Diagnostický potenciál amyloidogénnych proteínov, časť 1

Abstrakt:

Neurodegeneratívne poruchy sú vysoko prevládajúcou triedou chorôb, ktorých patologické mechanizmy začínajú ešte pred objavením sa akýchkoľvek jasných symptómov. Táto skutočnosť podnietila vedcov k hľadaniu biomarkerov, ktoré by mohli pomôcť včasnej liečbe.

Tieto v súčasnosti nevyliečiteľné patológie zdieľajú prítomnosť aberantných agregátov nazývaných amyloidy v nervovom systéme, ktoré sa skladajú zo špecifických proteínov.

V tomto prehľade diskutujeme o tom, ako by sa tieto proteíny, ich konformácie a modifikácie mohli využiť ako biomarkery na diagnostické účely.

Proteín je jednou z dôležitých látok pre udržanie zdravia a má tiež významný vplyv na pamäť. Proteín sa skladá z aminokyselín, ktoré sú surovinami pre mozgové bunky a neurotransmitery. Preto príjem bielkovín úzko súvisí s pamäťou.

Po prvé, bielkoviny sú základnou látkou pre telo na stavbu a opravu tkanív. Mozgové bunky sú bohaté na enzýmy a regulačné látky, ktoré na normálne fungovanie vyžadujú proteín ako zložku. Príliš nízky obsah bielkovín v tele spôsobí, že mozgové bunky nebudú normálne fungovať, a tým ovplyvní pamäť. Preto udržanie dostatočného príjmu bielkovín hrá dôležitú úlohu pri vývoji mozgu a udržiavaní pamäte.

Po druhé, proteín má účinok na zvýšenie aktivity mozgových buniek. Ľudské telo potrebuje veľké množstvo mozgových neurotransmiterov na udržanie normálneho fungovania funkcií, ako je myslenie, pamäť a správanie. Mozgové neurotransmitery sú syntetizované z aminokyselín v tele a zdrojom týchto aminokyselín sú bielkoviny. Preto výber potravín bohatých na vysokokvalitné bielkoviny môže zvýšiť syntézu mozgových neurotransmiterov, a tým zvýšiť aktivitu mozgových buniek a pomôcť zlepšiť pamäť.

Okrem toho bielkoviny tiež pomáhajú udržiavať stabilitu tela a predchádzať výkyvom krvného cukru. Nízka hladina cukru v krvi môže spôsobiť príznaky, ako je nepozornosť, závraty a únava v tele, ktoré často ovplyvňujú výkon pamäte. Udržiavaním mierneho príjmu bielkovín sa dá účinne vyhnúť kolísaniu krvného cukru, čo pomáha udržiavať stabilitu tela a zlepšuje pamäť.

Bielkoviny skrátka úzko súvisia s pamäťou. Mierny príjem bielkovín dokáže udržať stabilitu organizmu, posilniť činnosť mozgových buniek a tým zlepšiť pamäť. Mali by sme sa snažiť jesť viac kvalitných potravín bohatých na bielkoviny, ako sú ryby, mäso, fazuľa a mliečne výrobky, a vyhýbať sa úplnému odstráneniu bielkovín zo stravy. To nám pomôže zostať zdravými, zlepšiť si pamäť a užívať si lepší 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 spoznajte 10 spôsobov, ako zlepšiť pamäť

Zameriavame sa na proteíny, ktoré sú spojené s najčastejšími neurodegeneratívnymi poruchami, vrátane Alzheimerovej a Parkinsonovej choroby, amyotrofickej laterálnej sklerózy a frontotemporálnej demencie.

Opisujeme tiež súčasné výzvy v detekcii, najnovšie techniky s diagnostickým potenciálom a možný budúci vývoj v diagnostike.

Kľúčové slová: neurodegeneratívne choroby; biomarker; amyloid; oligomér; post-translačná modifikácia.

1. Potreba nových diagnostických prístupov pre neurodegeneráciu

Neurodegeneratívne ochorenia sú smrteľné a nevyliečiteľné poruchy, charakterizované progresívnou stratou neurónov v špecifických oblastiach nervového systému. Ide o vysokoheterogénnu skupinu patológií, medzi ktoré patrí Alzheimerova choroba (AD), Parkinsonova choroba (PD), frontotemporálna demencia (FTD) a amyotrofická laterálna skleróza (ALS).

