A Park7 aktivitás elvesztése eltérő hatással van a vasre reagáló elem (IRE) génkészletek expressziójára az agy transzkriptumában a Parkinson-kór Zebrafsh-modelljében

Absztrakt

A PARK7 (DJ1) gén mutációja monogén autoszomális recesszív Parkinson-kórt (PD) okoz emberben. A PARK7 fehérje funkciójának későbbi megváltozása mitokondriális diszfunkcióhoz vezet, amely a PD patológia egyik fő eleme. A zebradánban a PARK{3}}ortológ gének homozigóta mutánsai (park7) változásokat mutatnak a génexpresszióban az oxidatív foszforilációs útvonalon, ami alátámasztja, hogy az energiatermelés megzavarása a PD neurodegenerációjának kulcsfontosságú jellemzője.

A recesszíven öröklődő Parkinson-kór visszafordíthatatlan neurodegeneratív betegség. A népesség elöregedésének felgyorsulásával az utóbbi években az előfordulási arány növekszik. Bár a betegség testmozgással kapcsolatos problémái a legszembetűnőbbek az emberek figyelmében, erősen összefügg olyan tényezőkkel is, mint a kognitív képesség, a koncentráció és a memória.

Mielőtt azonban a Parkinson-kórhoz kapcsolódó kognitív és memóriaproblémákról beszélhetnénk, meg kell értenünk a betegség neurológiai hatását. A recesszíven öröklődő Parkinson-kór leggyakoribb neuropatológiai elváltozása a substantia nigra károsodása, amely a dopaminszint csökkenéséhez vezet, mozgászavarokat okozva. Emellett számos kapcsolódó geomorfológiai jellemző is megtalálható olyan régiókban, mint az agykéreg, a kéreg és az isthmus. E változások miatt a Parkinson-kórban szenvedők olyan problémákat tapasztalhatnak, mint a memóriavesztés és a kognitív hanyatlás.

Azonban a Parkinson-kór recesszív formájában szenvedők számára, akiknél a memória károsodik, számos proaktív stratégiát alkalmazhatunk, amelyek segítenek megbirkózni ezekkel a kihívásokkal. Számos figyelem- és memóriafejlesztési stratégia elsajátítása segít jobban megbirkózni a Parkinson-kór életünkben jelentkező hatásaival.

Az egyik legfontosabb stratégia, hogy korlátokat kell szabnunk magunknak, és el kell fogadnunk a segítséget. Például, ha egy Parkinson-kórban szenvedő személy felkeres egy szupermarketet, és azt tapasztalja, hogy problémái vannak egy feladattal, például nem talál élelmiszert a szupermarketben, nyugodtan kérjen segítséget. Az ilyen cselekvés nagyszerű kognitív inger, és sokféleképpen segíthet a megismerés és a memória fejlesztésében.

Mindennapi életünkben más stratégiákat is kipróbálhatunk megismerésünk és memóriánk fejlesztésére. Például könyvek olvasásával vagy új készségek elsajátításával kihívásokkal teli tanulási környezetet teremthetünk. Ezenkívül az olyan egyszerű napi gyakorlatok, mint a családtagok arcának felismerése és a naptár rendszeres ellenőrzése, nagyon hatékony módja lehet kognitív és memóriakészségeinek fejlesztésének.

Bár a Parkinson-kór bizonyos mértékig befolyásolja kognitív és memóriaképességünket, a pozitív hozzáállás és az egyszerű gyakorlatok segíthetnek fenntartani a jó kognitív és memóriaképességünket. Ezért magabiztosan nézzünk szembe a kihívással, és próbáljunk ki különféle stratégiákat megismerésünk és emlékezetünk fejlesztésére. Szóval szerintem javítanunk kellene a memóriánkat. A Cistanche jelentősen javíthatja a memóriát, mert a hústészta egy hagyományos kínai gyógyászati ​​anyag, számos egyedi hatással, amelyek közül az egyik a memória javítása. A darált hús hatékonysága a benne található különféle hatóanyagoknak köszönhető, beleértve a karbonsavat, poliszacharidokat, flavonoidokat stb. Ezek az összetevők különféle csatornákon keresztül elősegíthetik az agy egészségét.

Kattintson a kiegészítőkre a memória javításához

A vas kritikus fontosságú a normál mitokondriális működéshez, és korábban az IRE-t hordozó transzkriptumok bioinformatikai elemzését alkalmaztuk agyi transzkriptumokban, hogy bizonyítékokat találjunk az Alzheimer-kórban előforduló vas-dihomeosztázis létezésére. Itt elemeztük az IRE-t hordozó átiratokat a homozigóta park7−/− mutáns zebrahal agyából származó transzkriptomadatokban. Megállapítottuk, hogy az 5′-es nem lefordított régiókban "kiváló minőségű" IRE-t tartalmazó gének (UTR-ek, a HQ5′IRE génkészlet) jelentősen megváltoztak ezekben a 4-hónapos park7−/− agyakban.

