Wgląd w patogenezę chorób neurodegeneracyjnych: skupienie się na dysfunkcji mitochondriów i stresie oksydacyjnym, część 3

4.3.3. DNA

ROS mogą indukować wiele rodzajów uszkodzeń DNA, takich jak modyfikacja zasad, dezoksyrybosemodyfikacja, pęknięcia pojedynczej nici (SSB) i pęknięcia dwuniciowe (DSB), wiązania krzyżowe DNA lub miejsca pozbawione zasady [235].

Kiedy dowiadujemy się więcej o biologii, odkrywamy, że modyfikacje zasad mogą wpływać na ludzką pamięć. Pomysł ten jest bardzo ekscytujący, ponieważ oznacza, że ​​możemy wykorzystać te modyfikacje do poprawy i wzmocnienia funkcji naszego mózgu.

Badania wykazały, że dodanie metylacji do eksonu DNA może wpływać na tworzenie pamięci i zdolność uczenia się przestrzennego. W próbkach tkanki mózgu człowieka zidentyfikowano zasadę DNA 5-hydroksymetylocytozynę (5hmC), a jej ekspresja w obszarze kory mózgowej dorosłego człowieka wzrosła.

Dalsze badania wykazały, że zdobywanie nowych informacji i utrwalanie wspomnień wymaga co najmniej dwóch różnych funkcji mózgu, a mianowicie „zapisu” i „odtwarzania”. Na etapie nagrywania neurony cholinergiczne uwalniają acetylocholinę, aby przenieść informacje z pamięci krótkotrwałej do pamięci długotrwałej. W tym procesie metylaza (metylotransferaza DNA) odgrywa ważną rolę, ponieważ może odgrywać ważną rolę w regulacji ekspresji genów podczas tworzenia nowych wspomnień.

W kolejnym etapie, etapie reprodukcji, neurony odtwarzają poprzednie doświadczenia. Oznacza to, że pamięć skonsolidowana umieszczana jest w pamięci długotrwałej, a niektórzy eksperci uważają, że metylacja tych genów ulega konwersji do postaci, którą można bardzo łatwo odwrócić, takiej jak 5-hydroksymetylocytozyna. Oznacza to, że kwas jutianowy odgrywa kluczową rolę w utrwalaniu pamięci długotrwałej.

Dlatego widzimy, że modyfikacja bazy i pamięć są ze sobą ściśle powiązane. Daje nam to wielką nadzieję na opracowanie nowych metod leczenia poprawiających wydajność mózgu, takich jak wzmocnienie funkcji poznawczych i unikanie deficytów poznawczych. Chociaż nadal pozostaje wiele do zrobienia, jest to jedno z przełomowych badań w zakresie naszego zrozumienia i eksploracji większej liczby układów nerwowych. Widać, że musimy poprawić pamięć, a Cistanche może znacznie poprawić pamięć, ponieważ Cistanche może również regulować równowagę neuroprzekaźników, takich jak zwiększanie poziomu acetylocholiny i czynników wzrostu, które są bardzo ważne dla pamięci i uczenia się. Ponadto Cistanche może również poprawić przepływ krwi i promować dostarczanie tlenu, co może zapewnić mózgowi wystarczające odżywienie i energię, poprawiając w ten sposób witalność i wytrzymałość mózgu.

Kliknij opcję Poznaj pomoc dotyczącą pamięci

Utleniony DNA jest prawdopodobnie najczęstszym neuronem lesioniny DNA [236]. W normalnych warunkach ROS może powodować do 50000 uszkodzeń DNA/komórkę/dzień [237], a opóźnienia w naprawie uszkodzeń DNA mogą powodować niestabilność genomu i indukować kaskady sygnalizacyjne prowadzące do śmierci komórki [238].

Komórki mają różne mechanizmy naprawy, takie jak naprawa przez wycinanie zasad (BER), naprawa niedopasowania (MMR), naprawa przez wycinanie nukleotydów (NER) oraz mechanizmy naprawy pęknięć pojedynczej (SSBR) i dwuniciowej (DSBR) [239].

