Betekintés a neurodegeneratív betegségek patogenezisébe: Fókuszban a mitokondriális diszfunkció és az oxidatív stressz 3. rész

4.3.3. DNS

A ROS sokféle DNS-károsodást indukálhat, például bázismódosítást, dezoxiriboszemmodifikációt, egyszál-törést (SSB-k) és kettősszál-törést (DSB-ket), DNS-keresztkötéseket vagy abázikus helyeket [235].

Ahogy egyre többet tanulunk a biológiáról, azt tapasztaljuk, hogy az alapmódosítások befolyásolhatják az emberi memóriát. Ez az ötlet nagyon izgalmas, mert azt jelenti, hogy ezeket a módosításokat felhasználhatjuk agyműködésünk javítására és fokozására.

Tanulmányok kimutatták, hogy a metiláció hozzáadása az exon DNS-hez befolyásolhatja a memória kialakulását és a térbeli tanulási képességet. Humán agyszövetmintákban azonosították a 5-hidroxi-metilcitozin (5hmC) DNS-bázist, és ennek expressziója nőtt az emberi felnőtt agykéreg területén.

További kutatások kimutatták, hogy az új információk megszerzéséhez és az emlékek megszilárdításához legalább két különböző agyi funkcióra van szükség, nevezetesen a „rögzítésre” és a „reprodukcióra”. A rögzítési szakaszban a kolinerg neuronok acetilkolint szabadítanak fel, hogy információt vigyenek át a rövid távú memóriából a hosszú távú memóriába. Ebben a folyamatban a metiláz (DNS-metiltranszferáz) fontos szerepet játszik, mert új emlékek kialakulásakor fontos szerepet játszhat a génexpresszió szabályozásában.

A következő szakaszban, a szaporodási szakaszban a neuronok visszajátsszák a korábbi tapasztalatokat. Ez azt jelenti, hogy a konszolidált memória a hosszú távú memóriába kerül, és egyes szakértők úgy vélik, hogy ezeknek a géneknek a metilációja olyan formává alakul, amely nagyon könnyen visszafordítható, például 5-hidroxi-metilcitozinná. Vagyis a jutiánsav kulcsszerepet játszik a hosszú távú memória megszilárdításában.

Ezért láthatjuk, hogy az alapmódosítás és a memória szorosan összefügg. Ez nagy reményt ad számunkra, hogy új kezeléseket tervezzünk az agy hatékonyságának javítására, például a kognitív képesség javítására és a kognitív hiányosságok elkerülésére. Bár még sok a tennivaló, ez az egyik áttörést jelentő tanulmány az idegrendszerek megértésében és feltárásában. Látható, hogy javítanunk kell a memórián, a Cistanche pedig jelentősen javíthatja a memóriát, mert a Cistanche szabályozhatja a neurotranszmitterek egyensúlyát is, például növelheti az acetilkolin és a növekedési faktorok szintjét, amelyek nagyon fontosak a memória és a tanulás szempontjából. Ezen túlmenően, a Cistanche javíthatja a véráramlást és elősegítheti az oxigénszállítást, ami biztosítja, hogy az agy elegendő tápanyaghoz és energiához jusson, ezáltal javítva az agy vitalitását és állóképességét.

Kattintson a Ismerje meg a memóriával kapcsolatos segítséget

Az oxidált DNS valószínűleg a leggyakoribb DNS-lésionin neuronok [236]. Normál körülmények között a ROS akár 50 000 DNS-léziót is okozhat sejtenként naponta [237], a DNS-károsodás helyreállításának késése pedig genomiális instabilitást és sejthalálhoz vezető jelátviteli kaszkádokat indukálhat [238].

A sejtek különféle javítómechanizmusokkal rendelkeznek, mint például a báziskivágás javítás (BER), a mismatch javítás (MMR), a nukleotid kivágás javítása (NER), valamint az egy- (SSBR) és a kétszálú törésjavító (DSBR) mechanizmusok [239].

Az oxidált DNS-bázisokat főként a BER/SSBR mechanizmus távolítja el, és magában foglalja a sérült bázis eltávolítását egy specifikus DNS-glikoziláz (DG), az abázikus hely bemetszését egy AP-endonukleáz (APE1), a keletkező rést pedig egy DNS-polimeráz tölti be. és a sérült DNS-szál lezárása DNS-ligázzal [240].

