Utrata aktywności Park7 ma zróżnicowany wpływ na ekspresję zestawów genów elementu reagującego na żelazo (IRE) w transkryptomie mózgu w modelu choroby Parkinsona zebrafsh

Abstrakcyjny

Mutacja genu PARK7 (DJ1) powoduje u ludzi monogenową autosomalną recesywną chorobę Parkinsona (PD). Późniejsze zmiany w funkcji białka PARK7 prowadzą do dysfunkcji mitochondriów, głównego elementu patologii choroby Parkinsona. Homozygotyczne mutanty genów ortologicznych PARK7-u danio pręgowanego, park7, wykazują zmiany w ekspresji genów na szlaku fosforylacji oksydacyjnej, co potwierdza, że ​​zakłócenie wytwarzania energii jest kluczową cechą neurodegeneracji w chorobie Parkinsona.

Dziedziczna recesywnie choroba Parkinsona jest nieodwracalną chorobą neurodegeneracyjną. Wraz z przyspieszeniem starzenia się społeczeństwa, w ostatnich latach wzrasta liczba zachorowań. Chociaż ludzie skupiają się głównie na problemach związanych z poruszaniem się, jest ona również silnie powiązana z takimi czynnikami, jak zdolności poznawcze, koncentracja i pamięć.

Zanim jednak będziemy mogli mówić o problemach poznawczych i pamięciowych związanych z chorobą Parkinsona, musimy zrozumieć neurologiczny wpływ tej choroby. Najczęstszą zmianą neuropatologiczną w chorobie Parkinsona dziedziczonej recesywnie jest uszkodzenie istoty czarnej, które prowadzi do obniżenia poziomu dopaminy, powodując zaburzenia ruchu. Ponadto wiele powiązanych cech geomorfologicznych występuje również w regionach takich jak kora mózgowa, kora i przesmyk. Z powodu tych zmian osoby cierpiące na chorobę Parkinsona mogą doświadczać problemów, takich jak utrata pamięci i pogorszenie funkcji poznawczych.

Jednakże w przypadku osób cierpiących na recesywną postać choroby Parkinsona, u której pamięć jest zaburzona, istnieje kilka proaktywnych strategii, które możemy zastosować, aby pomóc sobie stawić czoła tym wyzwaniom. Poznanie licznych strategii poprawy uwagi i pamięci pomoże nam lepiej radzić sobie ze skutkami choroby Parkinsona w naszym życiu.

Jedną z najważniejszych strategii jest to, że musimy wyznaczyć sobie granice i przyjąć pomoc. Na przykład, jeśli osoba chora na chorobę Parkinsona odwiedza supermarket i stwierdza, że ​​ma problemy z wykonaniem jakiegoś zadania, na przykład nie może znaleźć w nim artykułów spożywczych, powinna śmiało poprosić o pomoc. Takie działanie jest doskonałym bodźcem poznawczym i może pomóc poprawić funkcje poznawcze i pamięć na wiele sposobów.

W życiu codziennym możemy także wypróbować inne strategie poprawiające nasze funkcje poznawcze i pamięć. Na przykład możemy stworzyć wymagające środowisko do nauki, czytając książki lub ucząc się nowych umiejętności. Ponadto proste codzienne ćwiczenia, takie jak rozpoznawanie twarzy członków rodziny i regularne sprawdzanie kalendarza, mogą być bardzo skutecznym sposobem na poprawę umiejętności poznawczych i pamięci.

Chociaż choroba Parkinsona w pewnym stopniu wpływa na nasze zdolności poznawcze i pamięć, pozytywne nastawienie i proste ćwiczenia mogą pomóc nam w utrzymaniu dobrych zdolności poznawczych i pamięci. Dlatego powinniśmy śmiało stawić czoła wyzwaniu i wypróbować różne strategie poprawiające nasze funkcje poznawcze i pamięć. Dlatego uważam, że powinniśmy poprawić naszą pamięć. Cistanche może znacznie poprawić pamięć, ponieważ pasta mięsna to tradycyjny chiński materiał leczniczy o wielu unikalnych efektach, z których jednym jest poprawa pamięci. Skuteczność mięsa mielonego wynika z różnorodnych zawartych w nim składników aktywnych, w tym kwasu karboksylowego, polisacharydów, flawonoidów itp. Składniki te mogą promować zdrowie mózgu różnymi kanałami.

