Strukturni in funkcionalni vpogled v polimorfizem sinukleinskih fibril 2. del

Proteini -sinuklein ( -syn) in -sinuklein ( -Syn) prav tako spadata v družino sinukleina [165] (slika 1C). -Syn je protein s 134 aminokislinami, ki je bil prej identificiran kot humani homolog govejega fosfonevroproteina 14 (PNP14).

S staranjem spomin postopoma slabša. Lahko pa izboljšamo spomin z dobro prehrano. Aminokislinske beljakovine so eno najpomembnejših hranil.

Aminokislinske beljakovine lahko povečajo število in povezave nevronov v možganih, igrajo ključno vlogo pri učenju in spominu. Poleg tega lahko aminokislinske beljakovine spodbujajo rast in obnovo krvnih žil v možganih ter povečajo oskrbo možganov s kisikom, s čimer pomagajo izboljšati kognitivne sposobnosti in spomin možganov.

Nekatera živila, bogata z beljakovinami aminokislin, vključujejo piščanca, govedino, ribe in jajca. Hkrati nekatera živila rastlinskega izvora, kot so fižol, sončnična semena itd., prav tako zagotavljajo bogate aminokislinske beljakovine. Spomin lahko izboljšamo z uravnoteženo prehrano in uživanjem ustreznih aminokislin in beljakovin.

Poleg tega bodimo pozorni na vnos ustreznih količin beljakovin aminokislin ter ohranjajmo zdrave prehranjevalne navade in življenjski slog. Redna vadba, dovolj spanja in zmanjšanje stresa lahko pomagajo izboljšati razvoj in delovanje možganov.

Na splošno so aminokisline in beljakovine pomembna hranila za izboljšanje spomina. Z razumno prilagoditvijo prehrane in življenjskega sloga lahko pripomoremo k boljšemu delovanju naših možganov, izboljšamo sposobnost učenja in pomnjenja ter imamo bolj zdravo in srečno življenje. Vidimo lahko, da moramo izboljšati spomin, in Cistanche deserticola lahko bistveno izboljša spomin, saj ima Cistanche deserticola antioksidativne, protivnetne in anti-aging učinke, ki lahko pomagajo zmanjšati oksidacijo in vnetne reakcije v možganih, s čimer ščitijo zdravje živčnega sistema. Poleg tega lahko Cistanche deserticola spodbuja tudi rast in popravilo živčnih celic ter tako izboljša povezljivost in delovanje nevronskih mrež. Ti učinki lahko pomagajo izboljšati spomin, učenje in hitrost razmišljanja ter lahko tudi preprečijo razvoj kognitivnih motenj in nevrodegenerativnih bolezni.

Kliknite spoznajte načine za izboljšanje delovanja možganov

Raztežaj 11-aminokisline (ostanki 73–83) manjka v domeni NAC (slika 1C), zaradi česar ne more fibrilirati [11,176,177]. Prej se je verjelo, da je -Syn zaviralec agregacije -Syn in preprečuje njegovo nevrotoksičnost [11,176]. Vendar se je ta ideja spremenila po odkritju missense mutacij v genu -Syn, P123H (družinska) in V70M (občasna), za katere je znano, da povzročajo DLB [178].

Škodljive učinke teh mutacij so pokazale študije na celicah in živalih [179,180]. Naša skupina je nedavno pokazala, da v normalnih fizioloških razmerah ni prišlo do fibrilizacije in agregacije -Syn in njegovih z boleznijo povezanih mutacij, vendar je spremenjeno mikrookolje, kot je znižanje pH in/ali prisotnost heparina, povzročilo njihovo polimerizacijo [181].

-Syn, ki ima približno 55 % homologije zaporedja z -Syn, je bil prvotno identificiran pri malignih obolenjih raka dojke, kodiranih z genom, specifičnim za rak dojke, BCSG1 [182]. Poročali so o perifernem centralnem živčnem sistemu in tkivih raka dojke [182,183]. Združuje in tvori fibrile in vitro [177] in v celicah [184], vendar je sorazmerno počasnejši od -Syn [91].

