Štrukturálne a funkčné pohľady na polymorfizmus synukleínových vlákien, časť 2

Proteíny -synukleín ( -syn) a -synukleín ( -Syn) tiež patria do rodiny synukleín [165] (obrázok 1C). -Syn je proteín so 134 aminokyselinami, skôr identifikovaný ako humánny homológ hovädzieho fosfoneuroproteínu 14 (PNP14).

Ako starneme, pamäť postupne klesá. Pamäť však môžeme zlepšiť správnou výživou. Aminokyselinové bielkoviny sú jednou z najdôležitejších živín.

Aminokyselinové proteíny môžu zvýšiť počet a spojenie neurónov v mozgu, čo hrá dôležitú úlohu pri učení a pamäti. Okrem toho môžu aminokyselinové proteíny podporovať rast a opravu krvných ciev v mozgu a zvýšiť prísun kyslíka do mozgu, čím pomáhajú zlepšiť kognitívne schopnosti a pamäť mozgu.

Niektoré potraviny bohaté na aminokyseliny zahŕňajú kuracie mäso, hovädzie mäso, ryby a vajcia. Zároveň niektoré potraviny rastlinného pôvodu ako fazuľa, slnečnicové semienka atď. tiež poskytujú bohaté aminokyselinové bielkoviny. Pamäť môžeme zlepšiť vyváženou stravou a konzumáciou vhodných aminokyselín a bielkovín.

Okrem toho by sme mali dbať na príjem primeraného množstva aminokyselinových bielkovín a udržiavať zdravé stravovacie návyky a životný štýl. Pravidelné cvičenie, dostatok spánku a znižovanie stresu, to všetko môže pomôcť zlepšiť vývoj a funkciu mozgu.

Celkovo vzaté, aminokyseliny a bielkoviny sú dôležité živiny pre zlepšenie pamäte. Rozumnou úpravou stravy a životného štýlu môžeme pomôcť nášmu mozgu lepšie fungovať, zlepšiť našu schopnosť učiť sa a pamätať si a mať zdravší a šťastnejší život. Je vidieť, že potrebujeme zlepšiť pamäť a Cistanche deserticola môže výrazne zlepšiť pamäť, pretože Cistanche deserticola má antioxidačné, protizápalové účinky a účinky proti starnutiu, čo môže pomôcť znížiť oxidačné a zápalové reakcie v mozgu, a tým chrániť zdravie nervového systému. Okrem toho môže Cistanche deserticola tiež podporovať rast a opravu nervových buniek, čím zvyšuje konektivitu a funkciu neurónových sietí. Tieto účinky môžu pomôcť zlepšiť pamäť, rýchlosť učenia a myslenia a môžu tiež zabrániť rozvoju kognitívnej dysfunkcie a neurodegeneratívnych ochorení.

Kliknite na vedieť spôsoby, ako zlepšiť funkciu mozgu

Úsek 11-aminokyselín (zvyšky 73–83) chýba v jeho doméne NAC (obrázok 1C), v dôsledku čoho nemôže fibrilovať [11 176 177]. Predtým sa verilo, že -Syn je inhibítorom agregácie -Syn a zabraňuje jeho neurotoxicite [11,176]. Táto predstava sa však zmenila po objavení missense mutácií v géne -Syn, P123H (familiárne) a V70M (sporadické), o ktorých je známe, že spôsobujú DLB [178].

Škodlivé účinky týchto mutácií preukázali bunkové a zvieracie štúdie [179,180]. Naša skupina nedávno ukázala, že za normálnych fyziologických podmienok nedochádza k fibrilácii a agregácii -Syn a jeho mutáciám spojeným s ochorením, ale zmenené mikroprostredie, ako je zníženie pH a / alebo prítomnosť heparínu, spôsobilo ich polymerizáciu [181].

-Syn, ktorý zdieľa ~55% sekvenčnú homológiu s -Syn, bol pôvodne identifikovaný pri malignitách rakoviny prsníka kódovaných génom špecifickým pre rakovinu prsníka, BCSG1 [182]. Bol hlásený v periférnom centrálnom nervovom systéme a tkanivách rakoviny prsníka [182,183]. Agreguje a tvorí fibrily in vitro [177] a inbunky [184], ale je porovnateľne pomalší ako -Syn [91].