V súčasnosti na celom svete trpí rôznymi formami neurodegenerácie viac ako 50 miliónov ľudí [1]. Klinický priebeh neurodegeneratívnych ochorení zvyčajne trvá niekoľko rokov a vedie k progresívnym deficitom pamäti, kognície a pohybu v rôznej miere v závislosti od konkrétnej patológie [2]. . Existujúce medikamentózne liečby sa zameriavajú na zmiernenie týchto symptómov [3].

Okrem toho sa neuropsychologické vyšetrenie stále považuje za kľúčové pri diagnostike neurodegenerácie spojenej s demenciou [4]. Kľúčové molekulárne mechanizmy ochorenia sa však vyskytujú pred objavením sa akýchkoľvek významných symptómov.

Vývoj presných diagnostických prístupov by uľahčil včasné terapeutické zásahy na obnovenie neuronálnej fyziológie skôr, ako dôjde k nezvratnému poškodeniu.

Podporilo by to aj zavedenie nových terapií a prehodnotenie súčasných, ktoré by mohli byť účinnejšie, ak by sa podávali v skorších štádiách. Napriek naliehavej potrebe diagnostických prístupov k neurodegenerácii je ich vývoj stále náročnou výzvou, a to z dôvodu obmedzenej dostupnosti mozgu na fyzikálne vyšetrenie a zložitosti klinických testov založených na kognitívnych schopnostiach [2].

Nedávny technologický pokrok umožnil charakterizáciu nových dráh, biomolekúl a štruktúr v nervovom systéme a iných oblastiach tela, ktoré by sa mohli použiť ako markery neurodegenerácie [5,6].

Hoci rôzne neurodegeneratívne ochorenia majú niektoré odlišné fenotypy, zdieľajú aj niektoré kľúčové molekulárne črty. Najmä pri mnohých z týchto porúch špecifické proteíny a peptidy, ktoré by boli za normálnych okolností rozpustné, podliehajú procesu samoskladania, ktorý vedie k tvorbe veľkých fibrilárnych agregátov nazývaných amyloidy [7,8].

Tento proces zahŕňa aj tvorbu menších oligomérnych medziproduktov, ktoré sú vysoko toxické a v súčasnosti sú považované za hlavných hráčov v mechanizmoch ochorenia [8]. Agregácia amyloidu je tiež spojená s inými procesmi agregácie, ako je tvorba kondenzátov [9]. Tieto však nebudú predmetom tohto prehľadu.

Tu popisujeme niektoré z najznámejších amyloidogénnych proteínov a ich diagnostický význam.

Zameriavame sa na amyloid-beta (A ) a tau pre AD, -synukleín ( -syn) pre PD, fúzovaný v sarkóme (FUS) a TAR DNA-viažuci proteín 43 (TDP-43) pre ALS a FTD. Diskutujeme tiež o najmodernejších pokrokoch v detekčných prístupoch na monitorovanie agregácie týchto proteínov.

2. Agregácia amyloidu ako potenciálny zdroj biomarkerov

Amyloidy sú nerozpustné fibrilárne agregáty obohatené o krížovú štruktúru a ich tvorba bola extenzívne charakterizovaná in vitro [7,8].

Agregácia amyloidu pozostáva z komplexnej siete nukleačných udalostí. Spočiatku rozpustné monomérne proteíny interagujú a tvoria oligoméry primárnou nukleáciou. Primárna nukleácia môže byť spustená aj prítomnosťou iných biomolekúl, ako sú iné proteíny [10], nukleové kyseliny [11,12,] a membrány [13].

Oligoméry sa potom konvertujú na agregáty vyššieho rádu a nakoniec na amyloidné fibrily. Akonáhle sa vytvorí kritická koncentrácia fibríl, povrch týchto fibríl katalyzuje tvorbu ďalších oligomérov sekundárnou nukleáciou [7,8]. Fibrily sa tiež môžu predlžovať pridaním monomérov na svojich koncoch a podliehajú fragmentácii [7,8]. Amyloidné fibrily sú extrémne stabilné proteínové druhy vďaka ich bohatému obsahu krížových vrstiev [8,14–16].

Naopak, oligoméry sa rýchlo konvertujú na amyloidagregáty vyššieho rádu (obrázok 1). Prechodná povaha oligomérov sťažuje ich izoláciu a charakterizáciu na štrukturálnej úrovni.