Napačno zvijanje in fibrilacija -Syn je glavni dogodek pri več nevrodegenerativnih motnjah [185]. Napačno zviti agregati -Syn so amiloidogeni, ki se nenormalno kopičijo v možganih, posledično pa ima bolnik motnje gibanja, ki se sčasoma poslabšajo.

Združevanje -Syn je kompleksen pojav in vključuje pretvorbo monomerov v visoko urejene navzkrižne - -plastno bogate strukture s tvorbo več topnih oligomernih vrst na in izven poti [185,186]. Nastajanje amiloida -Syn se običajno spremlja s fluorescenčnim barvilom tioflavina T [187].

Sledi sigmoidni kinetiki rasti, ki je sestavljena iz (i) faze zamika, ki vključuje tvorbo jeder, ki sčasoma prerastejo v zaznavno agregatno strukturo v raztopini; (ii) faza raztezanja, pretvorba in kasnejša rast oligomernih vrst v fibrilarno strukturo; in (iii) stacionarno fazo, ki predstavlja ravnovesno stanje, kjer koncentracija monomera in fibrila dosežeta ravnovesje.

Do konca agregacije se -Syn sestavi v netipične dolge amiloidne fibrile, ki jih običajno označujejo elektronske mikroskopije in mikroskopske tehnike slikanja z atomsko silo [9]. Teh faz združevanja ni mogoče pripisati enemu samemu dogodku ali mikroskopskemu procesu. Namesto tega so vsi procesi, npr. primarna nukleacija, raztezek, sekundarna nukleacija in fragmentacija, aktivni v vseh fazah krivulje rasti, vendar z različnimi stopnjami [188,189] (slika 2).

Te hitrosti reakcije urejajo konstante hitrosti agregacije in koncentracija reagirajoče vrste v danem času [190]. Tvorba amiloida se začne s primarno nukleacijo monomernih vrst v raztopini in raztezkom z dodatkom monomera na rastoče konce agregatov [189]. Vendar so primarni procesi nukleacije kratkotrajni in jih sekundarni procesi nukleacije hitro presežejo [191].

Fragmentacija fibril v pogojih mešanja (ali celo v mirovanju, odvisno od stabilnosti amiloidnih fibril) spremeni število rastočih koncev in pomembno vpliva na celotno kinetiko rasti [188,189].

Poleg tega je sekundarna nukleacija s površinsko katalizo tudi eden glavnih dejavnikov, ki prispevajo k rasti amiloida v več sistemih, zlasti v mirovanju [189, 190]. Samosestavljanje in združevanje -Syn je kompleksen pojav in vključuje več vzporednih procesov. Zato je ključno razumeti osnovne molekularne dogodke, da bi razmejili njihovo temeljno povezavo s človeško boleznijo.

4. Prionom podobni deformacijski pojavi v -Syn

Od odkritja -Syn kot glavne sestavine patologije Lewyjevih telesc leta 1997 je bil primarni fokus preusmerjen na razmejitev osnovnega patogenega mehanizma PD.

Heiko Braak [192] je leta 2003 predstavil sistem uprizarjanja Lewyjeve patologije, ki temelji na specifičnih vzorcih širjenja -Syn. Po Braakovi hipotezi se Lewypatologija začne iz olfaktornega bulbusa in DMV in se nato postopoma širi na druge možganske regije.

Čeprav obstajajo eksperimentalni in klinični dokazi, ki podpirajo Braakovo hipotezo, ni gotovo, ali je uporabna in/ali natančno opisuje napredovanje PD pri vseh bolnikih. Na primer, obstajajo primeri, ko bolniki ne kažejo Lewyjeve patologije pri DMV ali ENS, medtem ko so druge možganske regije močno prizadete [193–198].

