Izloženost ispušnim plinovima dizel motora mijenja ekspresiju mreža uključenih u neurodegeneraciju u mozgu zebrice, dio 3
Mar 04, 2024
Rezultati poređenja proteomike otkrili su upregulaciju (prekomernu zastupljenost) ACTG2 (aktin, gama 2), CAT (katalaza), GSR (glutation-disulfidereduktaza), GST (glutation S-transferaza), HMOX1 (hem oksigenaza 1) i PRDX1 (peroxin) 1), kao i regulaciju ubikvitin-konjugirajućeg enzima ubcM2, RAP1A (RAP1A, član porodice RASoncogene), UBE2E3 (ubikvitin-konjugirajući enzim E2 E3) i ACTA1 (aktin, alfa 1).
Proteomika je naučna tehnologija velikih razmjera koja proučava tipove, strukture, količine i funkcije proteina u organizmima. Posljednjih godina, sve više studija pokazuje da je proteomika usko povezana s pamćenjem.
Istraživači su otkrili da proteini u mozgu mogu utjecati na signalizaciju između neurona, čime utječu na kognitivne aktivnosti kao što su učenje i pamćenje. Na primjer, većina proteinskih molekula potrebnih za memorijsko kodiranje i procese skladištenja sintetizira se u sinapsama. Ovi proteinski molekuli ne samo da su direktno uključeni u provođenje i transdukciju nervnih signala, već mogu utjecati i na sinaptičke veze i njihovu stabilnost između neurona, čime utječu na stvaranje i konsolidaciju pamćenja.
Istraživanja su također otkrila da određeni proteini igraju ključnu ulogu u procesu pamćenja. Na primjer, CaMKII protein kinaza u neuronima regulira snagu i stabilnost sinaptičkih veza i igra važnu ulogu u učenju i pamćenju. Još jedan važan protein je BDNF, koji može promovirati rast neurona, jačanje sinapsi i preživljavanje neurona, čime se poboljšava konsolidacija i održavanje pamćenja.
Osim toga, neke studije su otkrile da fizičko zdravlje i prehrana također imaju značajan utjecaj na proteomiku i pamćenje. Adekvatan san, odgovarajuća tjelovježba i ishrana s niskim udjelom masti i visokim sadržajem proteina mogu promovirati sintezu i popravak proteina, što je korisno za poboljšanje pamćenja i kognitivnih sposobnosti.
Ukratko, proteomika i pamćenje su usko povezani. Naučnici koji proučavaju nauke o životu sve više otkrivaju kako modulirati proteom kako bi poboljšali pamćenje i spriječili tretmane kognitivnih poremećaja kao što je Alchajmerova bolest. Stoga treba obratiti pažnju na rezultate naučnih istraživanja i održavati dobre navike u ishrani, životu i vježbanju kako bismo održali zdrav, jak mozak i bolje pamćenje. Vidi se da moramo poboljšati pamćenje, a Cistanche deserticola može značajno poboljšati pamćenje, jer i Cistanche deserticola može regulisati ravnotežu neurotransmitera, kao što je povećanje nivoa acetilholina i faktora rasta. Ove supstance su veoma važne za pamćenje i učenje. Osim toga, Cistanche deserticola također može poboljšati protok krvi i promovirati isporuku kisika, što može osigurati da mozak dobije dovoljno hranjivih tvari i energije, čime se poboljšava vitalnost i izdržljivost mozga.
Kliknite na saznajte 10 načina za poboljšanje memorije
Među njima, smanjenje ubcM2, inhibitora Nrf2, može dovesti do veće aktivnosti ovog puta. Budući da se različite komponente citoskeleta (ACTG2 i ACTA1) ponašaju različito i imajući u vidu nedostatak značajne diferencijalne ekspresije u Nrf2 ili Keap1, može se zaključiti da izloženost DEPe može izazvati preuređenje citoskeleta (u korist Nrf2 translokacije i aktivacije translokacije citoskeleta). Nrf2 put indirektno preko stimulansa oksidativnog stresa (slika 4).
Ovi nalazi su dobro podržani našom transkriptomskom analizom, koja pokazuje povećanje PRDX, GSR i GST (nizvodnih gena). Međutim, analiza transkriptoma dalje je detaljno pokazala da su c-Fos i FRA1 (dva inhibitora nuklearnog Nrf2) značajno smanjeni i stoga omogućavaju veću aktivnost Nrf2 tokom tretmana DEPe.