Utlenione zasady DNA są usuwane głównie poprzez mechanizm BER/SSBR i polegają na usunięciu uszkodzonej zasady przez specyficzną glikozylazę DNA (DG), nacięciu miejsca azasadowego przez endonukleazę AP (APE1), wypełnieniu powstałej luki przez polimerazę DNA oraz uszczelnienie uszkodzonej nici DNA przez ligazę DNA [240].

Zidentyfikowano kilka DG, takich jak glikozylazy uracyl-DNA (UDG), glikozylaza DNA tyminy (TDG) lub utlenione DG specyficzne dla zasad, takie jak glikozylaza DNA 8-oksoguaniny (8-oksoG) (OGG1) [ 241242]. OGG1-1a bierze udział w naprawie jądrowego DNA, podczas gdy OGG1-2a uczestniczy w naprawie mitochondrialnego DNA [243].

APE1 rozszczepia szkielet cukrowo-fosforanowy DNA w miejscu pozbawionym zasady. Fosforylacja enzymu, która ma miejsce po ekspozycji na1-metylo-4-fenylopirydynę (MPP+), zmniejsza jego aktywność enzymatyczną i powoduje gromadzenie się uszkodzonego DNA w neuronach [244].

DNA mitochondrialny jest jeszcze bardziej podatny na uszkodzenia oksydacyjne, ponieważ genom mitochondrialny jest położony blisko IMM, miejsca wytwarzania mitochondrialnych ROS, i ponieważ brakuje mu ochronnych histonów [245]. Ponieważ kontrola jakości mitochondrialnego DNA ma kluczowe znaczenie dla komunikacji z jądrem, mitochondria zawierają enzymy przeciwutleniające i naprawiające DNA, takie jak OGG1 i MUTYH (glikozylaza mutY DNA) [246].

Dysfunkcja mitochondriów, która ma miejsce po delecjach mtDNA, może prowadzić do aktywacji NF-κB poprzez szlak sygnalizacyjny zależny od akalcyneuryny [247] i może z kolei być indukowana przez różne cząsteczki sygnałowe. Na przykład koaktywator PPAR 1 i SIRT1 regulują funkcję mitochondriów poprzez aktywację ekspresji mitochondrialnego czynnika transkrypcyjnego A (TFAM) [248].

Oprócz zwiększonych uszkodzeń oksydacyjnych spowodowanych stresem oksydacyjnym, opisano wadliwe mechanizmy naprawy DNA w chorobach neurodegeneracyjnych, takich jak AD lub PD [235].

Neurony dopaminergiczne pacjentów z PD wykazały zwiększoną regulację mitochondrialnego OGG1 i wyższe poziomy fosforylowanego APE1 [249]. Neurony pacjentów z AD miały wyższy poziom utlenionych zasad DNA w DNA jądrowym i mitochondrialnym [250], wykazywały spadek aktywności OGG1 [251] i niższy poziom UDG [252] w porównaniu z neuronami osób zdrowych.

4.3.4. RNA i uszkodzenia oksydacyjne

RNA występuje w większej liczbie i stanowi 80–90% kwasu nukleinowego w komórkach [253] i jest bardziej podatny na uszkodzenia oksydacyjne ze względu na swoją jednoniciową strukturę, bliskość temitochondriów, brak mechanizmów naprawy utlenionego RNA i słabszą ochronę przed białek w porównaniu z DNA [60,254].

Funkcje cząsteczek RNA w komórce są różnorodne i obejmują rybosomalny RNA (rRNA), który wraz z RNA transferowym (tRNA) i informacyjnym RNA (mRNA) odpowiada za syntezę białek, mikroRNA (miRNA), które ulegają procesom potranslacyjnym regulatory ekspresji genów oraz małe jądrowe i jąderkowe RNA.

Tradycyjnie za kodujący RNA uważano mRNA [255]. Niekodujące RNA odgrywają ważną rolę w regulacji splicingu mRNA i translacji mRNA [256]. Najbardziej agresywnym rodnikiem jest rodnik hydroksylowy powstający w reakcjach Fentona i Habera-Weissa [257].

