Expozícia výfukových plynov nafty mení výraz sietí podieľajúcich sa na neurodegenerácii v mozgu zebrafish, časť 3
Mar 04, 2024
Výsledky porovnania proteomiky odhalili zvýšenú reguláciu (nadmerné zastúpenie) ACTG2 (aktín, gama 2), CAT (kataláza), GSR (glutatión-disulfidereduktáza), GST (glutatión S-transferáza), HMOX1 (hemoxygenáza 1) a PRDX1 (peroxiredoxín 1), ako aj downreguláciu enzýmu konjugujúceho ubikvitín ubcM2, RAP1A (RAP1A, člen rodiny RASonkogénov), UBE2E3 (enzým konjugujúci ubikvitín E2 E3) a ACTA1 (aktín, alfa 1).
Proteomika je rozsiahla vedecká technológia, ktorá študuje typy, štruktúry, množstvá a funkcie bielkovín v organizmoch. V posledných rokoch stále viac štúdií ukazuje, že proteomika úzko súvisí s pamäťou.
Vedci zistili, že proteíny v mozgu môžu ovplyvniť signalizáciu medzi neurónmi, a tým ovplyvniť kognitívne aktivity, ako je učenie a pamäť. Napríklad väčšina proteínových molekúl potrebných na procesy kódovania a ukladania pamäte sa syntetizuje na synapsiách. Tieto proteínové molekuly sa nielen priamo podieľajú na vedení a prenose nervových signálov, ale môžu ovplyvňovať aj synaptické spojenia a ich stabilitu medzi neurónmi, čím ovplyvňujú tvorbu a konsolidáciu pamäte.
Výskum tiež zistil, že niektoré proteíny hrajú kľúčovú úlohu v procese pamäti. Napríklad CaMKII proteínkináza v neurónoch reguluje silu a stabilitu synaptických spojení a hrá dôležitú úlohu pri učení a pamäti. Ďalším dôležitým proteínom je BDNF, ktorý môže podporovať rast neurónov, synaptické posilňovanie a prežitie neurónov, čím zvyšuje konsolidáciu a udržiavanie pamäte.
Niektoré štúdie navyše zistili, že fyzické zdravie a strava majú významný vplyv aj na proteomiku a pamäť. Dostatočný spánok, vhodné cvičenie a diéta s nízkym obsahom tuku a vysokým obsahom bielkovín môže podporiť syntézu a opravu bielkovín, čo je prospešné pre zlepšenie pamäte a kognitívnych schopností.
Stručne povedané, proteomika a pamäť sú úzko prepojené. Vedci, ktorí študujú biologické vedy, stále viac objavujú, ako modulovať proteóm, aby sa zlepšila pamäť a zabránilo sa liečbe kognitívnych porúch, ako je Alzheimerova choroba. Preto by sme mali venovať pozornosť výsledkom vedeckého výskumu a udržiavať dobré stravovacie, životné a pohybové návyky, aby sme si udržali zdravý, silný mozog a mali lepšiu pamäť. Je vidieť, že potrebujeme zlepšiť pamäť a Cistanche deserticola dokáže výrazne zlepšiť pamäť, pretože Cistanche deserticola dokáže regulovať aj rovnováhu neurotransmiterov, ako je zvýšenie hladín acetylcholínu a rastových faktorov. Tieto látky sú veľmi dôležité pre pamäť a učenie. Okrem toho môže Cistanche deserticola tiež zlepšiť prietok krvi a podporiť dodávku kyslíka, čo môže zabezpečiť, že mozog dostane dostatok živín a energie, čím sa zlepší mozgová vitalita a vytrvalosť.
Kliknite na spoznajte 10 spôsobov, ako zlepšiť pamäť
Medzi nimi môže downregulácia ubcM2, inhibítora Nrf2, viesť k vyššej aktivite tejto dráhy. Keďže sa rôzne zložky cytoskeletu (ACTG2 aACTA1) správajú odlišne a vzhľadom na nedostatok významnej diferenciálnej expresie v Nrf2 alebo Keap1, možno dospieť k záveru, že expozícia DEPemu môže vyvolať preskupenie cytoskeletu (v prospech translokácie Nrf2 do jadra) a aktiváciu Dráha Nrf2 nepriamo cez stimuly oxidačného stresu (obr. 4).
