Przesłuchy między różnymi ścieżkami naprawy DNA przyczyniają się do chorób neurodegeneracyjnych. Część 1

Proste podsumowanie:

Stała ekspozycja na czynniki endogenne i środowiskowe powoduje stres oksydacyjny i uszkodzenie DNA. Rzadkie zaburzenia mózgu spowodowane defektami w naprawie DNA i sygnalizacji reakcji na uszkodzenie DNA (DDR) dowodzą, że brak przetwarzania uszkodzeń DNA może prowadzić do neurodegeneracji.

Związek między uszkodzeniem DNA a pamięcią to temat, który przyciąga wiele uwagi badaczy. Wraz ze wzrostem długości życia człowieka i zmianami środowiska życia, wpływ uszkodzeń DNA wzrasta. Możemy jednak lepiej zrozumieć powstawanie i utrzymanie ludzkiej pamięci, badając związek między uszkodzeniem DNA a pamięcią, poprawiając w ten sposób jakość naszego życia.

Według badań występowanie uszkodzeń DNA jest powiązane z takimi czynnikami, jak starzenie się, promieniowanie ultrafioletowe i narażenie na chemikalia. Czynniki te mogą powodować zmiany w zasadach DNA, wpływając w ten sposób na ekspresję genów i syntezę białek, a tym samym wpływając na normalne funkcjonowanie organizmu. W tym obszarze badań naukowcy odkryli, że uszkodzenie DNA może wpływać na ludzką pamięć. Wstępne badania eksperymentalne potwierdziły związek pomiędzy uszkodzeniem DNA a pamięcią człowieka. Dalsze badania wykazały, że nasz organizm potrafi się sam naprawiać, czyli naprawiać DNA. Jeśli DNA ulegnie uszkodzeniu, organizm automatycznie dostosuje ekspresję genów, aby je naprawić i zapobiec utracie pamięci. Odkrycie to pokazuje, że zdolność organizmu do samonaprawy ma również znaczny wpływ na naszą pamięć.

Ponadto czynniki takie jak zdrowa dieta, umiarkowane ćwiczenia i relaks mogą również pomóc w ograniczeniu występowania uszkodzeń DNA. Dlatego możemy zmniejszyć wpływ uszkodzeń DNA na pamięć, dokonując pewnych zmian w stylu życia. Utrzymywanie dobrych nawyków życiowych może pomóc w zdolności organizmu do samonaprawy i zapobiec utracie pamięci.

Podsumowując, rzeczywiście istnieje związek między uszkodzeniem DNA a ludzką pamięcią, ale we współczesnym życiu możemy nie być w stanie całkowicie uniknąć uszkodzeń DNA. Dlatego musimy zachować pozytywne nastawienie i podjąć pewne działania, aby zmniejszyć wpływ uszkodzeń DNA. Tylko w ten sposób możemy lepiej chronić naszą pamięć i cieszyć się szczęśliwszym i zdrowszym życiem. Widać, że musimy poprawić naszą pamięć, a Cistanche może znacznie poprawić pamięć, ponieważ Cistanche to tradycyjna medycyna chińska o wielu unikalnych efektach, z których jednym jest poprawa pamięci. Skuteczność Cistanche wynika z różnych zawartych w nim składników aktywnych, w tym kwasu garbnikowego, polisacharydów, glikozydów flawonoidowych itp., które mogą na wiele sposobów promować zdrowie mózgu.

Kliknij Poznaj pamięć krótkotrwałą, jak ją ulepszyć

W tym przeglądzie przedstawiamy mechanizmy łączące DDR z neurodegeneracją w tych zaburzeniach i omawiamy ich znaczenie dla powszechnych chorób neurodegeneracyjnych związanych z wiekiem (NDD).

Co więcej, podkreślamy niedawny wgląd w przesłuchy między DDR a innymi procesami komórkowymi, o których wiadomo, że są zakłócane podczas NDD.

Abstrakcyjny:

Integralność genomu jest utrzymywana poprzez naprawę DNA i reakcję na uszkodzenie DNA (DDR). Defekty w niektórych genach naprawy DNA są przyczyną wielu rzadkich postępujących chorób neurodegeneracyjnych (NDD), takich jak ataksja ruchowa oczna, choroba Huntingtona (HD) i ataksja rdzeniowo-móżdżkowa ( SC).