Számos DG-t azonosítottak, mint például az uracil-DNS-glikozilázokat (UDG-ket), a timin-DNS-glikozilázt (TDG) vagy az oxidált bázis-specifikus DG-eket, például az 8-oxoguanin (8-oxoG) DNS-glikozilázt (OGG1) [ 241 242]. Az OGG1-1a részt vesz a nukleáris DNS-javításban, míg az OGG1-2a a mitokondriális DNS-javításban [243].

Az APE1 a DNS cukor-foszfát gerincét az abázikus helyen hasítja. Az enzim foszforilációja, ahogy az a 1-metil-4-fenilpiridinium (MPP+) expozíció után történik, csökkenti az enzimaktivitást, és a sérült DNS felhalmozódását eredményezi az idegsejtekben [244].

A mitokondriális DNS még hajlamosabb az oxidatív károsodásra, mivel a mitokondriális genom az IMM-hez, a mitokondriális ROS-képződés helyéhez közel helyezkedik el, és mivel nem tartalmaz védő hisztonokat [245]. Mivel a mitokondriális DNS minőségellenőrzése kulcsfontosságú a sejtmaggal való kommunikációhoz, a mitokondriumok antioxidáns és DNS-javító enzimeket tartalmaznak, mint például az OGG1 és a MUTYH (mutY DNS glikoziláz) [246].

A mitokondriális diszfunkció, mint az mtDNS deléciók után, az NF-κB aktivációjához vezethet az acalcineurin-függő jelátviteli útvonalon [247], és ezt viszont különféle jelzőmolekulák indukálhatják. Például a PPAR-koaktivátor 1 és a SIRT1 szabályozza a mitokondriális működést a mitokondriális transzkripciós faktor A (TFAM) expressziójának aktiválásával [248].

Az oxidatív stressz által okozott fokozott oxidatív károsodás mellett hibás DNS-javító mechanizmusokat írtak le neurodegeneratív betegségekben, mint például az AD vagy a PD [235].

A PD-s betegek dopaminerg neuronjai a mitokondriális OGG1 növekedését és a foszforilált APE1 magasabb szintjét mutatták [249]. Az AD-betegek neuronjaiban magasabb volt az oxidált DNS-bázis szintje a nukleáris és a mitokondriális DNS-ben [250], az OGG1 aktivitás csökkenése [251] és az UDG szintje [252] alacsonyabb volt az egészséges egyének neuronjaihoz képest.

4.3.4. RNS és oxidatív károsodás

Az RNS nagyobb mennyiségben található, a sejtekben található nukleinsavak 80-90%-át teszi ki [253], és érzékenyebb az oxidatív károsodásokkal szemben, mivel egyszálú szerkezete, közel van a himitokondriumokhoz, hiányoznak az oxidált RNS-javító mechanizmusok, és kevesebb védelmet nyújt fehérjéket a DNS-hez képest [60,254].

Az RNS-molekulák funkciói a sejtben változatosak, tartalmazzák a riboszomális RNS-t (rRNS-eket), amelyek a transzfer RNS-sel (tRNS) és a hírvivő RNS-sel (mRNS) együtt felelősek a fehérjeszintézisért, a mikroRNS-ek (miRNS-ek), amelyek poszttranszlációs. a génexpresszió szabályozói, valamint a kis nukleáris és nukleoláris RNS-ek.

Hagyományosan az mRNS-t tekintették kódoló RNS-nek [255]. A nem kódoló RNS-ek fontos szerepet játszanak az mRNS splicing szabályozásában és az mRNS transzlációjában [256]. A legagresszívebb gyök a hidroxil gyök, amely a Fenton és Haber–Weiss reakciókban keletkezik [257].

A guaninnal reagálva 8-hidroxiguanozint (8-OHG) képez, amely az RNS-oxidáció egyik leggyakrabban használt biomarkere [253]. Az oxidatív támadás által kiváltott RNS-károsodás bázisok és nukleozidok módosulásához, a tRNS hasításához és fragmentálásához, aminoacilezéshez vagy a kodon-antikodon párosítás hibáihoz [258] és közvetlen RNS-szálszakadásokhoz [259], a tRNS-ek bázishibáihoz, transzlációs hibákhoz vezet. [182] és a fehérjeszintézis zavarai [260], amelyek jelentős hatással vannak a sejtek életképességére.