Len nedávno, vďaka novým prístupom, ako je fluorescencia s jednou molekulou a elektrónová mikroskopia [14,17,18], sa ukázalo, že oligoméry sú vysoko heterogénne vo svojich fyzikálno-chemických vlastnostiach a štruktúrach s rôznym obsahom sekundárnych štruktúr [16,19,20]. .

Oligoméry sú toxické mnohými mechanizmami vrátane aberantných hydrofóbnych interakcií. Ukázalo sa, že v tkanivách a izolovaných bunkách môžu oligoméry ovplyvniť permeabilitu membrán a homeostázu iónov a vyvolať oxidačný stres [16,21–23].

Voľné radikály indukované oligomérmi potom môžu spustiť nesprávne poskladanie proteínov, mitochondriálnu dysfunkciu a prípadne apoptózu [24]. Oligoméry A a -syn sa tiež spájajú s neurozápalom [22] a stratou synapsie [25,26].

Tvorbu amyloidných fibríl a oligomérov môže ovplyvniť niekoľko faktorov. Patria sem genetické mutácie, bunkový stres a prítomnosť alebo neprítomnosť špecifických biomolekúl.

Okrem toho sú amyloidy značne posttranslačne modifikované in vivo [27–29] a posttranslačné modifikácie (PTM) významne menia tvorbu a toxicitu amyloidných fibríl in vitro [27–31].

3. Amyloidogénne proteíny podieľajúce sa na neurodegenerácii

V kontexte neurodegenerácie možno markery chorôb rozdeliť na neuropsychologické, neurozobrazovacie, genetické,c a biochemické markery [2]. Najmä biochemické markery (alebo biomarkery) sú merateľné molekuly v našom tele (napr. proteíny, nukleové kyseliny, metabolity), ktoré hlásia štádium ochorenia [32].

Amyloidogénne proteíny sú perspektívne biomarkery, pretože informujú o biochemickom profile dysfunkcie nervového systému [2]. Nižšie uvádzame relevantné amyloidogénne proteíny a ich patologické modifikácie, ktoré môžu slúžiť ako biomarkery pre neurodegeneratívne stavy.

3.1. A a Tau v AD

AD je najrozšírenejšou formou demencie. Charakteristickými léziami v mozgu AD sú extracelulárne senilné plaky zložené z amyloidných agregátov A a intracelulárnych neurofibrilárnych klbiek (NFT) tvorených párovými helikálnymi amyloidnými vláknami (PHF) hyperfosforylovaného tau (p-tau) proteínu [2,27].

A je krátky peptid vytvorený štiepením väčšieho transmembránového prekurzora, nazývaného amyloidový prekurzorový proteín (APP), postupným štiepením - a -sekretáz a uvoľnený do extracelulárneho priestoru [2,33].

Tento proces môže generovať izoformy A rôznych dĺžok (tabuľka 1), ktoré majú rôzne stupne toxicity v kontexte AD [34]. Najbežnejšie izoformy A sú 40- a 42-zvyškové longóny, všeobecne označované ako A 40 a A 42. A 40 je najhojnejší variant v plakoch (~ 80 % až 90 %) a je prítomný aj v mozgu zdravých ľudí.

A 42 má oveľa vyšší sklon k agregácii a zvýšenie pomerov A 42/A 40 je spojené s AD a inými formami demencie [30,34] (tabuľka 2). Okrem štiepenia sa s AD spájajú aj genetické mutácie (A692G, E693Q v géne APP [35,36], tabuľka 2) a mnoho ďalších PTM z A, vrátane oxidácie, fosforylácie, glykozylácie a izomerizácie [30].

Štúdie ukazujú výskyt acetylácie (napr. Lys16 a Lys28), fosforylácie (napr. Ser8 a Ser26), nitrácie (napr. Tyr10), pyroglutamátu (napr. Glu3 a Glu11), izomerizácie (napr. Asp1 a Asp7) a racemizácie (napr. Asp1, Asp23 a Ser26) v kontexte ochorenia [30,37–39] (tabuľka 1).

Stojí za zmienku, že kognitívny pokles koreluje skôr s rozpustnými intermediárnymi formami A než so stupňom amyloidných depozitov [16]. Tau je hlavný proteín spojený s mikrotubulami, ktorý stabilizuje mikrotubuly v neurónoch [2,40]. V ľudskom mozgu existuje tau ako šesť rôznych izoforiem, ktoré nesú tri alebo štyri opakovania viažuce mikrotubuly (R). Tieto izoformy sa nazývajú 3R a 4R.