Sugeruje się również, że rozregulowanie lub dysfunkcja DDR przyczynia się do częstszych chorób NDD, takich jak choroba Parkinsona (PD), choroba Alzheimera (AD) i stwardnienie zanikowe boczne (ALS).

Tutaj przedstawiamy mechanizmy łączące DDR z neurodegeneracją w rzadkich NDD spowodowanych defektami DDR i omawiamy znaczenie dla bardziej powszechnych chorób neurodegeneracyjnych związanych z wiekiem.

Co więcej, podkreślamy niedawny wgląd w przesłuchy między DDR a innymi procesami komórkowymi, o których wiadomo, że są zakłócane podczas NDD.

Porównujemy mocne strony i ograniczenia ustalonych systemów modelowych w celu modelowania ludzkich NDD, począwszy od modeli C. elegans i myszy po zaawansowane modele 3D oparte na komórkach macierzystych.

Słowa kluczowe: neurodegeneracja; reakcja na uszkodzenie DNA; stres oksydacyjny; PARP; stwardnienie zanikowe boczne; Alzheimera; Parkinsona; cGAS-STING; zapalenie nerwowe.

1. Wprowadzenie

Podstawowa jednostka naszego ciała, komórka, nieustannie spotyka się ze stresem w różnych postaciach. Chociaż mózg jest ogólnie chroniony przed wieloma czynnikami środowiskowymi, niektóre zewnętrzne i endogenne warunki stresowe uszkadzają materiał genetyczny (DNA).

Endogenne czynniki uszkadzające DNA są produktami ubocznymi normalnego metabolizmu komórkowego. W wyniku wysokiego zużycia tlenu i aktywności metabolicznej komórki mózgowe są obciążone dużym obciążeniem reaktywnymi formami tlenu (ROS), które atakują DNA poprzez utlenianie jego zasad i szkieletu.

Mając najniższy potencjał utleniania, zasadowa guanina DNA jest bardzo podatna na utlenianie [1]. Zatem główny i najlepiej zbadany produkt utleniania DNA, 8-okso-7,8-dihydro20-deoksyguanozyna (8-oxoG) jest jednym z najczęściej występujących wykorzystali biomarkery stresu oksydacyjnego [2].

Deaminacja hydrolityczna jest kolejnym źródłem uszkodzeń DNA w warunkach fizjologicznych, prowadzącym do utraty zasad DNA i modyfikacji zasad [3,4]. Ponadto wiele czynników środowiskowych wiąże się z neurotoksycznością i rozwojem chorób neurodegeneracyjnych (NDD) [5], jak np. metale ciężkie (Pb, Cd, As, Hg, Cu, Zn i Fe) oraz pestycydy (1-metylo-4-fenylo-1,2,3,6-tetrahydropirydyna ( MPTP), parakwat, dieldryna, rotenon), indukują uszkodzenie DNA poprzez tworzenie ROS. Na przykład rotenon i MPTP rozłączają mitochondrialny łańcuch przenoszenia elektronów poprzez hamowanie kompleksu mitochondrialnego I [6].

Istnieją dwie główne strategie ochrony DNA: obrona antyoksydacyjna i naprawa DNA. Istnieje wiele dowodów na to, że ten pierwszy czynnik ma kluczowe znaczenie dla zdrowia neuronów, a kilka badań klinicznych ma na celu zwiększenie lub stymulację zdolności przeciwutleniającej.

Starzenie się jest jednym z głównych czynników ryzyka większości chorób neurodegeneracyjnych, w tym choroby Alzheimera (AD) i choroby Parkinsona (PD) [7,8]. Do cech charakterystycznych starzenia zalicza się niestabilność genomu, utratę telomerów, zmiany epigenetyczne, utratę proteostazy, rozregulowane wykrywanie składników odżywczych, dysfunkcję mitochondriów, starzenie się komórek, wyczerpanie komórek macierzystych i zmienioną komunikację międzykomórkową [9].

Większość tych procesów biologicznych może bezpośrednio lub pośrednio przyczyniać się do NDD. Na przykład postępujące uszkodzenie zarówno DNA jądrowego, jak i mitochondrialnego (mtDNA) jest powiązane ze starzeniem się. Uszkodzone jądrowe DNA może również prowadzić do aktywacji sygnalizacji z jądra do mitochondriów (NM). Sygnalizacja NM jest również powiązana ze stresem oksydacyjnym (poprzez wytwarzanie i akumulację ROS), co może ostatecznie przyczynić się do NDD [10].

