Strukturni in funkcionalni vpogled v polimorfizem sinukleinskih fibril 4. del

7. Ločevanje faz in nukleacija: Molekularna osnova polimorfizma fibril

Kmalu po odkritju, da agregacija -Syn ni povezana samo s PD, ampak tudi z MSA in DLB, je bilo ključno raziskovalno področje osredotočeno predvsem na razumevanje sposobnosti proteina, da povzroči klinično in patološko raznolike nevrodegenerativne motnje.

Ko boste starejši, boste morda ugotovili, da vaš spomin ni tako dober, kot je bil v otroštvu. Včasih se vam morda celo zdi, da so vaši možgani "zarjaveli" in si težko zapomnite nove informacije. Toda kaj je mogoče storiti, da se to stanje izboljša? Raziskave zadnjih let so pokazale, da obstaja tesna povezava med MSA (dopamin-saharidni kompleks) in spominom.

MSA je nevronski krog, ki vključuje nevrotransmiter dopamin. Dopamin je pomemben nevrotransmiter v možganih in je povezan s čustvi, motivacijo in gibanjem. Sončni kamni so jedra v možganih, ki nadzorujejo gibanje in usklajujejo gibanje. Povezava z dopaminom je v tem, da ko dopamin stimulira bazalno telo, poveča povezave med možganskimi nevroni in tako spodbuja nastanek in utrjevanje spomina.

Raziskave kažejo, da je MSA mogoče aktivirati in spodbuditi z digitalnimi igrami, glasbenim treningom, telesno vadbo in socialno interakcijo. Ti načini lahko okrepijo povezavo s cerebrospinalno tekočino s povečanjem sproščanja dopamina. Na primer, dokazano je, da statične možganske vaje, kot so sudoku in križanke, izboljšujejo spominske sposobnosti. Dokazano je tudi, da glasbeno usposabljanje stimulira MSA vezja in krepi spominske sposobnosti. Poleg tega se je pokazalo, da imata telesna vadba in socialna interakcija pozitiven vpliv na aktivacijo MSA, s čimer spodbuja zdravje možganov in izboljšanje spomina.

Če povzamemo, ker aktivnosti MSA pozitivno vplivajo na spomin, je iskanje in sodelovanje v dejavnostih, ki spodbujajo MSA, pomemben korak pri izboljšanju spomina. Biti fizično aktiven, udeležba v družabnih dejavnostih in učenje novih veščin lahko aktivirajo in spodbudijo vezje MSA, s čimer spodbujajo izboljšano zdravje možganov in spomin. Začnimo od zdaj naprej in aktivno sodelujmo v teh dejavnostih, da v svoje možgane vlijemo novo energijo in vitalnost. Vidimo, da moramo izboljšati spomin, in Cistanche deserticola lahko bistveno izboljša spomin, saj je Cistanche deserticola tradicionalno kitajsko zdravilno sredstvo, ki ima številne edinstvene učinke, eden od njih je izboljšanje spomina. Učinkovitost Cistanche deserticola izhaja iz številnih aktivnih sestavin, ki jih vsebuje, vključno s taninsko kislino, polisaharidi, flavonoidnimi glikozidi itd. Te sestavine lahko spodbujajo zdravje možganov na različne načine.

Kliknite Spoznajte načine za izboljšanje delovanja možganov

V zadnjih nekaj letih se je hipoteza o prionskem sevu pojavila kot vodilna razlaga za opaženo variabilnost bolezni pri sinukleinopatijah. Čeprav vrsta biofizikalnih in bioloških podatkov podpira obstoj sevov -Syn [29,30,32–35,53], še vedno ni jasno, kako ti sevi izvirajo in dejavniki, ki spodbujajo njihov nastanek in vivo.

Verjeten odgovor bi lahko bil v razmejitvi agregacijskih poti in razločevanju molekularnih gonil, ki so podlaga za nastanek seva. Nastajanje amiloida ne ureja le primarna nukleacija, temveč prevladujejo sekundarni nukleacijski dogodki skozi večino faze agregacijske rasti, kot smo že razpravljali [189].

Ta sekundarna nukleacija vključuje podaljšanje novih fibril iz obstoječih semen z pridobivanjem monomerov iz raztopine. Kakršne koli spremembe v pogojih raztopine fibril ponavadi spremenijo hitrost primarnih in sekundarnih nukleacijskih dogodkov [188,189]. Kisli pH na primer poveča vezavo -Syn monomerov na površino fibril, s čimer se poveča sekundarna stopnja nukleacije [189,302].