Kliknij suplementy, aby poprawić pamięć

Żelazo ma kluczowe znaczenie dla prawidłowego funkcjonowania mitochondriów i już wcześniej korzystaliśmy z analizy bioinformatycznej transkryptów zawierających IRE w transkryptomach mózgu, aby znaleźć dowody potwierdzające istnienie dyshomeostazy żelaza w chorobie Alzheimera. Tutaj przeanalizowaliśmy transkrypty niosące IRE w danych transkryptomu z homozygotycznych mózgów danio pręgowanego park7-/-. Odkryliśmy, że zestaw genów z „wysokiej jakości” IRE w ich nieulegających translacji regionach 5′ (UTR, zestaw genów HQ5′IRE) był znacząco zmieniony w tych 4-miesięcznych mózgach park7−/−.

Jednakże zestawy genów z IRE w 3′ UTR wydawały się nienaruszone. Wpływ na geny HQ5′IRE jest prawdopodobnie spowodowany dyshomeostazą żelaza i/lub stresem oksydacyjnym, ale rzuca światło na istnienie obecnie nieznanych mechanizmów o zróżnicowanym ogólnym wpływie na 5′ i 3′IRE.

Słowa kluczowe:

DJ-1, PARK7, choroba Parkinsona, danio pręgowany, sekwencja RNA, analiza wzbogacania, dyshomeostaza żelaza.

Wstęp

Choroba Parkinsona (PD) jest drugą najczęstszą chorobą neurodegeneracyjną, dotykającą około 1% populacji w wieku powyżej 60 lat. Większość przypadków PD ma charakter idiopatyczny, ale w około 5–10% przypadków PD zidentyfikowano wyraźne powiązanie genetyczne [1]. Jeden gen, PARK7, powiązany z autosomalną recesywną chorobą Parkinsona o wczesnym początku, koduje białko 7 choroby Parkinsona (PARK7).

Sugeruje się, że białko PARK7 działa jako niezależna od GSH glioksalaza do detoksykacji metyloglioksalu oraz jako białkowa glikoza odpowiedzialna za przywracanie funkcji białek uszkodzonych przez stres oksydacyjny. Jednakże działania te są kwestionowane w PD (przegląd i analiza w [2]). PARK7 odgrywa również kluczową rolę w utrzymaniu funkcji mitochondriów, wykrywaniu i reagowaniu na reaktywne formy tlenu (ROS), a ostatecznie działa w neuroprotekcji (omówienie w [3]).

PD charakteryzuje się specyficznym wyczerpaniem neuronów dopaminergicznych istoty czarnej pars Compacta (SNc DA). Neurony te tworzą dużą liczbę synaps w zwojach podstawy. W konsekwencji ich wysokie zapotrzebowanie na energię może sprawić, że neurony SNc DA będą wrażliwe na niedobór energii [4]. Na produkcję energii w procesie fosforylacji oksydacyjnej może wpływać wiele czynników.

W szczególności żelazo żelazawe (Fe2+) jest włączane do klastrów Fe-S kluczowych dla funkcji łańcucha transportu elektronów (ETC) w fosforylacji oksydacyjnej [5]. Dysfunkcja ETC powoduje stres oksydacyjny, który może prowadzić do (głównie) translokacji cytozolowego białka PARK7 do mitochondriów w celu regulacji działania reaktywnych form tlenu (ROS) [5].

Proces ten jest prawdopodobnie zmieniony u osób z mutacją PARK7, co prowadzi do dysfunkcji ETC i dyshomeostazy żelaza (poprzez wpływ na białka regulujące żelazo, IRP1 i IRP2) oraz uszkodzenia neuronów dopaminergicznych.

IRP1 i IRP2 wiążą IRE w mRNA genów zaangażowanych w homeostazę żelaza, regulując ich translację i stabilność (przegląd w [6]). IRP są regulowane zarówno przez stan żelaza żelazawego w komórkach, jak i stres oksydacyjny [6]. Wcześniej zdefiniowaliśmy zestawy genów niosących IRE w 5′ lub 3′UTR ich transkryptów (przy niższym lub wyższym podobieństwie do sekwencji konsensusowej IRE) u ludzi, myszy i danio pręgowanego [7]. Korzystając z nich, znaleźliśmy dowody potwierdzające dyshomeostazę żelaza w mózgach chorych na chorobę Alzheimera (AD) oraz zwierzęce modele choroby Alzheimera [7].

Ortologie genów PD zostały już wcześniej zidentyfikowane i poddane manipulacji u danio pręgowanego. Na przykład Hughes i in. [8] opracowali nowatorski model danio pręgowanego w celu zbadania funkcji PARK7. Danio pręgowany, któremu brakuje genu ortologicznego PARK7-: park7 (park7−/−) wykazuje fenotyp ruchowy w wieku trzech miesięcy i wykazuje zmiany w ekspresji genów w transkryptomie mózgu, co sugeruje zakłócony metabolizm mitochondrialny (tj. geny związane z fosforylacją oksydacyjną) w czwartym miesiącu życia [8].