Chociaż uważa się, że oksydacyjne uszkodzenia DNA sprzyjają procesowi starzenia i przyczyniają się do patogenezy kilku NDD [11], neuroprotekcyjna funkcja naprawy DNA jest mniej jasna. Dowodem na to, że naprawa DNA jest ważna dla zdrowia mózgu, jest istnienie kilku rzadkich NDD spowodowanych defektami w naprawie DNA lub sygnalizacji odpowiedzi na uszkodzenie DNA (DDR), np. apraksja oczno-ruchowa, choroba Huntingtona (HD) oraz niektóre ataksje móżdżkowe i rdzeniowo-móżdżkowe ( SCA) [12].

Ogólnie rzecz biorąc, sygnalizacja DDR jest aktywowana w odpowiedzi na uszkodzenie DNA. Centralne enzymy koordynujące dalszą sygnalizację DDR obejmują zmutowaną ataksję-teleangiektazję (ATM), zmutowaną ataksję-teleangiektazję i związaną z radem (ATR) oraz kinazę białkową zależną od DNA (DNA-PK).

DDR jest bardzo złożony i wzajemnie powiązany, a dokładne szlaki aktywacji zależą od rodzaju uszkodzenia DNA, typu komórki i etapu cyklu komórkowego. Ogólnie rzecz biorąc, cel DDR jest trojaki: (i) wykrycie i naprawa uszkodzeń DNA, (ii) koordynacja odpowiedzi komórek na uszkodzenie DNA poprzez aktywację złożonej kaskady komórkowej oraz (iii) wywołanie zatrzymania cyklu komórkowego lub apoptozy, jeśli potrzebne (odwołujemy się do ostatnich przeglądów [13]).

Tę orkiestrację osiąga się za pomocą czujnika uszkodzenia DNA, który po aktywacji indukuje kaskadę przekazywania sygnału z bezpośrednimi celami, które promują kilka składników odpowiedzi komórkowej na uszkodzenie DNA, np. ATM fosforyluje wariant histonu H2A.X (gH2AX), który jest ważny dla ponownego okablowania transkrypcji i rekrutacja białek naprawczych do chromatyny.

Spośród wielu celów ATM p53 jest głównym regulatorem cyklu komórkowego, który po fosforylacji prowadzi do zatrzymania G1 [14] i aktywacji transkrypcji białek proapoptotycznych [15].

Tutaj przedstawiamy przegląd repertuaru szlaków naprawy DNA związanych z NDD. Omówimy także powiązania między różnymi szlakami naprawy DNA i ich rolę w innych procesach komórkowych, o których wiadomo, że wpływają na postęp niektórych powszechnych NDD.

Na koniec omawiamy systemy modelowe, które można wykorzystać, aby przybliżyć nas do zrozumienia mechanistycznej roli i możliwego potencjału terapeutycznego naprawy DNA w NDD związanych z wiekiem.

2. Mechanizmy reakcji i naprawy uszkodzeń DNA

Komórki ssaków są wyposażone w wysoce skomplikowany program DDR, który koordynuje odpowiedź komórkową na uszkodzenie DNA [16]. Sześć głównych mechanizmów naprawy DNA jest integralną częścią DDR (ryc. 1).

Spośród nich bezpośrednie odwrócenie (DR), naprawa przez wycinanie nukleotydów (NER), naprawa przez wycinanie zasad (BER) i naprawa przy niedopasowaniu (MMR) usuwają uszkodzone i niedopasowane zasady. Szlaki naprawy pęknięć dwuniciowych (DSBR) obejmują łączenie niehomologicznych końcówek (NHEJ) i rekombinację homologiczną (HR) [17].

NER jest jedną z najbardziej wszechstronnych ścieżek naprawy DNA i może poradzić sobie z różnymi uszkodzeniami, takimi jak duże addukty DNA utworzone w wyniku narażenia na środowiskowe czynniki genotoksyczne [18]. BER przede wszystkim koryguje uszkodzone zasady DNA, które nie powodują większych zniekształceń strukturalnych w DNA [19]. Białka BER są również ważne w naprawie pęknięć jednoniciowych (SSB).