Tudi v nekaterih primerih niso opazili povezave med resnostjo Lewyjeve patologije in kliničnimi simptomi pri PD [195]. Zato je predlagano, da se Braakova hipoteza uporabi le za podskupino populacije [198], saj se vsi bolniki s PD ne držijo sistema določanja stopenj, ki ga predlaga Braak [199]. Zanimivo je, da so poročila o Lewyjevi patologiji v fetalnih nevronskih presadkih po štirinajstih letih presaditve v striatum pacienta s PD zagotovila neposreden dokaz prenosa med celicami in širjenja sinpatologije, ki jo je predlagal Braak [200,201].

Študije z uporabo sistemov in vitro in celičnih modelov so pozneje nakazovale, da so agregati -Syn nalezljivi, se lahko premikajo iz ene celice v drugo in zasejejo agregacijo svoje topne endogene protipostavke v prejemnih celicah, kar pojasnjuje pojav, opažen v cepljenih nevronih [18,21,23] . Ta prionu podoben prenos agregata -Syn iz ene regije v drugo je vpleten tudi pri bolnikih z DLB in PDD, kar kaže, da je širjenje Lewyjeve patologije skupna lastnost agregatov -Syn pri sinukleinopatijah [202–205].

Vendar so klinične in patološke značilnosti teh sinukleinopatij zelo spremenljive in heterogene [206, 207], [146, 208]. Lahko bi se vprašali, zakaj sta porazdelitev patologije -Syn in manifestacija simptomov bolezni med sinnukleinopatijami različni, čeprav sta povezani z agregacijo istega proteina.

To bi lahko razložili s prionom podobnim pojavom seva -Syn, pri katerem isti prekurzorski protein tvori različne fibrile, ki povzročijo izrazito patologijo.

4.1. Koncept prionskih sevov

Zadnjih nekaj desetletij raziskav je nakazovalo, da lahko proteini/peptidi z različnimi strukturami in zaporedji tvorijo skupno gubo amiloida, bogatega s križnimi listi [209–213]. Ti proteini/peptidi tvorijo amiloide s skupnim agregacijskim ogrodjem, tj. preko mehanizma polimerizacije, odvisnega od nukleacije [214,215].

Vendar pa je lahko vsak protein/peptid tudi podvržen različni agregacijski poti, da se tvori edinstvena amiloidna struktura. Nedavne strukturne študije visoke ločljivosti s ssNMR in krio-EM so dejansko pokazale, da se vsak protein pakira edinstveno in tvori različne strukture za prečno pregib [56–58,61,216]. Ne samo to, ampak, presenetljivo, en protein lahko tvori več različnih strukturnih gub [40, 59].

Tako lahko ti proteini sprejmejo različne konformacije iz istega aminokislinskega zaporedja, kar povzroči več proteinopatij in zato ne potrdi hipoteze en protein–ena struktura [217]. Na primer, tau se različno zloži pri Alzheimerjevi in ​​Pickovi bolezni [40,218,219]. . V možganih podtipov frontotemporalne lobardegeneracije (FTLD-TDP) obstajajo različni agregati proteina, ki veže DNA TAR (TDP-43), kar kaže na morfološke razlike med podtipi [220].

Sposobnost tega proteina, da se napačno zvije in prikaže konformacijsko raznolikost, lahko povzroči resne posledice, kot je nevrodegeneracija [221]. Ta pojav proteina, ki tvori različne amiloide, povezan z različnimi fenotipskimi lastnostmi, je dobro znan za prione [46,222]. Prioni so nalezljivi proteinski delci, ki kažejo konformacijsko heterogenost in se lahko prenašajo z enega posameznika na drugega [223].

Nešteto dokazov kaže na epidemiološko in klinično-patološko raznolikost človeških prionskih bolezni, kot so Kurujeva bolezen, Gerstmann-Straussler-Scheinkerjev sindrom in Creutzfeldt-Jakobova bolezen [224], kot tudi nečloveške prionske bolezni, kot je goveja spongiformna encefalopatija (BSE) pri govedu, praskavca pri ovcah in kozah itd. [225].