Chybné skladanie a fibrilácia -Syn je hlavnou udalosťou pri niekoľkých neurodegeneratívnych poruchách [185]. Zle poskladané agregáty -Syn sú amyloidogénne, ktoré sa aberantne hromadia v mozgu a v dôsledku toho pacient trpí pohybovými abnormalitami, ktoré sa časom zhoršujú.

Agregácia -Syn je komplexný jav a zahŕňa konverziu monomérov na vysoko usporiadané cross- -štruktúry bohaté na listy prostredníctvom tvorby niekoľkých rozpustných oligomérnych druhov na dráhe a mimo nej [185,186]. Tvorba amyloidu -Syn sa vo všeobecnosti monitoruje fluorescenčným farbivom tioflavín T [187].

Nasleduje sigmoidálna rastová kinetika, ktorá pozostáva z (i) lag fázy, zahŕňajúcej tvorbu jadier, ktoré prípadne rastú do detegovateľnej agregátovej štruktúry v roztoku; (ii) fázu predlžovania, konverziu a následný rast oligomérnych druhov do fibrilárnej štruktúry; a (iii) stacionárna fáza, ktorá predstavuje ustálený stav, v ktorom koncentrácia monoméru a fibríl dosiahne rovnováhu.

Na konci agregácie sa -Syn zostaví do atypických dlhých amyloidných fibríl, ktoré sú normálne charakterizované elektrónmikroskopiou a mikroskopickými zobrazovacími technikami atómovej sily [9]. Tieto fázy agregácie nemožno pripísať jedinej udalosti alebo mikroskopickému procesu. Namiesto toho sú všetky procesy, tj primárna nukleácia, predĺženie, sekundárna nukleácia a fragmentácia, aktívne vo všetkých fázach rastovej krivky, ale rôznymi rýchlosťami [188, 189] (obrázok 2).

Tieto reakčné rýchlosti sa riadia konštantami rýchlosti agregácie a koncentráciou reagujúcich látok v danom čase [190]. Tvorba amyloidu začína primárnou nukleáciou monomérnych druhov v roztoku a predlžovaním pridaním monoméru na rastúce konce agregátov [189]. Primárne nukleačné procesy sú však krátkodobé a sekundárne nukleačné procesy ich rýchlo prekonávajú [191].

Fragmentácia fibríl za podmienok miešania (alebo dokonca v pokojových podmienkach v závislosti od stability amyloidných fibríl) modifikuje počet rastúcich koncov a významne ovplyvňuje celkovú kinetiku rastu [188, 189].

Okrem toho sekundárna nukleácia povrchovou katalýzou je tiež jedným z hlavných prispievateľov k rastu amyloidu v niekoľkých systémoch, najmä v nepokojných podmienkach [189, 190]. Samozostavenie a agregácia -Syn je zložitý jav a zahŕňa viacero paralelných procesov. Preto je dôležité porozumieť základným molekulárnym udalostiam, aby sa načrtlo ich základné spojenie s ľudskými chorobami.

4. Priónový kmeňový jav v -Syn

Od objavu -Syn ako hlavnej zložky patológie Lewyho teliesok v roku 1997 sa primárne zameranie presunulo na vymedzenie základného patogénneho mechanizmu PD.

Heiko Braak [192] predstavil v roku 2003 systém stagingu Lewyho patológie založený na špecifických vzorcoch šírenia -Syn. Podľa Braakovej hypotézy sa Lewypatológia začína z čuchového bulbu a DMV a potom sa postupne šíri do iných oblastí mozgu.

Hoci existujú experimentálne a klinické dôkazy podporujúce Braakovu hypotézu, nie je isté, či je použiteľná a/alebo presne opisuje progresiu PD u všetkých pacientov. Napríklad existujú prípady, v ktorých pacienti nevykazujú Lewyho patológiu pri DMV alebo ENS, zatiaľ čo iné oblasti mozgu sú vážne postihnuté [193–198].

