Strata aktivity Park7 má rozdielne účinky na expresiu elementu reagujúceho na železo (IRE) v transkriptóme mozgu v modeli Zebrafsh Parkinsonovej choroby

Abstraktné

Mutácia génu PARK7 (DJ1) spôsobuje u ľudí monogénnu autozomálne recesívnu Parkinsonovu chorobu (PD). Následné zmeny funkcie proteínu PARK7 vedú k mitochondriálnej dysfunkcii, čo je hlavný prvok v patológii PD. Homozygotné mutanty pre PARK7-ortologické gény v zebrafish, park7, vykazujú zmeny génovej expresie v dráhe oxidačnej fosforylácie, čo podporuje, že narušenie produkcie energie je kľúčovým znakom neurodegenerácie pri PD.

Recesívne dedičná Parkinsonova choroba je nezvratné neurodegeneratívne ochorenie. So zrýchľovaním starnutia populácie sa výskyt v posledných rokoch zvyšuje. Hoci problémy s pohybom tela sú najvýraznejšie u ľudí, je tiež silne spojená s faktormi, ako sú kognitívne schopnosti, koncentrácia a pamäť.

Avšak skôr, ako budeme môcť hovoriť o kognitívnych a pamäťových problémoch spojených s Parkinsonovou chorobou, musíme pochopiť neurologický dopad tejto choroby. Najčastejšou neuropatologickou zmenou pri recesívne dedičnej Parkinsonovej chorobe je poškodenie substantia nigra, čo vedie k zníženiu hladiny dopamínu, čo spôsobuje poruchy hybnosti. Okrem toho sa mnohé súvisiace geomorfologické znaky nachádzajú aj v oblastiach, ako je mozgová kôra, kôra a isthmus. Kvôli týmto zmenám môžu ľudia s Parkinsonovou chorobou pociťovať problémy, ako je strata pamäti a kognitívny pokles.

Avšak pre ľudí s recesívnou formou Parkinsonovej choroby, kde je ovplyvnená pamäť, existuje niekoľko proaktívnych stratégií, ktoré môžeme prijať, aby nám pomohli vyrovnať sa s týmito výzvami. Osvojenie si mnohých stratégií na zlepšenie pozornosti a pamäti nám pomôže lepšie sa vyrovnať s účinkami Parkinsonovej choroby v našich životoch.

Jednou z najdôležitejších stratégií je, že si musíme stanoviť hranice a prijať pomoc. Napríklad, ak osoba s Parkinsonovou chorobou navštívi supermarket a zistí, že má problém s nejakou úlohou, napríklad nemôže nájsť potraviny v supermarkete, mala by pokojne požiadať o pomoc. Takáto činnosť je veľkým kognitívnym stimulom a môže pomôcť zlepšiť kogníciu a pamäť mnohými spôsobmi.

V každodennom živote môžeme vyskúšať aj iné stratégie na zlepšenie nášho poznania a pamäti. Náročné vzdelávacie prostredie môžeme vytvoriť napríklad čítaním kníh alebo učením sa nových zručností. Jednoduché každodenné cvičenia, ako je rozpoznávanie tvárí členov rodiny a pravidelná kontrola kalendára, môžu byť navyše veľmi efektívnym spôsobom, ako zlepšiť svoje kognitívne a pamäťové schopnosti.

Hoci Parkinsonova choroba do určitej miery ovplyvňuje naše kognitívne a pamäťové schopnosti, pozitívny prístup a jednoduché cvičenia nám môžu pomôcť udržať si dobré kognitívne a pamäťové schopnosti. Preto by sme mali čeliť výzve s dôverou a vyskúšať rôzne stratégie na zlepšenie nášho poznania a pamäte. Takže si myslím, že by sme si mali zlepšiť pamäť. Cistanche môže výrazne zlepšiť pamäť, pretože mäsová pasta je tradičný čínsky liečivý materiál s mnohými jedinečnými účinkami, z ktorých jedným je zlepšenie pamäte. Účinnosť mletého mäsa pochádza z rôznych aktívnych zložiek, ktoré obsahuje, vrátane karboxylovej kyseliny, polysacharidov, flavonoidov atď. Tieto zložky môžu podporovať zdravie mozgu rôznymi kanálmi.

