temporalnih korteksih bolnikov z AD [124]; ATG7 knockdown miši so pokazale redukcijo izločanja A, ki jo je spremljalo povečanje intracelularnega A [125], kar nadalje podpira vlogo ATG7 pri transportu peptidov A do multivezikularnih teles, ki se izločajo.

Pokazalo se je, da je izražanje p62 zmanjšano v modelu trojne transgene miši, kar ogroža začetne korake selektivne avtofagije pri AD [126]. Vendar pa je analiza celotnega genoma pokazala povečano transkripcijsko regulacijo pozitivnih regulatorjev avtofagije pri AD.

V skladu z aktivacijo avtofagije so v zgodnjih fazah AD opazili zvišanje ravni beljakovin ATG in višjo stopnjo tvorbe avtofagosomov ter lizosomske biogeneze [127]. Ta polemika kaže na diferencialno regulacijo avtofagije v zgodnjih in poznih fazah AD, kar je treba upoštevati pri ocenjevanju mehanizma v različnih modelih in pri iskanju terapevtskih strategij.

Prisotnost nezrelih avtofagosomov v distrofičnih nevritih nakazuje, da sta retrogradni transport veziklov, povezanih z avtofagijo, in njihovo zorenje pri AD oslabljena [128]. V podporo temu inhibicija dostave avtofagosomov v lizosome vodi do njihovega kopičenja v nevritih s podobno morfologijo, kot je opisano v AD [64].

Oligomeri lahko motijo ​​​​kompleks dinein-snapin, s čimer okvarijo transport aksonskih veziklov, kar bi lahko prispevalo k napačni dostavi avtofagosomov v lizosomezin AD [129]. Razgradnja tau, ki se nahaja predvsem v aksonih in manj najdenih innevritih in somah, poteka prek proteasoma ali z makroavtofagijo, odvisno od njegovega oligomerizacijskega stanja.

Modifikacije tau, povezane z AD, poganjajo njegovo razgradnjo skozi makroavtofagijo, ko postane proteoliza, ki jo posreduje proteasom, oslabljena zaradi napredovanja bolezni [130]. Pomembno je, da razgradnja tau lahko povzroči različne fragmente, ki se vežejo na Hsc70 in jih CMA usmeri na LAMP-2A [131,132].

Kljub temu kopičenje teh fragmentov v lizosomski membrani povzroči agregacijo tau, kar moti lizosomsko celovitost in blokira CMA [132]. Okvara avtofagno-lizosomske poti povzroči agregacijo tau oligomerov, ki se nato razgradijo, ko je makroavtofagija inducirana z rapamicinom [132,133].

Tau je bistven za retrogradno gibanje avtofagosomov proti lizosomom s stabilizacijo mikrotubulov, vloga, ki je pri AD ogrožena [134]. Hiperfosforilacija tau in njegova oligomerizacija povzročita izpodrivanje mikrotubulnih strojev in posledično poslabšanje gibanja in zorenja avtofagosomov, kar prav tako prispeva k disfunkciji avtofagije.

Poleg napak v avtofagosomskem transportu je bila v AD opisana tudi okvara lizosomske funkcije. PSEN1 je regulator lizosomske funkcije, ki deluje kot spremljevalec vakuolarne ATPaze, ki zakisa lizosomski lumen. Mutacije v PSEN1 so motile lizosomsko zakisanje in fuzijo avtofagosoma in lizosoma, kar je povzročilo kopičenje avtofagosomov, obremenjenih z A [135].

Poleg tega je bilo predlagano, da je lizosomska proteoliza prizadeta pri AD; visoke ravni A, LC3-II in vseprisotnih proteinov so bile prisotne v lizosomskih in avtofagosomskih frakcijah, izoliranih iz AD transgenega mišjega modela [136]. V skladu s tem prekinitev lizosomske proteolize z zaviranjem lizosomskih katepsinov v zdravih nevronih povzroči kopičenje avtofagičnih veziklov s podobno morfologijo, kot so prisotni pri bolnikih z AD in transgenih mišjih modelih [64].

