Presluchy medzi rôznymi cestami opravy DNA prispievajú k neurodegeneratívnym ochoreniam, časť 1

Jednoduché zhrnutie:

Neustále vystavenie endogénnym a environmentálnym faktorom vyvoláva oxidačný stres a poškodenie DNA. Zriedkavé poruchy mozgu spôsobené defektmi v oprave DNA a signalizáciou reakcie na poškodenie DNA (DDR) ukazujú, že zlyhanie spracovania poškodenia DNA môže viesť k neurodegenerácii.

Vzťah medzi poškodením DNA a pamäťou je téma, ktorá priťahuje veľkú pozornosť výskumníkov. Ako sa predlžuje dĺžka ľudského života a mení sa životné prostredie, zvyšuje sa vplyv poškodenia DNA. Môžeme však lepšie pochopiť formovanie a udržiavanie ľudskej pamäte skúmaním vzťahu medzi poškodením DNA a pamäťou, čím sa zlepší kvalita nášho života.

Podľa výskumu výskyt poškodenia DNA súvisí s faktormi ako starnutie, ultrafialové žiarenie a vystavenie chemikáliám. Tieto faktory môžu spôsobiť zmeny v bázach v DNA, a tým ovplyvniť expresiu génov a syntézu bielkovín, a tým ovplyvniť normálnu funkciu organizmu. V tejto oblasti výskumu vedci zistili, že poškodenie DNA môže ovplyvniť ľudskú pamäť. Počiatočný experimentálny výskum potvrdil vzťah medzi poškodením DNA a ľudskou pamäťou. Ďalší výskum zistil, že naše telo sa dokáže opraviť samo, a to opravou DNA. Ak je DNA poškodená, telo automaticky upraví expresiu génov, aby ju opravilo a zabránilo strate pamäti. Toto zistenie ukazuje, že schopnosť samoopravy tela má značný vplyv aj na našu pamäť.

Okrem toho faktory ako zdravá strava, mierne cvičenie a relax môžu tiež pomôcť znížiť výskyt poškodenia DNA. Preto môžeme znížiť vplyv poškodenia DNA na pamäť vykonaním určitých úprav životného štýlu. Udržiavanie dobrých životných návykov môže pomôcť telu pri samoopravnej schopnosti a zabrániť strate pamäti.

Stručne povedané, medzi poškodením DNA a ľudskou pamäťou skutočne existuje vzťah, no v modernom živote sa poškodeniu DNA možno úplne nevyhneme. Preto si musíme zachovať pozitívny prístup a prijať určité opatrenia na zníženie vplyvu poškodenia DNA. Len tak si môžeme lepšie chrániť pamäť a užívať si šťastnejší a zdravší život. Je vidieť, že potrebujeme zlepšiť našu pamäť a Cistanche dokáže výrazne zlepšiť pamäť, pretože Cistanche je tradičná čínska medicína s mnohými unikátnymi účinkami, jedným z nich je zlepšenie pamäte. Účinnosť Cistanche pochádza z rôznych aktívnych zložiek, ktoré obsahuje, vrátane kyseliny trieslovej, polysacharidov, flavonoidových glykozidov atď., ktoré môžu podporovať zdravie mozgu mnohými spôsobmi.

Kliknite na položku Poznať krátkodobú pamäť, ako sa zlepšiť

V tomto prehľade uvádzame mechanizmy, ktoré spájajú DDR s neurodegeneráciou pri týchto poruchách, a diskutujeme o ich význame pre bežné neurodegeneratívne ochorenia súvisiace s vekom (NDD).

Okrem toho zdôrazňujeme nedávny pohľad na presluchy medzi DDR a inými bunkovými procesmi, o ktorých je známe, že sú počas NDD narušené.

Abstrakt:

Genomická integrita je udržiavaná opravou DNA a reakciou na poškodenie DNA (DDR). Defekty určitých opravných génov DNA spôsobujú vznik mnohých zriedkavých progresívnych neurodegeneratívnych chorôb (NDD), ako je očná motorická ataxia, Huntingtonova choroba (HD) a spinocerebelárne ataxie ( SCA).

