Makroautofágia a mitofágia pri neurodegeneratívnych poruchách: Zameranie na terapeutické intervencie 1. časť

Abstrakt:

Makroautofágia, mechanizmus kontroly kvality, je evolučne konzervovaná cesta lyzozomálnej degradácie proteínových agregátov, patogénov a poškodených organel.

Proteín je jednou zo živín, ktoré ľudské telo potrebuje. Je nielen dôležitým zdrojom zloženia tela, ale úzko súvisí aj s vývojom mozgu a kognitívnymi schopnosťami. Proteín hrá v mozgu veľmi dôležitú úlohu. Pomáha nielen pri vytváraní a udržiavaní mozgových buniek, ale pomáha aj pri procese učenia a pamäti mozgu.

Proteín je jednou z dôležitých zložiek mozgových buniek. Môže napomáhať rastu a oprave buniek, podporovať spojenie a komunikáciu medzi neurónmi, a tak pomáhať ľuďom posilňovať pamäť. Okrem toho môže proteín produkovať aj niektoré dôležité látky, ako sú neurotransmitery, ktoré zohrávajú úlohu pri prenose informácií v mozgu a pomáhajú zlepšovať mozgové funkcie.

Z potravinového hľadiska medzi potraviny bohaté na bielkoviny patrí mäso, ryby, vajcia, fazuľa atď. Keď ľudia konzumujú dostatok bielkovín, môžu získať adekvátnejšiu výživu pre mozog, čím podporujú normálny vývoj mozgu a zlepšujú kognitívne schopnosti. a pomáha ľuďom lepšie sa učiť a pamätať si.

Na to, aby bielkoviny plnohodnotne plnili svoju úlohu, zároveň musia ľudia kontrolovať vyváženosť stravy, konzumovať viac ovocia a zeleniny, vyhýbať sa nadmernému príjmu potravín s vysokým obsahom tuku a soli a udržiavať si dobré životné návyky a mentalitu. , aby sa maximalizovala funkcia bielkovín v mozgu.

Preto môžeme konštatovať, že proteín úzko súvisí s pamäťou. Príjem bohatých bielkovín je nielen prospešný pre fyzické zdravie, ale môže tiež podporiť ľudí v tom, aby sa lepšie učili a pamätali, čím dodáva nášmu životu veľa farieb. Je vidieť, že musíme zlepšiť pamäť. Cistanche môže výrazne zlepšiť pamäť, pretože Cistanche má antioxidačné, protizápalové účinky a účinky proti starnutiu, ktoré môžu pomôcť znížiť oxidáciu a zápalové reakcie v mozgu, a tým chrániť zdravie nervového systému. Okrem toho môže Cistanche tiež podporovať rast a opravu nervových buniek, čím zvyšuje konektivitu a funkciu neurónových sietí. Tieto účinky môžu pomôcť zlepšiť pamäť, schopnosť učenia a rýchlosť myslenia a môžu tiež zabrániť výskytu kognitívnej dysfunkcie a neurodegeneratívnych ochorení.

Kliknite na vedieť spôsoby, ako zlepšiť funkciu mozgu

Ako súčasť svojej svitovej homeostatickej úlohy je deregulácia makroautofágie spojená s rôznymi ľudskými poruchami vrátane neurodegeneratívnych ochorení. Existuje niekoľko línií dôkazov, ktoré spájajú nesprávne zloženie proteínov a mitochondriálnu dysfunkciu v etiológii Alzheimerovej, Parkinsonovej a Huntingtonovej choroby.

Makroautofágia sa podieľa na degradácii rôznych proteínových agregátov, ako je A, tau, alfa-synukleín (-syn) a mutantný huntingtín (mHtt) a na odstraňovaní dysfunkčných mitochondrií.

Berúc do úvahy tieto skutočnosti, zacielenie na autofágiu môže predstavovať účinnú terapeutickú stratégiu na elimináciu proteínových agregátov a zlepšenie mitochondriálnej funkcie pri týchto poruchách.

Tento prehľad popisuje naše súčasné chápanie úlohy makroautofágie pri neurodegeneratívnych poruchách a zameriava sa na možné stratégie jej terapeutickej modulácie.

