Úloha NEDD4 podrodiny ubikvitínových ligáz HECT E3 pri neurovývoji a neurodegenerácii, časť 3

Oxidačný stres a aktivácia apoptotických dráh sa podieľajú na patofyziológii mnohých neurodegeneratívnych ochorení.

Vzťah medzi oxidačným stresom a pamäťou pritiahol širokú pozornosť vedcov. Oxidačný stres je nevyhnutný fyziologický jav v živých organizmoch. Je spôsobená nadmernou produkciou voľných radikálov, kyslíkových iónov a iných oxidačných látok v tele, čo vedie k nerovnováhe v redoxnom stave v tele, čím dochádza k oxidačnému poškodeniu biologických makromolekúl, bunkových membrán atď. Môže narušiť rôzne fyziologické funkcie vrátane pamäte. Najnovšie výskumy však ukazujú, že vhodný oxidačný stres má dobrý vplyv na podporu pamäti.

Po prvé, oxidačný stres môže aktivovať antioxidačný obranný mechanizmus v mozgových bunkách, podporiť ich metabolizmus a zvýšiť životaschopnosť a adaptabilitu nervových buniek.

Po druhé, mierny oxidačný stres môže tiež podporiť syntézu prospešných látok v mozgových bunkách a zlepšiť spojenie a stabilitu nervových buniek. Napríklad kontinuálna syntéza prospešných látok, ako sú antioxidačné enzýmy a proteíny tepelného šoku, zlepší schopnosť samoopravy neurónov, čím sa posilnia funkcie učenia a pamäte.

Napokon, oxidačný stres môže tiež aktivovať niektoré gény súvisiace s prežitím a diferenciáciou buniek, podporovať regeneráciu a obnovu buniek, a tak byť veľkým prínosom pri podpore kognitívnych schopností a pamäti.

Stručne povedané, mierny oxidačný stres môže pomôcť zlepšiť kognitívne a pamäťové schopnosti a mal by sa brať vážne a používať racionálne. Treba však zdôrazniť, že nadmerný oxidačný stres zdraviu neprospieva. Preto by ste mali v každodennej strave konzumovať viac antioxidantov, pričom dbajte aj na znižovanie výskytu chronických ochorení a udržiavanie zdravého životného štýlu. 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 vedieť doplnky na zlepšenie pamäte

Oxidačný stres produkuje reaktívne radikály kyslíka (ROS), ktoré spúšťajú expresiu proapoptotických faktorov. Alzheimerova choroba (AD), PD a ALS sú spojené s poruchou signalizácie inzulínu/inzulínového rastového faktora (IGF)-1 [105].

Degradácia IGF-1 je sprostredkovaná systémom ubikvitín-proteazóm (UPS) a NEDD4-1 hrá v tomto procese kľúčovú úlohu. NEDD4-1 je upregulovaný rôznymi neurotoxínmi, ktoré vyvolávajú oxidačný stres v neurónoch, čo vedie k degradácii IGF-1 pomocou UPS. Zvýšená expresia NEDD{5}} bola zistená v mozgových tkanivách pacientov s AD, PD a HD a tiež v tkanivách miechy pacientov s ALS a mutantných myší SOD1.

Downregulácia/inaktivácia NEDD{0}} zachránila neuróny pred smrťou sprostredkovanou zinktoxicitou [106]. NEDD4-1 sa spája aj s inými proteínmi, ktoré sú obzvlášť dôležité pri regulácii bunkovej stresovej reakcie (HSF-1) a apoptózy (NDFIP1).

Heat Shock Transscription Factor-1 (HSF{1}}) je hlavný stresový transkripčný faktor, ktorý aktivuje gén kódujúci chaperóny a antiapoptotické proteíny. Predpokladá sa, že jeho dysregulácia sa podieľa na neurodegenerácii, najmä pri -synukleinopatii. Podproteotoxické stresové podmienky vyvolané synukleínom, NEDD4-1 je E3 ligáza v neurónoch, ktorá ubikvitinuje HSF-1 na ďalšiu degradáciu proteazómom.