Kliknite na doplnky na zlepšenie pamäte

Železo je rozhodujúce pre normálnu mitochondriálnu funkciu a predtým sme použili bioinformatickú analýzu transkriptov nesúcich IRE v mozgových transkriptómoch, aby sme našli dôkazy podporujúce existenciu dyshomeostázy železa pri Alzheimerovej chorobe. Tu sme analyzovali transkripty nesúce IRE v transkriptómových údajoch z homozygotných park7-/- mutantných mozgov zebričiek. Zistili sme, že súbor génov s „vysoko kvalitnými“ IRE v ich 5′ nepreložených oblastiach (UTR, súbor génov HQ5′IRE) bol v týchto 4-mesačných park7−/− mozgoch významne zmenený.

Zdá sa však, že súbory génov s IRE v ich 3 'UTR neboli ovplyvnené. Účinky na gény HQ5′IRE sú pravdepodobne poháňané dyshomeostázou železa a / alebo oxidačným stresom, ale osvetľujú existenciu v súčasnosti neznámych mechanizmov s rozdielnymi celkovými účinkami na 5' a 3' IRE.

Kľúčové slová:

DJ-1, PARK7, Parkinsonova choroba, Zebrafish, RNA-seq, analýza obohatenia, dyshomeostáza železa.

Úvod

Parkinsonova choroba (PD) je druhým najčastejším neurodegeneratívnym ochorením, ktoré postihuje približne 1 % populácie vo veku nad 60 rokov. Väčšina prípadov PD je idiopatická, ale jasná genetická súvislosť bola identifikovaná približne v 5–10 % prípadov PD [1]. Jeden gén, PARK7, zapojený do autozomálne recesívnej PD so skorým nástupom, kóduje proteín 7 Parkinsonovej choroby (PARK7).

Predpokladá sa, že proteín PARK7 pôsobí ako GSH-nezávislá glyoxaláza na detoxikáciu metylglyoxalu a ako proteínová glykóza zodpovedná za obnovenie funkcie proteínov poškodených oxidačným stresom. Tieto aktivity sú však sporné v PD (preskúmané a analyzované v [2]). PARK7 má tiež rozhodujúcu úlohu pri udržiavaní mitochondriálnej funkcie, snímaní a odpovedi na reaktívne formy kyslíka (ROS) a v konečnom dôsledku pôsobí pri neuroprotekcii (prehľad v [3]).

PD je charakterizovaná špecifickou depléciou substantia nigra pars compacta dopaminergných (SNc DA) neurónov. Tieto neuróny vytvárajú veľké množstvo synapsií v bazálnych gangliách. V dôsledku toho môžu ich vysoké energetické nároky spôsobiť, že SNc DA neuróny budú citlivé na nedostatok energie [4]. Produkciu energie procesom oxidatívnej fosforylácie môže ovplyvniť veľa faktorov.

Najmä železnaté železo (Fe{0}}) je začlenené do klastrov Fe-S, ktoré sú ústredné pre funkciu elektrónového transportného reťazca (ETC) pri oxidatívnej fosforylácii [5]. Dysfunkcia ETC spôsobuje oxidačný stres, ktorý môže viesť k translokácii (predovšetkým) cytosolického proteínu PARK7 do mitochondrií, aby reguloval účinky reaktívnych foriem kyslíka (ROS) [5].

Tento proces je pravdepodobne zmenený u jedincov s mutáciou PARK7, čo vedie k dysfunkcii ETC a dyshomeostáze železa (prostredníctvom účinkov na regulačné proteíny železa, IRP1 a IRP2) a poškodeniu dopamínergných neurónov.

IRP1 a IRP2 viažu IRE v mRNA génov zapojených do homeostázy železa, aby regulovali ich transláciu a stabilitu (prehľad v [6]). IRP sú regulované stavom bunkového železa a oxidačným stresom [6]. Predtým sme definovali sady génov nesúcich IRE buď v 5′ alebo 3′UTR ich transkriptov (pri nižšej alebo vyššej podobnosti s konsenzuálnou sekvenciou IRE) u ľudí, myší a zebričiek [7]. Pomocou nich sme našli dôkazy podporujúce dyshomeostázu železa v mozgoch Alzheimerovej choroby (AD) a zvieracích modeloch AD [7].

Ortológy PD génov boli predtým identifikované a manipulované v zebrafish. Napríklad Hughes a kol. [8] vyvinuli nový model zebrafish na preskúmanie funkcie PARK7. Zebrafish, ktorej chýba ortologický gén PARK7-: park7 (park7−/−) vykazuje pohybový fenotyp vo veku troch mesiacov a vykazuje zmeny v génovej expresii v ich mozgovom transkriptóme, čo naznačuje narušený mitochondriálny metabolizmus (tj zvýšenú reguláciu gény spojené s oxidačnou fosforyláciou) vo veku štyroch mesiacov [8].