Zistilo sa, že prítomnosť buď 3R alebo 4R alebo oboch 3R a 4R amyloidov je špecifická pre ochorenie. Napríklad pri AD, ALS, FT, D a parkinsonizme sú prítomné amyloidy 3R aj 4R, zatiaľ čo pri kortikobazálnych degeneráciách a Pickovej chorobe sa nachádzajú iba amyloidy 4R a 3R [41,42]. Tau podlieha PTM, najmä fosforylácii [40].

Patologická hyperfosforylácia znižuje afinitu tau k mikrotubulom a spôsobuje ich oddelenie od mikrotubulov, čo vedie k tvorbe PHF a NFT [2].

Doteraz bolo identifikovaných 85 potenciálnych fosforylačných miest tau [40]. Okrem toho molekulárne a bunkové štúdie odhalili, že acetylácia (napr. Lys174, Lys274 a Lys280), oxidácia (napr. Cys322), nitrácia (napr. Tyr29), glykácia (napr. Lys87, Lys132 a Lys150), skrátenie (napr. na Asp13 a Asp421 a Glu391) a ubikvitinácia (napr. Lys48 a Lys63) tiež ovplyvňujú tau agregáciu [27] (tabuľka 1).

3.2. -Syn v PD

Na rozdiel od AD postihuje PD primárne motorický systém, spôsobuje tras, rigiditu, bradykinézu a posturálnu nestabilitu [2]. Patologickým znakom PD je výskyt cytoplazmatických amyloidných inklúzií, známych ako Lewyho telieska (LB) a Lewyho neurity (LN). LB a LN sú zložené z amyloidných agregátov, ktorých hlavnou zložkou je -syn [43].

-Syn obsahuje 140 zvyškov s kladne nabitou N-koncovou oblasťou, centrálnou oblasťou bez amyloidnej zložky (NAC) so sklonom k ​​agregácii n, n a záporne nabitou C-koncovou oblasťou [44,45].

Duplikácie alebo triplikácie v oblasti chromozómu -syn (4q21-23) a mutácie vrátane A53T, G51D, H50Q, E46K a A30P v sekvencii -syn sú spojené s PD so skorým nástupom [46–48] (tabuľka 2 ). -Syn patrí do rodiny proteínov, ktorá tiež zahŕňa - a -synukleíny s 55% – 62% podobnosťou. -Synukleín má znížený sklon k agregácii a bolo objavené, že potláča agregáciu -syn ako prirodzený inhibítor, zatiaľ čo oxidovaný -synukleín môže iniciovať agregáciu -syn [49,50].

O niekoľkých PTM je známe, že ovplyvňujú agregáciu -syn, sú spojené s PD [28,] a majú diagnostický potenciál [51] (tabuľka 1).

Patria sem N-terminálna acetylácia, niekoľko skrátení na N-konci (napr. -syn7-140, 14-140, 40-140 a 72–140 nájdené in vitro, 5–140 a 68 –140 nájdených in vivo a niekoľko v oboch) a C-koniec (napr. -syn1-115, 1-119, 1-122, 1-124, 1-125, {{ 19}}, 1-133 a 1-135), fosforylácia Ser87 a Ser129, oxidácia Met1, Met5, Met116 a Met127, sumolyácia Lys96 a Lys102, nitrácia Tyr39, Tyr125 a Tyr133 a Lys6kvitinácia Lys10, Lys12 Lys21, Lys23, Lys43 a Lys96 [28,52,53] (tabuľka 1).

3.3. TDP-43 a FUS v ALS a FTD

ALS a FTD sú neurodegeneratívne ochorenia s prekrývajúcimi sa mechanizmami. ALS ovplyvňuje horné a dolné neuróny, čo spôsobuje stratu kontroly svalov. FTD je forma demencie spojená s degeneráciou frontálnych a predných temporálnych lalokov [54].

Približne 97 % prípadov ALS a 45 % prípadov FTD je spojených s prítomnosťou inklúzií agregátov ubikvitinovaného, ​​hyperfosforylovaného a C-terminálne skráteného TDP-43 v cytoplazme neurónov a gliových buniek [29].

