Diagnostični potencial amiloidogenih proteinov 1. del

Povzetek:

Nevrodegenerativne motnje so zelo razširjen razred bolezni, katerih patološki mehanizmi se začnejo pred pojavom kakršnih koli jasnih simptomov. To dejstvo je znanstvenike spodbudilo k iskanju biomarkerjev, ki bi lahko pomagali pri zgodnjem zdravljenju.

Tem trenutno neozdravljivim patologijam je skupna prisotnost aberantnih agregatov, imenovanih amiloidi, v živčnem sistemu, ki so sestavljeni iz specifičnih beljakovin.

V tem pregledu razpravljamo o tem, kako bi te proteine, njihove konformacije in modifikacije lahko uporabili kot biomarkerje za diagnostične namene.

Beljakovine so ena izmed pomembnih snovi za ohranjanje dobrega zdravja, pomembno pa vplivajo tudi na spomin. Beljakovine so sestavljene iz aminokislin, ki so surovine za možganske celice in nevrotransmiterje. Zato je vnos beljakovin tesno povezan s spominom.

Prvič, beljakovine so bistvena snov za telo pri izgradnji in obnavljanju tkiv. Možganske celice so bogate z encimi in regulatorji, ki za normalno delovanje potrebujejo beljakovine kot sestavino. Prenizka vsebnost beljakovin v telesu povzroči, da možganske celice ne delujejo normalno, kar vpliva na spomin. Zato ima vzdrževanje ustreznega vnosa beljakovin pomembno vlogo pri razvoju možganov in ohranjanju spomina.

Drugič, beljakovine vplivajo na povečanje aktivnosti možganskih celic. Človeško telo potrebuje veliko količino možganskih nevrotransmiterjev za vzdrževanje normalnega delovanja funkcij, kot so mišljenje, spomin in vedenje. Možganski nevrotransmiterji se sintetizirajo iz aminokislin v telesu, vir teh aminokislin pa so beljakovine. Zato lahko izbira živil, bogatih z visoko kakovostnimi beljakovinami, poveča sintezo možganskih nevrotransmiterjev, s čimer poveča aktivnost možganskih celic in pomaga izboljšati spomin.

Poleg tega beljakovine pomagajo ohranjati stabilnost telesa in preprečujejo nihanje sladkorja v krvi. Nizka raven sladkorja v krvi lahko povzroči simptome, kot so nepazljivost, omotica in utrujenost v telesu, ki pogosto vplivajo na zmogljivost spomina. Z vzdrževanjem zmernega vnosa beljakovin se lahko učinkovito izognemo nihanjem krvnega sladkorja, kar pripomore k ohranjanju stabilnosti telesa in izboljšanju spomina.

Skratka, beljakovine so tesno povezane s spominom. Zmeren vnos beljakovin lahko ohranja stabilnost telesa, poveča aktivnost možganskih celic in s tem izboljša spomin. Poskušajmo uživati ​​več kakovostne beljakovinsko bogate hrane, kot so ribe, meso, fižol in mlečni izdelki, ter se izogibati popolni odstranitvi beljakovin iz prehrane. To nam bo pomagalo ostati zdravi, izboljšati spomin in uživati ​​v boljšem življenju. Vidi se, da moramo izboljšati svoj spomin in Cistanche lahko bistveno izboljša spomin, saj je Cistanche tradicionalno kitajsko zdravilo s številnimi edinstvenimi učinki, med katerimi je tudi izboljšanje spomina. Učinkovitost Cistanche izhaja iz različnih aktivnih sestavin, ki jih vsebuje, vključno s taninsko kislino, polisaharidi, flavonoidnimi glikozidi itd., ki lahko na več načinov spodbujajo zdravje možganov.

Kliknite spoznajte 10 načinov za izboljšanje spomina

Osredotočamo se na beljakovine, ki so povezane z najpogostejšimi nevrodegenerativnimi motnjami, vključno z Alzheimerjevo in Parkinsonovo boleznijo, amiotrofično lateralno sklerozo in frontotemporalno demenco.

Opisujemo tudi trenutne izzive pri odkrivanju, najnovejše tehnike z diagnostičnim potencialom in možen prihodnji razvoj diagnostike.

Ključne besede: nevrodegenerativne bolezni; biomarker; amiloid; oligomer; posttranslacijska modifikacija.