Dysregulácia alebo dysfunkcia DDR sa tiež navrhuje prispieť k bežnejším NDD, ako je Parkinsonova choroba (PD), Alzheimerova choroba (AD) a amyotrofická laterálna skleróza (ALS).

Tu uvádzame mechanizmy, ktoré spájajú DDR s neurodegeneráciou pri zriedkavých NDD spôsobených defektmi v DDR, a diskutujeme o význame pre bežnejšie neurodegeneratívne ochorenia súvisiace s vekom.

Okrem toho zdôrazňujeme nedávny pohľad na presluchy medzi DDR a inými bunkovými procesmi, o ktorých je známe, že sú počas NDD narušené.

Porovnávame silné stránky a obmedzenia zavedených modelových systémov na modelovanie ľudských NDD, od C. elegans a myších modelov až po pokročilé 3D modely založené na kmeňových bunkách.

Kľúčové slová: neurodegenerácia; reakcia na poškodenie DNA; oxidačný stres; PARP; ALS; Alzheimer; Parkinson; cGAS-STING; neurozápal.

1. Úvod

Základná jednotka nášho tela, bunka, sa neustále stretáva so stresom v rôznych podobách. Aj keď je mozog vo všeobecnosti chránený pred mnohými environmentálnymi faktormi, niektoré vonkajšie a endogénne stresové podmienky poškodzujú genetický materiál (DNA).

Endogénne látky poškodzujúce DNA sú vedľajšími produktmi normálneho bunkového metabolizmu. V dôsledku vysokej spotreby kyslíka a metabolickej aktivity mozgové bunky znášajú vysoké zaťaženie reaktívnymi formami kyslíka (ROS), ktoré napádajú DNA oxidáciou jej báz a kostry.

S najnižším oxidačným potenciálom je báza DNA guanín vysoko citlivá na oxidáciu [1]. Preto hlavný a najlepšie preštudovaný produkt oxidácie DNA 8-oxo-7,8-dihydro20-deoxyguanozín (8-oxoG) patrí medzi najčastejšie použili biomarkery pre oxidatívny stres [2].

Hydrolytická deaminácia je ďalším zdrojom poškodenia DNA za fyziologických podmienok, čo vedie k strate báz DNA a modifikáciám báz [3,4]. Okrem toho mnohé environmentálne látky spojené s neurotoxicitou a rozvojom neurodegeneratívnych ochorení (NDD) [5], ako napr. ťažké kovy (Pb, Cd, As, Hg, Cu, Zn a Fe) a pesticídy (1-metyl-4-fenyl-1,2,3,6-tetrahydropyridín ( MPTP), paraquat, dieldrín, rotenón), indukujú poškodenie DNA prostredníctvom tvorby ROS. Rotenón a MPTP napríklad rozpájajú mitochondriálny reťazec prenosu elektrónov inhibíciou mitochondriálneho komplexu I [6].

Existujú dve hlavné stratégie ochrany DNA: antioxidačná obrana a oprava DNA. Existuje dostatok dôkazov, že prvý z nich je rozhodujúci pre zdravie neurónov a niekoľko klinických štúdií sa zameriava na zvýšenie alebo stimuláciu antioxidačnej kapacity.

Starnutie je jedným z hlavných rizikových faktorov väčšiny neurodegeneratívnych ochorení, vrátane Alzheimerovej choroby (AD) a Parkinsonovej choroby (PD) [7,8]. Charakteristické znaky starnutia zahŕňajú genómovú nestabilitu, opotrebenie telomér, epigenetické zmeny, stratu proteostázy, deregulované vnímanie živín, mitochondriálnu dysfunkciu, starnutie buniek, vyčerpanie kmeňových buniek a zmenenú medzibunkovú komunikáciu [9].

Väčšina z týchto biologických procesov môže priamo alebo nepriamo prispievať k NDD. Napríklad progresívne poškodenie jadrovej DNA aj mitochondriálnej DNA (mtDNA) je spojené so starnutím. Poškodená jadrová DNA môže tiež viesť k aktivácii signalizácie jadra do mitochondrií (NM). Signalizácia NM je tiež spojená s oxidačným stresom (prostredníctvom tvorby a akumulácie ROS), čo môže v konečnom dôsledku prispieť k NDD [10].