Ker se razmnoževanje agregatov, povzročeno s semeni, pripisuje fragmentaciji in raztezanju fibrilnih semen, nas to vodi do hipoteze, da je pojav deformacije vsaj delno posledica sekundarne nukleacije. Poleg tega več vrst sobiva na različnih stopnjah agregacijske kinetike [17,303,304], kar kaže na vpletenost agregacijskih intermediatov pri določanju polimorfizma.

Kartiranje konformacijskega prostora monomera -Syn razkriva strukturno subpopulacijo monomera -Syn, ki spodbuja njegovo vezavo na membrane in inducira tvorbo različnih oligomerov in fibril [170].

Naš laboratorij je pred kratkim dokazal, da je heterogena nukleacija med agregacijsko potjo osnova za izvor polimorfizma [252]. Ustvarili smo dva različna polimorfa, HMF (Helix matured fibrils) in PMF (Pre-matured fibrils), iz agregacijskih intermediatov, oblikovanih pod enakimi pogoji sestavljanja.

PMF nimajo stabilnega amiloidnega jedra in imajo naključno vsebnost tuljav skupaj z elementi -sheet. Poleg tega strukturiran -sheet iz ostankov 74–79 ni v svoji domeni NAC (ostanki 65–80), kar nakazuje, da so PMF-ji manj urejena fibrila vrste. Nasprotno, morfološko in strukturno različni HMF so bolj kompaktni in dobro urejeni s stabilnim fibrilnim jedrom [252].

Ti vsebujejo zelo izpostavljene hidrofobne površine in so potencialno bolj strupeni kot manj urejeni PMF. Ti polimorfi ne kažejo samo strukturnih razlik, temveč kažejo tudi različne biološke aktivnosti [252].

Podobna študija, ki je vključevala identifikacijo agregacijskih intermediatov v prisotnosti fosfolipidne membrane, je pokazala, da predfibrilarne vrste vsebujejo dve regiji zank z ostanki od 57 do 61 in od 71 do 80 [305]. Ti intermediati se nato prerazporedijo v fibrilarne vrste, pri čemer večina NAC regije in N-konec (ostanki 38–80) tvorita del končne fibrilne konformacije [305].

Poročali so tudi o študijah z agregati A, PrP in tau, kjer zaradi strukturnih razlik med polimorfi izhajajo različne biološke lastnosti [28,306–309]. Na primer, morfološko in strukturno različne fibrile A, ki nastanejo v mirovanju in vznemirljivih pogojih, kažejo pomembne razlike v toksičnosti v primarnih nevronih, pri čemer so mirujoče fibrile bolj toksične v primerjavi z drugimi [28].

Niz strukturno raznolikih konformacij PrPSc kaže tropizem gostiteljske celice, s specifičnim naborom sevov, ki prednostno ciljajo na nevrone, astrocite ali celo na oboje [307,308]. Tako lahko sevi -Syn, ki izhajajo iz heterogene nukleacije v agregacijski poti, povzročijo klinične in patološke razlike v PD. z izkazovanjem spremenljive citotoksičnosti in različnih lastnosti, podobnih prionom (slika 5).

V zadnjem času je razvoj koncepta agregacije proteinov v bolj temeljni pojav, namreč ločevanje tekoče-tekoče faze (LLPS), pomembno vplival na področje in usmeril raziskave v novo smer [310–314]. Proteini se inkubirajo v različnih pogojih, na primer pri pH, temperaturi in soli [315–317].

Dogodki ločevanja faz se spodbujajo v prisotnosti molekularnih množic, kot so polietilen glikol, dekstran ali fikol, ki pomagajo pri povečanju lokalne koncentracije beljakovin in olajšajo nastajanje kapljic [315–318]. Nato se z edinstveno kombinacijo biofizikalnih, biokemičnih in spektroskopskih metod razišče dinamika, zorenje in profil agregacije [315,317].

Pokazalo se je, da pojavi faznega ločevanja različnih amiloidogenih proteinov pred agregacijo in tvorbo fibril. Predlagano je bilo, da prisotnost regij intrinzičnih motenj (IDR), prionom podobnih domen (PLD) in domen nizke kompleksnosti (LCD) spodbuja tvorbo fazno ločenih kondenzatov amiloidogenih proteinov [310,315,316,319,320].

Naš laboratorij je pred kratkim pokazal, da je LLPS -Syn kritičen dogodek v zgodnji fazi zamika in je pred njegovo agregacijo v pogojih ločevanja faz (prisotnost gneče, stresorjev, amiloidnih kofaktorjev itd.) [315].