1. Potreba po novih diagnostičnih pristopih za nevrodegeneracijo

Nevrodegenerativne bolezni so smrtne in neozdravljive bolezni, za katere je značilna progresivna izguba nevronov v določenih predelih živčnega sistema. So zelo heterogena skupina patologij, ki vključuje Alzheimerjevo bolezen (AD), Parkinsonovo bolezen (PD), frontotemporalno demenco (FTD) in amiotrofično lateralno sklerozo (ALS).

Trenutno po vsem svetu več kot 50 milijonov ljudi trpi za različnimi oblikami nevrodegeneracije [1]. Klinični potek nevrodegenerativnih bolezni običajno traja več let in vodi v progresivne motnje spomina, kognicije in gibanja v različnih obsegih, odvisno od specifične patologije [2]. . Obstoječe zdravljenje z zdravili se osredotoča na lajšanje teh simptomov [3].

Poleg tega se nevropsihološka ocena še vedno šteje za ključno pri diagnozi nevrodegeneracije, povezane z demenco [4]. Vendar se ključni molekularni mehanizmi bolezni pojavijo pred pojavom kakršnih koli pomembnih simptomov.

Razvoj natančnih diagnostičnih pristopov bi olajšal pravočasne terapevtske posege za obnovitev nevronske fiziologije, preden pride do nepopravljive poškodbe.

Spodbujalo bi tudi uvedbo novih terapevtikov in ponovno ovrednotenje sedanjih, ki bi lahko bile učinkovitejše, če bi jih dajali v zgodnejših fazah. Kljub nujni potrebi po diagnostičnih pristopih za nevrodegeneracijo je njihov razvoj še vedno velik izziv zaradi omejene dostopnosti možganov za fizični pregled in zapletenosti kliničnih testov, ki temeljijo na kognitivnih sposobnostih [2].

Nedavni tehnološki napredek je omogočil karakterizacijo novih poti, biomolekul in struktur v živčnem sistemu in drugih delih telesa, ki bi jih lahko uporabili kot označevalce bolezni nevrodegeneracije [5,6].

Čeprav imajo različne nevrodegenerativne bolezni nekaj različnih fenotipov, imajo tudi nekatere ključne molekularne značilnosti. Zlasti pri mnogih od teh motenj so specifični proteini in peptidi, ki bi bili običajno topni, podvrženi procesu samosestavljanja, ki vodi v nastanek velikih fibrilarnih agregatov, imenovanih amiloidi [7,8].

Ta proces vključuje tudi ustvarjanje manjših oligomernih intermediatov, ki so zelo strupeni in trenutno veljajo za glavne akterje v mehanizmih bolezni [8]. Agregacija amiloida je povezana tudi z drugimi procesi agregacije, kot je tvorba kondenzatov [9]. Vendar to ne bo v središču tega pregleda.

Tukaj opisujemo nekaj najbolj znanih amiloidogenih proteinov in njihov diagnostični pomen.

Osredotočamo se na amiloid-beta (A) in tau za AD, -sinuklein (-syn) za PD, spojen v sarkom (FUS), in TAR DNA-vezavni protein 43 (TDP-43) za ALS in FTD. Razpravljamo tudi o najsodobnejšem napredku v pristopih odkrivanja za spremljanje agregacije teh proteinov.

2. Amiloidna agregacija kot potencialni vir biomarkerjev

Amiloidi so netopni fibrilarni agregati, obogateni z navzkrižno strukturo, njihova tvorba pa je bila obsežno raziskana in vitro [7,8].

Amiloidna agregacija je sestavljena iz kompleksne mreže nukleacijskih dogodkov. Sprva topni monomerni proteini medsebojno delujejo in tvorijo oligomere s primarno nukleacijo. Primarno nukleacijo lahko sproži tudi prisotnost drugih biomolekul, kot so drugi proteini [10], nukleinske kisline [11,12] in membrane [13].

Oligomeri se nato pretvorijo v agregate višjega reda in nazadnje v amiloidne fibrile. Ko se oblikuje kritična koncentracija fibril, površina teh fibril katalizira tvorbo dodatnih oligomerov s sekundarno nukleacijo [7,8]. Fibrile se lahko tudi podaljšajo z dodajanjem monomerov na svojih koncih in so podvržene fragmentaciji [7,8]. Amiloidne fibrile so izjemno stabilne beljakovinske vrste zaradi svoje bogate vsebnosti navzkrižnih plošč [8,14–16].