MMR koryguje małe pętle insercji/delecji lub źle sparowane nukleotydy [20]. Uważa się, że BER jest głównym mechanizmem przeciwdziałającym uszkodzeniom mitochondrialnego DNA [21].

Kanoniczne szlaki NER, MMR i DSBR nie działają w mitochondriach, ponieważ wiele kluczowych enzymów nie jest zlokalizowanych w mitochondriach. Jednakże w mitochondriach znajdują się pojedyncze białka, takie jak białka NER grupy B zespołu Cockayne’a (CSB) i białko Xeroderma Pigmentosum grupy D (XPD) [22,23].

Pozostaje wykazać, czy w mitochondriach funkcjonują inne ścieżki naprawy DNA niż BER lub inne strategie zapewniające utrzymanie mitochondrialnego DNA [24]. HR naprawia pęknięcia dwuniciowe (DSB) i międzyniciowe wiązania krzyżowe DNA. Ponieważ HR wymaga chromatydy siostrzanej jako matrycy do naprawy, jest ograniczony do faz S i G2 cyklu komórkowego i dlatego jest uważany za „wierną ścieżkę naprawy DNA”.

Natomiast NHEJ nie wymaga homologii i może bezpośrednio uszczelniać pęknięcia o tępych końcach. Zatem NHEJ jest aktywny przez cały cykl komórkowy [25,26]. Ponieważ NHEJ nie wykorzystuje szablonu do naprawy i może obejmować przycinanie końcówek w celu przygotowania końcówek do spadku [27], istnieje ryzyko wprowadzenia mutacji. Dlatego NHEJ określa się jako „podatny na błędy” [28].

Podobnie jak DNA jądrowy, DNA mitochondrialny jest również narażony na działanie czynników endogennych i egzogennych. Oprócz naprawy DNA, DDR obejmuje aktywację szlaków sygnałowych, które koordynują odpowiedzi komórkowe na uszkodzenia DNA (niedawny przegląd, patrz [29] lub [30]). . ATM, ATR i DNA-PK kierują dalszymi szlakami sygnałowymi DDR poprzez fosforylację setek enzymów [13].

Zarówno podjednostki katalityczne ATM, jak i DNA-PK (DNA-PKc) są aktywowane w odpowiedzi na pęknięcia dwuniciowe DNA (DSB) [13] poprzez różne kompleksy czujników uszkodzeń DNA.

Po aktywacji przez kompleks MRE11-RAD50-NBS1 (MRN), ATM fosforyluje kilka dalszych białek DDR, jak opisano powyżej [31–35]. Jednak ATM aktywuje również kilka białek, które działają w innych szlakach komórkowych. Na przykład ATM jest także regulatorem mitofagii, odpowiedzi na stres oksydacyjny i sygnalizacji insuliny [36,37]. DNA-PKcs jest aktywowany przez kompleks Ku70/Ku80-DNA i jest wymagany w NHEJ [13,38].

Poprzez udział w NHEJ DNA-PKcs odgrywa rolę w różnicowaniu limfocytów i neuronów, a także działa w pointegracyjnej naprawie DNA w przypadku zakażenia ludzkim wirusem niedoboru odporności-1 (HIV-1) [38–40] .

Podczas rozwoju limfocytów DSB są generowane w loci immunoglobulin i receptorów komórek T w celu wygenerowania różnorodności receptorów immunologicznych poprzez V(D)J i rekombinację zmiany klas. NHEJ za pośrednictwem DNA-PK jest wymagany do naprawy tych DSB w celu połączenia półproduktów rekombinacji V(D)J [39].

Czynniki NHEJ (w tym DNA-PK) również odgrywają ważną rolę w naprawie DSB powstałych podczas różnicowania neuronalnych komórek progenitorowych. Specyficzne mutacje w DNA-PKcs wpływają na naprawę NHEJ i tym samym mogą prowadzić do głębokich defektów neurologicznych [40,41].

ATR jest blisko spokrewniony z ATM i DNA-PKcs [13]. ATR jest aktywowany przez długie odcinki jednoniciowego DNA pokrytego białkiem replikacyjnym A (RPA) i wiele rodzajów stresu genomowego, w tym zatrzymanie widełek replikacyjnych i transkrypcję.