Bár a sejteknek számos mechanizmusa van a megváltozott transzkriptumok lebontására, például nonszensz-közvetített mRNS-bomlás (NMD) [261], ezek a mechanizmusok általában túlterheltek az öregedéssel. Ennek megfelelően a megváltozott hibásan hajtogatott fehérjék felhalmozódnak [262].

5. Szelektív neuron sérülékenység neurodegeneratív betegségekben

Bár a megnövekedett ROS-képződéshez vezető számos út és azok következményei minden sejtre érvényesek, minden neurodegeneratív betegség bizonyos neuroncsoportok degenerációjához vezet, ami arra késztette a kutatókat, hogy magyarázatot keressenek a neuronpopulációk szelektív sebezhetőségére.

5.1. Szelektív neuronális sérülékenység Alzheimer-kórban

Az AD-re jellemző memóriavesztést és kognitív hanyatlást az entorhinalis kéreg (EC), főként a II. rétegbeli neuronok (ECII) és a hippocampus, különösen a CA1 régió sorvadása okozza [72].

A kutatások kimutatták, hogy ezeken a területeken a neuronok nagy energiaigényűek, és nagyon érzékenyek a csökkent oxigén- és glükózellátásra [263]. Ezenkívül a CA1 és EC II piramis neuronok glutamátergek, és ezáltal sebezhetőbbek az NMDA excitotoxicitásával és a megnövekedett intracelluláris kalciumkoncentráció káros hatásaival szemben [264], szemben a neokortikális gátló interneuronokkal, amelyek magas Ca2+--kötő fehérjékkel rendelkeznek [264]. ].

A sebezhető neuronok molekuláris jellemzőit nemrégiben írták le. Például az ECII piramis neuronok károsodott a tau splicing szabályozójának aktivitása, valószínűleg a mikrotubulusok zavart dinamikájához kapcsolódik [266], ami elősegítheti a tau terjedését más agyi régiókba a CA1 neuronokon keresztül [267].

Kimutatták, hogy a szelektíven sérülékeny serkentő neuron-alpopulációk RORB-t (RAR-kapcsolódó Orphan Receptor B) expresszálnak, miközben különbségeket mutatnak a szinapszis- és axonlokalizált fehérjéket kódoló gének, a káliumcsatornák alegységei, a G-fehérje-jeladó molekulák és a neurotranszmitter-receptorok expressziójában, [268].

A RORB expressziója, a foszforilált tau felhalmozódása és az idegi degeneráció közötti összefüggéseket azonban még tovább kell jellemezni.

5.2. Szelektív neuronális sérülékenység Parkinson-kórban

A PD motoros tüneteit a nigrális dopaminerg neuronok elvesztése okozza, ami dopamin deplécióhoz vezet a dorsalis striatumban [269]. Szerkezetileg ezek a neuronok nagyon hosszú és elágazó axonokat (4,5 m-ig) borotválnak, és nagyszámú neuronhoz kapcsolódnak (akár 2,4 millió szinapszis) [270 271], ami nagy sűrűségű axonalmitokondriumot igényel, és kihívást jelent a mitokondriális bioenergetikában [272].

Molekuláris szinten a nigrális dopaminerg neuronok Ca2+-pufferkapacitása alacsony a nagy aktivitásfüggő Ca2+ terhelés ellenére, ami növeli az OXPHOS és ROS képződését [273], és elősegítheti az mtDNS károsodását [274]. Emellett maga a dopamin metabolizmusa is ROS képződéshez vezet, és mtDNS deléciók felhalmozódását okozza [275].

5.3. A motoros neuronok sérülékenysége amiotrófiás laterális szklerózisban

Az ALS kóros ismertetőjele a felső és alsó motoros neuronok degenerációja, amelyeknek mindkettő nagyon hosszú axonokkal rendelkezik, és így a megfelelő mitokondriális működéstől és forgalomtól függ [72].

