Makroavtofagija in mitofagija pri nevrodegenerativnih motnjah: poudarek na terapevtskih posegih 1. del

Povzetek:

Makroavtofagija, mehanizem nadzora kakovosti, je evolucijsko ohranjena pot lizosomske razgradnje beljakovinskih agregatov, patogenov in poškodovanih organelov.

Beljakovine so eno od hranil, ki jih potrebuje človeško telo. Ni samo pomemben vir telesne sestave, ampak je tudi tesno povezan z razvojem možganov in kognitivnimi sposobnostmi. Beljakovine igrajo zelo pomembno vlogo v možganih. Ne le pomaga pri nastajanju in vzdrževanju možganskih celic, ampak pomaga tudi pri procesu učenja in spomina v možganih.

Beljakovine so ena izmed pomembnih sestavin možganskih celic. Pomaga lahko pri rasti in popravljanju celic, spodbuja povezavo in komunikacijo med nevroni ter tako ljudem pomaga okrepiti spomin. Poleg tega lahko beljakovine proizvajajo tudi nekatere pomembne snovi, kot so nevrotransmiterji, ki igrajo vlogo pri prenosu informacij v možganih in pomagajo izboljšati delovanje možganov.

Z vidika hrane živila, bogata z beljakovinami, vključujejo meso, ribe, jajca, fižol itd. Ko ljudje zaužijejo dovolj beljakovin, lahko dobijo ustreznejšo prehransko oskrbo možganov, s čimer spodbujajo normalen razvoj možganov in izboljšajo kognitivne sposobnosti. in pomoč ljudem pri učenju in boljšem pomnjenju.

Hkrati pa morajo ljudje, da bi beljakovine v celoti odigrale svojo vlogo, nadzorovati uravnoteženost svoje prehrane, uživati ​​več sadja in zelenjave, se izogibati pretiranemu uživanju hrane z visoko vsebnostjo maščob in soli ter ohranjati dobre življenjske navade in miselnost. , da bi povečali delovanje beljakovin v možganih.

Zato lahko sklepamo, da so beljakovine tesno povezane s spominom. Uživanje bogatih beljakovin ni le koristno za fizično zdravje, ampak lahko tudi spodbudi ljudi k boljšemu učenju in pomnjenju, kar našemu življenju doda veliko barve. Vidi se, da moramo izboljšati spomin. Cistanche lahko znatno izboljša spomin, ker ima Cistanche antioksidativne, protivnetne in anti-aging učinke, kar lahko pomaga zmanjšati oksidacijo in vnetne reakcije v možganih ter tako ščiti zdravje živčnega sistema. Poleg tega lahko Cistanche spodbuja tudi rast in popravilo živčnih celic ter tako izboljša povezljivost in delovanje nevronskih mrež. Ti učinki lahko pomagajo izboljšati spomin, sposobnost učenja in hitrost razmišljanja ter lahko tudi preprečijo pojav kognitivnih motenj in nevrodegenerativnih bolezni.

Kliknite spoznajte načine za izboljšanje delovanja možganov

Kot del svoje vitalne homeostatske vloge je deregulacija makroavtofagije povezana z različnimi človeškimi motnjami, vključno z nevrodegenerativnimi boleznimi. Obstaja več vrst dokazov, ki povezujejo napačno zlaganje beljakovin in mitohondrijsko disfunkcijo v etiologiji Alzheimerjeve, Parkinsonove in Huntingtonove bolezni.

Makroavtofagija je bila vpletena v razgradnjo različnih beljakovinskih agregatov, kot so A, tau, alfa-sinuklein (-syn) in mutirani huntingtin (mHtt) ter v očistek disfunkcionalnih mitohondrijev.

Ob upoštevanju tega lahko ciljanje na avtofagijo predstavlja učinkovito terapevtsko strategijo za odpravo beljakovinskih agregatov in izboljšanje delovanja mitohondrijev pri teh motnjah.