Nasprotno, oligomeri se hitro pretvorijo v amiloidne agregate višjega reda (slika 1). Zaradi prehodne narave oligomerov jih je težko izolirati in karakterizirati na strukturni ravni.

Šele pred kratkim je bilo po zaslugi novih pristopov, kot sta fluorescenca ene molekule in elektronska mikroskopija [14,17,18], dokazano, da so oligomeri zelo heterogeni v svojih fizikalno-kemijskih lastnostih in strukturah, z različno vsebnostjo sekundarne strukture [16,19,20]. .

Oligomeri so strupeni zaradi številnih mehanizmov, vključno z nenormalnimi hidrofobnimi interakcijami. Pokazalo se je, da lahko oligomeri v tkivih in izoliranih celicah vplivajo na prepustnost membrane in ionsko homeostazo ter inducirajo oksidativni stres [16, 21–23].

Prosti radikali, ki jih povzročajo oligomeri, lahko nato sprožijo napačno zvijanje beljakovin, mitohondrijsko disfunkcijo in na koncu apoptozo [24]. Oligomeri A in -syn so bili povezani tudi z nevrovnetjem [22] in izgubo sinapse [25, 26].

Na nastanek amiloidnih fibril in oligomerov lahko vpliva več dejavnikov. Sem spadajo genetske mutacije, celični stres in prisotnost ali odsotnost specifičnih biomolekul.

Poleg tega so amiloidi obsežno posttranslacijsko modificirani in vivo [27–29] in posttranslacijske modifikacije (PTM) znatno spremenijo tvorbo in toksičnost amiloidnih fibril in vitro [27–31].

3. Amiloidogeni proteini, vključeni v nevrodegeneracijo

V kontekstu nevrodegeneracije lahko označevalce bolezni razdelimo na nevropsihološke, nevroslikovne, genetske in biokemične označevalce [2]. Zlasti biokemični označevalci (ali biomarkerji) so merljive molekule v našem telesu (npr. beljakovine, nukleinske kisline, metaboliti), ki poročajo o stopnji bolezni [32].

Amiloidogene beljakovine so obetavni biomarkerji, saj dajejo informacije o biokemičnem profilu disfunkcije živčnega sistema [2]. Spodaj izpostavljamo pomembne amiloidogene proteine ​​in njihove patološke modifikacije, ki lahko služijo kot biomarkerji za nevrodegenerativna stanja.

3.1. A in Tau v AD

AD je najpogostejša oblika demence. Značilne lezije v možganih AD so zunajcelični senilni plaki, sestavljeni iz amiloidnih agregatov A in znotrajceličnih nevrofibrilarnih pentlj (NFT), ki jih tvorijo parni vijačni amiloidni filamenti (PHF) hiperfosforiliranega proteina tau (p-tau) [2, 27].

A je kratek peptid, ki nastane s cepitvijo večjega transmembranskega prekurzorja, imenovanega amiloidni prekurzorski protein (APP), z zaporedno cepitvijo - in -sekretaz in se sprosti v zunajcelični prostor [2, 33].

Ta proces lahko ustvari izooblike A različnih dolžin (tabela 1), ki imajo različne stopnje toksičnosti v kontekstu AD [34]. Najpogostejše izooblike A so 40- in 42-ostanki longonov, na splošno imenovani A 40 oziroma A 42. A 40 je najbolj razširjena različica v plakih (~80 % do 90 %) in je prisotna tudi v možganih zdravih ljudi.

A 42 ima veliko večjo nagnjenost k agregaciji in povečanje razmerja A 42/A 40 je povezano z AD in drugimi oblikami demence [30, 34] (tabela 2). Poleg cepitve so bile z AD povezane genetske mutacije (A692G, E693Q v genu APP [35,36], tabela 2) in številni drugi PTM A, vključno z oksidacijo, fosforilacijo, glikozilacijo in izomerizacijo [30].

Študije kažejo na pojav acetilacije (npr. Lys16 in Lys28), fosforilacije (npr. Ser8 in Ser26), nitracije (npr. Tyr10), piroglutamata (npr. Glu3 in Glu11), izomerizacije (npr. Asp1 in Asp7) in racemizacije (npr. , Asp1, Asp23 inSer26) v kontekstu bolezni [30,37–39] (tabela 1).