Sazrevanje fagosoma
Sazrijevanje fagosoma olakšava promet internaliziranih čestica prema nizu sve kiselijih subćelijskih struktura vezanih za membranu, što rezultira degradacijom čestica. Nakon zatvaranja ili odvajanja od površinske membrane, fagosom se spaja s ranim endosomima, kasnim endosomima i lizosomima, što je praćeno značajnim zakiseljavajućim promjenama u njegovom sastavu, pretvarajući ga u oksidativni i degradativni milje.
Pokret fagosoma se dešava na osnovu vezivanja proteina citoskeleta (mikrotubule), što dovodi do fuzije endosoma i lizosoma uzastopno na dinamičan način (Gotthardt et al. 2002). Tokom sazrevanja, GTPaza Rab5 pokreće fuziju sa ranim endosomima preko interakcije sa ranim endosomima. uključujući rani endosomski antigen 1 (EEA1), kompleks VPSS34 i SNAREproteine.
Štaviše, acidifikacija se dešava istovremeno preko vATPaze (vakuolarne protonske pumpe) koja translocira H+ preko membrane i dodatno zakiseljuje lumen (Desjardins et al. 1994).
Iako nije pronađena značajna uključenost ovog puta na transkriptomskom nivou, naša proteomska analiza pokazuje smanjenje regulacije ATP6V1A (ATPase H+transporting V1 podjedinica A), ATP6V1E1,ATP1B2B, ATP1B3A, ATP6V1F, DYNLRB1(dynein-type light chain1 roadblock), TUBA1C(tubulin alfa 1c), TUBB2A, TUBB4A i VAMP2 (membranski protein 2 povezan sa vezikulom) što sugeriše da tretman sa DEPe može dovesti do niže aktivnosti sazrevanja fagosoma ili izmenjenog pH lizozoma (slika 4). Ovo je u skladu s našim nedavnim izvještajem da izlaganje DEPe-u rezultira nižim neuronalautofagičnim fuksom i sugerira mehanizam koji leži u osnovi neuronske toksičnosti zagađenja zraka (Barnhill et al.2020).
Obrada amiloida
Amiloidni plakovi su obilježja neuropatoloških lezija mozga u AD i PD s demencijom. Ove strukture se sastoje od A-beta peptida, koji je centralni za patofiziologiju AD (SadighEteghad et al. 2015).
Amiloid beta se obrađuje kompleksom gama-sekretaze (Presenilin1/2) i beta-sekretaze (BACE1) iz tipa 1 transmembranskog proteina-amiloidnog proteina (APP). Poznato je da abnormalni unos Ca2+ dovodi do aberantne aktivacije kalpaina, koji igra ulogu u fosforilaciji proteina Tauvia povezanog s mikrotubulama na putu CDK5.
Nadalje, oksidativni stres povezan sa akumulacijom A-beta doprinosi aktivaciji nekoliko kinaza, uključujući MAP kinaze, što rezultira fosforilacijom taua. Patološka hiperfosforilacija tau ima bitnu ulogu u destabilizaciji mikrotubula (Sadigh-Eteghad et al. ). Ove promjene su posebno relevantne za patogenezu AD i PD i mogu biti faktor koji doprinosi tome kako zagađenje zraka povećava rizik.
Naše analize ekspresije sugeriraju destabilizirajući utjecaj DEPe na regulatore obrade amiloida jer su tri regulatora uključujući CAPNS1 (kalpainska mala podjedinica 1), MARK1 (kinaza 1 koja reguliše afinitet mikrotubula) i PRKAR1B (regulatorna podjedinica zavisna od proteina kinaseca beta) bila smanjena na nivo proteina (slika 4).
Mitohondrijska disfunkcija
Kao glavni potrošači kisika u ćeliji, mitohondrije sadrže mnoštvo redoks nosača za prijenos elektrona na kisik, što rezultira stvaranjem reaktivnih vrsta kisika (ROS).
Ove organele sadrže antioksidativni odbrambeni sistem za detoksikaciju ROS-a i izbjegavanje oksidativnog oštećenja drugih ćelijskih komponenti. Izloženost DEPe dovela je do promjena u ekspresiji ključnih proteina što je vjerovatno rezultiralo mitohondrijalnom disfunkcijom. Kao što je prikazano na slici 4, postoji značajan pad nivoa proteina ATP sintaze (ATP5F1D, ATP5mea), citokrom c oksidaze (COX7A2), NADH dehidrogenaze (NDUFA10,NDUFS8), 2-oksoglutarat dehidrogenaze (OGDH), i kompleks citokroma b-c1 podjedinice 2 (UQCRC2) koji igraju ključnu ulogu u transportu elektrona.