Ta pregled opisuje naše trenutno razumevanje vloge makroavtofagije pri nevrodegenerativnih motnjah in se osredotoča na možne strategije za njeno terapevtsko modulacijo.

Ključne besede: nevrodegenerativne bolezni; avtofagija; mitofagija mitohondrijska disfunkcija; mutantni proteini; terapevtske strategije.

1. Pregled avtofagije

Avtofagija je pomemben znotrajcelični samorazgradljivi proces, ki ohranja znotrajcelično homeostazo z razgradnjo in recikliranjem strupenih makromolekul in poškodovanih organelov [1].

Velik del trenutnega znanja o avtofagiji je bil odkrit v modelu kvasovk ali nepolariziranih celicah [2]. Ta proces poteka na bazalnih ravneh v skoraj vseh celicah sesalcev in ga je mogoče stimulirati kot odgovor na stradanje, kar celici zagotovi gradnike za nove beljakovine in lipide. Avtofagija ima pomembno vlogo pri odstranjevanju beljakovinskih agregatov in patogenov ter uravnavanju vnetja in imunosti [3,4].

Zaradi teh razlogov je bila deregulacija avtofagije vpletena v več patoloških stanj, vključno z nevrodegenerativnimi motnjami. Avtofagija ima ključno vlogo pri nevronih, saj so te celice zelo občutljive na kopičenje napačno zvitih beljakovin.

Nevroni so odvisni od anterogradnega in retrogradnega transporta, da se spopadejo s presnovnimi potrebami, zato tvorba agregatov ne le razveljavi pravilno delovanje nevronov, ampak tudi moti komunikacijo z okoliškim okoljem.

Zato medsebojno delovanje med avtofagijo in nevrodegeneracijo zahteva globlje razumevanje regulativnih poti in več korakov, ki so vključeni v vsak proces.

Avtofagijo lahko glede na dostavo tovora v lizosom razdelimo na tri glavne vrste: makroavtofagijo, mikroavtofagijo in avtofagijo, ki jo posreduje spremljevalec (CMA). Pri makroavtofagiji citoplazemski tovor zajame rastoči vezikel z dvojno membrano, ki se po zaprtju (avtofagosom) spoji z lizosomom za razgradnjo (avtolizosom) [5].

Proces je zapleten in vključuje skupino specifičnih proteinov, povezanih z avtofagijo, ki delujejo v usklajenem toku, in se lahko pojavi naključno (makroavtofagija v masi) ali selektivno prek specifičnih adapterjev. Pri mikroavtofagiji se tovor (večinoma beljakovine) neposredno internalizira z invaginacijo lizosomskih membran in endosomskih veziklov [6].

CMA je selektivni proces, s katerim proteine ​​s specifičnim ciljnim motivom (motiv pentapeptida KFERQ) prepoznajo citosolni spremljevalec toplotnega šoka kognat 70 (Hsc70) in njegovi spremljevalci, kar pomaga pri translokaciji tovora v lumen lizosomov prek membranskega proteina, povezanega z lizosomi. 2A receptor (LAMP2A) [7].

CMA predstavlja alternativno pot razgradnje, posredovano z lizosomi, ki jo je mogoče povečati, ko pride do blokade makroavtofagije [8]. Za obseg tega pregleda bosta makroavtofagija in selektivna avtofagija mitohondrijev, znani kot mitofagija, podrobneje opisani in raziskani v kontekstu delovanja nevronov in nevrodegeneracije (slika 1).

1.1. Makroavtofagija

Makroavtofagija je zapleten in zaporeden proces, ki se začne z oblikovanjem avtofagosoma in zajetjem tovora, ki mu sledi zaprtje in zorenje ter končno zlitje z lizosomom za razgradnjo. Vsak od teh korakov vključuje različne proteine, povezane z avtofagijo (ATG), ki mehanično usklajujejo avtofagični tok vzdolž avtofagosomebiogeneze in fuzije z lizosomom [9].