Aberantná degradácia HSF-1 zahŕňajúca NEDD4-1 by mohla byť dôležitým molekulárnym kľúčovým mechanizmom, ktorý je základom -synukleinopatie a rozsiahlej neurodegenerácie [107]. NEDD4-1 tiež interaguje s NDFIP1 (proteín interagujúci s rodinou NEDD4), transmembránovým proteínom s ochrannou úlohou v bunkovom modeli PD, ktorý pomáha znižovať apoptózu a zlepšuje mieru prežitia buniek. Táto väzba generuje zvýšenú expresiu NDFIP1 [108].

Strata NEDD4-1 bola spojená so zvýšením RTP801, proapoptotického proteínu dostatočného a nevyhnutného na vyvolanie smrti neurónov v bunkových a zvieracích modeloch PD [109]. SMURF1 a SMURF2 sú ďalšie ligázy HECT E3 s väzbami na apoptotické dráhy.

SMURF1 bol opísaný ako proteín spojený s Hirano Body (HB) [110]. HB bola najprv pozorovaná u pacientov trpiacich ALS a PD a potom u AD. SMURF1 je upregulovaný prozápalovými cytokínmi, ktoré hrajú úlohu v apoptóze pri poškodení CNS [111].

Ukázalo sa tiež, že inhibuje p53-sprostredkovanú apoptózu stabilizáciou MDM2-MDMX komplexu, ktorý ubikvitinuje p53, čo vedie k jeho degradácii [51]. SMURF2 bol opísaný ako negatívny regulátor signalizácie TGF, hlavný aktér v regulácii apoptózy.

Ošetrenie karbamátovým pesticídom, karbofuranom, vedie k neurodegenerácii zvýšenou TGF-signalizáciou s významnou downreguláciou SMURF2 [112]. Signalizácia TGF je zvýšená, najmä u pacientov s AD, PD a ALS [113].

Ďalším hlavným faktorom apoptózy je proteín p53. p53-sprostredkovaná apoptóza sa priamo podieľa na procesoch vedúcich k neurodegenerácii. Je zaujímavé, že HECT E3 NEDL1 zosilňuje p53-sprostredkovanú apoptózu [114].

Glutamát je najrozšírenejší excitačný neurotransmiter v centrálnom nervovom systéme. Pri AD je kognitívny pokles spôsobený synaptickým poškodením spôsobeným štiepením amyloidného prekurzorového proteínu na patogénny peptidový amyloid- (A) [115]. A znižuje podtyp ionotropného glutamátového receptora AMPA-R na membráne.

Presné molekulárne mechanizmy vedúce k tomuto poklesu zostávajú nejasné; avšak v kultivovaných neurónoch so synaptickou dysfunkciou indukovanou A bola identifikovaná úloha ubikvitinácie sprostredkovanej NEDD4-1na AMPA-R.

Je známe, že NEDD4-1 sa zameriava na AMPA-R a A podporuje jeho nábor, čím zvyšuje ubikvitináciu a degradáciu synaptických receptorov [116]. HECT E3 NEDD4-2 sa podieľa na ubikvitinácii a degradácii BEST1( bestrophin-1), vápnikom aktivovaný chloridový kanál exprimovaný na povrchu neurónov a astrocytov [117].

BEST1 sa podieľa na uvoľňovaní glutamátu a GABA, ktoré je spojené s moduláciou neurónovej excitability a synaptickej transmisie za patologických podmienok, ako je neurozápal a neurodegenerácia.

Medzi glutamátom a neurodegeneratívnymi ochoreniami bola podrobne opísaná ďalšia súvislosť: glutamátová excitotoxicita. Nadmerný glutamát v synapsiách je toxický a spája sa s AD, ALS a HD. K tejto excitotoxicite prispievajú dysfunkčné glutamátové transportéry [118].