Hoci sa predpokladá, že oxidačné poškodenie DNA podporuje proces starnutia a prispieva k patogenéze niekoľkých NDD [11], neuroprotektívna funkcia opravy DNA je menej jasná. Dôkazom toho, že oprava DNA je dôležitá pre zdravie mozgu, je existencia niekoľkých zriedkavých NDD spôsobených defektmi v signalizácii opravy DNA alebo poškodení DNA (DDR), napr. okulárnomotorická apraxia, Huntingtonova choroba (HD) a určité cerebelárne a spinocerebelárne ataxie. SCA) [12].

Vo všeobecnosti sa signalizácia DDR aktivuje v reakcii na poškodenie DNA. Centrálne enzýmy koordinujúce downstream DDR signalizáciu zahŕňajú Ataxia Telangiectasia mutated (ATM), Ataxia Telangiectasia mutated and Rad{0}}related (ATR) a DNA-dependent proteinkinase (DNA-PK).

DDR je vysoko komplexná a prepojená a presné aktivované dráhy závisia od typu poškodenia DNA, typu bunky a štádia bunkového cyklu. Vo všeobecnosti je účel DDR trojaký: (i) odhaliť a opraviť poškodenie DNA, (ii) koordinovať reakcie buniek na poškodenie DNA prostredníctvom aktivácie komplexnej bunkovej kaskády a (iii) vyvolať zastavenie bunkového cyklu alebo apoptózu, ak potrebné (odvolávame sa na nedávne prehľady [13]).

Táto orchestácia je dosiahnutá senzorom poškodenia DNA, ktorý po aktivácii indukuje signálnu transdukčnú kaskádu s priamymi cieľmi, ktoré podporujú niekoľko zložiek bunkovej odozvy na poškodenie DNA, napr. ATM fosforyluje H2A.X variantný histón (gH2AX), ktorý je dôležitý pre transkripciu a nábor opravných proteínov tochromatínu.

Z mnohých cieľov ATM je p53 hlavným regulátorom bunkového cyklu, ktorý, keď je fosforylovaný, vedie k zastaveniu G1 [14] a transkripčnej aktivácii proapoptotických proteínov [15].

Tu uvádzame prehľad repertoáru dráh opravy DNA zapojených do NDD. Budeme tiež diskutovať o presluchoch medzi rôznymi cestami opravy DNA a ich úlohe v iných bunkových procesoch, o ktorých je známe, že ovplyvňujú progresiu niektorých bežných NDD.

Nakoniec diskutujeme o modelových systémoch, ktoré sa dajú použiť, aby sme sa priblížili k pochopeniu mechanickej úlohy a možného terapeutického potenciálu opravy DNA u NDD súvisiacich s vekom.

2. Reakcia na poškodenie DNA a mechanizmy opravy

Cicavčie bunky sú vybavené vysoko prepracovaným programom DDR, ktorý koordinuje bunkovú odpoveď na poškodenie DNA [16]. Šesť hlavných mechanizmov opravy DNA je integrálnou súčasťou DDR (obrázok 1).

Z nich priame zvrátenie (DR), oprava excízie nukleotidov (NER), oprava excízie bázy (BER) a oprava nesúladu (MMR) odstraňujú poškodené a nesprávne spárované bázy. Dráhy opravy dvojvláknového zlomu (DSBR) zahŕňajú nehomologické spájanie koncov (NHEJ) a homológnu rekombináciu (HR) [17].

NER je jednou z najuniverzálnejších ciest opravy DNA a dokáže zvládnuť rôzne lézie, ako sú objemné adukty DNA vytvorené vystavením environmentálnym genotoxickým látkam [18]. BER primárne koriguje poškodené bázy DNA, ktoré nevytvárajú veľké štrukturálne deformácie v DNA [19]. BER proteíny sú tiež dôležité pre opravu jednovláknových zlomov (SSB).

MMR koriguje malé inzerčné/delečné slučky alebo nesprávne spárované nukleotidy [20]. BER sa považuje za primárny mechanizmus proti poškodeniu mitochondriálnej DNA [21].