Dokonca v niektorých prípadoch nebola pozorovaná žiadna súvislosť medzi závažnosťou Lewyho patológie a klinickými symptómami pri PD [195]. Preto sa navrhuje aplikovať Braakovu hypotézu len na podskupinu populácie [198], keďže nie všetci pacienti s PD dodržiavajú systém stagingu navrhnutý Braakom [199]. Je zaujímavé, že správy o Lewyho patológii vo fetálnych neurónových štepoch po štrnástich rokoch transplantácie do striata pacienta s PD poskytli priamy dôkaz prenosu z bunky na bunku a šírenia synpatológie, ktorú navrhol Braak [200,201].

Štúdie využívajúce in vitro a bunkové modelové systémy neskôr naznačili, že agregáty -Syn sú infekčné, môžu sa presúvať z jednej bunky do druhej a nasadzovať agregáciu svojho rozpustného endogénneho náprotivku v bunkách príjemcu, čo vysvetľuje jav pozorovaný v transplantovaných neurónoch [18,21,23]. . Tento priónový prenos agregátu -Syn z jednej oblasti do druhej sa tiež podieľa na pacientoch s DLB a PDD, čo naznačuje, že šírenie Lewyho patológie je spoločnou vlastnosťou synukleinopatií -Syn agregátov [202–205].

Klinické a patologické znaky týchto synukleinopatií sú však veľmi variabilné a heterogénne [206, 207], [146, 208]. Niekto by si mohol položiť otázku, prečo, napriek tomu, že je spojený s agregáciou toho istého proteínu, je distribúcia -Syn patológie a prejav symptómov choroby medzi synukleinopatiami rozdielny.

To by sa dalo vysvetliť fenoménom priónového kmeňa -Syn, v ktorom rovnaký prekurzorový proteín tvorí rôzne vlákna, ktoré vedú k odlišnej patológii.

4.1. Koncept priónových kmeňov

Posledných niekoľko desaťročí výskumu naznačilo, že proteíny/peptidy s rôznymi štruktúrami a sekvenciami môžu tvoriť spoločný záhyb štruktúry amyloidu bohatej na krížové listy [209–213]. Tieto proteíny/peptidy tvoria amyloidy so spoločným agregačným rámcom, tj prostredníctvom polymerizačného mechanizmu závislého od jadra [214, 215].

Avšak každý proteín/peptid môže tiež podstúpiť odlišnú agregačnú dráhu za vzniku jedinečnej amyloidnej štruktúry. Nedávne štrukturálne štúdie s vysokým rozlíšením pomocou ssNMR a cryo-EM skutočne naznačili, že každý proteín sa jedinečne balí a tvorí rôzne štruktúry pre priečny{2}}záhyb listu [56–58,61,216]. Nielen to, ale prekvapivo jeden proteín môže tvoriť viacero rôznych štruktúrnych záhybov [40,59].

Tieto proteíny teda môžu prijať rôzne konformácie z rovnakej aminokyselinovej sekvencie, čo vedie k niekoľkým proteinopatiám, a preto nepotvrdzujú hypotézu jeden proteín – jedna štruktúra [217]. Napríklad tau sa skladá odlišne pri Alzheimerovej chorobe a Pickovej chorobe [40,218,219]. . V mozgoch podtypov frontotemporálnej lobardegenerácie (FTLD-TDP) existujú rôzne agregáty TAR DNA-binding protein (TDP{5}}), ktoré vykazujú morfologické rozdiely medzi jednotlivými podtypmi [220].

Schopnosť tohto proteínu nesprávne sa poskladať a prejaviť konformačnú diverzitu môže viesť k vážnym následkom, ako je neurodegenerácia [221]. Tento fenomén proteínotvorby rôznych amyloidov spojených s rôznymi fenotypovými vlastnosťami je dobre známy pre prióny [46, 222]. Prióny sú infekčné proteínové častice, ktoré vykazujú konformačnú heterogenitu a môžu sa prenášať z jedného jedinca na druhého [223].

Nespočetné množstvo dôkazov ukazuje epidemiologickú a klinicko-patologickú rozmanitosť ľudských priónových chorôb, ako je Kuruova choroba, Gerstmann-Straussler-Scheinkerov syndróm a Creutzfeldt-Jakobova choroba [224], ako aj nehumánne priónové choroby, ako je bovinná spongiformná encefalopatia (BSE). u hovädzieho dobytka, klusavka u oviec a kôz atď. [225].