Začetek avtofagije uravnava status fosforilacije unc-51-podobne avtofagiji aktivirajoče kinaze 1 (ULK1), ki jo uravnava gorvodna tarča rapamicinskega kompleksa 1 (mTORC1) pri sesalcih [10]. mTORC1 je aktiven v hranilno bogatih pogojih ali ko pot PI3K/Akt spodbujajo rastni faktorji (npr. insulinu podoben rastni faktor-1, IGF1).

Aktivni mTORC1 fosforilira ULK1 in ATG13, komponenti iniciacijskega kompleksa ULK1 (sestavljenega tudi iz ATG101 in proteina, ki interagira s kinazo iz družine FAK z 200 kDa, FIP200) [11] in zavira avtofagijo. V pogojih s pomanjkanjem hranil je mTORC1 inaktiviran, kar olajša avtofosforilacijo ULK1 [12].

Poleg tega, ko je celični energijski status nizek, AMP aktivira AMPK, ta pa zavira mTORC1 in fosforilira ULK1, kar spodbuja avtofagijo [12,13]. Ko je ULK1 aktiviran, fosforilira ATG13 in FIP200 in tako aktivira celoten iniciacijski kompleks ULK1 [14].

Po aktivaciji kompleksa ULK1 se premesti v omegasome (specifične regije v endoplazmatskem retikulumu (ER), ki sprožijo sestavljanje fagoforne membrane za biogenezo avtofagosoma [15].

Pri omegasomih ULK1 spodbuja rekrutiranje in aktivacijo fosfatidilinozitol 3-kinaznega kompleksa razreda III (PI3PK, sestavljen iz vakuolnega razvrščanja proteinov 34, beclin-1, fosfoinozitid-3-kinazne regulacijske podenote 4 in ATG14L) s fosforilacijo Beclin-1 [15,16]. PI3PK je odgovoren za generiranje fosfatidilinozitol-3 fosfata (PI3P) za ekspanzijo fagoforja [17].

Začetni viri membran za nukleacijo fagoforja vključujejo vezikle COPII, rezervoarje veziklov ATG9 in samo membrano ER-omegasoma [18]. ATG9 je transmembranski glikoprotein, ki kroži med trans-Golgijevim omrežjem (TGN) in endosomskim sistemom z recikliranjem endosomov [19] in se rekrutira v omegasom po indukciji avtofagije, s čimer dostavlja membrane nastajajočemu fagoforju [20,21].

Poleg tega se ATG9 premika na in iz plazemske membrane, slednjo skozi proces, ki ga posreduje klatrin [22]. Prenos ATG9 med membranami je odvisen od ULK1-posredovane fosforilacije v bazalnih pogojih in pogojih, ki povzročajo avtofagijo [23]. Tudi drugi membranski viri, kot so mitohondriji, Golgijev kompleks in plazemska membrana, naj bi sodelovali pri nukleaciji in širjenju veziklov [24–26].

Specifični topni N-etilmaleimid občutljivi proteinski receptorji za pritrditev faktorjev (SNARE) in drugi privezovalni faktorji so vključeni v fuzijo membran, ki izhajajo iz Golgijevih, endosomov ali plazemske membrane, z membrano omegasoma [15], ki ohranja rast veziklov.

Ustvarjanje PI3P je bistvenega pomena za nukleacijo vezikla fagoforja, rekrutiranje proteinov, ki vežejo PI3P, ki sodelujejo pri ekspanziji fagoforja, ter oblikovanje ukrivljenosti in rekrutiranje spodnjih proteinov ATG [27]. Rekrutiranje efektorjev PI3P, kot so proteini, ki interagirajo s fosfoinozitidom (WIPI), v domeni ponovitve WD, v teomegasom je bistvenega pomena za biogenezo avtofagosoma in avtofagični tok [27, 28].

Alfy, velik protein, ki vsebuje domeno FYVE, je efektor PI3P, ki usmerja vseprisotne agregate v avtofagosom in tako sodeluje pri selektivni avtofagiji [29].