Azonban a 3′-es UTR-ben IRE-t tartalmazó gének készletei nem változtak. A HQ5′IRE génekre gyakorolt ​​hatásokat valószínűleg a vas-dihomeosztázis és/vagy az oxidatív stressz okozza, de rávilágít a jelenleg ismeretlen mechanizmusok létezésére, amelyek eltérő általános hatást fejtenek ki az 5′ és 3′ IRE-kre.

Kulcsszavak:

DJ-1, PARK7, Parkinson-kór, zebrahal, RNA-seq, dúsítási elemzés, vasdiszhomeosztázis.

Bevezetés

A Parkinson-kór (PD) a második leggyakoribb neurodegeneratív betegség, amely a 60 év feletti lakosság körülbelül 1%-át érinti. A PD legtöbb esete idiopátiás, de a PD esetek körülbelül 5–10%-ában egyértelmű genetikai kapcsolatot azonosítottak [1]. Az egyik gén, a PARK7, amely az autoszomális recesszív korai kezdetű PD-ben játszik szerepet, a Parkinson-kór 7-es fehérjét (PARK7) kódolja.

A PARK7 fehérjéről azt feltételezték, hogy GSH-független glioxalázként működik a metilglioxál méregtelenítésében, valamint fehérje-glükózként, amely felelős az oxidatív stressz által károsodott fehérjék működésének helyreállításáért. Ezek a tevékenységek azonban vitatottak a PD-ben (áttekintése és elemzése a [2]-ban). A PARK7 emellett kritikus szerepet játszik a mitokondriális funkciók fenntartásában, a reaktív oxigénfajták (ROS) érzékelésében és reagálásában, és végső soron a neuroprotekcióban is működik (lásd [3]).

A PD-t a substantia nigra pars compacta dopaminerg (SNc DA) neuronok specifikus kimerülése jellemzi. Ezek a neuronok nagyszámú szinapszist hoznak létre a bazális ganglionokban. Következésképpen nagy energiaigényük érzékenysé teheti az SNc DA neuronokat az energiahiányra [4]. Számos tényező befolyásolhatja az energiatermelést az oxidatív foszforiláció folyamata révén.

Különösen a vas (Fe2+) beépül a Fe-S klaszterekbe, amelyek központi szerepet játszanak az elektrontranszport-lánc (ETC) oxidatív foszforilációban [5]. Az ETC diszfunkció oxidatív stresszt okoz, ami ahhoz vezethet, hogy a (elsősorban) citoszolikus PARK7 fehérje mitokondriumokba kerül, hogy szabályozza a reaktív oxigénfajták (ROS) hatását [5].

Ez a folyamat valószínűleg megváltozik a PARK7 mutációjával rendelkező egyénekben, ami ETC-diszfunkcióhoz és a vas diszhomeosztázisához vezet (a vasszabályozó fehérjékre, az IRP1-re és az IRP2-re gyakorolt ​​hatás révén), valamint károsítja a dopaminerg neuronokat.

Az IRP1 és IRP2 megköti az IRE-ket a vas homeosztázisban részt vevő gének mRNS-eiben, hogy szabályozza azok transzlációját és stabilitását (lásd [6]). Az IRP-ket mind a sejtek vas(II) állapota, mind az oxidatív stressz szabályozza [6]. Korábban olyan génkészleteket határoztunk meg, amelyek transzkriptumaik 5′ vagy 3′ UTR-ében IRE-t hordoznak (alacsonyabb vagy nagyobb hasonlóságban egy IRE konszenzus szekvenciával) emberekben, egerekben és zebradánokban [7]. Ezek felhasználásával bizonyítékokat találtunk, amelyek alátámasztják a vas-diszhomeosztázist az Alzheimer-kór (AD) agyában, és az AD állatmodelljeit [7].

A PD gének ortológjait korábban azonosították és manipulálták zebrahalban. Például Hughes és mtsai. [8] kifejlesztett egy új zebrahal modellt a PARK7 funkciójának vizsgálatára. Zebrahalak, amelyekből hiányzik a PARK7- ortológ gén: a park7 (park7−/−) három hónapos korban mozgási fenotípust mutat, és agyi transzkriptumában a génexpresszió változásait mutatják, ami a mitokondriális metabolizmus megzavarására utal (azaz a oxidatív foszforilációval kapcsolatos gének) négy hónapos korban [8].