A motoros egység nagy mérete nagy energiaigényt támaszt a spinális motoros neuronokkal szemben a neurotranszmisszió és az izomösszehúzódás fenntartása érdekében [276].

Az oculomotoros, a trochlearis és az abducens magokban a motoros neuronok viszonylagos megőrzése összefüggésbe hozható a beidegzett izomrostok kis számával (legfeljebb öt izomrosttal, szemben a gerincvelői motoros neuronok által beidegzett legalább 300 rosttal) [277], az adott szőlő- a neuromuszkuláris junction hasonló szerkezete [278], valamint ezen neuronok magas Ca2+ pufferkapacitása [279].

6. Oxidatív stressz neurodegeneratív betegségekben

A kutatások egyre gyakrabban mutatják ki az oxidatív stressz markerek jelenlétét a neurodegeneratív betegségekben szenvedő betegek idegrendszerében, de a molekuláris útvonalak csak most kezdődnek tisztázni.

Az AD-hez, PD-hez, HD-hez vagy ALS-hez vezető genetikai hibák leírása segített a mutáns fehérjék downstream hatásainak azonosításában, és a későbbiekben hasonló útvonalakat mutattak ki a betegségek idiopátiás formáiban. A patofiziológia azonban még mindig nem teljesen tisztázott, annak ellenére, hogy a felhalmozott tudás már terápiás kísérletekhez vezetett.

6.1. Oxidatív stressz Alzheimer-kórban

A Presenilin 1 (PS1) és 2 (PS2) mutációival járó AD családi esetek az AD patogenezisét a megzavart kalcium-homeosztázishoz kapcsolták [280]. A PS-ek kölcsönhatásba lépnek a rianodin receptorokkal [281] és befolyásolják az ER-mitokondriumok kapcsolódását [282].

Valójában magas MAM-számot írtak le az AD állatmodelljeiben és az AD-betegek fibroblasztjaiban vagy agyszövetében [283]. Ezenkívül az A-aggregátumok közvetíthetik a Ca2+-transzfert az ER-ből az emitokondriumokba az MCU-n keresztül [284], míg a tau gátolja a mitokondriális kalciumkiáramlást [285].

Ezenkívül az A kalcium-permeábilis csatornákat képezhet a membránokban [286, 287], míg a tau nem szelektív ioncsatornákat képezhet a lipid kettősrétegekben [288]. A megnövekedett mitokondriális kalcium káros hatásait a mitokondriális diszfunkció és az oxidatív stressz kiváltására az előző fejezetekben ismertettük.

Az asztrocitákban a kalcium-érzékelő receptorokkal (CaSR-ekkel) kölcsönhatásba lépő A ezek leszabályozását idézi elő, ami arra készteti a szomszédos neuronokat, hogy az újonnan szintetizált A-t, nitrogén-oxidot és peroxinitritet választják ki [289].

A mitokondriumokban az AD-hez köthető egyik legkorábbi változás az ATP-szintáz epoxidációja, aminek következtében funkciója csökken, amit az EC neuronokban már a Braak I-II. szakaszában leírtak [290,291]. Az IMM belsejében található, egy PUFA-ban gazdag lipid kettős rétegbe inszertálva, és közel a mitokondriális mátrixhoz, az enzim könnyű célpontja az I. és III. komplexek által generált szabad gyököknek [292].

Az energetikai kudarc mellett az ATP szintáz módosulása tovább növeli a ROS termelést, és ezt követően a biológiai molekulák oxidatív módosulását fokozza [293].

Ebben a kaszkádban a legtöbb módosított lipoxidációs termék részt vesz az energia-anyagcserében, ami növeli az energiahiányt, ezt követik az inneurotranszmisszióban részt vevő fehérjék, az antioxidáns védekezés és az ioncsatornák, amint az 1. táblázatban látható.

A mitokondriumok és a sejtmag közötti kommunikációt és a nukleáris kódolt mitokondriális alegységek behozatalát a bioenergetikai hibák és a diszfunkcionális mitokondriális fehérjék rontják, ami a szabályozó és szerkezeti mitokondriális komplexek és enzimek expressziójának megváltozásához vezet [299]. A lipidmetabolizmus is megváltozik, és az AD-ben, különösen az EC-ben leírt lipidomprofilok megváltoznak [300].

