Strukturalne i funkcjonalne spojrzenie na polimorfizm włókienek -synukleiny, część 2

Białka -Synukleina (-syn) i -synukleina (-Syn) również należą do rodziny synuklein [165] (Rysunek 1C). -Syn to białko o długości 134 aminokwasów, wcześniej zidentyfikowane jako ludzki homolog bydlęcej fosfoneuroproteiny 14 (PNP14).

Wraz z wiekiem pamięć stopniowo zanika. Możemy jednak poprawić pamięć poprzez dobre odżywianie. Białko aminokwasowe jest jednym z najważniejszych składników odżywczych.

Białka aminokwasowe mogą zwiększać liczbę i połączenia neuronów w mózgu, odgrywając istotną rolę w uczeniu się i zapamiętywaniu. Ponadto białka aminokwasowe mogą promować wzrost i naprawę naczyń krwionośnych w mózgu oraz zwiększać dopływ tlenu do mózgu, pomagając w ten sposób poprawić zdolności poznawcze i pamięć mózgu.

Niektóre pokarmy bogate w białka aminokwasowe obejmują kurczaka, wołowinę, ryby i jajka. Jednocześnie niektóre produkty pochodzenia roślinnego, takie jak fasola, nasiona słonecznika itp., również dostarczają białek bogatych w aminokwasy. Pamięć możemy poprawić stosując zbilansowaną dietę i spożywając odpowiednie aminokwasy i białka.

Ponadto powinniśmy zwracać uwagę na spożywanie odpowiednich ilości aminokwasów białkowych oraz utrzymywać zdrowe nawyki żywieniowe i tryb życia. Regularne ćwiczenia, wystarczająca ilość snu i redukcja stresu mogą pomóc w rozwoju i funkcjonowaniu mózgu.

Podsumowując, aminokwasy i białka są ważnymi składnikami odżywczymi poprawiającymi pamięć. Dzięki rozsądnej diecie i dostosowaniu stylu życia możemy pomóc naszemu mózgowi lepiej funkcjonować, poprawić naszą zdolność uczenia się i zapamiętywania oraz prowadzić zdrowsze i szczęśliwsze życie. Widać, że musimy poprawić pamięć, a Cistanche desericola może znacząco poprawić pamięć, ponieważ Cistanche desericola ma działanie przeciwutleniające, przeciwzapalne i przeciwstarzeniowe, co może pomóc zmniejszyć utlenianie i reakcje zapalne w mózgu, chroniąc w ten sposób zdrowie układu nerwowego. Ponadto Cistanche Deserticola może również promować wzrost i naprawę komórek nerwowych, poprawiając w ten sposób łączność i funkcjonowanie sieci neuronowych. Efekty te mogą pomóc poprawić pamięć, uczenie się i szybkość myślenia, a także mogą zapobiegać rozwojowi dysfunkcji poznawczych i chorób neurodegeneracyjnych.

Kliknij i poznaj sposoby na poprawę funkcjonowania mózgu

W domenie NAC brakuje odcinka 11-aminokwasowego (reszty 73–83) (ryc. 1C), przez co nie może on fibrylować [11,176,177]. Wcześniej uważano, że -Syn jest inhibitorem agregacji -Syn i zapobiega jego neurotoksyczności [11,176]. Jednakże pogląd ten uległ zmianie po odkryciu mutacji zmiany sensu w genie -Syn, P123H (rodzinnym) i V70M (sporadycznym), o których wiadomo, że powodują DLB [178].

Badania na komórkach i zwierzętach wykazały szkodliwy wpływ tych mutacji [179,180]. Nasza grupa niedawno wykazała, że ​​w normalnych warunkach fizjologicznych fibrylizacja i agregacja -Syn i jego mutacji związanych z chorobą nie wystąpiły, ale zmienione mikrośrodowisko, takie jak spadek pH i/lub obecność heparyny, spowodowało ich polimeryzację [181].

-Syn, który ma ~55% homologii sekwencji z -Syn, został początkowo zidentyfikowany w nowotworach złośliwych piersi, kodowanych przez gen specyficzny dla raka piersi, BCSG1 [182]. Donoszono o tym w obwodowym ośrodkowym układzie nerwowym i tkankach raka piersi [182,183]. Agreguje i tworzy włókienka in vitro [177] i inkomórki [184], ale jest stosunkowo wolniejszy niż -Syn [91].