Kanonické dráhy NER, MMR a DSBR nefungujú v mitochondriách, pretože mnohé kľúčové enzýmy nie sú lokalizované v mitochondriách. Jednotlivé proteíny sa však nachádzajú v mitochondriách, ako sú NER proteíny Cockayneovho syndrómu skupiny B (CSB) a Xeroderma PigmentosumGroup D Protein (XPD) [22,23].

Zostáva preukázať, či sa v mitochondriách používajú iné cesty opravy DNA ako BER alebo iné stratégie na zabezpečenie udržiavania mitochondriálnej DNA [24]. HR opravuje dvojvláknové zlomy (DSB) a krížové väzby medzireťazcovej DNA. Pretože HR vyžaduje sesterskú chromatídu ako templát na opravu, je obmedzená na fázy S a G2 bunkového cyklu, a preto sa považuje za "vernú dráhu opravy DNA".

Na rozdiel od toho NHEJ nevyžaduje homológiu a môže priamo utesniť zlomy s tupým koncom. NHEJ je teda aktívny počas celého bunkového cyklu [25,26]. Keďže NHEJ nevyužíva šablónu na opravu a môže zahŕňať orezanie koncov na prípravu koncov na vyradenie [27], existuje riziko, že sa zavedú mutácie. NHEJ sa preto označuje ako „náchylný na chyby“ [28].

Podobne ako jadrová DNA, aj mitochondriálna DNA je vystavená endogénnym a exogénnym látkam. Okrem opravy DNA DDR zahŕňa aktiváciu signálnych dráh, ktoré koordinujú bunkové reakcie na poškodenie DNA (pozri [29] alebo [30] pre nedávny prehľad). . ATM, ATR a DNA-PK organizujú následné signálne dráhy DDR fosforyláciou stoviek enzýmov [13].

Katalytické podjednotky ATM aj DNA-PK (DNA-PKcs) sa aktivujú v reakcii na zlomy dvoch vlákien DNA (DSB) [13] prostredníctvom rôznych senzorových komplexov poškodenia DNA.

Po aktivácii komplexom MRE11-RAD50-NBS1 (MRN) ATM fosforyluje niekoľko downstream proteínov DDR, ako je opísané vyššie [31–35]. ATM však aktivuje aj niekoľko proteínov, ktoré fungujú v iných bunkových dráhach. Napríklad ATM je tiež regulátorom mitofágie, reakcií na oxidačný stres a inzulínovej signalizácie [36,37]. DNA-PKcs je aktivovaná komplexom Ku70/Ku{9}}DNA a je potrebná pre NHEJ [13,38].

Prostredníctvom svojej účasti v NHEJ hrá DNA-PKcs úlohu pri diferenciácii lymfocytov a neurónov a tiež funguje pri postintegračnej oprave DNA v prípade infekcie vírusom ľudskej imunodeficiencie-1 (HIV-1) [38–40] .

Počas vývoja lymfocytov sú DSB generované v imunoglobulínových a T bunkových receptorových lokusoch, aby sa vytvorila diverzita imunitných receptorov pomocou V(D)J a rekombinácie s prepínačom triedy. Na opravu týchto DSB na spojenie medziproduktov rekombinácie V(D)J je potrebný NHEJ sprostredkovaný DNA-PK [39].

Faktory NHEJ (vrátane DNA-PK) tiež hrajú dôležitú úlohu pri oprave DSB, ktoré vznikli počas diferenciácie nervových progenitorových buniek. Špecifické mutácie v DNA-PKcs ovplyvňujú opravu NHEJ, a tak by mohli viesť k hlbokým neurologickým defektom [40,41].

ATR úzko súvisí s ATM a DNA-PKcs [13]. ATR je aktivovaný dlhými úsekmi jednovláknovej DNA pokrytej replikačným proteínom A (RPA) a mnohými typmi genómového stresu, vrátane zastavenej replikačnej vidlice a transkripcie.

ATR teda okrem svojej úlohy pri aktivácii kontrolných bodov poškodenia DNA funguje aj pri nerušenej replikácii DNA [42].