Nato je naslednji korak rekrutiranje z mikrotubulom povezanega proteina 1A/1B-lahke verige (LC3) v fagofor, ki mu pomagajo ubikvitinu podobni konjugacijski sistemi. Na začetku sta E1 ubikvitin ligaza ATG7 in E2 ubikvitin ligaza ATG10 vključeni v konjugacijo ATG12 na ATG5, ki se nato veže na ATG16L1. Kompleks ATG12–ATG5–ATG161L je bistvenega pomena za rekrutacijo LC3 na PI3P-pozitivne membrane [27].

Najprej se LC3 na C-terminalu proteolitsko razcepi s proteazo ATG4, ki tvori LC3-I, ta pa z delovanjem ATG3 in ATG7 ter ATG12–ATG5–ATG161L ustvari LC3-II prek svojega vezava na teaminsko glavno skupino fosfatidiletanolamina (PE) v fagoforski membrani [30,31].

Takšna lipidacija LC3 je bistvena za širjenje in zaprtje fagoforja in nadaljnje zorenje avtofagosoma [32]. Poleg tega je lipidiran LC3 vključen v specifično prepoznavanje tovora prek domene LIR (LC3 interakcijska regija) prek selektivnih adaptorskih proteinov [33]. Razširitev in raztezek fagoforja sta slabo definirana, vendar je interakcija WIPI2 z vezikli, obogatenimi z ATG9-, bistvena za proces [21].

Več del je pokazalo, da so dodatni proteini ATG vključeni v zadnje korake biogeneze avtofagosomov, vendar njihove natančne vloge še niso jasno opredeljene. Študije so pokazale, da napake v konjugacijskih sistemih z ubikvitinom LC3 oslabijo zaprtje avtofagosomov [34,35], kar pomeni, da so ti kompleksi vključeni v zadnje korake biogeneze avtofagosomov.

Zapiranje avtofagosomskih veziklov posreduje endosomski sortirni kompleks, potreben za transport (ESCRT) [36]. Po zaprtju se avtofagosom loči od ER in njegovo zorenje poteka skozi interakcijo z več endocitnimi vezikli.

Avtofagosomi se lahko spajajo z različnimi endolizosomskimi deli, kot so pozni endosomi (LE) in multivezikularna telesca (MVB), značilnost, ki se razlikuje glede na vrsto celice in določene fiziološke pogoje [37].

Zlitje avtofagosomov s prehodnimi MVB tvori vmesno strukturo, imenovano amfizom, ki se bo nadalje spajal z lizosometom, da se razgradi [38]. Defosforilacija PI3P na membrani avtofagosoma s fosfoinozitid 3-fosfatazami iz družine proteinov miotubularina je potrebna pred njihovo fuzijo z lizosomi [39].

Avtofagosomi so naključno porazdeljeni po citoplazmi, medtem ko so pozni endosomi in lizosomi pretežno v perinuklearni regiji, pa tudi v nevronskih aksonskih in dendritičnih predelih [40]. Avtofagosomi se premikajo vzdolž mikrotubulov proti lizosomom z LC3 in mehanizmi, odvisnimi od dineina [41]. Zlitju avtofagosomov z lizosomi pomagajo različne družine proteinov. RabGTPaze se lokalizirajo na membranah veziklov in rekrutirajo proteine, ki vežejo membrano, ki pomagajo SNARE pri dogodkih fuzije (pregledano v [42]).

Dosledno izčrpavanje SNAREproteinov povzroči kopičenje avtofagosomov v različnih celicah [43,44]. Med GTPazami Rab, ki uravnavajo zorenje avtofagosomov, je Rab7 rekrutiran na avtofagosomemembrano in deluje kot molekularno stikalo, ki pomaga pri njegovi vezavi na dinein in tako olajša transport avtofagosomov in lizosomov proti perinuklearni regiji [45]. Rab7-knockdown celice kažejo selektivno okvaro fuzije avtofagosoma z lizosomom, vendar ne z LE ali MVB [45,46].