Ezért azt feltételeztük, hogy az oxidatív stressz és/vagy a vas-dihomeosztázis a park7−/− zebradán agyában megváltoztatja az IRP-k kötődését az IRE-ket tartalmazó átiratokhoz, ezáltal megváltoztatja a transzkriptum stabilitását. Ennek feltárása érdekében újraelemeztük Hughes és munkatársai zebrahal agyának átírási adatait. hogy teszteljük az IRE-t tartalmazó génkészletek reprezentációjában bekövetkezett változásokat park7−/− zebrahal agyában. Azt találtuk, hogy a HQ5′IRE génkészlet szignifikánsan megváltozott a 4-hónapos park7−/− agyban, míg a HQ3′IRE génkészlet nem.

Mód

A park7−/− zebrahal agyában előforduló lehetséges vasdihomeosztázis bizonyítékának tesztelésére dúsítási analízist végeztünk ivadékkal [9] az IRE génkészleteken [7]. A Hughes et al. újbóli elemzésével kapcsolatos részletes információkért. [8] adatok, lásd az 1. kiegészítő fájlt.
Eredmények

Korábban meghatároztuk a zebradán gének készleteit aszerint, hogy ezek rendelkeznek-e IRE-szerű motívumokkal mRNS-eik 5′ vagy 3′ UTR-jében, és hogy IRE-jeik egyeznek-e kanonikus (kiváló minőségű, HQ) vagy nem kanonikus IRE szekvenciával (minden) [ 7]. Azt találtuk, hogy csak a HQ5'IRE génkészlet transzkriptumai mutatnak statisztikailag szignifikáns változást a génexpresszióban csoportként (1a. ábra) 4-hónapos park7−/− agyban. Érdekes módon a HQ5'IRE génkészlet legjobban szabályozott génje az alas2.

Vita

Az RNS-seq adatokban a vas-dihomeosztázisra utaló bizonyítékok kimutatására használt módszerünkkel igen jelentős változást találtunk az IRE-t tartalmazó gének expressziójában az mRNS-eik 5'UTR-jében 4-hónapos park7−/− agyban.

A vas homeosztázist a génexpresszió több szintű szabályozása tartja fenn, beleértve a transzkripciót, az mRNS stabilitást és az mRNS transzlációt (lásd [10]). Az utóbbi két jelenséget az IRP1 és IRP2 vasszabályozó fehérjék modulálják, amikor ezek az IRE-ekhez kötődnek. A HQ5′IRE gén expressziójának rendkívül jelentős változása a 4-hónapos park7−/− agyban valószínűleg az IRP1 és/vagy IRP2 IRE-ekhez való kötődésében bekövetkezett változásoknak köszönhető ezen gének átirataiban.

Mivel azonban ismert, hogy a PARK7 mutációja oxidatív stresszt okoz [11], és az oxidatív stressz is befolyásolhatja az IRP képződését (lásd [6]), nehéz különbséget tenni az oxidatív stressz és a vas dyshomeostasis között, mivel ez hozzájárul a HQ5′IRE változásához. géntranszkriptum bőség. Valójában, mivel a vas rendkívül fontos a mitokondriális működéshez, a vas-dihomeosztázis és az oxidatív stressz gyakran együtt fordul elő [12].

Érdekes módon a HQ3′IRE génkészlet érintetlennek tűnt a park7−/− agyban, és jelenleg nincs magyarázatunk arra, hogy ennek miért kell így lennie. Ha azonban a HQ5'IRE transzkriptum bőségére gyakorolt ​​hatások valóban az IRP-k kötődésének tulajdoníthatók, ez olyan mechanizmusok létezésére utal, amelyek megkülönböztethetik az IRP-ket az IRE-ekhez (vagy eltéréseket okozhatnak az ilyen kötődés hatásaiban). , attól függően, hogy egy IRE az átirat 5′ vagy 3′ UTR-jében található.

A HQ5'IRE génkészlet tagjai közül az alas2 transzkriptumszintje emelkedett a park7−/− agyban. Az alas2 tevékenység és az IRP-k közötti kapcsolatot az 1. kiegészítő fájl tárgyalja.

Összességében a park7−/− zebradán agyából származó transzkripciós adatok elemzése alátámasztja a vas-dihomeosztázis és/vagy az oxidatív stressz lehetőségét, mint a PD korai preklinikai eseményeit. A jövőbeni tanulmányok során feltárjuk a PD-kapcsolt gének hatását a zebrahal vas homeosztázisára és mitokondriális működésére. Ezeknek a hatásoknak a megértése mechanikus betekintést nyújthat a PD-be a terápiák fejlesztéséhez.