Nieprawidłowe fałdowanie i migotanie -Syn jest głównym zjawiskiem w kilku chorobach neurodegeneracyjnych [185]. Nieprawidłowo sfałdowane agregaty -Syn są amyloidogenne i gromadzą się w mózgu w nieprawidłowy sposób, w wyniku czego u pacjenta występują zaburzenia ruchowe, które z czasem się pogarszają.

Agregacja -Syn jest zjawiskiem złożonym i obejmuje konwersję monomerów do wysoce uporządkowanych struktur bogatych w- -kartki krzyżowe poprzez utworzenie kilku rozpuszczalnych form oligomerycznych na szlaku i poza nim [185,186]. Tworzenie amyloidu -Syn jest na ogół monitorowane za pomocą barwnika fluorescencyjnego tioflawiny T [187].

Wynika to z kinetyki wzrostu sigmoidalnego, która składa się z (i) fazy opóźnienia, obejmującej tworzenie jąder, które ostatecznie rosną do wykrywalnej struktury agregatowej w roztworze; (ii) faza elongacji, konwersja i późniejszy wzrost form oligomerycznych w strukturę włóknistą; oraz (iii) fazę stacjonarną, reprezentującą stan ustalony, w którym stężenie temonomeru i fibryli osiąga równowagę.

Pod koniec agregacji -Syn składa się w nietypowe, długie włókienka amyloidowe, zwykle charakteryzowane technikami mikroskopii elektronowej i mikroskopii sił atomowych [9]. Tych faz agregacji nie można przypisać pojedynczemu zdarzeniu lub procesowi mikroskopowemu. Zamiast tego wszystkie procesy, a mianowicie pierwotne zarodkowanie, wydłużanie, wtórne zarodkowanie i fragmentacja, są aktywne we wszystkich fazach krzywej wzrostu, ale z różną szybkością [188,189] (ryc. 2).

Te szybkości reakcji zależą od stałych szybkości agregacji i stężenia reagujących składników w danym czasie [190]. Tworzenie amyloidu rozpoczyna się od pierwotnego zarodkowania form monomerycznych w roztworze i wydłużania przez dodanie monomeru do rosnących końców agregatów [189]. Jednakże pierwotne procesy zarodkowania są krótkotrwałe i szybko wypierane przez wtórne procesy zarodkowania [191].

Fragmentacja włókienek w warunkach mieszania (lub nawet w warunkach spoczynku, w zależności od stabilności włókienek amyloidowych) modyfikuje liczbę rosnących końcówek i znacząco wpływa na ogólną kinetykę wzrostu [188,189].

Co więcej, wtórne zarodkowanie na drodze katalizy powierzchniowej jest także jednym z głównych czynników wzrostu amyloidu w kilku układach, szczególnie w warunkach nieaktywnych [189,190]. Samoorganizacja i agregacja -Syn jest zjawiskiem złożonym i obejmuje wiele równoległych procesów. Dlatego też istotne jest zrozumienie leżących u ich podstaw zdarzeń molekularnych, aby określić ich zasadniczy związek z chorobami człowieka.

4. Zjawiska szczepów prionopodobnych w -Syn

Od odkrycia -Syn jako głównego składnika patologii z ciałami Lewy'ego w 1997 r., główny nacisk został przesunięty na określenie leżącego u podstaw patogennego mechanizmu choroby Parkinsona.

Heiko Braak [192] przedstawił w 2003 roku system stopniowania patologii Lewy'ego w oparciu o specyficzne wzorce rozprzestrzeniania się -Syn. Zgodnie z hipotezą Braaka, patologia Lewy'ego rozpoczyna się od opuszki węchowej i DMV, a następnie stopniowo rozprzestrzenia się na inne obszary mózgu.

Chociaż istnieją dowody eksperymentalne i kliniczne potwierdzające hipotezę Braaka, nie jest pewne, czy ma ona zastosowanie i/lub dokładnie opisuje postęp choroby Parkinsona u wszystkich pacjentów. Na przykład istnieją przypadki, w których pacjenci nie wykazują patologii Lewy'ego w DMV lub ENS, podczas gdy inne obszary mózgu są poważnie dotknięte [193–198].