HECT E3 NEDD4-2môže sprostredkovať ubikvitináciu glutamátových transportérov in vitro a in vivo modelov PD [119]. V astrocytoch ošetrených MPP+ (1-metyl-4-fenylpyridínium) sú hladiny ubikvitinovaných (Ub) glutamátových transportérov GLT-1 zvýšené, zatiaľ čo hladiny GLT-1 bez Ub sú znížené.

Toto je zvrátené knockdownom NEDD4-2 sprostredkovaným siRNA. Podobné výsledky boli získané v MPTP myšom modeli PD (1-metyl-4-fenyl-1,2,2,6-tetrahydropyridín). Knockdown NEDD4-2 v tomto myšacom modeli viedlo k zlepšeniu pohybových porúch [120].

6. Závery a perspektívy do budúcnosti

Ubikvitínová dráha je hlavným faktorom v regulácii proteínovej homeostázy a aktivity mnohých proteínov. Deregulácia tejto dráhy, zloženej z mnohých enzýmov a najmä E3 ligáz, vedie k defektom vo vývoji a funkcii neurónov, čo spôsobuje neurovývojové alebo neurodegeneratívne ochorenia (obrázok 3).

V tejto práci sme poskytli prvý prehľad funkcií a regulácie konkrétnej podrodiny E3 ligáz vysoko exprimovaných v mozgu, podrodiny NEDD4 E3 HECT ubikvitinligáz. Je to najlepšie charakterizovaná podskupina 28 enzýmov typu HECT [121].

9 členov tejto podrodiny NEDD4 bolo počas evolúcie vysoko konzervovaných u cicavcov, ale aj u necicavcov, ako je Caenorhabditis elegans alebo Drosophila. Proteíny zdieľajúce rovnaké štruktúry a domény ako proteíny NEDD4 boli nájdené v kvasinkách Saccharomyces cerevisiae a Schizosaccharomyces pombe [17].

Je známe, že E3 enzýmy podrodiny NEDD4 sú vysoko exprimované v CNS.

Nedávne štúdie naznačujú, že majú rôzne a dôležité úlohy vo vývoji a funkcii neurónov. Zúčastňujú sa tiež na bunkových procesoch zapojených do regulácie prežitia buniek a programovanej bunkovej smrti (obrázok 3).

Genetické štúdie ukázali, že niektoré z génov kódujúcich tieto enzýmy sú mutované najmä pri neurovývojových a neurodegeneratívnych ochoreniach. Je veľmi pravdepodobné, že ďalšie genetické štúdie využívajúce sekvenovanie novej generácie na veľkých kohortách pacientov ukážu zapojenie tejto rodiny E3 do iných patológií CNS. Je známe, že neurodegeneratívne ochorenia sú ochorenia súvisiace s vekom.

Vek môže viesť k modifikáciám koncentrácie a aktivity enzýmov ubikvitínovej dráhy. Zmeny aktivity môžu byť spôsobené posttranslačnými modifikáciami (PTM), ako je deamidácia.

V skutočnosti sa deamidácia považuje za molekulárne hodiny na premenu proteínov a môže viesť k denaturácii alebo agregácii proteínov [122]. Účinok deamidácie ubikvitinligáz rodiny NEDD4 by sa mal, podobne ako fosforylácia, vážne študovať.

Modifikácia ich koncentrácie alebo aktivity by mohla ovplyvniť bunkové procesy a viesť k neurodegenerácii. Regulačné mechanizmy NEDD4 sú dosť diverzifikované, ako bolo vidieť predtým. To otvára zaujímavé príležitosti na vývoj terapeutík, ktoré by umožnili moduláciu (blokovanie, zníženie alebo zvýšenie) ich účinkov.