Normálny bunkový priónový proteín (PrPC) prechádza konverziou z -helikálnej na -list-bohatú konformáciu (PrPSc), čo je nerozpustná, PK-rezistentná a infekčná forma. PrPSc sa šíri a agreguje podľa dvoch všeobecne akceptovaných mechanizmov/modelov, tj modelu s pomocou templátu a modelu nukleačnej polymerizácie.

Patogénny prión pôsobí ako templát v modeli podporovanom templátom a poskytuje povrch na konverziu endogénneho normálneho priónového proteínu na jeho nesprávne poskladanú patogénnu formu [226]. V nukleačno-polymerizačnom modeli sa monomérny PrPSc spája a vytvára stabilné jadro, nazývané tiež semeno. Tieto semená neustále získavajú PrPC a premieňajú ich na ich patogénne náprotivky [226].

Jednou z pozoruhodných vlastností priónov je, že sa môžu nesprávne poskladať do rôznych konformácií, z ktorých každá vedie k odlišným klinickým, histologickým a patologickým profilom. Tieto agregáty s rôznymi konformáciami a patologickým správaním sa označujú ako „kmene“ [45,227]. Priekopnícke pozorovania o prítomnosti priónových kmeňov pochádzajú zo štúdie Pattisona a Milsona, 1961 [228], kde experimentálne produkovali scrapie u kôz a pozorovali odlišné klinické prejavy choroby v dôsledku rôznych kmeňov.

V inej štúdii Fraserand Dickinson dokázal rozlíšiť rôzne kmene klusavky na modeloch infikovaných myší v závislosti od rozsahu poškodenia v rôznych oblastiach mozgu [229]. Neskôr množstvo správ preukázalo existenciu kmeňov PrPSc [227, 230 – 233] a metód na ich rozlíšenie, ako je štiepenie proteinázou K (PK) [234, 235], elektrónová paramagnetická rezonancia (EPR) a NMR spektroskopia [43].

Tieto konformácie PrPSc sa líšia v zmysle rôznych typov prvkov sekundárnej štruktúry, ako sú -helix, -prameň, -otočenie, alebo rôzne štrukturálne záhyby alebo rôzne balenie [227,230,232,235,236]. Napríklad priónový proteín zo sýrskeho škrečka sa preskladá do -helikálnej aj -listovej štruktúry, ako aj do rôznych medziproduktov vo vodnom roztoku [236].

Tieto sú nielen štrukturálne, ale aj funkčne odlišné od seba [43] a boli identifikované pri rôznych ľudských a zvieracích priónových poruchách [233,237]. inkubačná doba, progresia a histopatologické lézie v infikovanom mozgu [224, 225]. Toto bolo súhrnne označené ako „fenomén priónového kmeňa“ [45,46,238].

Jedným z hlavných prispievateľov k tejto rozmanitosti/variácii kmeňov je schopnosť infekčných agensov/priónov infikovať určité druhy [44,239,240] a prekonať „druhovú bariéru“, čím generujú rôzne kmene s rozlíšiteľnými biochemickými a patologickými charakteristikami. Jedným z takýchto prípadov je vCJD (variant Creutzfeldt-Jakobovej choroby), ktorý je výsledkom medzidruhového prenosu BSEprionu z hovädzieho dobytka na človeka [44 240], čo je jediný známy prípad prenosu priónov iných ako človek na človeka.

Je tiež známe, že rôzne priónové kmene navzájom koexistujú, ako je vidieť v prípade sCJD (sporadická Creutzfeldt-Jakobova choroba) [241, 242], ktorá vykazuje odlišné biochemické vlastnosti v rôznych oblastiach mozgu. Priónové kmene sú tiež známe tým, že predlžujú svoju inkubačnú dobu po koinfekcii s inými kmeňmi, čím sa prejavuje fenomén „súťaženia“, ako sa pozorovalo v rôznych štúdiách [243–245].