Nawet w niektórych przypadkach nie zaobserwowano związku pomiędzy nasileniem patologii Lewy’ego a objawami klinicznymi w PD [195]. Dlatego sugeruje się, aby zastosować hipotezę Braaka jedynie do podzbioru populacji [198], ponieważ nie wszyscy pacjenci z ChP przestrzegają systemu stopniowania zaproponowanego przez Braaka [199]. Co ciekawe, doniesienia o patologii Lewy'ego w płodowych przeszczepach neuronalnych po czternastu latach przeszczepiania do prążkowia pacjenta z ChP dostarczyły bezpośredniego dowodu na przenoszenie się z komórki na komórkę i rozprzestrzenianie się -Synpatologii zaproponowanej przez Braaka [200,201].

Badania z wykorzystaniem systemów modeli komórkowych in vitro i później zasugerowały, że agregaty -Syn są zakaźne, mogą przemieszczać się z jednej komórki do drugiej i powodować agregację ich rozpuszczalnego endogennego odpowiednika w komórkach biorcy, wyjaśniając zjawisko obserwowane w przeszczepionych neuronach [18,21,23] . To prionowe przenoszenie agregatu -Syn z jednego regionu do drugiego jest również powiązane z pacjentami z DLB i PDD, co sugeruje, że rozprzestrzenianie się patologii Lewy'ego jest wspólną cechą synukleinopatii agregatów -Syn [202–205].

Jednakże kliniczne i patologiczne cechy tych synukleinopatii są bardzo zmienne i niejednorodne [206,207], [146,208]. Można zadać pytanie, dlaczego pomimo powiązania z agregacją tego samego białka, rozkład patologii -Syn i manifestacja objawów chorobowych są różne w przypadku synukleinopatii.

Można to wyjaśnić zjawiskiem prionopodobnego szczepu -Syn, w którym to samo białko prekursorowe tworzy różne włókienka, co powoduje odrębną patologię.

4.1. Pojęcie szczepów prionowych

Badania ostatnich kilkudziesięciu lat sugerują, że białka/peptydy o różnych strukturach i sekwencjach mogą tworzyć wspólny fałd amyloidu o bogatej w krzyżowe- -kartki strukturze [209–213]. Te białka/peptydy tworzą amyloidy o wspólnej strukturze agregacji, tj. poprzez mechanizm polimeryzacji zależny od zarodkowania [214,215].

Jednakże każde białko/peptyd może również podlegać odrębnemu szlakowi agregacji, tworząc unikalną strukturę amyloidu. Niedawne badania strukturalne o wysokiej rozdzielczości z użyciem ssNMR i krio-EM faktycznie sugerują, że każde białko pakuje się w sposób unikalny i tworzy różne struktury fałdu krzyżowego- -arkusza [56–58,61,216]. Co więcej, co zaskakujące, jedno białko może tworzyć wiele różnych fałdów strukturalnych [40,59].

Zatem białka te mogą przyjmować różne konformacje z tej samej sekwencji aminokwasów, powodując kilka proteinopatii i w związku z tym nie potwierdzając hipotezy o strukturze jedno białko-jedno [217]. Na przykład tau fałduje się inaczej w chorobie Alzheimera i Picka [40,218,219] . Różne agregaty białka wiążącego DNA TAR (TDP-43) występują w mózgach podtypów zwyrodnienia czołowo-skroniowego (FTLD-TDP), wykazując różnice morfologiczne pomiędzy podtypami [220].

Zdolność tego białka do nieprawidłowego fałdowania i wykazywania różnorodności konformacyjnej może prowadzić do poważnych konsekwencji, takich jak neurodegeneracja [221]. Zjawisko tworzenia białek przez różne amyloidy powiązane z różnymi właściwościami fenotypowymi jest dobrze znane w przypadku prionów [46,222]. Priony to zakaźne cząstki białkowe, które wykazują niejednorodność konformacyjną i mogą być przenoszone z jednego osobnika na drugiego [223].

Niezliczone dowody wskazują na epidemiologiczne i kliniczno-patologiczne zróżnicowanie ludzkich chorób prionowych, takich jak choroba Kuru, zespół Gerstmanna-Strausslera-Scheinkera i choroba Creutzfeldta-Jakoba [224], a także chorób prionowych innych niż ludzkie, takich jak gąbczasta encefalopatia bydła (BSE). u bydła, trzęsawka u owiec i kóz itp. [225].