Pojav teh med fazo ločenih kapljic v fazi zaostanka agregacijske kinetike nakazuje, da LLP lahko povečajo dogodke nukleacije s povečanjem lokalne koncentracije proteinskih molekul [315,320]. Poleg tega fazno ločene kapljice -Syn sčasoma prehajajo iz tekočine v trdno in povzročijo nastanek amiloidnega hidrogela [315].

Prej je bilo dokazano, da ti amiloidni hidrogeli ujamejo citotoksične oligomere in fibrile [321], kar kaže na možnost, da so lahko fibrili, oblikovani preko LLPS, strupeni. Vendar pa pod običajnimi pogoji sestavljanja (brez ločevanja faz) fibrile -Syn kažejo zelo malo ali nič citotoksičnosti [322,323]. To nakazuje, da bi se lahko fibrili, ki nastanejo v pogojih ločevanja faz in v pogojih brez ločevanja faz, razlikovali.

Poleg tega tvorba fibril v razredčenih raztopinah (znano, da se pojavi prek primarne in sekundarne nukleacije) [189] in tvorba znotraj kondenzatov (prek LLPS) nista medsebojno izključujoča dogodka [324], vendar lahko različne agregacijske poti povzročijo tvorbo različnih fibril (slika 6).

Na primer, TDP-43, protein, vključen v ALS/FTD, je podvržen fibrilaciji z ali brez LLPS. Kljub temu je kinetika fibrilacije v obeh primerih različna, kar kaže na vpletenost kompleksnih procesov v fibrilacijo v prisotnosti LPS [329].

Zato bi bilo zelo pomembno zastaviti nekaj vprašanj, na primer, ali so fibrili, ki nastanejo z ali brez ločevanja faz, strukturno in funkcionalno ločeni drug od drugega ali, preprosto povedano, kažejo polimorfizem fibril. Ali imajo različni pogoji ali mutacije LLPS kakršno koli vlogo pri odločanju o deformacijskem obnašanju nastalih fibril -Syn?

Na primer, pokazalo se je, da imajo patogene mutacije v FUS drugačne biofizikalne lastnosti v primerjavi z beljakovinami divjega tipa [327]. Te ugotovitve kažejo, da so lahko podobno kot pri pogojih brez ločevanja faz, kjer različni pogoji raztopine povzročijo polimorfe [29], tudi fibrili, oblikovani pod različnimi pogoji ločevanja faz, različni (slika 7).

Na primer, faza -Syn, ki se loči pod različnimi pogoji, kot je prisotnost PTM-jev, družinskih mutacij, majhnih molekul ali kovinskih ionov, lahko pokaže polimorfizem in tvori različne vrste fibril (slika 7).

Vendar pa je treba ta pojav še določiti, saj bi zahteval obsežno karakterizacijo fibril, ki nastanejo znotraj kapljic. ​​Verjamemo, da bi soobstoj konformacijsko različnih vmesnih vrst in množice agregacijskih poti, opaženih z ali brez LLPS, lahko predstavljal osnovo za izvor polimorfizma .

Vendar pa je potrebnih več raziskav na tem področju, da se opredeli prispevek heterogene nukleacije in večkratnih agregacijskih poti k fibrilnemu polimorfizmu. Razvoj in uporaba različnih biofizikalnih tehnik bi nam lahko pomagala pridobiti vpogled v informacije o molekularnih dogodkih, ki se dogajajo med LLPS in kasnejšim zorenjem kapljic.

8. Klinične in terapevtske posledice polimorfizma

Študije, obravnavane v pregledu, zagotavljajo prepričljive dokaze, da lahko -Syn tvori različne polimorfe z različnimi strukturnimi in biološkimi lastnostmi. Podobno kot pri prionih, kjer je vsaka prionska bolezen kodirana z ločeno konformacijo napačno zvitega proteina, je vsaka sinukleinopatija morda povezana tudi z edinstveno strukturo -Syn.

Vendar pa različne fibrilne strukture za isti protein predstavljajo več izzivov pri razvoju zdravil proti nevrodegenerativnim motnjam. Terapije, kot je imunoterapija, bi bile zelo specifične za določen sev, vendar morda ne bi prepoznale drugega. Podobno je treba pri razvoju majhnih terapevtskih molekul ali zdravil za blokiranje ali upočasnitev procesa agregacije beljakovin pregledati več konformacij. Glede na kompleksnost fibril in njihov polimorfizem bi lahko bila možnost ciljanje na monomerni -Syn.

Vendar pa je to tudi izziv zaradi intrinzično neurejene narave proteina. Kljub tem izzivom bo odkrivanje in karakterizacija bolnikovih sevov -Syn odprla okno priložnosti za globlje razumevanje in karakterizacijo sinukleinopatij. Omogočil bo razvoj novih terapij in robustnejših klasifikacijskih sistemov sinukleinopatij.