Reaguje z guaniną, tworząc 8-hydroksyguanozynę (8-OHG), jeden z najczęściej stosowanych biomarkerów utleniania RNA [253]. Uszkodzenie RNA wywołane atakiem oksydacyjnym prowadzi do modyfikacji zasad i nukleozydów, rozszczepienia i fragmentacji tRNA, aminoacylacji lub defektów w parowaniu kodon-antykodon [258] i powoduje bezpośrednie pęknięcia nici RNA [259], niedopasowanie zasad w tRNA, błędy translacyjne [182] i zaburzoną syntezę białek [260] mającą istotny wpływ na żywotność komórek.

Chociaż komórki mają kilka mechanizmów degradacji zmienionych transkryptów, takich jak rozpad mRNA za pośrednictwem nonsensów (NMD) [261], mechanizmy te wydają się być przytłoczone wraz ze starzeniem się. W związku z tym kumulują się zmienione, nieprawidłowo sfałdowane białka [262].

5. Selektywna podatność neuronów na choroby neurodegeneracyjne

Chociaż wiele szlaków prowadzących do zwiększonego wytwarzania ROS i ich konsekwencje dotyczą wszystkich komórek, każda choroba neurodegeneracyjna prowadzi do zwyrodnienia określonych grup neuronów, co skłoniło badaczy do poszukiwania wyjaśnień tej selektywnej podatności populacji neuronów

5.1. Selektywna wrażliwość neuronów w chorobie Alzheimera

Utrata pamięci i pogorszenie funkcji poznawczych charakterystyczne dla AD są spowodowane atrofią kory śródwęchowej (EC), głównie neuronów warstwy II (ECII), i hipokampu, szczególnie regionu CA1 [72].

Badania wykazały, że neurony w tych obszarach mają wysokie zapotrzebowanie energetyczne i są bardzo wrażliwe na zmniejszoną podaż tlenu i glukozy [263]. Ponadto neurony piramidalne CA1 i EC II są glutaminergiczne i przez to bardziej podatne na ekscytotoksyczność NMDA i szkodliwe skutki zwiększonego wewnątrzkomórkowego stężenia wapnia [264] w przeciwieństwie do interneuronów hamujących korę nową, które mają wysoki poziom białek wiążących Ca2+- [265 ]

Niedawno opisano szereg cech molekularnych wrażliwych neuronów. Na przykład neurony piramidalne ECII mają upośledzoną aktywność regulatora splicingu tau, prawdopodobnie powiązaną z zaburzoną dynamiką mikrotubul [266], co może ułatwiać rozprzestrzenianie się tau do innych obszarów mózgu poprzez neurony CA1 [267].

Wykazano, że selektywnie wrażliwe subpopulacje neuronów pobudzających wyrażają RORB (receptor sierocy B związany z RAR), wykazując jednocześnie różnice w ekspresji genów kodujących białka zlokalizowane w synapsach i aksonach, podjednostki kanałów potasowych, cząsteczki sygnałowe białka G i cząsteczki sygnalizacyjne receptora neuroprzekaźnika [268].

Jednakże powiązania między ekspresją RORB, akumulacją fosforylowanego tau i zwyrodnieniem neuronów wymagają dalszego scharakteryzowania.

5.2. Selektywna wrażliwość neuronów w chorobie Parkinsona

Objawy motoryczne choroby Parkinsona są spowodowane utratą neuronów dopaminergicznych w skórze czarnej, co prowadzi do niedoboru dopaminy w prążkowiu grzbietowym [269]. Strukturalnie neurony te mają bardzo długie i rozgałęzione aksony (do 4,5 m), połączone z dużą liczbą neuronów (do 2,4 miliona synaps) [270,271], co wymaga dużej gęstości aksonalmitochondriów i stanowi wyzwanie dla bioenergetyki mitochondriów [272].

Na poziomie molekularnym neurony dopaminergiczne czarnucha mają niską zdolność buforowania Ca2+- pomimo wysokiego, zależnego od aktywności ładunku Ca2+, który zwiększa wytwarzanie OXPHOS i ROS [273] i może sprzyjać uszkodzeniom mtDNA [274]. Ponadto metabolizm samej dopaminy prowadzi do wytwarzania ROS i powoduje akumulację delecji mtDNA [275].

5.3. Wrażliwość neuronów ruchowych w stwardnieniu zanikowym bocznym

Patologiczną cechą ALS jest zwyrodnienie górnych i dolnych neuronów ruchowych, które mają bardzo długie aksony, a zatem zależą od prawidłowego funkcjonowania i transportu mitochondriów [72].