Tieto zistenia sú dobre podporené našou transkriptomickou analýzou, ktorá ukazuje upreguláciu PRDX, GSR a GST (downstream gény). Analýza transkriptómu však ďalej podrobne opísala, že c-Fos a FRA1 (dva inhibítory jadrového Nrf2) sú výrazne downregulované, a preto umožňujú vyššiu aktivitu Nrf2 počas liečby DEPe.
Fagozómové dozrievanie
Zrenie fagozómov uľahčuje prenos internalizovaných častíc smerom k sérii čoraz kyslejších, membránovo viazaných subcelulárnych štruktúr, čo vedie k degradácii častíc. Po utesnení odštiepenia z povrchovej membrány fagozóm fúzoval so skorými endozómami, neskorými endozómami a lyzozómami sprevádzanými významnými okysľovacími zmenami v jeho zložení, ktoré ho premenili na oxidačné a degradačné prostredie.
K pohybu fagozómov dochádza na základe väzby cytoskeletálneho proteínu (mikrotubuly), čo vedie k sekvenčnej fúzii endozómov a lyzozómov dynamickým spôsobom (Gotthardt et al. 2002). Počas dozrievania GTPáza Rab5 riadi fúziu skorých endozómov prostredníctvom interakcie s niekoľkými molekulami, vrátane skorého endozómového antigénu 1 (EEA1), komplexu VPSS34 a proteínov SNARE.
Navyše, okyslenie prebieha súčasne prostredníctvom vATPázy (vakuolárnej protónovej pumpy), ktorá premiestňuje H+ cez membránu a ďalej okysľuje lúmen (Desjardins et al. 1994).
Aj keď sa na transkriptomickej úrovni nezistilo žiadne významné zapojenie tejto dráhy, naša proteomická analýza ukazuje downreguláciu ATP6V1A (ATPáza H + transportujúca V1 podjednotka A), ATP6V1E1, ATP1B2B, ATP1B3A, ATP6V1F, DYNLRB1 (cestná blokáda ľahkého reťazca dyneínu 1), TUBA1C (tubulín alfa 1c), TUBB2A, TUBB4A a VAMP2 (membránový proteín spojený s vezikulami 2), čo naznačuje, že liečba DEPe môže viesť k aktivite dozrievania nižších fagozómov alebo k zmene lyzozomálneho pH (obr. 4). To je v súlade s našou nedávnou správou, že expozícia DEPe vedie k nižšiemu neuronálnemu autofagickému fuxu a naznačuje mechanizmus, ktorý je základom neuronálnej toxicity znečistenia ovzdušia (Barnhill et al. 2020).
Spracovanie amyloidu
Amyloidné plaky sú charakteristickým znakom neuropatologických mozgových lézií pri AD a PD s demenciou. Tieto štruktúry sú zložené z A-beta peptidu, ktorý je ústredným prvkom patofyziológie AD (SadighEteghad et al. 2015).
Amyloid beta je spracovaný komplexom gama-sekretázy (Presenilin1/2) a beta-sekretázy (BACE1) z transmembránového proteínu typu 1-amyloidného proteínu (APP). Je známe, že abnormálny prísun Ca2+ vedie k aberantnej aktivácii Calpainu, ktorý hrá úlohu pri fosforylácii proteínu Tauvia spojeného s mikrotubulami v dráhe CDK5.
Okrem toho oxidačný stres spojený s akumuláciou A-beta prispieva k aktivácii niekoľkých kináz, vrátane MAP kináz, čo vedie k fosforylácii tau. Patologická hyperfosforylácia tau má zásadnú úlohu pri destabilizácii mikrotubulov (Sadigh-Eteghad et al. 2015 ). Tieto zmeny sú obzvlášť dôležité pre patogenézu AD a PD a mohli by byť faktorom, ktorý prispieva k tomu, ako znečistenie ovzdušia zvyšuje riziko.
Naše expresné analýzy naznačujú destabilizujúci vplyv DEPe na regulátory spracovania amyloidu, pretože tri regulátory vrátane CAPNS1 (malá podjednotka 1 calpainu), MARK1 (kináza 1 regulujúca afinitu mikrotubulov) a PRKAR1B (regulačná podjednotka beta typu I závislá od proteínového kinasecAMP) boli znížené hladina bielkovín (obr. 4).