Dlatego postawiliśmy hipotezę, że stres oksydacyjny i/lub dyshomeostaza żelaza w mózgach danio pręgowanego park7-/- zmienią wiązanie IRP z transkryptami zawierającymi IRE, zmieniając w ten sposób stabilność transkryptu. Aby to zbadać, ponownie przeanalizowaliśmy dane dotyczące transkryptomu mózgu danio pręgowanego z Hughes i in. aby przetestować zmiany w reprezentacji zestawów genów zawierających IRE w mózgach danio pręgowanego park7-/-. Odkryliśmy, że zestaw genów HQ5′IRE jest znacząco zmieniony w 4-miesięcznych mózgach Park7−/−, podczas gdy zestaw genów HQ3′IRE nie.

Metody

Aby sprawdzić dowody na możliwą dyshomeostazę żelaza w mózgach danio pręgowanego park7-/-, przeprowadziliśmy analizę wzbogacania przy użyciu narybku [9] na zestawach genów IRE [7]. Aby uzyskać szczegółowe informacje na temat tej ponownej analizy Hughesa i in. [8] dane, patrz plik dodatkowy 1.
Wyniki

Wcześniej zdefiniowaliśmy zestawy genów danio pręgowanego w zależności od tego, czy posiadają one motywy podobne do IRE w 5′ lub 3′ UTR ich mRNA i czy ich IRE pasują do kanonicznej (wysoka jakość, HQ) lub niekanonicznej sekwencji IRE (wszystkie) [ 7]. Odkryliśmy, że tylko transkrypty zestawu genów HQ5'IRE wykazują statystycznie istotne zmiany w ekspresji genów jako grupy (ryc. 1a) w 4-miesięcznych mózgach park7−/−. Co ciekawe, najbardziej zwiększonym genem w zestawie genów HQ5'IRE jest niestety2.

Dyskusja

Stosując naszą metodę do wykrywania dowodów na dyshomeostazę żelaza w danych dotyczących sekwencji RNA, odkryliśmy wysoce znaczącą zmianę w ekspresji genów z IRE w 5'UTR ich mRNA w 4-miesięcznych mózgach park7-/-.

Homeostaza żelaza jest utrzymywana poprzez regulację ekspresji genów na kilku poziomach, w tym poprzez transkrypcję, stabilność mRNA i translację mRNA (omówienie w [10]). Te dwa ostatnie zjawiska są modulowane przez białka regulujące żelazo IRP1 i IRP2, gdy wiążą się one z IRE. Wysoce znacząca zmiana w ekspresji genu HQ5′IRE w 4-miesięcznych mózgach park7−/− jest prawdopodobnie spowodowana zmianami w wiązaniu IRP1 i/lub IRP2 z IRE w transkryptach tych genów.

Ponieważ jednak wiadomo, że mutacja PARK7 powoduje stres oksydacyjny [11], a stres oksydacyjny może również wpływać na tworzenie się IRP (omówienie w [6]), trudno jest odróżnić stres oksydacyjny od dyshomeostazy żelaza jako przyczyniającej się do zmian w HQ5′IRE obfitość transkryptów genów. Rzeczywiście, ponieważ żelazo jest tak ważne dla funkcjonowania mitochondriów, często współwystępują dyshomeostaza żelaza i stres oksydacyjny [12].

Co ciekawe, zestaw genów HQ3′IRE wydawał się nienaruszony w mózgach park7−/− i obecnie nie mamy wyjaśnienia, dlaczego tak powinno być. Jednakże, jeśli wpływ na obfitość transkryptów HQ5'IRE rzeczywiście wynika z wiązania IRP, wskazuje to na istnienie mechanizmów, które mogą różnicować wiązanie IRP z IRE (lub powodować różnice w skutkach takiego wiązania) , w zależności od tego, czy IRE znajduje się w 5′ czy 3′ UTR transkryptu.

Wśród członków zestawu genów HQ5'IRE zaobserwowano podwyższony poziom transkryptu alas2 w mózgach park7-/-. Związek między aktywnością alas2 a IRP omówiono w dodatkowym pliku 1.

Podsumowując, nasza analiza danych dotyczących transkryptomu z mózgów danio pręgowanego park7-/- potwierdza możliwość dyshomeostazy żelaza i/lub stresu oksydacyjnego jako wczesnych zdarzeń przedklinicznych w PD. W przyszłych badaniach będziemy badać naturę wpływu genów powiązanych z PD na homeostazę żelaza i funkcję mitochondriów u danio pręgowanego. Zrozumienie tych efektów może zapewnić mechanistyczny wgląd w chorobę Parkinsona na potrzeby rozwoju terapii.