Poleg tega so proteini iz poddružine GABARAP (homologi LC3) vključeni v zorenje avtofagosomov in njihovo izčrpavanje ustavi fuzijo avtofagosomov in lizosomov [47].

Po fuziji zakisanje avtolizosomallumena s protonsko črpalko ali v-ATPazo aktivira lizosomske hidrolitične encime [48], kar povzroči razgradnjo tovora. Nastali presnovki so na voljo za ponovno uporabo v celici ali pa delujejo kot znotrajcelične signalne molekule (slika 2).

Bistvena točka regulacije makroavtofagije so posttranslacijske modifikacije več proteinov ATG in ne-ATG (pregledano v [49]). To je bistvenega pomena za omejitev širjenja avtofagije in preprečevanje nenadzorovane razgradnje citoplazemske vsebine, ki bi ogrozila znotrajcelično homeostazo in lahko povzročila celično smrt.

1.2. Funkcija avtofagije v nevronih

Nevronsko preživetje je odvisno od CMA in makroavtofagije za uravnoteženje ravni napačno zvitih proteinov in poškodovanih organelov, ki jih drugače ni mogoče razredčiti z delitvijo celic, in za vzdrževanje celičnih procesov z recikliranjem metabolitov [50].

Neučinkovita odstranitev beljakovinskih agregatov vodi do blokade aksonskega transporta in večjih transkripcijskih sprememb; zato je avtofagija bistvenega pomena za vzdrževanje homeostaze v celotni nevronski celici (akson, soma in dendrit). V sinaptičnih regijah je stalna izmenjava beljakovin nepogrešljiva za izpolnitev lokalnih visokih energijskih potreb in za vzdrževanje funkcionalne sinteze beljakovin in cikla razgradnje [51].

To je bistvenega pomena ne samo za vzdrževanje sinaptične plastičnosti [52], temveč tudi za podporo homeostaze aksonov [53, 54]. Dejansko nevronska stimulacija uravnava ravni avtofagije, medtem ko avtofagija vzdržuje sinaptično funkcijo na pred- in post-sinaptičnih področjih [55].

Zanimivo je, da je poleg osrednjega mehanizma za avtofagijo za avtofagijo v presinaptičnih regijah potrebnih več nevronsko specifičnih regulatornih proteinov: endofilin-A je endocitikadaptor, ki ustvarja ukrivljene membrane in služi kot platforma za rekrutiranje avtofagnih proteinov, s čimer spodbuja biogenezo avtofagosomov [56], in sinaptojanin 1, lipidfosfataza, ki posreduje pri prometu sinaptičnih veziklov, je prav tako potreben za avtofagosomebiogenezo [57].

Po drugi strani pa je mogoče avtofagijo negativno regulirati pri presinapsah prek Bassoona, beljakovine ogrodja, ki sodeluje z ATG5, zaradi česar ni na voljo za biogenezo avtofagosoma [58]. V postsinaptičnih regijah je avtofagija bistvena za vzdrževanje sinaptične plastičnosti.

Pri dolgotrajni depresiji (LTD) je avtofagija ključnega pomena za posredovanje pri prometu in izločanje receptorjev -amino-3-hidroksi-5-metil-4-izoksazolpropionske kisline (AMPA). Zanimivo je, da stimulacija receptorjev N-metil-D-aspartata (NMDA) aktivira razgradnjo receptorjev AMPA z avtofagijo [59]. Poleg tega iz možganov nevrotrofični faktor (BDNF) zavira avtofagijo v hipokampalnih nevronih, kar olajša dolgotrajno potenciranje (LTP) in obstojnost spomina pri miših, s čimer podpira vlogo avtofagije pri sinaptični plastičnosti [60].

Nevronska makroavtofagija je pomemben mehanizem, ki odstranjuje okvarjene znotrajcelične materiale in je izjemno učinkovit v nevronih s hitrim očistkom avtofagosomov, saj se veliko število avtofagosomov kopiči v nevronih po inhibiciji lizosoma [61].