Treba je omeniti, da kognitivni upad bolj korelira s topnimi vmesnimi oblikami A kot s stopnjo amiloidnih usedlin [16]. Tau je glavni protein, povezan z mikrotubulami, ki stabilizira mikrotubule v nevronih [2,40]. V človeških možganih tau obstaja kot šest različnih izooblik, ki nosijo tri ali štiri ponovitve vezave mikrotubulov (R). Te izoforme se imenujejo 3R oziroma 4R.

Ugotovljeno je bilo, da je prisotnost bodisi 3R ali 4R ali obeh 3R in 4R amiloidov specifična za bolezen. Na primer, pri AD, ALS, FT, D in parkinsonizmu so prisotni amiloidi 3R in 4R, medtem ko so pri kortikobazalnih degeneracijah in Pickovi bolezni najdeni le amiloidi 4R oziroma 3R [41,42]. Tau je podvržen PTM, zlasti fosforilaciji [40].

Patološka hiperfosforilacija zmanjša afiniteto tau za mikrotubule in povzroči njihovo ločitev od mikrotubulov, kar povzroči nastanek PHF in NFT [2].

Do danes je bilo ugotovljenih 85 možnih mest fosforilacije tau [40]. Poleg tega so molekularne in celične študije pokazale, da acetilacija (npr. Lys174, Lys274 in Lys280), oksidacija (npr. Cys322), nitracija (npr. Tyr29), glikacija (npr. Lys87, Lys132 in Lys150), okrnitev (npr. pri Asp13 in Asp421 in Glu391) in vseprisotnost (npr. Lys48 in Lys63) prav tako vplivata na agregacijo tau [27] (tabela 1).

3.2. -Syn v PD

Za razliko od AD, PD primarno prizadene motorični sistem, kar povzroča tresenje, togost, bradikinezijo in posturalno nestabilnost [2]. Patološki znak PD je pojav citoplazemskih amiloidnih vključkov, znanih kot Lewyjeva telesca (LB) in Lewyjev nevriti (LN). LB in LN so sestavljeni iz amiloidnih agregatov, katerih glavna komponenta je -syn [43].

-Syn vsebuje 140 ostankov s pozitivno nabito N-terminalno regijo, k agregaciji nagnjeno neamiloidno komponento (NAC) centralno regijo, n,n, in negativno nabito C-terminalno regijo [44,45].

Podvojitve ali podvajanja na kromosomski regiji -syn (4q21-23) in mutacije, vključno z A53T, G51D, H50Q, E46K in A30P v zaporedju -syn, področja, povezana z zgodnjim pojavom PD [46–48] (tabela 2 ). -Syn spada v družino beljakovin, ki vključuje tudi - in -sinukleine s 55–62 % podobnostjo. -Sinuklein ima zmanjšano nagnjenost k agregaciji in odkrili so, da zavira agregacijo -syn kot naravnega zaviralca, medtem ko lahko oksidirani -sinuklein sproži agregacijo -syn [49, 50].

Znano je, da več PTM vpliva na agregacijo -syn, so povezani s PD [28] in imajo diagnostični potencial [51] (tabela 1).

Ti vključujejo N-terminalno acetilacijo, več skrajšanj na N-koncu (npr. -syn7-140, 14-140, 40-140 in 72–140, ki jih najdemo in vitro, 5–140 in 68 –140 najdemo in vivo in več v obeh) in C-konca (npr. -syn1-115, 1-119, 1-122, 1-124, 1-125, {{ 19}}, 1-133 in 1-135), fosforilacijo Ser87 in Ser129, oksidacijo Met1, Met5, Met116 in Met127, sumoliacijo Lys96 in Lys102, nitracijo Tyr39, Tyr125 in Tyr133 ter ubikvitinacijo Lys6 , Lys10, Lys12 Lys21, Lys23, Lys43 in Lys96 [28, 52, 53] (tabela 1).

3.3. TDP-43 in FUS v ALS in FTD

ALS in FTD sta nevrodegenerativni bolezni s prekrivajočimi se mehanizmi. ALS prizadene zgornje in spodnje nevrone, kar povzroči izgubo nadzora mišic. FTD je oblika demenciala, povezana z degeneracijo čelnega in sprednjega temporalnega režnja [54].

Približno 97 % primerov ALS in 45 % primerov FTD je povezanih s prisotnostjo vključkov agregatov ubikvitiniranega, hiperfosforiliranega in C-končno okrnjenega TDP-43 v citoplazmi nevronov in glialnih celic [29].