Zatem oprócz swojej roli w aktywacji punktów kontrolnych uszkodzeń DNA, ATR działa również w niezakłóconej replikacji DNA [42].

3. NDD związane z mechanizmami naprawy wadliwego DNA

Defekty w białkach naprawy DNA powodują kilka rzadkich chorób z neurodegeneracją jako część fenotypu klinicznego. Te rzadkie zaburzenia ustanawiają ogólną koncepcję, że neurodegeneracja może wynikać z defektów w naprawie DNA. Na przykład mutacje w APTX, PNKP lub XRCC1 (wszystkie geny naprawy pęknięć jednoniciowych (SSBR)) są powiązane z apraksją okoruchową [12], podczas gdy defekty w TDP1 (genie SSBR) mogą prowadzić do SCA z aksonalneuropatią [44].

Podobnie mutacje w genach DSBR MRE11 i głównych białkach czujnika uszkodzeń DNA, ATM i ATR, mogą prowadzić do ataksji móżdżkowej [13,45]. Co więcej, naprawa DNA bierze udział w regulacji długości powtórzeń CAG w niektórych zaburzeniach związanych z powtórzeniami trinukleotydów, takich jak HD i niektóre SCA [46].

Badania asocjacyjne całego genomu (GWAS) przeprowadzone na 4000 pacjentów z HD wykazały kilka wariantów genów DDR, zwłaszcza genów MMR [47]. Wiele pozostaje do wyjaśnienia w odniesieniu do zaangażowanych mechanizmów, ale sugeruje się, że białka MMR i BER wytwarzają nacięty produkt pośredni DNA, który służy jako matryca do ekspansji [48,49].

Potwierdza to zniesienie rozszerzenia CAGrepeat w modelach myszy HD z defektem MMR (np. Msh2, Msh3, Mlh1 lub Mlh3knockout) lub BER (np. Ogg1 lub Neil1 knockout).

Osłabieniu ekspansji powtórzeń somatycznych lub linii zarodkowej w niektórych przypadkach towarzyszyła poprawa fenotypów podobnych do HD [50], co dodatkowo potwierdza bezpośrednią rolę enzymów naprawy DNA w regulacji stabilności powtórzeń CAG. I odwrotnie, zaproponowano, że CAG- powtórzenie zawierające białka, w których ekspansja powtórzeń powoduje zaburzenia neurologiczne, pełni funkcję w naprawie DNA: przykłady obejmują białko Huntingtin (HTT), produkt zmutowanego w HD genu Huntingtyny, który jest rekrutowany przez AT do miejsc uszkodzeń DNA [51]Podobnie, ATXN3, powodując ataksję rdzeniowo-móżdżkową 3 (SCA3), oddziałuje z RAD2ЗA/B, które są ważnymi graczami w NER [51].

Stwierdzono również, że mutant ATXN3 sekwestruje PNKP poza jądrem, upośledzając w ten sposób jego zdolność do udziału w naprawie DNA [52]. Ostatnio wykazano kolejny pośredni związek między naprawą DNA a NDD w chorobie SpinalMotor Athrophy (SMA), która jest spowodowana delecją lub mutacją w genie przeżycia neuronu ruchowego 1 ($MN1) [53].

Choroba pojawia się we wczesnym dzieciństwie i powoduje zwyrodnienie neuronów ruchowych prowadzące do zaniku mięśni, asymetrycznego porażenia kończyn i śmierci. [53] U pacjentów z SMA pierwotnych fibroblastów i niedzielących się neuronów SMA niski poziom prowadzi do niedoboru DNA-PKes, co upośledza NHE ] i powoduje akumulację pętli R, uszkodzenie DNA i neurodegenerację [54].

I odwrotnie, zwiększona ekspresja genów warunkujących przeżycie neuronu ruchowego 2 (SMN2, druga kopia SMN1) [54,55] i ektopowa ekspresja SMN1 zmniejszają pętle R, przywracają poziomy DNA-PKcs i wzmacniają naprawę DNA za pośrednictwem NHE] ze zmniejszoną degeneracją neuronów [ 54,55].

Te i podobne raporty ustalają, że ścieżki naprawy DNA mogą bezpośrednio lub pośrednio przyczyniać się do NDD.