V nevronih osrednjega živčnega sistema in tudi perifernega živčnega sistema (PNS) se biogeneza avtofagosoma začne v nevritih in sinaptičnih terminalnih regijah v distalaksonu, nato pa se z retrogradnim gibanjem prenese nazaj v celično somo, da se spoji z aktivnimi lizosomi [62].

Avtofagosomi so podvrženi dozorevanju, ko se premikajo od distalno (konica nevrita) do proksimalno (celična soma), tako da zajamejo organele in topni tovor ter povečajo zakisljevanje luminala za učinkovito razgradnjo tovora. V somi je mešana populacija avtofagosomov z različnimi stanji zorenja, ki prihajajo iz distalnih regij ali so lokalno ustvarjeni [63].

Distalno pridobljeni avtofagosomi se obdržijo v somatodendritičnem predelu in se ne morejo vrniti v akson, medtem ko se lahko avtofagosomi iz some prosto gibljejo med dendriti in somo [63].

V normalnih pogojih se avtofagosomi v nevronih komaj zaznajo, saj se hitro spajajo z lizosomi, kar dokazuje, da je avtofagija zelo učinkovita pri indukciji avtofagije nevronov in očistku avtofagosomov [64].

Avtofagosomi, pridobljeni iz distalnih aksonov, vsebujejo citoplazmatsko vsebino in vsaj 10 % populacije vsebuje fragmente mitohondrijev [62], kar podpira vlogo pri razgradnji mitohondrijev, odvisni od avtofagije.

Makroavtofagija je bistvena za oblikovanje nevrita med njegovo rastjo in tudi za nevroplastičnost. Izguba funkcije ATG16L1, jedrnega avtofagnega proteina, zadostuje za induciranje napak v tvorbi mišjih možganov [65]. Poleg tega nevronsko specifična delecija ATG9 povzroči okvarjen razvoj aksonskih traktov in pomanjkljivo rast nevritov in vitro [66].

Vendar upad ATG in povezanih beljakovin s staranjem [67] vodi do progresivne okvare makroavtofagije, kar verjetno prispeva k poznemu nastopu več nevrodegenerativnih bolezni.

Kopičenje avtofagosomov je posledica neravnovesja med njihovo tvorbo in razgradnjo [68], kar je bilo opisano pri Alzheimerjevi bolezni (AD), Parkinsonovi bolezni (PD) in Huntingtonovi bolezni (HD) [69].

Čeprav genetske mutacije genov, povezanih z avtofagijo, niso opisane kot neposredni vzročni dejavniki nevrodegenerativnih bolezni, več dokazov podpira, da so motnje v procesu makroavtofagije in njegove regulacije vključene v nevrodegeneracijo.

Dejansko disfunkcija avtofagnega procesa, kot je okvara fuzije avtofagosoma in lizosoma [64], okvarjeno lizosomsko zakisanje [70] ali okvarjen avtofagosomski transport [71, 72] povzroči kopičenje toksičnih proteinskih agregatov in okvarjenih organelov, kar prispeva k nevrodegeneraciji.

Genetska inaktivacija ATG5, ATG7 ali FIP200 v osrednjem živčevju povzroči otekanje aksona in smrt nevronov pri miših, kar ima za posledico progresivno okvaro motorične funkcije [73–75].

Poleg tega ATG5-null miši umrejo v enem dnevu po rojstvu zaradi izgube nevronov, ki jo povzroči okvara avtofagije [76]. Čeprav več študij dokazuje pomen makroavtofagije za preživetje in delovanje nevronov, je malo znanega o njeni regulaciji v nevronih in gliji. .

Kopičenje aberantnih proteinov ali inkluzijskih teles je dobro opisano pri več nevrodegenerativnih boleznih in spremembe v avtofagični aktivnosti lahko vplivajo na nevronsko homeostazo in preživetje. Razkritje vloge avtofagije in regulacije v nevronski in glialni funkciji bo ključno za iskanje novih terapevtskih strategij za zaustavitev nevronske disfunkcije in degeneracije.

For more information:1950477648nn@gmail.com