Normalni celični prionski protein (PrPC) je podvržen pretvorbi iz -spiralne v konformacijo, bogato s ploščami (PrPSc), ki je netopna, proti PK odporna in nalezljiva oblika. PrPSc se razmnožuje in združuje po dveh splošno sprejetih mehanizmih/modelih, tj. modelu s pomočjo predloge in modelu nukleacijske polimerizacije.

Patogeni prion deluje kot predloga v modelu s pomočjo predloge in zagotavlja površino za pretvorbo endogenega normalnega prionskega proteina v njegovo napačno zvito patogeno obliko [226]. V modelu nukleacije-polimerizacije se monomerni PrPSc združijo in tvorijo stabilno jedro, imenovano tudi seme. Ta semena še naprej pridobivajo PrPC in jih pretvarjajo v svoje patogene dvojnike [226].

Ena od izjemnih lastnosti prionov je, da se lahko napačno zvijejo v različne konformacije, od katerih vsaka povzroči različne klinične, histološke in patološke profile. Ti agregati z različnimi konformacijami in patološkim obnašanjem se imenujejo "sevi" [45,227]. Pionirska opažanja o prisotnosti prionskih sevov izhajajo iz študije Pattisona in Milsona, 1961 [228], v kateri sta eksperimentalno proizvedla praskavca pri kozah in opazovala različne klinične manifestacije bolezni zaradi različnih sevov.

V drugi študiji sta Fraser in Dickinson lahko razlikovala različne seve praskavca pri modelih okuženih miši glede na obseg poškodbe v različnih predelih možganov [229]. Pozneje je množica poročil pokazala obstoj sevov PrPSc [227,230–233] in metode za njihovo razlikovanje, kot je razgradnja s proteinazo K (PK) [234,235], elektronska paramagnetna resonanca (EPR) in NMR spektroskopija [43].

Te konformacije PrPSc se razlikujejo glede na različne tipe sekundarnih strukturnih elementov, kot so -helix, -strand, -turn, ali različne strukturne gube ali različno pakiranje [227,230,232,235,236]. Na primer, prionski protein iz sirskega hrčka se ponovno zvije v -spiralne in -listne strukture, pa tudi v različne intermediate v vodni raztopini [236].

Ti se med seboj razlikujejo ne le strukturno, ampak tudi funkcionalno [43] in so bili identificirani pri različnih prionskih motnjah pri ljudeh in živalih [233,237]. Kljub temu, da so posledica agregacije istega prionskega proteina, se prionske bolezni med seboj razlikujejo glede na nastanek bolezni/ inkubacijska doba, napredovanje in histopatološke lezije v okuženih možganih [224,225]. To je bilo skupno poimenovano kot 'pojavi prionske napetosti' [45,46,238].

Eden glavnih dejavnikov, ki prispevajo k tej raznolikosti/variaciji sevov, je zmožnost povzročiteljev okužbe/prionov, da okužijo določene vrste [44,239,240] in prečkajo 'vrstno pregrado', s čimer ustvarijo različne seve z značilnimi biokemičnimi in patološkimi lastnostmi. En tak primer je vCJD (različica Creutzfeldt-Jakobove bolezni), ki je posledica medvrstnega prenosa BSEpriona z goveda na ljudi [44,240], kar je edini znani primer prenosa nečloveških prionov na ljudi.

Znano je tudi, da različni sevi prionov sobivajo drug z drugim, kot je razvidno iz primera sCJD (sporadične Creutzfeldt-Jakobove bolezni) [241,242], ki kaže različne biokemične lastnosti v različnih predelih možganov. Znano je tudi, da prionski sevi podaljšajo svojo inkubacijsko dobo ob sočasni okužbi z drugimi sevi, kar kaže na pojav "konkurence", kot so opazili v različnih študijah [243–245].

Vse zgoraj omenjene značilnosti pojavov prionskih sevov in potencial za nastajanje novih prionskih sevov so se izkazale ne le kot resen znanstveni izziv, temveč tudi kot grožnja splošnemu javnemu zdravju.