Normalne komórkowe białko prionowe (PrPC) ulega konwersji z konformacji -helikalnej do konformacji bogatej w arkusze (PrPSc), która jest postacią nierozpuszczalną, oporną na PK i zakaźną. PrPSc propaguje i agreguje zgodnie z dwoma powszechnie akceptowanymi mechanizmami/modelami, tj. modelem polimeryzacji wspomaganej matrycą i modelem polimeryzacji zarodkowej.

Patogenny prion działa jako matryca w modelu wspomaganym szablonem i zapewnia powierzchnię do przekształcania endogennego normalnego białka prionowego w jego nieprawidłowo sfałdowaną formę patogenną [226]. W modelu zarodkowania-polimeryzacji monomeryczne PrPSc łączą się i tworzą stabilne jądro, zwane także nasionem. Nasiona te stale rekrutują PrPC i przekształcają je w ich patogenne odpowiedniki [226].

Jedną z niezwykłych właściwości prionów jest to, że mogą one nieprawidłowo składać się w różnorodne konformacje, z których każda daje odrębny profil kliniczny, histologiczny i patologiczny. Te agregaty o różnych konformacjach i zachowaniach patologicznych nazywane są „szczepami” [45, 227]. Pionierskie obserwacje dotyczące obecności szczepów prionów pochodzą z badań Pattisona i Milsona w 1961 r. [228], w których doświadczalnie wytworzyli trzęsawkę u kóz i zaobserwowali wyraźne objawy kliniczne choroby spowodowane różnymi szczepami.

W innym badaniu Fraserand Dickinson był w stanie rozróżnić różne szczepy trzęsawki w modelach zakażonych myszy w zależności od stopnia uszkodzeń w różnych obszarach mózgu [229]. Później mnóstwo raportów wykazało istnienie szczepów PrPSc [227,230–233] i metod ich rozróżniania, takich jak trawienie proteinazą K (PK) [234,235], elektronowy rezonans paramagnetyczny (EPR) i spektroskopia NMR [43].

Te konformacje PrPSc różnią się pod względem różnych typów elementów struktury drugorzędowej, takich jak -helisa, -nić, -skręt lub różne fałdy strukturalne lub różne upakowania [227,230,232,235,236]. Na przykład białko prionowe chomika syryjskiego fałduje się zarówno w strukturę helikalną, jak i arkuszową, a także w różne związki pośrednie w roztworze wodnym [236].

Różnią się one nie tylko strukturalnie, ale także funkcjonalnie [43] i zostały zidentyfikowane w różnych zaburzeniach prionowych u ludzi i zwierząt [233,237]. Choroby prionowe, mimo że wynikają z agregacji tego samego białka prionowego, różnią się od siebie początkiem choroby/ okres inkubacji, progresja i zmiany histopatologiczne w zakażonym mózgu [224,225]. Zostało to zbiorczo nazwane „zjawiskiem szczepów prionowych” [45,46,238].

Jednym z głównych czynników wpływających na różnorodność/zmienność szczepu jest zdolność czynników zakaźnych/prionów do infekowania określonych gatunków [44,239,240] i przekraczania „bariery gatunkowej”, tworząc w ten sposób różnorodne szczepy o rozpoznawalnych cechach biochemicznych i patologicznych. Jednym z takich przypadków jest vCJD (odmiana choroby Creutzfeldta-Jakoba), powstająca w wyniku międzygatunkowego przeniesienia BSEprionu z bydła na ludzi [44,240] i jest to jedyny znany przypadek przeniesienia prionów innych niż człowiek na ludzi.

Wiadomo także, że różne szczepy prionów współistnieją ze sobą, co widać w przypadku sCJD (sporadyczna choroba Creutzfeldta-Jakoba) [241,242], wykazując odrębne właściwości biochemiczne w różnych obszarach mózgu. Wiadomo również, że szczepy prionów wydłużają okres inkubacji po koinfekcji innymi szczepami, wykazując w ten sposób zjawisko „konkurencji”, co zaobserwowano w różnych badaniach [243–245].