Kľúčové slová: neurodegeneratívne poruchy; autofágia; mitofágia mitochondriálna dysfunkcia; mutantné proteíny; terapeutické stratégie.

1. Prehľad autofágie

Autofágia je dôležitý intracelulárny samodegradačný proces, ktorý udržuje intracelulárnu homeostázu prostredníctvom degradácie a recyklácie toxických makromolekúl a poškodených organel [1].

Veľa zo súčasných poznatkov o autofágii bolo objavených v kvasinkovom modeli alebo nepolarizovaných bunkách [2]. Tento proces sa vyskytuje na základných úrovniach takmer vo všetkých cicavčích bunkách a môže byť stimulovaný ako odpoveď na hladovanie, čím bunke poskytuje stavebné bloky pre nové proteíny a lipidy. Autofágia hrá dôležitú úlohu pri odstraňovaní proteínových agregátov a patogénov a regulácii zápalu a imunity [3,4].

Z týchto dôvodov sa deregulácia autofágie podieľa na niekoľkých patologických stavoch, vrátane neurodegeneratívnych porúch. Autofágia má rozhodujúcu úlohu v neurónoch, pretože tieto bunky sú veľmi citlivé na akumuláciu nesprávne poskladaných proteínov.

Neuróny sa pri riešení metabolických potrieb spoliehajú na anterográdny a retrográdny transport, a tak tvorba agregátov nielen ruší správnu funkciu neurónov, ale narúša aj komunikáciu s okolitým prostredím.

Súhra medzi autofágiou a neurodegeneráciou si preto vyžaduje hlbšie pochopenie regulačných dráh a viacerých krokov, ktoré sú súčasťou každého procesu.

Autofágiu možno rozdeliť do troch hlavných typov podľa dodania nákladu do lyzozómu: makroautofágia, mikroautofágia a autofágia sprostredkovaná chaperónom (CMA). V makroautofágii je cytoplazmatický náklad pohltený rastúcim vezikulom s dvojitou membránou, ktorý sa po uzavretí (autofagozóm) spojí s lyzozómom na degradáciu (autolyzozóm) [5].

Proces je zložitý a zahŕňa skupinu špecifických proteínov súvisiacich s autofágiou, ktoré pôsobia koordinovaným tokom, a môže sa vyskytovať náhodne (bulkmakroautofágia) alebo selektívne prostredníctvom špecifických adaptérov. V mikroautofágii je náklad (väčšinou proteíny) priamo internalizovaný prostredníctvom invaginácie lyzozómových membrán a endozomálnych vezikúl [6].

CMA je selektívny proces, pri ktorom sú proteíny so špecifickým cieľovým motívom (pentapeptidový motív KFERQ) rozpoznávané cytosolickým chaperónovým tepelným šokom príbuzným 70 (Hsc70) a jeho ko-chaperónmi, čo napomáha translokácii nákladu do lumenu lyzozómov cez lyzozomálne asociovaný membránový proteín 2A receptor (LAMP2A) [7].

CMA predstavuje alternatívnu dráhu degradácie sprostredkovanú lyzozómami, ktorá môže byť upregulovaná, keď dôjde k blokovaniu makroautofágie [8]. V rámci tohto prehľadu bude makroautofágia a selektívna autofágia mitochondrií, známa ako mitofágia, ďalej podrobne a skúmaná v kontexte funkcie neurónov a neurodegenerácie (obrázok 1).

1.1. Makroautofágia

Makroautofágia je komplexný a sekvenčný proces začínajúci autofagosomeformáciou a pohltením nákladu, po ktorom nasleduje uzavretie a dozrievanie a nakoniec fúzia s lyzozómom na degradáciu. Každý z týchto krokov zahŕňa odlišné proteíny súvisiace s autofágiou (ATG), ktoré mechanicky koordinujú autofagický tok pozdĺž autofagosomebiogenézy a fúzie s lyzozómom [9].