Všetky vyššie uvedené črty fenoménu priónových kmeňov a potenciál pre generovanie nových priónových kmeňov sa ukázali nielen ako vážna vedecká výzva, ale aj ako hrozba pre všeobecné verejné zdravie.

Nedávne štúdie však naznačili, že táto kmeňová vlastnosť amyloidov nie je obmedzená len na prióny, ale aj iné amyloidy spojené s rôznymi neurodegeneratívnymi poruchami, ako je Alzheimerova a Parkinsonova choroba [19,246,247], [18,248]. Boli poskytnuté rôzne dôkazy z in vitro a in vivo štúdie demonštrujúce správanie -Syn podobnú priónovému kmeňu, ako je uvedené nižšie.

4.2. -Syn kmene generované in vitro

V posledných rokoch bol hlásený rastúci počet priónových kmeňov -Syn spojených s klinickými a patologickými variáciami pozorovanými pri synukleinopatiách [29–35,249].

Tieto kmene boli definované ako odlišné a stabilné konformačné zostavy jedného proteínu, ktoré sa môžu samoreplikovať a šíriť in vivo a viesť k rôznym fenotypom ochorenia. Guo a spol. objavili dva 'kmene' -Syn vopred vytvorených fibríl (puffov), prostredníctvom denovo fibrilácie, označovanej 'kmeň A', a fibrilácie s opakovaným naočkovaním in vitro, označovanej 'kmeň B'.

Tieto dva kmene vykazovali odlišné konformácie a výrazné rozdiely v krížovom výseve tau proteínu v primárnych neurónových kultúrach a in vivo [30]. Okrem zdokumentovania dôkazov o kmeňoch fibríl -Syn po prvýkrát tieto zistenia identifikovali aj správanie krížového výsevu -Syn. Neskôr niekoľko skupín využilo chameleónovú vlastnosť -Syn [9] a skrínovalo početné rastové podmienky na vytvorenie kmeňov -Syn in vitro. Za rôznych rastových podmienok bolo pozorovaných niekoľko konformačne stabilných a nestabilných stavov proteínu [250].

Konformácie, ktoré nie sú termodynamicky stabilné alebo nemôžu vytvoriť stabilné intermolekulárne interakcie, nemôžu rásť do amyloidných fibríl. Tieto stavy sa označujú ako rastovo nekompetentné stavy (obrázok 3). Na druhej strane, rastovo kompetentné stavy -Syn môžu rásť a vytvárať rôzne fibrily v závislosti od podmienok rastu (obrázok 3).

Výsledné fibrily za rôznych podmienok zostavovania majú nielen odlišné biochemické a biofyzikálne vlastnosti, ako je odolnosť voči proteázam, cytotoxicita, schopnosť naočkovania, atď. podmienky rastu a charakter semien (obrázok 3).

Bousset a kol. skutočne vytvorili dva štrukturálne a funkčne odlišné kmene -Syn, nazývané „fibrily“ a „stuhy“, s použitím rôznych fyziologických koncentrácií solí [29]. Fibrily spôsobili väčšiu cytotoxicitu, pričom sa zistilo, že pásiky sú účinnejšie pri indukcii inklúzií -Syn in vivo [33]. Podobné rozdiely boli získané s kmeňmi vytvorenými Suzuki et al. [51], kde jeden kmeň spôsobil akumuláciu hojných fosforylovaných a ubikvitinovaných agregátov -Syn v kultivovaných neurónoch a myšiach vďaka svojej schopnosti interagovať s proteazómovými komplexmi, zatiaľ čo druhý kmeň to nedokázal [51].

V súčasnosti sa rôzne experimentálne podmienky stali skôr bežnou stratégiou na generovanie kmeňov in vitro. V prípadoch, keď by kritériá, ktoré sa majú nazývať „kmeň“, tj mali by byť štrukturálnym variantom proteínových agregátov, vykazovať schopnosť samošírenia a sériového prenosu choroby počas ďalších generácií a spôsobovať klinické a fenotypické variácie choroby, nie sú úplne splnené, bolo by vhodnejšie nazvať fibrily „polymorfy“.