A PUFA-k oxidatív károsodása ezen zsírsavak redukciójához vezet a lipid tutajokban az EC-ben az AD korai szakaszaitól kezdve [301], ami hatással van a membrán vastagságára, folyékonyságára, görbületére, valamint a membránhoz kötött fehérjék aktivitására, amelyek elősegítik az amiloid amiloidogén feldolgozását. prekurzor fehérje.

Úgy tűnik, hogy a mitokondriális oxidatív stressz, a megváltozott lipidmetabolizmus, a lipid-peroxidáció és a bioenergetikai hibák mind egy önfenntartó hurok részét képezik, amely hozzájárul a megváltozott mitokondriális dinamika fokozásához, a mitokondriális kereskedelemhez, a mitofágiához és az ER-mitokondriális kölcsönhatásokhoz [290].

A béta-amiloid (A ) és a foszforilált tau sejten belüli felhalmozódása a mitokondriális dinamika megváltozását idézi elő, amely túlzott mitokondriális fragmentációban fejeződik ki, a mitokondriumok számának növekedésével és méretének csökkenésével [302]. Mind az A, mind a foszforilált tau növelte a Drp1 GTPáz aktivitását, ami túlzott mitokondriális fragmentációhoz vezet [303,304].

In vitro a mutáns APP sejtvonalak magas mRNS- és mitokondriális hasadási fehérjék koncentrációt, valamint csökkent mRNS-t és mitokondriális fúziós fehérjéket mutattak [305]. A foszforilált tau-ról kimutatták, hogy csökkenti az Opa1-et, valamint növeli az Mfn1-et és az Mfn2-t [306].

Ezenkívül az A citoplazmatikus felhalmozódása a Parkin- és a PINK1-szintek kimerüléséhez vezet, ezáltal megzavarva a mitofágia útvonalát. A hibás mitofág az autofágis vakuolák felhalmozódását eredményezi a neuronális szómában és diszfunkcionális neuritokat [307], ezt a folyamatot az idegsejtek mitofágiájának sajátosságai fokozzák, ahol az érett lizoszómák a sejttestben koncentrálódnak, míg a mitokondriumok az axonok és a neuronok dendritjei mentén terjednek. a mitofagia lassabb folyamat [308].

Ezenkívül az A oligomerek kölcsönhatásba lépnek az axonok disztális részében lévő autofág vakuólumokkal, ami a mitokondrium-alaxonális transzport gátlásához vezet [309]. Ezenkívül laboratóriumi modellekben a PS1 gén mutációi megváltoztatták a lizoszomális savasodást [310], és az ERK/CREB jelátviteli útvonalon keresztül az autofágiával kapcsolatos gének expressziójának csökkenéséhez vezettek [311].

A protein tau a kromatin megkötése révén a sejt genomein fiziológiai állapotának védelmében is fontos szerepet játszik [236]. A tau hiperfoszforilált állapota megzavarja ezt a funkciót, megteremtve a feltételeket több oxidatív DNS-károsodás okozásához, és hosszabb időre van szükség ezen DNS-elváltozások helyreállításához [236].

Nem szabad figyelmen kívül hagyni a mikroglia aktiváció és a krónikus gyulladás szerepét az AD patogenezisében. A mikroglia, az idegrendszer veleszületett immunmakrofágszerű sejtjei az egészséges felnőtt agy sejtpopulációjának körülbelül 10%-át teszik ki [312].

AD-ban a mikrogliákban fokozott a komplement receptorok expressziója, ami az NF-κB jelátviteli útvonal, az A-aktivált Fc-receptorok (ami a MIP-makrofág gyulladásos fehérje-1 expresszióját indukálja) és az A{ scavenger receptorok fokozott expressziójához vezet. {4}} és B (SCARA és SCARB) [313,314]. Az A kötődése a SCARB-2-hoz aktiválja a mikrogliát, és proinflammatorikus citokineket, kemokineket és ROS-t termel [315].