Iniciácia autofágie je regulovaná fosforylačným stavom unc{0}}podobnej autofágy aktivujúcej kinázy 1 (ULK1), ktorá je regulovaná protismerným cicavčím cieľom komplexu rapamycínu 1 (mTORC1) [10]. mTORC1 je aktívny v živinách stavoch alebo keď je dráha PI3K/Akt stimulovaná rastovými faktormi (napr. rastový faktor podobný inzulínu-1, IGF1).

Aktívny mTORC1 fosforyluje ULK1 a ATG13, zložky iniciačného komplexu ULK1 (zložený aj z ATG101 a proteínu interagujúceho s kinázou rodiny FAK s 200 kDa, FIP200) [11], ktorý potláča autofágiu. V podmienkach nedostatku živín je mTORC1 inaktivovaný, čo uľahčuje autofosforyláciu ULK1 [12].

Navyše, keď je bunkový energetický stav nízky, AMP aktivuje AMPK, ktorý následne inhibuje mTORC1 a fosforyluje ULK1, čím podporuje autofágiu [12,13]. Po aktivácii ULK1 fosforyluje ATG13 a FIP200, čím sa aktivuje celý iniciačný komplex ULK1 [14].

Po aktivácii komplexu ULK1 sa translokuje do omegazómov (špecifické oblasti v endoplazmatickom retikule (ER), čím sa iniciuje zostavenie fagoforovej membrány pre biogenézu autofagozómov [15].

U omegazómov ULK1 podporuje nábor a aktiváciu fosfatidylinozitol 3-kinázového komplexu triedy III (PI3PK, ktorý pozostáva z triedenia vakuolárnych proteínov 34, beklin{4}}, regulačnej podjednotky 4 fosfoinozitid-3-kinázy a ATG14L) prostredníctvom fosforylácie Beclin{8}} [15,16]. PI3PK je zodpovedný za tvorbu fosfatidylinozitol-3 fosfátu (PI3P) forfagoforovej expanzie [17].

Počiatočné zdroje membrán pre nukleáciu fagoforov zahŕňajú vezikuly COPII, zásobníky vezikúl ATG9 a samotnú ER-omegazómovú membránu [18]. ATG9 je transmembránový glykoproteín, ktorý cykluje medzi trans-Golgiho sieťou (TGN) a endozomálnym systémom prostredníctvom recyklácie endozómov [19] a privádza sa do omegazómu po autofagyindukcii, čím dodáva membrány do rodiaceho sa fagoforu [20,21].

Okrem toho sa ATG9 prepravuje na plazmatickú membránu az plazmovej membrány, pričom plazmatická membrána prebieha prostredníctvom procesu sprostredkovaného klatrínom [22]. Prenos ATG9 medzi membránami závisí od fosforylácie sprostredkovanej ULK1- v bazálnych podmienkach a podmienkach indukujúcich autofágiu [23]. Iné membránové zdroje, ako sú mitochondrie, Golgiho komplex a plazmatická membrána, boli tiež navrhnuté, aby sa podieľali na nukleácii a expanzii vezikúl [24–26].

Vo fúzii membrán odvodených od Golgiho, endozómov alebo plazmatickej membrány s omegazómovou membránou [15] sa podieľajú na fúzii membrán odvodených od Golgiho, endozómov alebo plazmatickej membrány [15] špecifické receptory proteínového pripojenia (SNARE) citlivého na rozpustný N-etylmaleimid [15].

Generovanie PI3P je nevyhnutné pre nukleáciu fagoforového vezikula, nábor proteínov viažucich PI3P, ktoré sa podieľajú na expanzii fagoforov, a tvarovanie zakrivenia a nábor downstream ATG proteínov [27]. Nábor PI3P efektorov, ako sú WD-repeat domain fosfoinozitid-interagujúce proteíny (WIPI) do teomegazómu, je nevyhnutný pre autofagozómovú biogenézu a autofagický tok [27,28].

Alfy, veľký proteín obsahujúci doménu FYVE lešenia, je PI3P efektor, ktorý sa zameriava na ubikvitinované agregáty na autofagozóm, čím sa podieľa na selektívnej autofágii [29].