Preto sme predpokladali, že oxidačný stres a / alebo dyshomeostáza železa v mozgoch zebrafishov by zmenili väzbu IRP na transkripty obsahujúce IRE, čím by zmenili stabilitu transkriptu. Aby sme to preskúmali, znovu sme analyzovali údaje o transkriptóme mozgu zebrafish od Hughesa et al. na testovanie zmien v zastúpení génových súborov obsahujúcich IRE v mozgoch zebričiek park7−/−. Zistili sme, že súbor génov HQ5′IRE je významne zmenený v 4-mesačných park7−/− mozgoch, zatiaľ čo súbor génov HQ3′IRE nie je.

Metódy

Aby sme otestovali dôkaz možnej dyshomeostázy železa v mozgoch zebričiek park7−/−, vykonali sme analýzu obohatenia pomocou poteru [9] na súboroch génov IRE [7]. Podrobné informácie o tejto opätovnej analýze Hughesa a kol. [8] údaje, pozri Ďalší súbor 1.
Výsledky

Predtým sme definovali sady génov zebrafish podľa toho, či tieto majú motívy podobné IRE v 5′ alebo 3′ UTR ich mRNA a či ich IRE zodpovedajú kanonickej (vysoká kvalita, HQ) alebo nekanonickej sekvencii IRE (všetky) [ 7]. Zistili sme, že iba prepisy génového súboru HQ5'IRE vykazujú štatisticky významné zmeny v génovej expresii ako skupiny (obr. 1a) v 4-mesačných park7−/− mozgoch. Je zaujímavé, že najviac upregulovaný gén génovej sady HQ5'IRE je alas2.

Diskusia

Použitím našej metódy na detekciu dôkazov dyshomeostázy železa v údajoch RNA-seq sme zistili veľmi významnú zmenu expresie génov s IRE v 5'UTR ich mRNA v 4-mesačných park7−/− mozgoch.

Homeostáza železa je udržiavaná reguláciou génovej expresie na niekoľkých úrovniach, vrátane transkripcie, stability mRNA a translácie mRNA (prehľad v [10]). Posledné dva javy sú modulované regulačnými proteínmi železa IRP1 a IRP2, keď sa viažu na IRE. Veľmi významná zmena expresie génu HQ5′IRE v 4-mesačných park7−/− mozgoch je pravdepodobne spôsobená zmenami vo väzbe IRP1 a/alebo IRP2 na IRE v prepisoch týchto génov.

Keďže je však známe, že mutácia PARK7 spôsobuje oxidačný stres [11] a oxidačný stres môže tiež ovplyvniť tvorbu IRP (prehľad v [6]), je ťažké rozlíšiť medzi oxidačným stresom a dyshomeostázou železa, ktoré prispievajú k zmenám v HQ5′IRE hojnosť génových transkriptov. Pretože železo je také dôležité pre mitochondriálnu funkciu, často dochádza k dyshomeostáze železa a oxidačnému stresu [12].

Je zaujímavé, že génový súbor HQ3′IRE sa v mozgu park7−/− javil nedotknutý a v súčasnosti nemáme žiadne vysvetlenie, prečo by to tak malo byť. Ak sú však účinky na množstvo transkriptov HQ5'IRE skutočne spôsobené väzbou IRP, poukazuje to na existenciu mechanizmov, ktoré môžu rozlišovať vo väzbe IRP na IRE (alebo spôsobiť rozdiely v účinkoch takejto väzby) v závislosti od toho, či sa IRE nachádza v 5′ alebo 3′ UTR prepisu.

Medzi členmi génového súboru HQ5'IRE sa pozorovalo zvýšenie hladín transkriptov alas2 v mozgoch park7-/-. Vzťah medzi aktivitou alas2 a IRP je diskutovaný v dodatočnom súbore 1.

Celkovo vzaté, naša analýza transkriptómových údajov z mozgov park7-/- zebrafish podporuje možnosť dyshomeostázy železa a / alebo oxidačného stresu ako skorých predklinických udalostí pri PD. V budúcich štúdiách budeme skúmať povahu účinkov génov spojených s PD na homeostázu železa a mitochondriálnu funkciu u zebričiek. Pochopenie týchto účinkov môže poskytnúť mechanický pohľad na PD pre vývoj terapeutík.