A megnövekedett tau szint a toll-szerű receptorok expressziójának indukálásával IL-1, IL-6 és IL-8 pro-inflammatorikus citokinek felszabadulásához is vezet az NF-κB-n keresztül. jelátviteli útvonal [316]. Bár a gyulladás aktiválja a sejtekben az autofágiát [108], mivel az autofágia károsodása a mikroglia sejteket is érinti, a krónikus gyulladásos mikroglia fenotípus kiegészítő szerepet játszik az AD neuronális károsodásában [317].

6.2. Oxidatív stressz Parkinson-kórban

A PD a második leggyakoribb neurodegeneratív betegség, amely kognitív és neuromuszkuláris károsodásokat is mutat.

Bár a legtöbb eset szórványos, számos mutációt leírtak a PD családi és korai formáiban, például a PARK1 (PINK1-et kódoló), PARK2 (Parkint kódoló), PARK1/4 (-synuclein), PARK7 (DJ1) mutációi. PARK8 (LRRK2), PARK9 (ATP13A2) PARK17 (Vsp35), FBX07, GIGYF2 vagy HTRA2, kiemelve az ubiquitin fehérje degradációs útvonalának, az oxidatív stressznek, a sejttúlélési útvonalnak, a mitokondriális funkciónak és az apoptózisnak a PD patogenezisében való részvételét [1]13,31.

A PD kóros jellemzője a túlnyomórészt szinukleinből (Lewy-testek) álló oldhatatlan zárványok felhalmozódása elsősorban a nigrális dopaminerg neuronokban [61].

A toxinok által kiváltott Parkinson-szindrómák vizsgálata segített a PD patogenezisének tisztázásában. A 20. században a 1-metil-fenil-4-fenil-1,2,3,6-tetrahidropiridinnek való kitettségről kimutatták, hogy súlyos parkinsonizmushoz hasonló tüneteket okoz [319] azáltal, hogy interferál. az ETC I komplexével.

Kísérleti körülmények között a rotenon, egy komplex I inhibitor apoptózishoz vezetett humán neuroblasztóma sejtekben, és ezt az eredményt kibővítették a peszticid expozíciónak a PD etiológiájában való részvételével [320].

Ezt követően számos kutató következetesen beszámolt a mitokondriális ETC I komplexének hibájáról, ami 30-40%-os aktivitáscsökkenéshez vezetett [48,321], amelyet a komplex I-es alegységek termelődésének csökkenése, szerkezetének pusztulása és oxidatív károsodás okoz. 322]. -synuclein a mitokondriumokat célozza meg, és a komplex Iaktivitás csökkenéséhez vezet [323].

Az LLRK2 (leucinban gazdag ismétlődő kináz 2) mutációi növelhetik a szinukleinszinteket [324]. A PINK1 és a Parkin szabályozza a mitofagiát, amint azt korábban leírtuk. A DJ1 fontos a mitokondriális integritás és dinamika szempontjából; kimutatták, hogy a DJ1 túlzott expressziója a PINK1-től függetlenül csökkenti a rotenon által kiváltott mitokondriális fragmentációt [325].

Meggyőző bizonyítékok mutatják a megnövekedett lipid-, fehérje- és DNS-oxidációs termékek felhalmozódását a PD degeneráló neuronjaiban [326–328], valamint az antioxidáns GSH [329] redukcióját, ami oxidatív stresszt jelent a PD patogenezisében.

A ROS kezdetben valószínűleg az ETC-ből, a külső tényezőkből és a dopamin-autooxidációból ered [330], amelyet később a dopamin monoamin-oxidáz B metabolizmusa, a gyulladásos válaszok vagy a nehézfémek hozzájárulása fokozott [331].

Kimutatták, hogy a ROS indukálja az Iron Regulator protein 1 szokatlan aktiválását, ezáltal hozzájárul a dopaminerg sejtekben a vas felhalmozódásához [332]. A hidrogén-peroxid könnyen diffundálhatja a szomszédos neuronokat, ahol a vassal való kölcsönhatása révén hidroxilgyököket generálhat [55].

A mitokondriálisan elhelyezkedő molekulák kináz doménjének PINK1 mutációi szintén növelik a sejtek oxidatív stresszel szembeni érzékenységét [55,333].

For more information:1950477648nn@gmail.com