Ďalším krokom je nábor ľahkého reťazca 1A/1B proteínu asociovaného s mikrotubulami (LC3) do fagoforu, za pomoci konjugačných systémov podobných ubikvitínu. Spočiatku sa E1 ubikvitinligáza ATG7 a E2 ubikvitín ligáza ATG10 podieľajú na konjugácii ATG12 na ATG5, ktorá sa ďalej viaže na ATG16L1. Komplex ATG12–ATG5–ATG161L je nevyhnutný na získanie LC3 na PI3P-pozitívne membrány [27].

Po prvé, LC3 je proteolyticky štiepený na C-konci proteázou ATG4, ktorá tvorí LC3-I, ktorý zase pôsobením ATG3 a ATG7 a ATG12–ATG5–ATG161L generuje LC3-II prostredníctvom svojho väzba na amínovú hlavnú skupinu fosfatidyletanolamínu (PE) vo fagoforovej membráne [30,31].

Takáto lipidácia LC3 je nevyhnutná pre expanziu a uzavretie fagoforu a ďalšie dozrievanie autofagozómu [32]. Okrem toho sa lipidovaný LC3 podieľa na špecifickom rozpoznávaní nákladu prostredníctvom domény LIR (LC3 interakcia) prostredníctvom selektívnych adaptorových proteínov [33]. Expanzia a predĺženie fagoforov sú nedostatočne definované, ale interakcia WIPI2 s vezikulami obohatenými o ATG9- je pre proces nevyhnutná [21].

Niekoľko prác ukázalo, že ďalšie ATG proteíny sa podieľajú na konečných krokoch biogenézy autofagozómov, ale ich presné úlohy ešte nie sú jasne definované. Štúdie ukázali, že defekty v systémoch LC3 ubikvitínovej konjugácie narušili uzavretie autofagozómov [34, 35], čo implikuje tieto komplexy v konečných krokoch biogenézy autofagozómov.

Uzavretie autofagozómových vezikúl je sprostredkované endozomálnym triediacim komplexom potrebným pre transportné (ESCRT) mechanizmy [36]. Po uzavretí sa autofagozóm disociuje z ER a jeho dozrievanie prebieha interakciou s viacerými endocytickými vezikulami.

Autofagozómy môžu fúzovať s rôznymi endolyzozomálnymi kompartmentmi, ako sú neskoré endozómy (LE) a multivezikulárne telieska (MVB), čo je vlastnosť, ktorá sa líši v závislosti od typu bunky a určitých fyziologických podmienok [37].

Fúzia autofagozómov s prechodnými MVB vytvára intermediárnu štruktúru nazývanú amfizóm, ktorá bude ďalej fúzovať s lyzozómami, aby sa degradovala [38]. Pred ich fúziou s lyzozómami je potrebná defosforylácia PI3P na autofagozómovej membráne fosfoinozitid 3-fosfatázami z rodiny myotubularínových proteínov [39].

Autofagozómy sú náhodne distribuované v celej cytoplazme, zatiaľ čo lateendozómy a lyzozómy sa nachádzajú prevažne v perinukleárnej oblasti, ale aj v neurónových axonálnych a dendritických kompartmentoch [40]. Autofagozómy sa pohybujú pozdĺž mikrotubulov smerom k lyzozómom pomocou mechanizmov závislých od LC3 a dyneínu [41]. Fúzia autofagozómov s lyzozómami je podporovaná rôznymi proteínovými rodinami. RabGTPázy sa lokalizujú na membránach vezikúl a získavajú proteíny uväzujúce membránu, ktoré pomáhajú SNARE pri fúznych udalostiach (prehľad v [42]).

Deplécia SNAREproteínov spôsobuje akumuláciu autofagozómov v rôznych bunkách [43,44]. Medzi GTPázami Rab, ktoré regulujú dozrievanie autofagozómov, sa Rab7 prijíma do autofagozómovej membrány a pôsobí ako molekulárny prepínač, ktorý napomáha jeho väzbe na dyneín, čím uľahčuje transport autofagozómov a lyzozómov smerom k perinukleárnej oblasti [45]. Rab7-knockdown bunky vykazujú selektívne poškodenie autofagozómovej fúzie s lyzozómom, ale nie s LE alebo MVB [45,46].