TDP-43 je ribonukleoproteín s dĺžkou 414 zvyškov, ktorý je schopný za patologických podmienok vytvárať agregáty podobné amyloidu a kondenzáty (tj stresové granuly) [9]. Pozostáva z N-terminálneho traktu s jadrovým lokalizačným signálom, dvoma RNA rozpoznávacími motívmi, jadrovým exportným signálom a neusporiadanou C-terminálnou oblasťou [29].

Uvádza sa, že všetky tieto oblasti hrajú rozhodujúcu úlohu pri agregácii proteínu [55–57]. Niekoľko mutácií TDP-43 bolo identifikovaných v sporadických aj rodinných prípadoch ALS a FTD, vrátane G294A, Q331K, M337V [58] a K181E [59] (tabuľka 2). Rovnako ako v prípade A a -syn, aj PTM TDP-43 zohrávajú kľúčovú úlohu pri agregácii proteínu a progresii ochorenia.

Stojí za zmienku, že skrátené 25 kDa a 35 kDa C-koncové fragmenty sa bežne nachádzajú v patologických agregátoch u pacientov s ALS [29,31,54]. Typickou modifikáciou inklúzií TDP-43 je aj ubikvitinácia [31]. Napokon aberantná fosforylácia, acetylácia a oxidácia TDP-43 sú často spojené s nesprávnou lokalizáciou a aberantnou agregáciou proteínu [29] (tabuľka 1).

ALS a FTD sú tiež spojené s ďalším proteínom viažucim RNA/DNA, FUS. FUS je proteín dlhý 526 zvyškov tvorený N-terminálnou transkripčnou aktivačnou doménou a C-terminálnou doménou, ktorá interaguje s transkripčnými faktormi a zahŕňa aj nukleárny lokalizačný signál [60,61].

Obe domény obsahujú oblasti s nízkou komplexnosťou a hrajú úlohu pri tvorbe kondenzátov a hydrogélov [62]. V prípadoch ALS/FTD je hlásených viac ako 50 mutácií (napr. R521C, R521H [63]) FUS.

Na rozdiel od TDP-43 sa FUS vo všeobecnosti nachádza ako proteín plnej dĺžky v agregátoch [61]. Fosforylácia sa vyskytuje v priónových doménach FUS a ukázalo sa, že ovplyvňuje jeho fázovú separáciu a agregačný vzor, ​​zatiaľ čo mutácie a PTM (hlavne metylácia a fosforylácia) na jeho C-terminálnej doméne regulujú jeho jadrovú/cytoplazmatickú lokalizáciu [61,64].

Napriek jasnej patologickej úlohe FUS sú fenotypy ALS/FTD menej často spojené s FUS ako s dysfunkciami TDP-43 [61,65]. Úloha FUS ako biomarkera sa teda ešte musí určiť.

4. Diagnostický potenciál genetických, štrukturálnych a chemických vlastností amyloidogénnych proteínov

Na kvantifikáciu inbiologických vzoriek amyloidogénnych proteínov a na určenie spojenia medzi týmito proteínmi a neurodegeneratívnymi ochoreniami sa použilo niekoľko detekčných prístupov.

Niektoré z týchto stratégií sú zamerané na kvantifikáciu zmien v úrovniach expresie/koncentrácii amyloidogénnych proteínov bez ohľadu na ich konformáciu alebo modifikáciu (tabuľka 2). Niektoré iné prístupy sa namiesto toho zameriavajú na skúmanie špecifických štrukturálnych (napr. agregovaných stavov) alebo chemických (tj PTM) vlastností amyloidogénnych proteínov (Tabuľka 1).

Všetky tieto prístupy analyzujú rôzne oblasti tela. Techniky, ako je aspozitrónová emisná tomografia (PET), môžu sondovať proteíny priamo v centrálnom nervovom systéme (CNS), napríklad v mozgu [2,44,66].

Amyloidogénne proteíny však možno detegovať aj v iných dostupnejších oblastiach tela. V tejto časti diskutujeme o zisteniach, ktoré boli získané z analýzy mozgových tkanív a prístupných telesných tekutín, najmä pomocou imunotestov, ako je imunoblotting a enzýmové imunoanalýzy (ELISA).

Uvažované tekutiny zahŕňajú cerebrospinálny mok (CSF), ktorý je v priamom kontakte s extracelulárnou časťou mozgu a ako taký je optimálnou tekutinou na meranie metabolizmu mozgu [44].

For more information:1950477648nn@gmail.com