Mohli by sme sa zamerať na proteínové domény regulácie enzymatickej aktivity, ako je enzymatická doména HECT a doména interakcie s ligandmi. Niektoré molekuly už boli vyvinuté na pôsobenie na proteíny NEDD4, ako napríklad protirakovinové liečivo Bortezomib, ktoré interaguje s niekoľkými proteínmi podrodiny NEDD4 [123].

Klomipramín, liek používaný na liečbu depresie, špecificky blokuje HECT katalytickú aktivitu NEDD4 ITCH [124]. Podrodina NEDD4 sa stala predmetom veľkého záujmu tých, ktorí sa zaujímajú o fyziologické a patofyziologické procesy v CNS.

Vzhľadom na rozmanitosť a dôležitosť funkcií, ktoré zohrávajú proteíny tejto podrodiny v neurónoch, a na možnosť vývoja terapeutík špecificky zameraných na ne, je potrebný ďalší výskum týchto konkrétnych ligáz.

Autorské príspevky: Konceptualizácia, SH, PV a CRA; metodológia, SH, PV a CRA; validácia, SH, PV a CRA; príprava písomného návrhu, SH, PV, SM, CV-D., DL, FL, PC, HB a CRA; písanie-recenzovanie a úprava, SH, PV, MJ, SM, CV-D., DL, FL, PC, HBand CRA; dohľad, PV a CRA; administrácia projektov, PV a CRA; získavanie financií, PV a CRA Všetci autori si prečítali publikovanú verziu rukopisu a súhlasili s ňou.

Financovanie: Tento výskum nezískal žiadne externé financovanie.

Vyhlásenie inštitucionálnej revíznej rady: Neuplatňuje sa.

Vyhlásenie o informovanom súhlase: Neuplatňuje sa.

Vyhlásenie o dostupnosti údajov: Neuplatňuje sa.

Poďakovanie: Tento výskum podporili Inserm University of Tours a nadácia ARSLA, Francúzsko. SH oceňuje finančnú podporu od Regionálneho centra Val deLoire (Spoločenstvo).

Konflikty záujmov: Autori nevyhlasujú žiadny konflikt záujmov.

Referencie

1. Gilbert, SL; Dobyn, WB; Lahn, BT Genetické väzby medzi vývojom mozgu a evolúciou mozgu. Nat. Genet. 2005,6, 581–590. [CrossRef] [PubMed]

2. Upadhyay, A.; Joshi, V.; Amanullah, A.; Mishra, R.; Arora, N.; Prasad, A.; Mishra, A. E3 Ubikvitínové ligázy Neurobiologické mechanizmy: Vývoj k degenerácii. Predné. Mol. Neurosci. 2017, 10, 151. [CrossRef] [PubMed]

3. Hipp, MS; Kasturi, P.; Hartl, FU Sieť proteostázy a jej pokles v starnutí. Nat. Mol. Cell Biol. 2019, 20, 421–435.[CrossRef] [PubMed]

4. Ramocki, MB; Zoghbi, HY Zlyhanie neuronálnej homeostázy má za následok bežné neuropsychiatrické fenotypy. Príroda 2008, 455, 912–918. [CrossRef] [PubMed]

5. Wang, C.; Dong, K.; Wang, Y.; Peng, G.; Pieseň, X.; Yu, Y.; Shen, P.; Cui, X. Integrácia expresie HECW1 do klinických ukazovateľov vykazuje vysokú presnosť pri hodnotení prognózy pacientov s karcinómom z jasných buniek obličiek. BMC Cancer 2021, 21, 890.[CrossRef]

6. Swatek, KN; Komander, D. Modifikácie ubikvitínu. Cell Res. 2016, 26, 399–422. [CrossRef]

7. Kwon, YT; Ciechanover, A. Kód ubikvitínu v systéme ubikvitín-proteazóm a autofágia. Trends Biochem. Sci. 2017,42, 873–886. [CrossRef]

For more information:1950477648nn@gmail.com