Wszystkie wyżej wymienione cechy zjawiska szczepów prionowych oraz potencjał generowania nowych szczepów prionowych okazały się nie tylko poważnym wyzwaniem naukowym, ale także zagrożeniem dla zdrowia publicznego.

Jednakże ostatnie badania sugerują, że ta właściwość szczepu amyloidów nie ogranicza się tylko do prionów, ale także innych amyloidów związanych z różnymi zaburzeniami neurodegeneracyjnymi, takimi jak choroba Alzheimera i Parkinsona [19,246,247], [18,248]. Dostarczono różne dowody z badań in vitro i in vivo badania mające na celu wykazanie zachowania szczepu podobnego do prionów -Syn, jak omówiono poniżej.

4.2. -Syn Szczepy wytworzone in vitro

W ciągu ostatnich kilku lat donoszono o coraz większej liczbie dowodów na istnienie prionopodobnych szczepów -Syn powiązanych ze zmianami klinicznymi i patologicznymi obserwowanymi w synukleinopatiach [29–35, 249].

Szczepy te zdefiniowano jako odrębne i stabilne zespoły konformacyjne pojedynczego białka, które mogą samoreplikować i rozmnażać się in vivo, powodując różne fenotypy chorób. Guo i in. odkrył dwa „szczepy” wstępnie uformowanych włókienek (puffów) -Syn, poprzez fibrylizację denovo, zwane „szczepem A” i powtarzalną fibrylizację zaszczepiającą in vitro, określane jako „szczep B”.

Te dwa szczepy wykazywały odrębną konformację i uderzające różnice w krzyżowym wysiewie białka tau w pierwotnych hodowlach neuronowych i in vivo [30]. Oprócz udokumentowania po raz pierwszy dowodów na istnienie szczepów włókienkowych -Syn, odkrycia te pozwoliły również zidentyfikować zachowanie krzyżowe -Syn. Później kilka grup wykorzystało właściwości kameleona -Syn [9] i sprawdziło liczne warunki wzrostu, aby wygenerować szczepy -Syn in vitro. W różnych warunkach wzrostu zaobserwowano kilka stabilnych konformacyjnie i niestabilnych stanów białka [250].

Konformacje, które nie są stabilne termodynamicznie lub nie mogą ustanowić stabilnych oddziaływań międzycząsteczkowych, nie mogą rosnąć w włókienka amyloidowe. Nazywa się je państwami niekompetentnymi do wzrostu (rysunek 3). Z drugiej strony, stany kompetentne do wzrostu -Syn mogą rosnąć i tworzyć różne włókienka w zależności od warunków wzrostu (Rysunek 3).

Powstałe włókienka w różnych warunkach składania nie tylko posiadają różne właściwości biochemiczne i biofizyczne, takie jak odporność na proteazy, cytotoksyczność, zdolność do zaszczepiania itp. [29–32,34–36,51,53], ale także odciskają swoją architekturę na włókienkach potomnych w zależności od warunki wzrostu i charakter nasion (ryc. 3).

Bousset i in. rzeczywiście wygenerował dwa różne strukturalnie i funkcjonalnie szczepy -Syn, zwane „fibrylami” i „wstążkami”, przy użyciu różnych stężeń soli fizjologicznych [29]. Włókna powodowały większą cytotoksyczność, podczas gdy wstęgi okazały się bardziej skuteczne w indukowaniu wtrąceń -Syn in vivo [33]. Podobne różnice uzyskano w przypadku szczepów wygenerowanych przez Suzuki i in. [51], gdzie jeden szczep spowodował akumulację obfitych fosforylowanych i ubikwitynowanych agregatów -Syn w hodowanych neuronach i myszach ze względu na jego zdolność do interakcji z kompleksami proteasomów, podczas gdy drugi szczep tego nie zrobił [51].

Obecnie zróżnicowane warunki eksperymentalne stały się raczej powszechną strategią generowania szczepów in vitro. W przypadkach, w których kryteria, aby nazwać je „szczepem”, tj. powinien być wariantem strukturalnym agregatów białkowych, wykazywać zdolność do samopropagowania i seryjnego przenoszenia choroby na kolejne pokolenia oraz powodować kliniczne i fenotypowe zmiany chorobowe, nie są całkowicie spełnione, bardziej właściwe byłoby nazywanie włókienek „polimorfami”.