Mitochondriálna dysfunkcia
Ako hlavní spotrebitelia kyslíka v bunke obsahujú mitochondrie množstvo redoxných nosičov na prenos elektrónov na kyslík, čo vedie k tvorbe reaktívnych foriem kyslíka (ROS).
Tieto organely obsahujú antioxidačný obranný systém na detoxikáciu ROS a zabraňujú oxidačnému poškodeniu iných bunkových zložiek. Expozícia DEPe viedla k zmenám v expresii kľúčových proteínov, ktoré pravdepodobne viedli k mitochondriálnej dysfunkcii. Ako je znázornené na obr. 4, došlo k výraznému poklesu proteínovej hladiny ATP syntázy (ATP5F1D, ATP5mea), cytochróm c oxidázy (COX7A2), NADH dehydrogenázy (NDUFA10, NDUFS8), 2-oxoglutarátdehydrogenázy (OGDH), a podjednotku 2 komplexu cytochrómu b-c1 (UQCRC2), ktoré hrajú kľúčovú úlohu v transporte elektrónov.
To by mohlo zmeniť produkciu ATP a tiež priamo viesť k zvýšenej produkcii a toxicite ROS. Predpokladá sa, že mitochondriálna dysfunkcia prispieva k patogenéze AD a PD a, ako pri niektorých z vyššie uvedených ciest, znečistenie ovzdušia môže zmeniť riziko narušením funkcie tejto kritickej organely.
Signalizácia axonálneho vedenia
Tvorba neurónových spojení vyžaduje predĺženie axónov, ktoré migrujú smerom k ich synaptickým cieľom. Na prednej hrane axónu obsahuje kužeľ axonálneho rastu receptory so schopnosťou vnímať atraktívne a odpudivé vodiace podnety, ktoré sú potrebné na navigáciu axónu.
Okrem BMP, Shh a Wnt (ktoré boli nedávno zapojené do axonálneho vedenia) existujú najmenej štyri hlavné skupiny navádzacích podnetov: (i) Netríny a DCC/UNC-5 receptory; (ii) plexínové, semaforínové a neuropilínové receptory; (iii) štrbiny a Robo receptory; a (iv) Efríny a Eph receptory. Tieto proteíny môžu byť buď vylučované a asociované s extracelulárnou matricou (štrbiny, netríny a niektoré semaforíny), alebo môžu byť ukotvené na povrchu bunky (efríny a niektoré ďalšie semaforíny) (Stoeckli 2018). Liečba pomocou DEPe ovplyvňuje niekoľko aspektov axonálneho vedenia.
Na úrovni proteínu sa po liečbe zmenilo niekoľko dôležitých faktorov a regulátorov. Nadmerné zastúpenie PLXNB2 (plexín B2) a nedostatočné zastúpenie niekoľkých proteínov vrátane ARHGEF11 (Rho guanínový nukleotidový výmenný faktor 11), CHMP1A (nabitý multivezikulárny telový proteín 1A), COPS5 (COP9 signálnozómová podjednotka 5), GNAT1 (podjednotka transdukcie G proteínu2 GNAT2 (podjednotka G proteínu alfa transducín 2), GNB5 (podjednotka G proteínu beta 5), MYL1 (ľahký reťazec myozínu 1), MYL2 (ľahký reťazec myozínu 2), NCK1 (proteín adaptéra 1), PLXNA1 (plexín A1), PRKAR1B (proteínkináza cAMP-dependentná regulačná podjednotka typu I beta), RAC3 (Rac rodina malá GTPáza 3), RAP1A (člen onkogénovej rodiny RAS), SHANK2 (SH3 a viacnásobné ankyrínové repetitívne domény 2), TUBA1C (tubulín alfa 1c), TUBB2A (tubulín beta 2A trieda IIa ) a TUBB4A (tubulínbeta 4A trieda Iva) naznačujú významné poškodenie vedenia axónu vo vyvíjajúcom sa embryu (doplnková tabuľka 5).
Je zaujímavé, že axonálna vodiaca dráha nebola významne ovplyvnená na transkriptomickej úrovni, čo naznačuje, že zapojenie tejto dráhy môže byť následným výsledkom, prostredníctvom ktorého boli degradované niektoré efektorové / regulačné proteíny.