3. NDD súvisiace s mechanizmami opravy defektnej DNA

Defekty v opravných proteínoch DNA spôsobujú niekoľko zriedkavých chorôb s neurodegeneráciou ako súčasťou klinického fenotypu. Tieto zriedkavé poruchy vytvárajú všeobecný koncept, že neurodegenerácia môže byť výsledkom defektov v oprave DNA. Napríklad mutácie v APTX, PNKP alebo XRCC1 (všetky gény na opravu jednovláknového zlomu (SSBR)) sú spojené s okulárnou motorickou apraxiou [12], zatiaľ čo defekty v TDP1 (gén SSBR) môžu viesť k SCA s axonálnou neuropatiou [44].

Podobne mutácie v génoch DSBR MRE11 a hlavných senzorových proteínoch poškodenia DNA, ATM a ATR, môžu viesť k cerebelárnej ataxii [13,45]. Oprava DNA sa navyše podieľa na regulácii dĺžky opakovaní CAG pri poruchách opakovania sometrinukleotidov, ako napr. HD a určité SCA [46].

Štúdie celogenómovej asociácie (GWAS) u 4 000 HD pacientov ukázali niekoľko variantov v génoch DDR, najmä v génoch MMR [47]. Je potrebné ešte veľa objasniť, čo sa týka zahrnutých mechanizmov, ale predpokladá sa, že proteíny MMR a BER vytvárajú intermediát DNA so zrezaným úsekom, ktorý slúži ako templát pre expanziu [48,49].

Toto je podporované tým, že rozšírenie CAGrepeat bolo zrušené v modeloch HD myší s defektom MMR (napr. Msh2, Msh3, Mlh1 alebo Mlh3knockout) alebo defektným BER (napr. knockout Ogg1 alebo Neil1).

Zoslabenie expanzie somatickej alebo zárodočnej repetície bolo v niektorých prípadoch sprevádzané zlepšením fenotypov podobných HD [50], čo ďalej podporuje priamu úlohu enzýmov na opravu DNA pri regulácii stability opakovania CAG. Naopak, bolo navrhnuté, že CAG- proteíny obsahujúce repetíciu, v ktorých expanzia opakovania spôsobuje neurologické poruchy, funkcia pri oprave DNA: príklady zahŕňajú proteín Huntingtin (HTT), produkt génu huntingtín zmutovaného pri HD, ktorý je regrutovaný AT do miest poškodenia DNA [51]Podobne, ATXN3, ktorý spôsobuje spinocerebelárnu ataxiu 3 (SCA3), interaguje s RAD2ЗA/B, ktoré sú dôležitými hráčmi v NER [51].

Zistilo sa tiež, že mutant ATXN3 sekvestruje PNKP mimo jadra a tým zhoršuje jeho schopnosť podieľať sa na oprave DNA [52]. Nedávno bola preukázaná ďalšia nepriama súvislosť medzi opravou DNA a NDD pri chorobe spinalMotor Atrophy (SMA), ktorá je spôsobená deléciou alebo mutáciou v prežívaní génu motorického neurónu1 ($MN1) [53].

Ochorenie sa vyskytuje v ranom detstve a spôsobuje degeneráciu motorických neurónov vedúcu k svalovej atrofii, asymetrickej paralýze končatín a smrti [53] U pacientov s primárnymi fibroblastami a nedeliacimi sa neurónmi SMA vedie nízka hladina k deficitu DNA-PKes, ktorý zhoršuje NHE ] a spôsobuje akumuláciu R-slučiek, poškodenie DNA a neurodegeneráciu [54].

Naopak, zvýšená génová expresia prežitia motorického neurónu2 (SMN2, druhá kópia SMN1) [54,55] a ektopická expresia SMN1 znižuje R-slučky, obnovuje hladiny DNA-PKcs a zvyšuje opravu DNA sprostredkovanú NHE so zníženou degeneráciou neurónov [ 54,55].

Tieto a podobné správy ukazujú, že dráhy opravy DNA môžu priamo alebo nepriamo prispievať k NDD.