Duży rozmiar jednostki motorycznej nakłada wysokie wymagania energetyczne na neurony rdzeniowo-motoryczne w celu utrzymania neuroprzekaźnictwa i skurczu mięśni [276].

Względne zachowanie neuronów ruchowych w jądrach okoruchowych, bloczkowych i odwodzących można powiązać z małą liczbą unerwionych włókien mięśniowych (do pięciu włókien mięśniowych w porównaniu z co najmniej 300 włóknami unerwionymi przez neurony ruchowe rdzenia kręgowego) [277], szczególnymi włóknami winogronowymi podobną strukturę połączenia nerwowo-mięśniowego [278], jak również wysoką zdolność buforowania Ca2+ tych neuronów [279].

6. Stres oksydacyjny w chorobach neurodegeneracyjnych

Badania coraz częściej wskazują na obecność markerów stresu oksydacyjnego w układzie nerwowym pacjentów cierpiących na choroby neurodegeneracyjne, jednak szlaki molekularne dopiero zaczynają być wyjaśniane.

Opis defektów genetycznych prowadzących do AD, PD, HD lub ALS pomógł w identyfikacji dalszych skutków zmutowanych białek, przy czym podobne ścieżki wykazano później w idiopatycznych postaciach chorób. Jednak patofizjologia nadal nie jest w pełni wyjaśniona, mimo że zgromadzona wiedza doprowadziła już do prób terapeutycznych.

6.1. Stres oksydacyjny w chorobie Alzheimera

Rodzinne przypadki AD z mutacjami prezeniliny 1 (PS1) i 2 (PS2) powiązały patogenezę AD z zaburzoną homeostazą wapnia [280]. PS oddziałują z receptorami ryanodyny [281] i wpływają na sprzężenie ER–mitochondria [282].

Rzeczywiście, wysokie liczby MAM opisano w zwierzęcych modelach AD i fibroblastach lub tkance mózgowej pacjentów z AD [283]. Ponadto agregaty A mogą pośredniczyć w transferze Ca2+ z ER do temitochondriów przez MCU [284], podczas gdy tau hamuje mitochondrialny wypływ wapnia [285].

Co więcej, A może tworzyć w błonach kanały przepuszczalne dla wapnia [286,287], podczas gdy tau może tworzyć nieselektywne kanały jonowe w dwuwarstwach lipidowych [288]. Szkodliwy wpływ zwiększonego poziomu wapnia w mitochondriach na wywoływanie dysfunkcji mitochondriów i stresu oksydacyjnego opisano w poprzednich sekcjach.

W astrocytach A oddziałujący z receptorami wykrywającymi wapń (CaSR) indukuje ich regulację w dół, prowadząc sąsiadujące neurony do wydzielania nowo zsyntetyzowanego A , tlenku azotu i nadtlenoazotynu [289].

W mitochondriach jedną z najwcześniejszych zmian związanych z AD jest epoksydacja syntazy ATP, a w konsekwencji ograniczenie jej funkcji, opisana w neuronach EC już w stadiach I-II Braaka [290,291]. Umieszczony wewnątrz IMM, umieszczony w dwuwarstwie lipidowej bogatej w PUFA i blisko macierzy mitochondrialnej, enzym jest łatwym celem dla wolnych rodników generowanych przez kompleksy I i III [292].

Oprócz niewydolności energetycznej modyfikacja syntazy ATP dodatkowo zwiększa wytwarzanie ROS, a następnie nasila oksydacyjne modyfikacje cząsteczek biologicznych [293].

W tej kaskadzie większość zmodyfikowanych produktów lipoksydacji bierze udział w metabolizmie energetycznym, zwiększając niedobór energii, a następnie białka zaangażowane w neurotransmisję, obronę przeciwutleniającą i kanały jonowe, jak pokazano w tabeli 1.

Komunikacja między mitochondriami a jądrem oraz import kodowanych jądrowo podjednostek mitochondrialnych są zaburzone przez defekty bioenergetyczne i dysfunkcjonalne białka mitochondrialne, co prowadzi do zmienionej ekspresji regulacyjnych i strukturalnych kompleksów i enzymów mitochondrialnych [299]. Metabolizm lipidów również ulega zmianie, ze zmianami w profilach lipidomicznych opisanymi w AD, szczególnie w EC [300].