Te polimorfy mogą wykazywać uderzające różnice w ich morfologii i strukturze [28,56,251], szybkości zarodkowania [252], zdolności do zaszczepiania i wiązania błon w komórkach [36] itp. Jednakże, jako funkcjonalna konsekwencja tych różnic strukturalnych w polimorfach, mogą one lub muszą nie powodują odrębnych podtypów klinicznych chorób. Istnieją także przypadki polimorfizmu wewnątrzpróbkowego, które mogą wystąpić niezależnie od tego, czy fibryle powstają in vitro [39,57,253–256], czy też pochodzą z ekstraktów mózgowych [40,257,258].

Chociaż mogą one posiadać pewne cechy wspólne, takie jak podobny fałd monomeryczny lub wspólna struktura, wykazują one również wyraźne różnice w morfologii, układzie nici lub właściwościach biochemicznych [57,256]. Zatem różne warunki składania mogą generować strukturalnie i funkcjonalnie odrębne zespoły włókniste, które mogą albo rozprzestrzeniać się jako unikalny szczep -Syn, albo mogą po prostu tworzyć polimorfy.

W kilku doniesieniach stwierdzono obecność agregatów -Syn w przewodzie pokarmowym [259–263] i kluczową rolę nerwu błędnego w rozprzestrzenianiu się tych agregatów z jelit do mózgu [74,76,192,264,265]. Niedawno wykazano, że E. coli wykazująca ekspresję curli promuje patologię -Syn w jelitach i mózgu myszy z nadekspresją ludzkiego -Syn [78]. Narażenie na amyloidy drobnoustrojowe może wywołać polimorfizm.

Zamiast tego interesujące byłoby zapytać, czy różne formy -Syn (polimorfy) pochodzą z jelit, rozprzestrzeniają się do obszarów mózgu poprzez wsteczny transport nerwu błędnego i powodują patologię w sposób specyficzny dla szczepu. W tym kontekście zaobserwowano różnice strukturalne i funkcjonalne pomiędzy włókienkami -Syn powstającymi w obecności i nieobecności bakteryjnego lipopolisacharydu endotoksyny (LPS) [31].

Wiadomo, że LPS moduluje agregację -Syn poprzez stabilizację helikalnych półproduktów utworzonych podczas szlaku agregacji, co skutkuje fibrylami o zmiennej cytotoksyczności i zmienionym zachowaniu internalizacyjnym [266]. Co więcej, wykazano, że -Syn podlega licznym PTM, takim jak fosforylacja, utlenianie metioniny, acetylacja, nitrowanie itp., które są bezpośrednio związane z jego agregacją i cytotoksycznością [94,115,267,268].

Ponieważ pS129 jest najpowszechniejszym PTM i główną formą -Syn w ciałkach inkluzyjnych, może powodować tworzenie się szczepu w -Synin vivo. Ma i in. wykazali, że fosforylacja w Ser129 umożliwia białku utworzenie odrębnego szczepu, który różni się strukturalnie wyższą cytotoksycznością i różnymi właściwościami propagacji in vitro i w komórkach w porównaniu z odpowiednikiem typu dzikiego (bez fosforylacji) [269].

Nie tylko fosforylacja, ale także acetylacja N-końcowego może nadawać polimorfizm włókienek [267], co sugeruje, że nawet niewielka modyfikacja sekwencji aminokwasów -Syn może znacząco wpłynąć na ich strukturę włókienkową. Zmiana w strukturze włókienek może dodatkowo wpływać na propagację włókienek in vivo poprzez selektywne celowanie w różne typy komórek i populacje komórek w mózgu [32].

Te różnice specyficzne dla szczepu są następnie wiernie zachowywane przez pokolenia [28,29,52] i prowadzą do różnic klinicznych w zakresie początku choroby, chorób neurologicznych, profilu uszkodzeń itp. [32]

Ogólnie rzecz biorąc, badania te sugerują, że w złożonym i zatłoczonym środowisku, takim jak środowisko akomórkowe, subtelne zmiany środowiskowe i komórkowe, obecność kofaktorów lub innych białek oraz zmiany w pierwotnej sekwencji białka mogą prowadzić do powstawania różnych polimorfów lub szczepów co powoduje różne skutki choroby.

For more information:1950477648nn@gmail.com