Zmeny v dráhach axonálneho vedenia tu opísané môžu odrážať neurotoxické dráhy relevantné pre AD a PD alebo jednoducho odrážať interferenciu neurálneho vývoja vo vyvíjajúcich sa embryách. Analýza profilov expresie u dospelých vystavených DEPe by pomohla vyriešiť túto otázku.
Iné cesty
Naše proteomické a transkriptomické analýzy tiež preukázali zapojenie niekoľkých dráh a metabolických ciest vrátane degradácie melatonínu, cirkadiánneho rytmu, signalizácie spojenia Sertoliho bunka-Sertoliho bunka, signalizácie spojenia epitelových adherentov, metabolizmu hormónov štítnej žľazy II (prostredníctvom konjugácie a/alebo degradácie), signalizácie RhoA, inozínu Biosyntéza -5′-fosfátu II, signálna dráha GP6, signálna dráha RhoGDI, dráha vonkajšej aktivácie protrombínu a koagulačný systém. Mnohé z týchto zmien by mohli odrážať zmeny spôsobené prerušením vývoja.
Napríklad proteomické aj transkriptomické analýzy odhalili, že fototransdukčná dráha má najväčšie zmeny v expresii po liečbe DEPe. Ako je uvedené v doplnkovej tabuľke 5, niekoľko génov vrátane Opsin, GRK, S-arestín, Transducin-, Transducin-, PDC a GUCA má oslabenú úroveň transkripcie v dôsledku expozície DEPe. Vzhľadom na nedostatok dôkazov o indukcii akéhokoľvek prvku v tejto dráhe sa zdá, že liečba DEPe poškodzuje vývoj zrakového systému. To je v súlade s naším pozorovaním, že oči sa po ošetrení nikdy úplne nevyvinuli a sú malé.
Funkčné hodnotenie
V tejto správe bola významná upregulácia cytochrómu P450 (Cyp1A) najvýznamnejším účinkom expozície DEPe. Cyp1A metabolizuje mnohé endogénne a exogénne zlúčeniny a zvýšená expresia v mozgu môže chrániť pred toxicitou alebo prispievať k nej. Aby sme lepšie pochopili úlohu Cyp1A v toxicite DEPe, použili sme CRISPR / Cas9 na vytvorenie modelu knockdown Cyp1A. Keďže postup úpravy génov u zebričiek je pravdepodobne čiastočný proces, ktorého výsledkom sú mozaikové embryá, používame termín „knockdown“ (KD) namiesto „knockout“. Pomocou sekvenčne špecifickej vodiacej RNA sme konvertovali prvé miesto CCA PAM na TGA (stop) kodón, prvý exón Cyp1A. Necieľová vodiaca RNA sa alternatívne použila ako kontrola kódovania (SC).
Celková RNA sa potom izolovala z hláv až 20 KD a SC embryí (5 pdf) a účinnosť knockdownu sa potvrdila analýzou qPCR. Podobne ako to, čo bolo pozorované vo vysokovýkonnej RNA-Seqstudy, tento experiment demonštroval ostrú indukciu (30,{4}}násobok základnej línie) Cyp1A po liečbe DEP v SC embryách, zatiaľ čo KD embryo uvoľnilo takéto zvýšenie expresie ( Obr. 5a).
Prežitie šiestich skupín embryí počas 7-denného cyklu (n Väčšie alebo rovné 40) je znázornené na Obr. 5b. Stručne povedané, pri 7pdf bolo priemerné prežitie 89,1 %, 74,4 %, 79,4 %, 68,5 %, 48,8 % a 7,6 % pre WT/DMSO, WT/DEPe, SC/DMSO, SC/DEPe, KD/DMSO a KD/DEPe, resp. KD Cyp1A teda viedla k zníženiu prežitia, ale bola dramaticky znížená u rýb ošetrených DEPe v porovnaní s kontrolami.
Okrem toho KD tiež viedla k významne vyššej miere morfologických malformácií (obr. 5c). Zdá sa teda, že indukcia expresie Cyp1A pomocou DEPe je ochranným kompenzačným mechanizmom. Významným obmedzením našich zistení je, že sme merali indukciu expresie Cyp1A v mozgoch zebrafish, ale KDexperiments znížili expresiu v celom embryu.