Köszönetnyilvánítás

Szeretnénk köszönetet mondani Mary Elizabeth Pownallnak és Katherine Newlingnek, hogy elérhetővé tették [8] nyers transzkriptumát, és Nhi Hinnek, hogy biztosították a vasra reagáló elemeket tartalmazó zebrahal génkészleteket.

A szerzők hozzászólásai

A HYC elkészítette a kéziratot. A KB megírta a módszertant, elkészítette a diagramokat és elvégezte a bioinformatikai elemzést. Az ML, az LCP és a KB felügyelte és tanácsokkal látta el a dolgozat elemzését. ML, KB, LCP és HYC szerkesztette a kéziratot. Minden szerző elolvasta és jóváhagyta a végső kéziratot.

Finanszírozás
A KB-t az ausztrál kormányzati kutatási képzési program ösztöndíja és a Carthew Family Charity Trust alapjai támogatják. ML az Adelaide-i Egyetem akadémiai alkalmazottja. Az LCP az Adelaide-i Egyetem akadémiai alkalmazottja, és egy Barbara Kidman-ösztöndíj is támogatja.

Az adatok és anyagok elérhetősége

A Hughes és munkatársai nyers átiratszámának újraelemzésére használt R-kód. megtalálható a https://github.com/karissa-b/dj1KO-RNAseq-IRE címen. A nyers adatok Hughes et al. elérhető a Gene Expression Omnibus(GEO) GSE135271 adatbázisból (https://www.ncbi.nlm.nih.gov/geo/query/acc.cgi? acc=GSE135271). Azon gének listája, amelyek vasreszponzív elemet (IRE) tartalmaznak mRNS-eik nem lefordított régióiban zebrahalban, megtalálható a https://github.com/nhihin/ire oldalon.

Nyilatkozatok

Etikai jóváhagyás és hozzájárulás a részvételhez

Nem alkalmazható.

Hozzájárulás a közzétételhez

Nem alkalmazható.

Versengő érdekek

A szerzők kijelentik, hogy nincsenek egymással versengő érdekeik.

Hivatkozások

Lee JH, Han Jh, Kim H, Park SM, Joe Eh, Jou I. A Parkinson-kórhoz kapcsolódó LRRK2-G2019S mutáns a SERCA aktivitás szabályozásán keresztül hat az asztrociták ER-stresszének szabályozására. Acta Neuropathol Commun. 2019;7(1):68.

2. Andreeva A, Bekkhozhin Z, Omertassova N, Baizhumanov T, Yeltay G, Akhmetali M és társai. A DJ-1 látszólagos kényes aktivitása a hemitioacetálokkal és hemiaminálisokkal gyors egyensúlyban lévő szabad metilglioxál átalakulásának eredménye. J Biol Chem. 2019;294(49):18863–72.

3. Dolgacseva LP, Berezhnov AV, Fedotova EI, Zinchenko VP, Abramov AY. A DJ{1}} szerepe a Parkinson-kór patogenezisében. J Bioenerg Biomembr. 2019;51(3):175–88.

4. Pacelli C, Giguère N, Bourque MJ, Lévesque M, Slack RS, Trudeau L. Az emelkedett mitokondriális bioenergetika és az axonális arborizáció mérete kulcsfontosságú tényező a dopamin neuronok sebezhetőségében. Curr Biol. 2015;25(18):2349–60.

5. Junn E, Jang WH, Zhao X, Jeong BS, Mouradian MM. A DJ-1 mitokondriális lokalizációja fokozott neuroprotekcióhoz vezet. J Neurosci Res. 2009;87(1):123–9. 6. Urrutia PJ, Bórquez DA, Núñez MT. Az agy meggyalázása vassal. Antioxidáns tánc. 2021;10 (1).

7. Hin N, Newman M, Pederson S, Lardelli M. Iron responsive element (IRE)-mediált válaszok vas dyshomeostasisra Alzheimer-kórban. bioRxiv. 2021; 2020.05.01.071498.

8. Hughes GL, Lones MA, Bedder M, Currie PD, Smith SL, Pownall ME. A gépi tanulás megkülönbözteti a mozgászavart a Parkinson-kór zebrahal modelljében. Dis Models Mech. 2020;13(10):d045815.

9. Wu D, Lim E, Vaillant F, Asselin-Labat ML, Visvader JE, Smyth GK. ROAST: rotációs génkészlet tesztek komplex microarray kísérletekhez. Bioinformatika. 2010;26(17):2176–82.

For more information:1950477648nn@gmail.com