Tieto polymorfy môžu vykazovať výrazné rozdiely v ich morfológii a štruktúre [28,56,251], rýchlosti nukleácie [252], očkovaní a schopnosti viazať membránu v bunkách [36] atď. Avšak ako funkčný dôsledok týchto štrukturálnych variácií v polymorfoch môžu alebo môžu nevedie k odlišným klinickým podtypom chorôb. Existujú aj prípady vnútrovzorkového polymorfizmu, ktorý môže vzniknúť bez ohľadu na to, či sú fibrily generované in vitro [39,57,253–256] alebo odvodené z mozgových extraktov [40,257,258].

Aj keď tieto môžu mať určité spoločné znaky, ako je podobný monomérny záhyb alebo spoločná štruktúra, vykazujú tiež výrazné rozdiely v morfológii, usporiadaní vlákien alebo biochemických vlastnostiach [57, 256]. Rôzne podmienky zostavovania teda môžu vytvárať štrukturálne a funkčne odlišné fibrilárne zostavy, ktoré sa môžu šíriť ako jedinečný kmeň -Syn alebo môžu jednoducho vytvárať polymorfy.

Niekoľko správ tvrdilo prítomnosť agregátov -Syn v gastrointestinálnom trakte [259–263] a kľúčovú úlohu vagového nervu pri šírení týchto agregátov z čreva do mozgu [74,76,192,264,265]. Nedávno sa ukázalo, že E. coli exprimujúca curli podporuje patológiu -Syn v čreve a mozgu myší s nadmernou expresiou ľudského -Syn [78]. Expozícia mikrobiálnym amyloidom môže vyvolať polymorfizmus.

Namiesto toho by bolo zaujímavé opýtať sa, či rôzne formy -Syn (polymorfy) pochádzajú z čreva, šíria sa do oblastí mozgu retrográdnym vagálnym transportom a spôsobujú patológiu kmeňovo špecifickým spôsobom. V tejto súvislosti boli pozorované štrukturálne a funkčné rozdiely medzi -Syn fibrilami vytvorenými v prítomnosti a neprítomnosti bakteriálneho endotoxínového lipopolysacharidu (LPS) [31].

Je známe, že LPS moduluje agregáciu -Syn stabilizáciou -helikálnych medziproduktov vytvorených počas jeho agregačnej dráhy, čo vedie k fibrilám s variabilnou cytotoxicitou a zmeneným správaním internalizácie [266]. Okrem toho sa ukázalo, že -Syn podlieha mnohým PTM, ako je fosforylácia, oxidácia metionínu, acetylácia, nitrácia atď., ktoré sú priamo spojené s jej agregáciou a cytotoxicitou [94,115,267,268].

Pretože pS129 je najbežnejším PTM a hlavnou formou -Syn v inklúznych telieskach, môže spôsobiť tvorbu kmeňa in -Synin vivo. Ma a spol. ukázali, že fosforylácia na Ser129 umožňuje proteínu vytvoriť odlišný kmeň, ktorý sa štrukturálne líši vyššou cytotoxicitou a rôznymi propagačnými vlastnosťami in vitro a v bunkách v porovnaní s náprotivkom divokého typu (bez fosforylácie) [269].

Nielen fosforylácia, ale aj N-terminálna acetylácia môže spôsobiť polymorfizmus fibríl [267], čo naznačuje, že aj mierna modifikácia v -Syn aminokyselinovej sekvencii môže významne ovplyvniť štruktúru fibríl. Zmena v štruktúre fibríl môže ďalej ovplyvniť propagáciu fibríl in vivo selektívnym zacielením na odlišné typy buniek a bunkové populácie v mozgu [32].

Tieto kmeňovo špecifické rozdiely sú potom verne zachované v priebehu generácií [28,29,52] a vedú ku klinickým rozdielom v nástupe ochorenia, neurologickom ochorení, profile lézií atď. [32].

Celkovo tieto štúdie naznačujú, že v zložitom a preplnenom prostredí, ako je prostredie bunky, jemné environmentálne a bunkové zmeny, prítomnosť kofaktorov alebo iných proteínov a zmeny v primárnej sekvencii proteínu môžu viesť k tvorbe rôznych polymorfov alebo kmeňov. , čo vedie k rôznym výsledkom ochorenia.

For more information:1950477648nn@gmail.com