V tem kontekstu so zelo občutljive tehnike, kot je PMCA [330], preizkus pretvorbe, povzročene s potresom v realnem času (RT-QuIC) [331] in HANdaiamiloid burst inducer (HANABI) [332], znatno prispevale k ojačanju -sinagregatov iz cerebrospinalne tekočine bolnikov. možgani. PMCA in RT-QuIC sta bila uporabljena za razlikovanje med sevi -Syn pri bolnikih s PD/MSA in PD/DLB [52,333].

Uporaba teh tehnik bi pomagala pri spremljanju napredovanja bolezni skozi čas in pomagala pri zgodnji in specifični diagnozi sinukleinopatij. Poleg tega lahko klinične in patološke razlike ter heterogenost med bolniki, opažene pri PD in sorodnih motnjah, vplivajo na to, kako je treba zdraviti bolnike s sinukleinopatijo. Od zdaj so vsi bolniki s PB deležni iste vrste zdravljenja, med bolniki pa se ne razlikuje glede na to, kako so bolezen pridobili in kakšne simptome imajo.

Zato predvidevamo, da lahko zdravila in terapevtska sredstva, namenjena ciljanju na patogene vrste -Syn, vključujejo uporabo enega samega zdravila na osnovi konformacije ali koktajla zdravil proti različnim polimorfom ali sevom, ki so naseljeni v obolelih človeških možganih. Poleg tega je treba pri zdravljenju bolnikov s sinukleinopatijami upoštevati več ključnih parametrov za vsak primer posebej, kot so profil bolezni, patološki in klinični simptomi, vrste in narava vpletenih proteinskih sevov ter stopnja napredovanja bolezni.

Zato je prepoznavanje možnih terapevtskih ciljev in oblikovanje konformacijskih zdravil naslednji velik korak k razvoju zdravil proti PB in sorodnim motnjam. Vzpostavitev povezave med širjenjem astraina in fenotipom bolezni bo zagotovila dragocen vpogled v razvoj učinkovitih strategij za boj proti nevrodegenerativnim motnjam.

Drug izziv je dovajanje zdravil v možgane za zdravljenje nevrodegenerativnih motenj, ki se večinoma soočajo z zastoji zaradi restriktivnih krvno-možganskih pregrad [32]. Opravljeni so bili številni poskusi dostave zdravil z nanonosilci, metodami neposredne dostave zdravil, prehodnimi motnjami krvno-možganske pregrade in terapijami z matičnimi celicami [33–37]. Vendar pa nobeno od zdravljenj ni uspelo v celoti premagati trenutnih izzivov [32].

9. Zaključne opombe in odprta vprašanja

Prionom podobno obnašanje -Syn je še vedno skrivnosten pojav. Presenetljivo je, kako se lahko en sam protein brez pravilne strukture zvije na veliko različnih načinov in sprejme konformacije, ki povzročijo različne patologije.

Mnoga neodgovorjena vprašanja potrebujejo nadaljnjo preiskavo, tudi po impresivni količini dela na polimorfih in sevih -Syn. Na primer, kaj spodbuja nastanek seva -Syn v danih celičnih in okoljskih pogojih? Kako ti sevi ciljajo na različne vrste celic in možganske regije? Ali se sevi -Syn sčasoma razvijajo, spreminjajo ali prilagajajo glede na dejavnike gostitelja?

Kako prisotnost drugih proteinov, ligandov, membran ali kofaktorjev vpliva na nastanek seva? Ali imajo sevi -Syn sposobnost medsebojnega videnja in povzročijo mešane patologije? Ali sevi -Syn motijo ​​in blokirajo razmnoževanje drug drugega, podobno kot prioni?

Ali je to mogoče ali imamo dovolj občutljive tehnike za razlikovanje med sevi PD in MSA v zgodnji fazi diagnoze? Glede na razširitev pojava prionskega seva na več drugih amiloidogenih proteinov bo morda potrebno razumeti tudi ključne molekularne dogodke v biologiji seva in načrtno učinkovite strategije.

Avtorski prispevki: Konceptualizacija, SM in SKM raziskava (pregled literature); SM;LG; RB in ASS; pisanje-priprava izvirnega osnutka, SM; LG; RB in ASS; pisanje-recenzijain redakcija, SM; LG; RB; ASS in SKM; vizualizacija, SM; projektna administracija, SM in SKM; nadzor, SM in SKM; pridobivanje sredstev, SKM, SM in SKM enakopravno prispevajo ustrezni avtorji. Vsi avtorji so prebrali in se strinjali z objavljeno različico rokopisa.