TDP-43 je 414 ostankov dolg ribonukleoprotein, ki lahko v patoloških pogojih tvori amiloidu podobne agregate in vitro in kondenzate (tj. stresne granule) [9]. Sestavljen je iz N-terminalnega trakta z jedrnim lokalizacijskim signalom, dveh motivov za prepoznavanje RNK, jedrskega izvoznega signala in neurejene C-terminalne regije [29].

Poročali so, da imajo vse te regije ključno vlogo pri agregaciji beljakovin [55–57]. Več mutacij TDP-43 je bilo ugotovljenih tako v občasnih kot v družinskih primerih ALS in FTD, vključno z G294A, Q331K, M337V [58] in K181E [59] (tabela 2). Tako kot pri A in -syn imajo tudi PTM TDP-43 ključno vlogo pri agregaciji proteina in napredovanju bolezni.

Treba je omeniti, da so okrnjeni 25 kDa in 35 kDa C-terminalni fragmenti pogosto najdeni v patoloških agregatih pri bolnikih z ALS [29,31,54]. Vseprisotnost je tudi tipična modifikacija vključkov TDP-43 [31]. Nenazadnje so nenormalna fosforilacija, acetilacija in oksidacija TDP-43 pogosto povezane z napačno lokalizacijo in nenormalno agregacijo proteina [29] (tabela 1).

ALS in FTD sta povezana tudi z drugim proteinom, ki veže RNA/DNA, FUS. FUS je protein s 526 ostanki, ki ga tvorita N-terminalna transkripcijska aktivacijska domena in C-terminalna domena, ki medsebojno deluje s transkripcijskimi faktorji in vključuje tudi jedrski lokalizacijski signal [60,61].

Obe domeni vsebujeta regije nizke kompleksnosti in igrata vlogo pri tvorbi kondenzatov in hidrogelov [62]. V primerih ALS/FTD so poročali o več kot 50 mutacijah (npr. R521C, R521H [63]) FUS.

Za razliko od TDP-43 je FUS na splošno najden kot protein polne dolžine v agregatih [61]. Fosforilacija poteka v prionom podobnih domenah FUS in dokazano vpliva na njegovo fazno ločevanje in agregacijski vzorec, medtem ko je ugotovljeno, da mutacije in PTM (predvsem metilacija in fosforilacija) na njegovi C-terminalni domeni uravnavajo njegovo jedrsko/citoplazmatsko lokalizacijo [61,64].

Kljub jasni patološki vlogi FUS so fenotipi ALS/FTD manj pogosto povezani s FUS kot z disfunkcijo TDP-43 [61,65]. Tako je treba še določiti vlogo FUS kot biomarkerja.

4. Diagnostični potencial genetskih, strukturnih in kemičnih lastnosti amiloidogenih proteinov

Za kvantifikacijo amiloidogenih proteinov v bioloških vzorcih in za določitev povezave med temi proteini in nevrodegenerativnimi boleznimi je bilo uporabljenih več pristopov odkrivanja.

Nekatere od teh strategij so namenjene kvantificiranju sprememb ravni izražanja/koncentracije amiloidogenih proteinov ne glede na njihovo konformacijo ali modifikacijo (tabela 2). Nekateri drugi pristopi se namesto tega osredotočajo na raziskovanje specifičnih strukturnih (npr. agregiranih stanj) ali kemičnih (tj. PTM) lastnosti amiloidogenih proteinov (tabela 1).

Vsi ti pristopi analizirajo različne predele telesa. Tehnike, kot je pozitronska emisijska tomografija (PET), lahko sondirajo beljakovine neposredno v centralnem živčnem sistemu (CNS), na primer v možganih [2,44,66].

Amiloidogene beljakovine pa je mogoče odkriti tudi v drugih bolj dostopnih delih telesa. V tem razdelku razpravljamo o ugotovitvah, pridobljenih z analizo možganskih tkiv in dostopnih telesnih tekočin, predvsem z uporabo imunskih testov, kot sta imunobloting in encimsko vezani imunski testi (ELISA).

Obravnavane tekočine vključujejo cerebrospinalno tekočino (CSF), ki je v neposrednem stiku z zunajceličnim delom možganov in je kot taka optimalna tekočina za meritve možganskega metabolizma [44].

For more information:1950477648nn@gmail.com