Význam a dôsledky pre neurodegeneratívne ochorenia
Je známe, že znečistenie ovzdušia negatívne ovplyvňuje kvalitu života a zohráva dôležitú úlohu pri rozvoji chorôb ľudí a zvierat. Použitím vysokovýkonných expresných analýz sme ukázali, že ošetrenie DEPe zmenilo niekoľko biologických procesov a signálnych dráh v hlavách embryí zebričiek. Zmeny v tvorbe fagozómov, spracovaní amyloidu a mitochondriálnej funkcii sú obzvlášť dôležité pre neurodegeneráciu.
Prekvapivo naše výsledky nenaznačili žiadne jasné zapojenie zápalu, o ktorom sa predpokladá, že hrá dôležitú úlohu v toxicite znečistenia ovzdušia. Je to pravdepodobne preto, že sme merali výraz iba v hlavách 5-denných zebričiek a nie v celom tele. Cieľom týchto štúdií bolo určiť, ako je mozog ovplyvnený vystavením DEPe.
Mozog síce obsahuje mikroglie, ktoré sú pravdepodobne aktivované DEPe, ale tvoria takú malú časť buniek v mozgu, že akékoľvek zmeny môžu byť nezistiteľné. Okrem toho mikroglie nie sú prítomné a fungujú v mozgu vyvíjajúcich sa lariev do 3–5 pdf. Z tohto dôvodu nemusí byť včasná expozícia najrelevantnejšia pre štúdium zápalových reakcií. Indukcia metabolizmu xenobiotík je pravdepodobne relevantná aj ako kompenzačná alebo ochranná reakcia na znečistenie ovzdušia.
Náš model Cyp1AKD potvrdil ochrannú úlohu tejto cesty a predstavuje vynikajúci príklad toho, ako môžu štúdie expresie poskytnúť dôležité vodítka na určenie mechanizmov toxických látok, ako je znečistenie ovzdušia. Nie je známe, či polymorfizmy v géne Cyp1A menia riziko AD alebo PD u ľudí vystavených znečisteniu ovzdušia, ale tieto výsledky naznačujú potenciálnu interakciu medzi génom a prostredím a zaslúžia si ďalšie skúmanie.
Jednou dôležitou otázkou, ktorú treba riešiť, je relevantnosť vystavenia DEPe znečisteniu ovzdušia. DEPe je najbežnejšia zmes používaná pri výskume znečistenia ovzdušia pre bunkovú kultúru a iné modely, ktoré nie sú prístupné pre inhalačné komory. Dichlórmetánové extrakty DEP obsahujú hydrofóbne skupiny, ako sú PAH, ktoré s najväčšou pravdepodobnosťou vstupujú do krvného obehu a bioakumulujú sa v mozgu. Nedávna štúdia určila koncentráciu niekoľkých PAH v ľudských pitevných mozgoch a zistila, že obsahovali koncentrácie PAH veľmi podobné tým, ktoré boli použité v tu prezentovaných štúdiách (Pastor-Beldaet al. 2019). Expozície mozgom zebričiek sú teda veľmi dôležité, pretože obsahujú PAH a iné časti, u ktorých sa zistilo, že sa bioakumulujú v ľudskom mozgu.
Poďakovanie Za financovanie tejto práce ďakujeme nasledujúcim agentúram: The Levine Foundation (JMB), granty od National Institute of Environmental Health Sciences, NIEHST32ES015457 (LMB, SK) a The Parkinson's Alliance (JMB).
Autorský príspevok Koncepcia a návrh štúdie (MSJ, LMB, JMB); Získavanie údajov (MSJ, HM, LMB, SL): Analýza a interpretácia údajov (MSJ, LMB, JMB); Návrh článku alebo jeho kritická revízia pre dôležitý intelektuálny obsah (MSJ, HM, LMB, JMB).
Financovanie Tieto štúdie podporila The Levine Foundation (JMB), granty od Národného inštitútu environmentálnych vied o zdraví, NIEHS T32ES015457 (LMB, SK) a The Parkinson's Alliance (JMB).
Dostupnosť údajov Všetky údaje sú dostupné v našich doplnkových súboroch.
vyhlásenia
Etické schválenie Všetky pokusy na zvieratách boli schválené Výborom pre výskum zvierat UCLA.