Možná príčinná úloha poškodenia DNA a opravy DNA v patogenéze bežnejších NDD s neskorým nástupom je menej známa, hoci sa objavujú defekty ako možní vinníci chorôb, ako je AD, PD a amyotrofická laterálna skleróza (ALS) (obrázok 2).

Obrázok 2. Bežné proteíny reakcie na poškodenie DNA (DDR) sa podieľajú na rôznych NDD. Venndiagram predstavuje proteíny DDR spojené s rôznymi NDD. Proteíny podieľajúce sa na Alzheimerovej chorobeObrázok 2.

Bežné proteíny reakcie na poškodenie DNA (DDR) sa podieľajú na rôznych NDD. Venndiagram predstavuje proteíny DDR spojené s rôznymi NDD. Proteíny podieľajúce sa na Alzheimerovej chorobe (AD) sú znázornené v modrom kruhu, Parkinsonova choroba (PD) oranžovou farbou, amyotrofická laterálna skleróza (ALS) zelenou farbou, Huntingtonova choroba (HD) ružovou a ataxia telangiektázia (AT) fialovou.

APE1, OGG1 a POL sa podieľajú na AD aj PD. Patológia súvisiaca s ALS-asociovaným proteínom TDP-43 sa pozoruje pri AD aj PD. BRCA1 sa podieľa na ALS a AD. Ataxia Telangiektasiamutated (ATM) je dysregulovaná pri AD, PD, HD a AT.

Poly [ADP-ribóza] polymeráza 1 (PARP1) sa objavuje, ako sa bežne podieľa na AD, PD, ALS, HD a AT. Obrázok bol vytvorený pomocou softvéru pre metagrafy.

3.1. Alzheimerova choroba

Alzheimerova choroba (AD) je najčastejším neurodegeneratívnym ochorením súvisiacim s vekom, ktoré je zodpovedné za 60–70 % prípadov demencie na celom svete [56]. AD je charakterizovaná progresívnym zhoršením kognitívnych funkcií, zhoršenou schopnosťou rozhodovania, poruchami správania a postupnou stratou pamäti vedúcou k demencii [57].

Ochorenie predstavuje dva hlavné neuropatologické znaky – extracelulárny A, uložený ako neuritické alebo amyloidné plaky a neurofibrilárne klbká (NFT), zahŕňajúce vysoko agregované hyperfosforylované TAU [57].

AD sa považuje za multifaktoriálne ochorenie, ktoré zahŕňa komplexné interakcie medzi vnútornými (starnutie, genetika) a vonkajšími (životný štýl, strava, životné prostredie) faktormi [58–60]. AD môže byť buď familiárna s mutáciami v génoch APP, APOE, PSEN1 a PSEN2 [61–63], alebo sporadická, čo predstavuje viac ako 90 % prípadov. Sporadická AD je polygénne ochorenie [64] so silným príspevkom k APOE [65,66].

V ADbrains sa detegovalo niekoľko typov poškodenia DNA, napr. DSB, SSB a 8-oxoG [67–71]. Znížená expresia a aktivita mnohých DDR proteínov (ATM, BRCA1 a DNA-PK) bola spojená s patológiou AD [72–74].

Podobne je pri AD znížená expresia génov BER, ako sú OGG1 a NEIL1 [75–77]. Ďalší gén BER, DNApolymeráza (POL ), ktorého expresia je znížená počas starnutia a starnutia [78,79], sa tiež predpokladá, že zohráva určitú úlohu pri AD, ako zníženie aktivity vyplnenia medzier DNA pri miernej kognitívnej poruche (MCI) a AD. mozgu bola sprevádzaná zníženou expresiou POL [76].

V súlade s tým transgénne AD myši s genetickou downreguláciou Pol (Pol +/-) vykazovali zhoršenú pamäť a synaptickú plasticitu, zvýšenú smrť neurónov a akumuláciu poškodenia DNA [80]. Všetky tieto štúdie naznačujú, že existuje korelácia medzi AD a neefektívnou opravou DNA; sú však potrebné ďalšie štúdie, aby sa zistila priama príčinná súvislosť medzi nimi.

For more information:1950477648nn@gmail.com