A ogroža tudi celovitost lizosomske membrane, kar povzroči sproščanje katepsina v citoplazmo [137,138]. Prisotnost katepsina D v eksosomih, izoliranih iz krvi predkliničnih bolnikov z AD [139], podpira hipotezo o neučinkoviti lizosomski funkciji. Zanimivo je, da so bile genetske variacije v genu, ki kodira katepsin D, opisane tudi kot dejavniki tveganja za AD [140].

Analiza procesa avtofagije v nevronih od zgodnjih do zadnjih obdobij AD je pokazala povečano izražanje genov za avtofagijo v zgodnjih fazah, vendar je okvara lizosomskega očistka povzročila kopičenje avtolizosomskih struktur z napredovanjem bolezni [141]. Sirtuini (SIRT) zajemajo skupino od nikotinamid adenin dinukleotida (NAD+) odvisnih proteinov, ki so regulatorji več celičnih poti.

Med njimi je bil Sirt1 povezan z regulacijo avtofagije. Nižje ravni SIRT1 ogrožajo z deacetilacijo posredovano aktivacijo spodnjih proteinov avtofagije (npr. ATG5, ATG7 in LC3) [142], kar lahko prispeva tudi k okvari avtofagije pri AD. Ravni SIRT1 so znižane v parietalni skorji možganskih bolnikov z AD in so v korelaciji s kopičenjem zapletov A in tau [143].

Aktivacija mTOR, osrednjega koordinatorja avtofagije, je bila opisana v AD kot odgovor na kopičenje A [144]. A poveča aktivnost mTOR, kar povzroči tudi večjo ekspresijo tau in fosforilacijo, ki jo posreduje GSK3 - [145], kar podpira vlogo mTOR v patogenezi, ki jo posreduje tau. Poleg tega so v možganih bolnikov z AD opazili izločanje fosfo-tau skozi eksocitotične vezikle s signalizacijo mTOR [146].

Disregulacija poti PI3K/Akt/mTOR je bila prav tako vpletena v patogenezo AD [147]. Aktivacija PI3K z rastnimi faktorji (npr. inzulinu podobni rastni faktor-1, IGF1) spodbuja fosforilacijo Akt in posredno aktivacijo mTORC1, ki spodbuja avtofagijo. Pri AD interagira in zavira pot PI3K/Akt/mTOR [148], kar vodi do aktivacije GSK3 in povečane hiperfosforilacije tau.

Poleg tega je transkripcijski faktor EB (TFEB), glavni regulator biogeneze lizosoma, nižja tarča mTORC1. Zmanjšanje aktivnosti mTORC1 inducira defosforilacijo TFEB in njegovo translokacijo v jedro, da se aktivira izražanje avtofagije in genov, povezanih z lizosomsko biogenezo [149].

Ugotovljeno je bilo, da so bile ravni TFEB znižane v vzorcih možganov (hipokampus) bolnikov z AD, zlasti znižane jedrske ravni TFEB v napredovalih fazah bolezni [150].

Poleg tega je bila translokacija TFEB v jedro oslabljena v fibroblastih s pomanjkanjem presenilina in induciranih pluripotentnih nevronih AD, pridobljenih iz matičnih celic, kar je povzročilo zmanjšano aktivacijo mreže CLEAR [151].

Vendar pa so v dvojno transgenem živalskem modelu APP/PS1 odkrili povišane ravni skupnega in jedrnega TFEB v hipokampusu 8--mesečnih AD miši s sočasnim povečanjem njegovih spodnjih tarč, kar kaže, da je TFEB vpleten v lizosomske posredovano napredovanje AD [152]. O povečani regulaciji ciljnih genov TFEB so poročali tudi pri pogojno izločenih miših PS1 in miših 5xFAD [153].

Aktivacija mreže TFEB bi lahko odražala poskus kompenzacije oslabljene avtofagije v živalskih modelih AD. Natančna vloga TFEB kot glavnega regulatorja lizosomske funkcije v patogenezi AD še zdaleč ni popolnoma razumljena in zahteva nadaljnje preiskave.

For more information:1950477648nn@gmail.com