Poďakovanie

Radi by sme poďakovali Mary Elizabeth Pownall a Katherine Newling za sprístupnenie surových prepisov [8] a Nhi Hin za poskytnutie súborov génov zebričiek obsahujúcich prvky reagujúce na železo.

Príspevky autorov

HYC vypracoval rukopis. KB napísala metodiku, vygenerovala diagramy a vykonala bioinformatickú analýzu. ML, LCP a KB dohliadali na analýzu tohto dokumentu a poskytovali mu rady. ML, KB, LCP a HYC upravili rukopis. Všetci autori prečítali a schválili konečný rukopis.

Financovanie
KB je podporovaná štipendiom austrálskeho vládneho výskumného vzdelávacieho programu a finančnými prostriedkami od Carthew Family Charity Trust. ML je akademickým zamestnancom University of Adelaide. LCP je akademickým zamestnancom Univerzity v Adelaide a ďalej ho podporuje štipendium Barbara Kidman Fellowship.

Dostupnosť údajov a materiálov

R kód použitý na opätovnú analýzu počtu nespracovaných transkriptov podľa Hughesa a kol. nájdete na https://github.com/karissa-b/dj1KO-RNAseq-IRE. Nespracované údaje od Hughesa a kol. je dostupný z databázy Gene Expression Omnibus (GEO) GSE135271 (https://www.ncbi.nlm.nih.gov/geo/query/acc.cgi? acc=GSE135271). Zoznam génov, ktoré obsahujú prvok reagujúci na železo (IRE) v nepreložených oblastiach ich mRNA u zebričiek, možno nájsť na https://github.com/nhihin/ire.

vyhlásenia

Etický súhlas a súhlas s účasťou

Nepoužiteľné.

Súhlas so zverejnením

Nepoužiteľné.

Konkurenčné záujmy

Autori vyhlasujú, že nemajú žiadne konkurenčné záujmy.

Referencie

Lee JH, Han Jh, Kim H, Park SM, Joe Eh, Jou I. Mutant LRRK2-G2019S spojený s Parkinsonovou chorobou pôsobí prostredníctvom regulácie aktivity SERCA na kontrolu stresu ER v astrocytoch. Acta Neuropathol Commun. 2019; 7 (1): 68.

2. Andreeva A, Bekkhozhin Z, Omertassova N, Baizhumanov T, Yeltay G, Akhmetali M, et al. Zjavná delikátna aktivita DJ-1 je výsledkom premeny voľného metylglyoxalu prítomného v rýchlej rovnováhe s hemitioacetálmi a hemiaminalmi. J Biol Chem. 2019;294(49):18863–72.

3. Dolgacheva LP, Berezhnov AV, Fedotova EI, Zinchenko VP, Abramov AY. Úloha DJ-1 v mechanizme patogenézy Parkinsonovej choroby. J Bioenerg Biomembr. 2019;51(3):175–88.

4. Pacelli C, Giguère N, Bourque MJ, Lévesque M, Slack RS, Trudeau L. Zvýšená mitochondriálna bioenergetika a veľkosť axonálnej arborizácie sú kľúčovými prispievateľmi k zraniteľnosti dopamínových neurónov. Curr Biol. 2015;25(18):2349–60.

5. Junn E, Jang WH, Zhao X, Jeong BS, Mouradian MM. Mitochondriálna lokalizácia DJ-1 vedie k zvýšenej neuroprotekcii. J Neurosci Res. 2009;87(1):123–9. 6. Urrutia PJ, Bórquez DA, Núñez MT. Poškodenie mozgu železom. Antioxidačný tanec. 2021;10(1).

7. Hin N, Newman M, Pederson S, Lardelli M. Reakcie sprostredkované elementom reagujúcim na železo (IRE) na dyshomeostázu železa pri Alzheimerovej chorobe. bioRxiv. 2021; 2020.05.01.071498.

8. Hughes GL, Lones MA, Bedder M, Currie PD, Smith SL, Pownall ME. Strojové učenie rozlišuje pohybovú poruchu v modeli Parkinsonovej choroby zebrafish. Dis Models Mech. 2020;13(10):d045815.

9. Wu D, Lim E, Vaillant F, Asselin-Labat ML, Visvader JE, Smyth GK. ROAST: testy rotácie génovej sady pre komplexné mikročipové experimenty. Bioinformatika. 2010;26(17):2176–82.

For more information:1950477648nn@gmail.com