Uszkodzenia oksydacyjne PUFA prowadzą do redukcji tych kwasów tłuszczowych w tratwach lipidowych w EC od wczesnych stadiów AD [301], co ma konsekwencje dla grubości błony, płynności, krzywizny, a także aktywności białek związanych z błoną, które sprzyjają amyloidogennemu przetwarzaniu amyloidu białko prekursorowe.

Wydaje się, że mitochondrialny stres oksydacyjny, zmieniony metabolizm lipidów, peroksydacja lipidów i defekty bioenergetyczne są częścią samopodtrzymującej się pętli, która przyczynia się do nasilenia zmienionej dynamiki mitochondriów, handlu mitochondriami, upośledzonej mitofagii i upośledzonej interakcji ER–mitochondrium [290].

Wewnątrzkomórkowe gromadzenie się amyloidu beta (A) i fosforylowanego tau powoduje znaczną część zmienionej dynamiki mitochondriów, wyrażającej się jako nadmierna fragmentacja mitochondriów, ze zwiększoną liczbą i zmniejszonym rozmiarem mitochondriów [302]. Zarówno A, jak i fosforylowane tau zwiększają aktywność GTPazy Drp1, co prowadzi do nadmiernej fragmentacji mitochondriów [303, 304].

In vitro zmutowane linie komórkowe APP wykazywały wysokie stężenie mRNA i białek rozszczepienia mitochondriów oraz obniżony poziom mRNA i białek fuzji mitochondrialnej [305]. Wykazano również, że fosforylowane tau obniża poziom Opa1 i zwiększa poziom Mfn1 i Mfn2 [306].

Ponadto akumulacja A w cytoplazmie prowadzi do wyczerpania poziomów Parkiny i PINK1, zakłócając w ten sposób szlak mitofagii. Wadliwa mitofagia powoduje akumulację wakuoli autofagicznych w somie neuronalnej i dysfunkcyjnych neurytach [307], proces ten jest wzmocniony przez specyfikę mitofagii w neuronach, gdzie dojrzałe lizosomy są skoncentrowane w ciele komórkowym, podczas gdy mitochondria rozciągają się wzdłuż aksonów i dendrytów neuronów, tworząc neurony mitofagia jest procesem wolniejszym [308].

Ponadto oligomery A oddziałują z wakuolami autofagicznymi w dystalnych częściach aksonów, prowadząc do hamowania transportu mitochondrialaksonalnego [309]. Ponadto w modelach laboratoryjnych mutacje w genie PS1 zmieniły zakwaszenie lizosomów [310] i doprowadziły do ​​zmniejszonej ekspresji genów związanych z autofagią poprzez szlak sygnalizacyjny ERK/CREB [311].

Białko tau ma również istotny wkład w ochronę warunków fizjologicznych genomu komórkowego poprzez wiązanie chromatyny [236]. Stan hiperfosforylowany tau zakłóca tę funkcję, tworząc przesłanki do spowodowania większych uszkodzeń oksydacyjnych DNA i wydłużenia czasu potrzebnego na naprawę tych uszkodzeń DNA [236].

Nie można przeoczyć roli aktywacji mikrogleju i przewlekłego stanu zapalnego w patogenezie AD. Mikroglej, wrodzone komórki odpornościowe podobne do makrofagów układu nerwowego, stanowią około 10% populacji komórek w mózgach zdrowych dorosłych [312].

W AD mikroglej charakteryzuje się zwiększoną ekspresją receptorów dopełniacza, co prowadzi do regulacji w górę szlaku sygnałowego NF-κB, receptorów Fc aktywowanych A (które indukują ekspresję białka zapalnego makrofagów MIP-1 ) i zwiększonej ekspresji receptorów zmiatających A{ {4}} i B (SCARA i SCARB) [313,314]. Wiązanie A ze SCARB-2 aktywuje mikroglej do wytwarzania prozapalnych cytokin, chemokin i ROS [315].