Możliwa przyczynowa rola uszkodzeń i naprawy DNA w patogenezie częstszych chorób NDD o późnym początku nie jest dobrze ustalona, ​​chociaż pojawiają się defekty jako potencjalni winowajcy chorób takich jak AD, PD i stwardnienie zanikowe boczne (ALS) (ryc. 2).

Rycina 2. Typowe białka odpowiedzi na uszkodzenia DNA (DDR) są zaangażowane w różne NDD. Venndiagram przedstawia białka DDR powiązane z różnymi NDD. Białka zaangażowane w chorobę Alzheimera Ryc. 2.

W różnych NDD zaangażowane są typowe białka odpowiedzi na uszkodzenia DNA (DDR). Venndiagram przedstawia białka DDR powiązane z różnymi NDD. Białka zaangażowane w chorobę Alzheimera (AD) przedstawiono w niebieskim kółku, chorobę Parkinsona (PD) w kolorze pomarańczowym, stwardnienie zanikowe boczne (ALS) w kolorze zielonym, chorobę Huntingtona (HD) w kolorze różowym i ataksję-teleangiektazję (AT) w kolorze fioletowym.

APE1, OGG1 i POL biorą udział zarówno w AD, jak i PD. Patologię związaną z białkiem TDP-43 związanym z ALS obserwuje się zarówno w AD, jak i w ChP. BRCA1 bierze udział w ALS i AD. Ataksja-teleangiektazjamutacja (ATM) jest rozregulowana w AD, PD, HD i AT.

Polimeraza poli[ADP-rybozy] 1 (PARP1) okazuje się powszechnie powiązana z AD, PD, ALS, HD i AT. Rycina została stworzona przy użyciu programu Metachart.

3.1. Choroba Alzheimera

Choroba Alzheimera (AD) jest najczęstszą chorobą neurodegeneracyjną związaną z wiekiem, odpowiedzialną za 60–70% przypadków demencji na całym świecie [56]. AD charakteryzuje się postępującym upośledzeniem funkcji poznawczych, upośledzoną zdolnością podejmowania decyzji, zaburzeniami zachowania i stopniową utratą pamięci prowadzącą do demencji [57].

Choroba charakteryzuje się dwiema głównymi cechami neuropatologicznymi – zewnątrzkomórkowym A, odkładającym się w postaci płytek neuronalnych lub amyloidowych oraz splątkami neurofibrylarnymi (NFT), obejmującymi wysoce zagregowane hiperfosforylowane TAU [57].

Uważa się, że AD jest chorobą wieloczynnikową, na którą składają się złożone interakcje pomiędzy czynnikami wewnętrznymi (starzenie się, genetyka) i zewnętrznymi (styl życia, dieta, środowisko) [58–60]. AD może mieć charakter rodzinny, z mutacjami w genach APP, APOE, PSEN1 i PSEN2 [61–63], lub sporadyczny, co stanowi ponad 90% przypadków. Sporadyczne AD jest chorobą wielogenową [64] z silnym udziałem APOE [65,66].

W ADbrains wykrywa się kilka rodzajów uszkodzeń DNA, np. DSB, SSB i 8-oxoG [67–71]. Zmniejszoną ekspresję i aktywność wielu białek DDR (ATM, BRCA1 i DNA-PK) powiązano z patologią AD [72–74].

Podobnie ekspresja genów BER, takich jak OGG1 i NEIL1, jest zmniejszona w AD [75–77]. Sugeruje się, że inny gen BER, polimeraza DNA (POL), którego ekspresja jest zmniejszona podczas starzenia się i starzenia [78,79], również odgrywa pewną rolę w AD, ponieważ zmniejsza aktywność wypełniania luk DNA w łagodnych zaburzeniach poznawczych (MCI) i AD mózgu towarzyszyła zmniejszona ekspresja POL [76].

Konsekwentnie, transgeniczne myszy AD z genetyczną regulacją w dół Pol (Pol +/-) wykazywały upośledzoną pamięć i plastyczność synaptyczną, zwiększoną śmierć neuronów i akumulację uszkodzeń DNA [80]. Wszystkie te badania wskazują, że istnieje korelacja pomiędzy AD i nieefektywną naprawą DNA; jednakże wymagane są dalsze badania w celu ustalenia bezpośredniego związku przyczynowego między nimi.

For more information:1950477648nn@gmail.com