Financiranje: to raziskavo je financiral Oddelek za biotehnologijo (DBT) [BT/PR22749/BRB/10/1576/2016], indijska vlada.

Izjava institucionalnega nadzornega odbora: Ni primerno.

Izjava o informiranem soglasju: Ni primerno.

Izjava o razpoložljivosti podatkov: Ni uporabno.

Zahvala: Avtorji se zahvaljujejo Oddelku za biotehnologijo (DBT), indijske vlade za finančno podporo. Pradeepu Kaduju se zahvaljujemo za pomoč pri izdelavi figur. SM je hvaležna komisiji za univerzitetne štipendije Indije za njeno štipendijo.

Navzkrižje interesov: Avtorji izjavljajo, da ni navzkrižja interesov.

Okrajšave

-sinuklein (-Syn), Parkinsonova bolezen (PD), multipla sistemska atrofija (MSA), demenca z Lewyjevimi telesci (DLB), demenca zaradi Parkinsonove bolezni (PDD), Lewyjeva telesca (LB), Lewyjevi nevriti (LN), Alzheimerjeva bolezen (AD) ), Glialni citoplazemski vključki (GCI), posttranslacijske modifikacije (PTM), divji tip (WT), krioelektronska mikroskopija (cryo-EM), NMR spektroskopija v trdnem stanju (ssNMR); transmisijska elektronska mikroskopija (TEM), mikroskopija na atomsko silo (AFM), krožni dikroizem (CD), dorzalno motorično jedro vagusnega živca (DMV), enterični živčni sistem (ENS); -Sinuklein (sin); -sinuklein (-Syn); Protein misfolding cyclic amplification (PMCA); Fazno ločevanje tekočina-tekočina (LLPS).

Reference

1. Spillantini, MG; Goedert, M. Alfa-sinukleinopatije: Parkinsonova bolezen, demenca z Lewyjevimi telesi in večsistemska atrofija. Ann. NY Acad. Sci. 2000, 920, 16–27. [CrossRef] [PubMed]

2. Spillantini, MG; Crowther, RA; Jakes, R.; Hasegawa, M.; Goedert, M. -Sinuklein v filamentnih vključkih Lewyjevih telesc iz Parkinsonove bolezni in demence z Lewyjevimi telesci. Proc. Natl. Akad. Sci. ZDA 1998, 95, 6469–6473. [CrossRef] [PubMed]

3. Spillantini, MG; Schmidt, ML; Lee, VM; Trojanowski, JQ; Jakes, R.; Goedert, M. A-sinuklein v Lewyjevih telescih. Narava 1997, 388, 839–840. [CrossRef]

4. Galvin, JE; Lee, VM; Trojanowski, JQ Sinukleinopatije: klinične in patološke posledice. Arh. Nevrol. 2001, 58, 186–190.[CrossRef]

5. Mahul-Mellier, AL; Burtscher, J.; Maharjan, N.; Weerens, L.; Croisier, M.; Kuttler, F.; Leleu, M.; Knott, GW; Lashuel, HA Proces tvorbe Lewyjevega telesca je eden od glavnih dejavnikov nevrodegeneracije in ne le fibrilizacija alfa-sinukleina. Natl. Akad. Sci. ZDA 2020, 117, 4971–4982. [CrossRef] [PubMed]

6. Shahmoradian, SH; Lewis, AJ; Genoud, C.; Hench, J.; Moors, TE; Navarro, PP; Castano-Diez, D.; Schweighauser, G.; GraffMeyer, A.; Goldie, KN; et al. Lewyjeva patologija pri Parkinsonovi bolezni je sestavljena iz prenatrpanih organelov in lipidnih membran. NatNeurosci. 2019, 22, 1099–1109. [CrossRef] [PubMed]

7. Prevoznine, MB; Jagannath, S.; Lashuel, HA Povratni inženiring Lewyjevih teles: Kako daleč smo prišli in kako daleč lahko gremo? Nat.Rev. Neurosci. 2021, 22, 111–131. [CrossRef] [PubMed]

8. Serpell, LC; Berriman, J.; Jakes, R.; Goedert, M.; Crowther, RA Difrakcija vlaken sintetičnih alfa-sinukleinskih filamentov kaže amiloidu podobno navzkrižno beta konformacijo. Proc. Natl. Akad. Sci. ZDA 2000, 97, 4897–4902. [CrossRef] [PubMed]

For more information:1950477648nn@gmail.com