Súhlas so zverejnením Všetci autori schvaľujú tento príspevok na zverejnenie.
Konkurenčné záujmy Autori nedeklarujú žiadne konkurenčné záujmy.
Otvorený prístup Tento článok je licencovaný na základe Creative Commons Attribution 4.0 Medzinárodná licencia, ktorá povoľuje používanie, zdieľanie, adaptáciu, distribúciu a reprodukciu v akomkoľvek médiu alebo formáte, ak uvediete pôvodného autora (autorov) a zdroj, uveďte odkaz na licenciu Creative Commons a uveďte, či boli vykonané zmeny.
Obrázky alebo iné materiály tretích strán v tomto článku sú zahrnuté v licencii Creative Commons k článku, pokiaľ nie je v úverovom limite k materiálu uvedené inak. Ak materiál nie je súčasťou licencie Creative Commons k článku a vaše zamýšľané použitie nie je povolené zákonnými predpismi alebo prekračuje povolené použitie, budete musieť získať povolenie priamo od držiteľa autorských práv. Ak chcete zobraziť kópiu tejto licencie.
Referencie
Ahmadinejad F, Møller, SG Hashemzadeh-Chaleshtori M, BidkhoriG, Jami MS. Molekulárne mechanizmy za lapačmi voľných radikálov fungujú proti oxidačnému stresu Antioxidanty 2017;6https://doi.org/10.3390/antiox6030051
Barnhill LM, Khuansuwan S, Juarez D, Murata H, AraujoJA, Bronstein JM. 2020. Expozícia extraktu výfukových plynov nafty vyvoláva neuronálnu toxicitu narušením autofágie. Toxicol Sci; https://doi.org/10.1093/toxsci/kfaa055. Dostupné: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/32298450 [Prístup 1. mája 2020].
Bostancıklıoğlu M. Aktualizácia interakcií medzi Alzheimerovou chorobou, autofágiou a zápalom. Gene.2019;705:157–66. https://doi.org/10.1016/j.gene.2019.04.040.
Calderón-Garcidueñas L, Maronpot RR, Torres-Jardon R, Henriquez-Roldán C, Schoonhoven R, Acuña-Ayala H a kol. Poškodenie DNA v nazálnych a mozgových tkanivách psov vystavených látkam znečisťujúcim ovzdušie je spojené s dôkazom chronického zápalu mozgu a neurodegenerácie. Toxicol Pathol. 2003;31:524–38. https://doi.org/10.1080/01926230390226645.
Calderón-Garcidueñas L, Mora-Tiscareño A, Ontiveros E, Gómez-Garza G, Barragán-Mejía G, Broadway J a kol. Znečistenie ovzdušia, kognitívne deficity a abnormality mozgu: pilotná štúdia s deťmi a psami. Brain Cogn.2008a;68:117–27. https://doi.org/10.1016/j.bandc.2008.04.008.
Calderón-Garcidueñas L, Reed W, Maronpot RR, HenríquezRoldán C, Delgado-Chavez R, Calderón-Garcidueñas A a kol. Zápal mozgu a patológia podobná Alzheimerovej chorobe u jedincov vystavených silnému znečisteniu ovzdušia. Toxicol Pathol. 2004;32:650–8. https://doi.org/10.1080/01926230490520232.
Calderón-Garcidueñas L, Solt AC, Henríquez-Roldán C, TorresJardón R, Nuse B, Herritt L a kol. Dlhodobé vystavenie znečisteniu ovzdušia je spojené s neurozápalom, zmenenou imunitnou odpoveďou, narušením hematoencefalickej bariéry, ukladaním ultrajemných častíc a akumuláciou amyloidu -42 a -synukleínu u detí a mladých dospelých. Toxicol Pathol. 2008b;36:289–310. https://doi.org/10.1177/0192623307313011.
Calderón-Garcidueñas L, Villarreal-Calderon R, ValenciaSalazar G, Henríquez-Roldán C, Gutiérrez-Castrellón P, Coria-Jiménez R a kol. Systémový zápal, endoteliálna dysfunkcia a aktivácia u klinicky zdravých detí vystavených látkam znečisťujúcim ovzdušie. Inhal Toxicol. 2008c;20:499–506. https://doi.org/10.1080/08958370701864797.
For more information:1950477648nn@gmail.com