Nedavne študije pa kažejo, da ta lastnost seva amiloidov ni omejena samo na prione, ampak tudi na druge amiloide, povezane z različnimi nevrodegenerativnimi motnjami, kot sta Alzheimerjeva in Parkinsonova [19,246,247], [18,248]. Različni dokazi so bili predloženi in vitro in in vivo študije za prikaz prionu podobnega obnašanja seva -Syn, kot je obravnavano spodaj.

4.2. -Syn sevi, ustvarjeni in vitro

V zadnjih nekaj letih so poročali o vse več dokazih o prionom podobnih sevih -Syn, povezanih s kliničnimi in patološkimi variacijami, opaženimi pri sinukleinopatijah [29–35,249].

Ti sevi so bili opredeljeni kot ločeni in stabilni konformacijski sklopi posameznega proteina, ki se lahko samopodvaja in razmnožuje in vivo ter povzroči različne fenotipe bolezni. Guo et al. odkrili dva 'seva' predhodno oblikovanih fibril (puffs) -Syn, s fibrilizacijo denovo, imenovano 'sev A', in fibrilizacijo s ponavljajočim sejanjem in vitro, imenovano 'sev B'.

Ta dva seva sta pokazala različne konformacije in osupljive razlike v navzkrižnem sejanju proteina tau v primarnih nevronskih kulturah in in vivo [30]. Poleg tega, da prvič dokumentirajo dokaze o fibrilnih sevih -Syn, so te ugotovitve identificirale tudi obnašanje navzkrižnega sejanja -Syn. Kasneje je več skupin izkoristilo kameleonsko lastnost -Syn [9] in pregledalo številne pogoje rasti, da bi ustvarilo seve -Syn in vitro. Pri različnih pogojih rasti so opazili več konformacijsko stabilnih in nestabilnih stanj beljakovin [250].

Konformacije, ki niso termodinamsko stabilne ali ne morejo vzpostaviti stabilnih medmolekulskih interakcij, ne morejo zrasti v amiloidne fibrile. Ta stanja se imenujejo rastno nesposobna stanja (slika 3). Po drugi strani pa lahko za rast kompetentna stanja -Syn rastejo in tvorijo različne fibrile, odvisno od pogojev rasti (slika 3).

Nastale fibrile pod različnimi pogoji sestavljanja nimajo le različnih biokemičnih in biofizikalnih lastnosti, kot so odpornost na proteaze, citotoksičnost, sposobnost sejanja itd. [29–32,34–36,51,53], temveč tudi vtisnejo svojo arhitekturo na hčerinske fibrile, odvisno od stanje rasti in narava semen (slika 3).

Bousset et al. je dejansko ustvaril dva strukturno in funkcionalno različna seva -Syn, imenovana "fibrile" in "trakovi", z uporabo različnih fizioloških koncentracij soli [29]. Vlakna so povzročila večjo citotoksičnost, medtem ko je bilo ugotovljeno, da so trakovi učinkovitejši pri induciranju vključkov -Syn in vivo [33]. Podobne razlike so bile pridobljene s sevi, ki so jih ustvarili Suzuki et al. [51], kjer je en sev povzročil kopičenje obilnih fosforiliranih in vseprisotnih agregatov -Syn v gojenih nevronih in miših zaradi njegove sposobnosti interakcije s proteasomskimi kompleksi, medtem ko drugi sev tega ni storil [51].

Dandanes so različni eksperimentalni pogoji precej pogosta strategija za ustvarjanje sevov in vitro. V primerih, ko bi morala biti merila za imenovanje „sev“, tj. strukturna različica beljakovinskih agregatov, izkazovati sposobnost samorazmnoževanja in serijskega prenosa bolezni v naslednjih generacijah ter povzročati klinične in fenotipske variacije bolezni, niso popolnoma izpolnjeni, bi bilo primerneje fibrile imenovati 'polimorfi'.