Podziękowanie

Chcielibyśmy podziękować Mary Elizabeth Pownall i Katherine Newling za udostępnienie surowej liczby transkryptów [8] oraz Nhi Hinowi za dostarczenie zestawów genów danio pręgowanego zawierających elementy reagujące na żelazo.

Wkłady autorów

HYC sporządził manuskrypt. KB napisał metodologię, wygenerował diagramy i przeprowadził analizę bioinformatyczną. ML, LCP i KB nadzorowały analizę tego artykułu i udzielały porad. ML, KB, LCP i HYC zredagowały manuskrypt. Wszyscy autorzy przeczytali i zatwierdzili ostateczną wersję manuskryptu.

Finansowanie
KB jest wspierana przez stypendium programu szkoleniowego rządu australijskiego oraz fundusze z fundacji Carthew Family Charity Trust. ML jest pracownikiem naukowym Uniwersytetu w Adelajdzie. LCP jest pracownikiem akademickim Uniwersytetu w Adelajdzie i jest dodatkowo wspierana przez stypendium Barbary Kidman Fellowship.

Dostępność danych i materiałów

Kod R użyty do ponownej analizy liczby surowych transkryptów Hughesa i in. można znaleźć na stronie https://github.com/karissa-b/dj1KO-RNAseq-IRE. Surowe dane z Hughes i in. jest dostępny w bazie danych Gene Expression Omnibus (GEO) GSE135271 (https://www.ncbi.nlm.nih.gov/geo/query/acc.cgi? acc=GSE135271). Listę genów zawierających element reagujący na żelazo (IRE) w nieulegających translacji regionach ich mRNA u danio pręgowanego można znaleźć na stronie https://github.com/nhihin/ire.

Deklaracje

Zatwierdzenie etyki i zgoda na udział

Nie dotyczy.

Zgoda na publikację

Nie dotyczy.

Konkurencyjne interesy

Autorzy deklarują, że nie mają konkurencyjnych interesów.

Bibliografia

Lee JH, Han Jh, Kim H, Park SM, Joe Eh, Jou I. Mutant LRRK2-G2019S związany z chorobą Parkinsona działa poprzez regulację aktywności SERCA w celu kontrolowania stresu ER w astrocytach. Acta Neuropathol Commun. 2019;7(1):68.

2. Andreeva A, Bekkhozhin Z, Omertassova N, Baizhumanov T, Yeltay G, Akhmetali M i in. Pozorna delikatna aktywność DJ-1 wynika z konwersji wolnego metyloglioksalu obecnego w szybkiej równowadze z hemitioacetalami i półamiminalami. J Biol Chem. 2019;294(49):18863–72.

3. Dolgacheva LP, Berezhnov AV, Fedotova EI, Zinchenko VP, Abramov AY. Rola DJ-1 w mechanizmie patogenezy choroby Parkinsona. J Bioenerg Biomembr. 2019;51(3):175–88.

4. Pacelli C, Giguère N, Bourque MJ, Lévesque M, Slack RS, Trudeau L. Podwyższona bioenergetyka mitochondriów i wielkość arboryzacji aksonów są kluczowymi czynnikami przyczyniającymi się do podatności neuronów dopaminowych. Curr Biol. 2015;25(18):2349–60.

5. Junn E, Jang WH, Zhao X, Jeong BS, Mouradian MM. Mitochondrialna lokalizacja DJ-1 prowadzi do zwiększonej neuroprotekcji. J. Neurosci Res. 2009;87(1):123–9. 6. Urrutia PJ, Bórquez DA, Núñez MT. Zniesławianie mózgu żelazem. Taniec antyoksydacyjny. 2021;10(1).

7. Hin N, Newman M, Pederson S, Lardelli M. Odpowiedzi za pośrednictwem elementu reagującego na żelazo (IRE) na dyshomeostazę żelaza w chorobie Alzheimera. bioRxiv. 2021; 2020.05.01.071498.

8. Hughes GL, Lones MA, Bedder M, Currie PD, Smith SL, Pownall ME. Uczenie maszynowe rozróżnia zaburzenia ruchowe w modelu choroby Parkinsona u danio pręgowanego. Dis Modele Mech. 2020;13(10):d045815.

9. Wu D, Lim E, Vaillant F, Asselin-Labat ML, Visvader JE, Smyth GK. ROAST: testy zestawu genów rotacji do złożonych eksperymentów na mikromacierzach. Bioinformatyka. 2010;26(17):2176–82.

For more information:1950477648nn@gmail.com