Zwiększony poziom tau, poprzez indukcję ekspresji receptorów Toll-podobnych, prowadzi również do uwalniania cytokin prozapalnych IL-1 , IL-6 i IL-8 przez NF-κB szlak sygnalizacyjny [316]. Chociaż zapalenie aktywuje autofagię w komórkach [108], ponieważ upośledzenie autofagii wpływa również na komórki mikrogleju, przewlekły zapalny fenotyp mikrogleju dodatkowo przyczynia się do uszkodzenia neuronów w AD [317].

6.2. Stres oksydacyjny w chorobie Parkinsona

PD jest drugą najczęstszą chorobą neurodegeneracyjną, objawiającą się upośledzeniem zarówno funkcji poznawczych, jak i nerwowo-mięśniowych.

Chociaż większość przypadków ma charakter sporadyczny, opisano kilka mutacji w rodzinnych i wczesnych postaciach choroby Parkinsona, takich jak mutacje w PARK1 (kodujący PINK1), PARK2 (kodujący Parkin), PARK1/4 (-synukleina), PARK7 (DJ1), PARK8 (LRRK2), PARK9 (ATP13A2) PARK17 (Vsp35), FBX07, GIGYF2 lub HTRA2, podkreślając udział szlaku degradacji białka ubikwityny, stresu oksydacyjnego, szlaku przeżycia komórek, funkcji mitochondriów i apoptozy w patogenezie PD [113,318].

Patologiczną cechą charakterystyczną PD jest nagromadzenie nierozpuszczalnych wtrętów składających się głównie z synukleiny (ciał Lewy'ego), głównie w neuronach dopaminergicznych nerwu czarnego [61].

Badanie zespołów parkinsonowskich wywołanych toksynami pomogło w wyjaśnieniu patogenezy PD. W XX wieku wykazano, że narażenie na 1-metylo-fenylo 4-fenylo-1,2,3,6-tetrahydrpirydynę powoduje objawy przypominające ciężki parkinsonizm [319] poprzez zakłócanie z kompleksem I ETC.

Co więcej, w warunkach eksperymentalnych rotenon, inhibitor kompleksu I, doprowadził do apoptozy w ludzkich komórkach nerwiaka niedojrzałego, a odkrycie to zostało rozszerzone, aby omówić udział narażenia na pestycydy w etiologii PD [320].

Następnie kilku badaczy konsekwentnie zgłaszało defekt kompleksu I mitochondrialnej ETC prowadzący do 30–40% spadku jego aktywności [48,321], spowodowanego zmniejszonym tempem produkcji podjednostek kompleksu I, zniszczeniem jego struktury i uszkodzeniami oksydacyjnymi [48,321]. 322]. -synukleina celuje w mitochondria i prowadzi do zmniejszenia złożonej aktywności Iaktywności [323].

Mutacje LLRK2 (kinaza powtórzeń bogata w leucynę 2) mogą zwiększać poziom -synukleiny [324]. PINK1 i Parkin regulują mitofagię, jak opisano wcześniej. DJ1 jest ważny dla integralności i dynamiki mitochondriów; Wykazano, że nadekspresja DJ1 zmniejsza fragmentację mitochondriów indukowaną przez rotenon, niezależnie od PINK1 [325].

Przekonujące dowody wskazują na akumulację zwiększonych produktów utleniania lipidów, białek i DNA w zwyrodniałych neuronach w chorobie Parkinsona [326–328] wraz ze zmniejszeniem poziomu przeciwutleniającego GSH [329], co wskazuje na stres oksydacyjny w patogenezie choroby Parkinsona.

Początkowo ROS prawdopodobnie wynikają z ETC, czynników zewnętrznych i autoutleniania dopaminy [330], wzmocnionego później przez metabolizm dopaminy monoaminooksydazy B, reakcje zapalne lub udział metali ciężkich [331].

Wykazano, że ROS indukują niekonwencjonalną aktywację białka regulującego żelazo 1, przyczyniając się w ten sposób do gromadzenia żelaza w komórkach dopaminergicznych [332]. Nadtlenek wodoru może łatwo przenikać do sąsiadujących neuronów, gdzie w wyniku interakcji z żelazem może generować rodniki hydroksylowe [55].

Mutacje PINK1 w domenie kinazy cząsteczki zlokalizowanej w mitochondriach również zwiększają podatność komórek na stres oksydacyjny [55, 333].

For more information:1950477648nn@gmail.com