Ti polimorfi lahko kažejo osupljive razlike v svoji morfologiji in strukturi [28,56,251], hitrosti nukleacije [252], sejanju in sposobnosti vezave na membrano v celicah [36] itd. Vendar pa lahko kot funkcionalna posledica teh strukturnih variacij v polimorfih ne povzročajo ločenih kliničnih podtipov bolezni. Obstajajo tudi primeri polimorfizma znotraj vzorca, ki se lahko pojavi ne glede na to, ali so fibrile ustvarjene in vitro [39,57,253–256] ali izpeljane iz možganskih izvlečkov [40,257,258].

Čeprav imajo lahko nekatere skupne značilnosti, kot je podobna monomerna guba ali skupna struktura, kažejo tudi izrazite razlike v morfologiji, razporeditvi pramenov ali biokemičnih lastnostih [57,256]. Tako lahko različni pogoji sestavljanja ustvarijo strukturno in funkcionalno različne fibrilarne sklope, ki se lahko razmnožujejo kot edinstveni -Syn sev ali lahko preprosto tvorijo polimorfe.

Več poročil je trdilo o prisotnosti agregatov -Syn v gastrointestinalnem traktu [259–263] in o ključni vlogi vagalnega živca pri širjenju teh agregatov iz črevesja v možgane [74,76,192,264,265]. Nedavno se je pokazalo, da E. coli, ki izraža curli, spodbuja patologijo -Syn v črevesju in možganih miši, ki prekomerno izražajo človeški -Syn [78]. Izpostavljenost mikrobnim amiloidom lahko povzroči polimorfizem.

Namesto tega bi bilo zanimivo vprašati, ali različne oblike -Syn (polimorfi) izvirajo iz črevesja, se razširijo v možganske regije preko retrogradnega vagalnega transporta in povzročajo patologijo na način, specifičen za sev. V tem kontekstu so opazili strukturne in funkcionalne razlike med -Syn fibrili, ki nastanejo v prisotnosti in odsotnosti bakterijskega endotoksina lipopolisaharida (LPS) [31].

Znano je, da LPS modulira agregacijo -Syn s stabilizacijo -spiralnih intermediatov, ki nastanejo med njegovo agregacijsko potjo, kar povzroči fibrile s spremenljivo citotoksičnostjo in spremenjenim internalizacijskim vedenjem [266]. Poleg tega se je pokazalo, da je -Syn podvržen številnim PTM, kot so fosforilacija, oksidacija metionina, acetilacija, nitracija itd., ki so neposredno povezani z njegovo agregacijo in citotoksičnostjo [94,115,267,268].

Ker je pS129 najpogostejši PTM in glavna oblika -Syn v inkluzijskih telescih, lahko povzroči nastanek seva v -Synin vivo. Ma et al. je pokazalo, da fosforilacija pri Ser129 omogoča proteinu, da tvori poseben sev, ki se strukturno razlikuje z večjo citotoksičnostjo in različnimi lastnostmi razmnoževanja in vitro in v celicah v primerjavi s protipostavko divjega tipa (brez fosforilacije) [269].

Ne samo fosforilacija, ampak tudi N-terminalna acetilacija lahko prispeva k polimorfizmu fibril [267], kar nakazuje, da lahko že rahla modifikacija v zaporedju aminokislin -Syn pomembno vpliva na njegovo strukturo fibril. Sprememba v strukturi fibril lahko dodatno vpliva na širjenje fibril in vivo s selektivnim ciljanjem na različne tipe celic in celične populacije v možganih [32].

Te razlike, specifične za sev, se nato zvesto ohranijo skozi generacije [28,29,52] in vodijo do kliničnih razlik v začetku bolezni, nevroloških boleznih, profilu lezij itd. [32]

Na splošno te študije kažejo, da lahko v zapletenem in natrpanem okolju, kot je okolje acelice, subtilne okoljske in celične spremembe, prisotnost kofaktorjev ali drugih proteinov ter spremembe v primarnem zaporedju proteina povzročijo nastanek različnih polimorfov ali sevov. , kar ima za posledico različne izide bolezni.

For more information:1950477648nn@gmail.com