Okrem toho sa proteíny z podrodiny GABARAP (homológie LC3) podieľajú na dozrievaní autofagozómov a ich deplécia zastavuje fúziu autofagozóm-lyzozóm [47].

Po fúzii okyslenie autolyzozomálneho lúmenu protónovou pumpou alebo v-ATPázou aktivuje lyzozomálne hydrolytické enzýmy [48], čo vedie k degradácii nákladu. Výsledné metabolity sú dostupné na opätovné použitie v bunke alebo pôsobia ako intracelulárne signálne molekuly (obrázok 2).

Základným bodom regulácie makroautofágie sú posttranslačné modifikácie niekoľkých ATG a non-ATG proteínov (prehľad v [49]). To je nevyhnutné na obmedzenie rozšírenia autofágie a zabránenie nekontrolovanej degradácii cytoplazmatického obsahu, čo by ohrozilo intracelulárnu homeostázu a mohlo by viesť k bunkovej smrti.

1.2. Funkcia autofágie v neurónoch

Prežitie neurónov sa spolieha na CMA aj makroautofágiu, aby sa vyrovnali hladiny chybne poskladaných proteínov a poškodených organel, ktoré inak nie je možné riediť delením buniek, a aby sa udržali bunkové procesy recykláciou metabolitov [50].

Neúčinné odstránenie proteínových agregátov vedie k blokáde axonálneho transportu a veľkým transkripčným zmenám; autofágia je teda nevyhnutná na udržanie homeostázy v celej neurónovej bunke (axón, soma a dendrity). V synaptických oblastiach je konštantný proteínový obrat nevyhnutný na splnenie lokálnych vysokých energetických požiadaviek a na udržanie funkčného cyklu syntézy a degradácie proteínov [51].

To je nevyhnutné nielen na udržanie synaptickej plasticity [52], ale aj na podporu axonálnej homeostázy [53,54]. Neurónová stimulácia skutočne reguluje hladiny autofágie, zatiaľ čo autofágia udržuje synaptickú funkciu v pre- aj postsynaptických doménach [55].

Je zaujímavé, že na autofágiu v presynaptických oblastiach je okrem základného autofagického aparátu potrebných niekoľko nervovo špecifických regulačných proteínov: Endofilín-A je endocyticadaptor, ktorý generuje zakrivené membrány a slúži ako platforma na získavanie autofagických proteínov, čím podporuje biogenézu autofagozómov [56] a Na autofagosomebiogenézu je potrebný aj synaptojanín 1, lipidfosfatáza, ktorá sprostredkováva prenos synaptických vezikúl [57].

Na druhej strane môže byť autofágia negatívne regulovaná pri presynapsiách prostredníctvom fagota, skeletového proteínu, ktorý interaguje s ATG5, čím sa stáva nedostupným pre biogenézu autofagozómov [58]. V postsynaptických oblastiach je autofágia nevyhnutná na udržanie synaptickej plasticity.

Pri dlhodobej depresii (LTD) je autofágia kľúčová na sprostredkovanie obchodovania a eliminácie receptorov -amino-3-hydroxy-5-metyl-4-izoxazolpropiónovej kyseliny (AMPA). Je zaujímavé, že stimulácia N-metyl-D-aspartátových (NMDA) receptorov aktivuje degradáciu AMPA receptorov autofágiou [59]. Okrem toho neurotrofický faktor odvodený od mozgu (BDNF) potláča autofágiu v hipokampálnych neurónoch, čím uľahčuje dlhodobú potenciáciu (LTP) a pretrvávanie pamäte u myší, čím podporuje úlohu autofágie v synaptickej plasticite [60].

Neurónová makroautofágia je dôležitým mechanizmom, ktorý odstraňuje chybné intracelulárne materiály a je mimoriadne účinná v neurónoch s rýchlym odstraňovaním autofagozómov, pretože veľké množstvo autofagozómov sa akumuluje v neurónoch po lyzozomalíninhibícii [61].

V neurónoch CNS a tiež periférneho nervového systému (PNS) začína biogenéza autofagozómov v neuritoch a synaptických terminálnych oblastiach v distalaxóne, ktoré sa potom retrográdnym pohybom transportujú späť do bunkového sómu, aby sa spojili s aktívnymi lyzozómami [62].

Autofagozómy podstupujú dozrievanie, keď sa pohybujú od distálneho (špička neuritu) k proximálnemu (bunkový soma) pohltením organel a rozpustného nákladu a zvýšením luminálnej acidifikácie pre účinnú degradáciu nákladu. V soma existuje zmiešaná populácia autofagozómov s rôznymi stavmi dozrievania, ktoré pochádzajú z distálnych oblastí alebo sú lokálne generované [63].

Distálne odvodené autofagozómy sú zadržané v somatodendritickom kompartmente a nie sú schopné návratu do axónu, zatiaľ čo autofagozómy zo somy sa môžu voľne pohybovať medzi dendritmi a soma [63].

Za normálnych podmienok sa autofagozómy v neurónoch takmer nedetegujú, pretože rýchlo fúzujú s lyzozómami, čo dokazuje, že autofágia je vysoko účinná pri indukcii autofágie neurónov a odstraňovaní autofagozómov v [64].

Autofagozómy odvodené z distálnych axónov obsahujú cytoplazmatický obsah a najmenej 10 % populácie obsahuje fragmenty mitochondrií [62], čo podporuje úlohu degradácie mitochondrií závislej od autofágie.

Makroautofágia je nevyhnutná pre tvarovanie neuritov počas ich rastu a tiež pre neuralplasticitu. Strata funkcie ATG16L1, jadrového autofagického proteínu, je dostatočná na indukovanie účinkov pri tvorbe mozgu myší [65]. Neurónovo špecifická delécia ATG9 navyše vedie k defektnému vývoju axónových traktov a nedostatočnému rastu neuritov in vitro [66].

Pokles ATG a asociovaných proteínov so starnutím [67] však vedie k progresívnemu zhoršeniu makroautofágie, čo pravdepodobne prispieva k neskorému nástupu niekoľkých neurodegeneratívnych ochorení.

Akumulácia autofagozómov je výsledkom nerovnováhy medzi ich tvorbou a degradáciou [68], ktorá bola opísaná pri Alzheimerovej chorobe (AD), Parkinsonovej chorobe (PD) a Huntingtonovej chorobe (HD) [69].

Hoci genetické mutácie génov súvisiacich s autofágiou nie sú opísané ako priame príčinné faktory neurodegeneratívnych ochorení, niekoľko dôkazov podporuje, že poruchy v procese makroautofágie a jeho regulácia sa podieľajú na neurodegenerácii.

Dysfunkcia autofagického procesu, ako je poškodenie fúzie autofagozóm-lyzozóm [64], defektná acidifikácia lyzozómov [70] alebo defektný autofagozómový transport [71,72], má za následok akumuláciu toxických proteínových agregátov a nefunkčných organel, čím prispieva k neurodegenerácii.

Genetická inaktivácia ATG5, ATG7 alebo FIP200 v CNS spôsobuje opuch axónov a smrť neurónov u myší, čo vedie k progresívnemu poškodeniu motorických funkcií [73–75].

ATG5-nulové myši navyše zomierajú do jedného dňa po narodení v dôsledku straty neurónov spôsobenej poruchou autofágie [76]. Hoci niekoľko štúdií dokazuje dôležitosť makroautofágie pre prežitie a funkciu neurónov, o jej regulácii v neurónoch a gliách sa vie len málo. .

Akumulácia aberantných proteínov alebo inklúznych teliesok je dobre opísaná pri niekoľkých neurodegeneratívnych ochoreniach a zmeny v autofagickej aktivite môžu ovplyvniť neuronálnu homeostázu a prežitie. Odhalenie úloh autofágie a regulácie v neuronálnej a gliálnej funkcii bude kľúčom k presadzovaniu nových terapeutických stratégií na zastavenie neuronálnej dysfunkcie a degenerácie.

For more information:1950477648nn@gmail.com