To bi moglo promijeniti proizvodnju ATP-a i direktno dovesti do povećane proizvodnje i toksičnosti ROS-a. Predloženo je da mitohondrijska disfunkcija doprinosi patogenezi AD i PD i, kao i kod nekih od gore navedenih puteva, zagađenje zraka može promijeniti rizik narušavanjem funkcije ove kritične organele.
Aksonalno vođenje signalizacije
Formiranje neuronskih veza zahtijeva proširenje aksona koji migriraju prema svojim sinaptičkim ciljevima. Na prednjoj ivici aksona, konus rasta aksona sadrži receptore sa sposobnošću da osjeti privlačne i odbojne znakove za vođenje koji su potrebni za navigaciju aksona.
Pored BMP, Shh i Wnt (koji su nedavno uključeni u aksonsko vođenje), postoje najmanje četiri glavne grupe znakova vođenja: (i) Netrini i DCC/UNC-5 receptori; (ii) Pleksinski, semaforini i neuropilinski receptori; (iii) Slits i Robo receptori; i (iv) Efrini i Eph receptori. Ovi proteini mogu biti ili izlučeni i povezani sa ekstracelularnim matriksom (Slits, Netrini i neki semaforini) ili biti usidreni na površini ćelije (Efrini i neki drugi semaforini) (Stoeckli 2018). Tretman DEPe utiče na nekoliko aspekata aksonskog vođenja.
Na nivou proteina, nekoliko važnih faktora i regulatora je promenjeno tokom tretmana. Prevelika zastupljenost PLXNB2 (pleksina B2) i nedovoljna zastupljenost nekoliko proteina uključujući ARHGEF11 (faktor razmjene nukleotida Rho guanina 11), CHMP1A (nabijeni multivezikularni tjelesni protein 1A), COPS5 (COP9 signalosomepodjedinica 5), GNAT1 alG protein subunit GNAT1 (GNAT1 alG protein (G proteinska podjedinica alfa transducin 2), GNB5 (G proteinska podjedinica beta 5), MYL1 (miozinski laki lanac 1), MYL2 (miozinski laki lanac 2), NCK1 (adaptorski protein 1), PLXNA1 (pleksin A1), PRKAR1B (protein kinaza cAMP-ovisna regulatorna podjedinica beta tipa I), RAC3 (Rac familija mala GTPaza 3), RAP1A (član onkogene porodice RAS), SHANK2 (SH3 i više ankirinskih ponovljenih domena 2), TUBA1C (tubulin alfa 1c), TUBB2A (tubulin beta 2A klasa IIa ), i TUBB4A (tubulinbeta 4A klasa Iva) ukazuju na značajno oštećenje vođenja aksona u embriju u razvoju (dodatna tabela 5).
Zanimljivo je da put aksonskog vođenja nije bio značajno pogođen na transkriptomskom nivou, što sugerira da uključenost ovog puta može biti nizvodni ishod kroz koji su neki od efektorskih/regulatornih proteina degradirani.
Promjene u aksonalnim putevima vođenja koje su ovdje opisane mogu odražavati neurotoksične puteve relevantne za AD i PD ili jednostavno odražavati interferenciju neuralnog razvoja u razvoju embrija. Analiza profila ekspresije kod odraslih osoba izloženih DEPe bi pomogla u rješavanju ovog pitanja.
Drugi putevi
Naše proteomske i transkriptomske analize su također pokazale uključenost nekoliko puteva i metaboličkih puteva, uključujući razgradnju melatonina, cirkadijalni ritam, signalizaciju spoja Sertolijeve ćelije i Sertolijeve ćelije, signalizaciju spoja epitelnih adherensa, metabolizam hormona štitnjače, metabolizam hormona štitnjače II i/ili degradaciju signala R-a (preko konjugacije) -5′-fosfatna biosinteza II, signalni put GP6, signalizacija RhoGDI, ekstrinzični put aktivacije protrombina i sistem koagulacije. Mnoge od ovih promjena mogle bi odražavati promjene zbog prekida razvoja.
Na primjer, obje proteomičke i transkriptomske analize otkrile su da put fototransdukcije ima najveće promjene u ekspresiji nakon tretmana DEPe. Kao što je prikazano u Dodatnoj tabeli 5, nekoliko gena, uključujući Opsin, GRK, S-arrestin, Transducin-, Transducin-, PDC i GUCA imaju oslabljen nivo transkripcije zbog izloženosti DEPe. Zbog nedostatka dokaza o indukciji bilo kojeg elementa na ovom putu, čini se da tretman DEPe šteti razvoju vidnog sistema. Ovo je u skladu s našim zapažanjem da se oči nikada nisu u potpunosti razvile i da su male nakon tretmana.
Funkcionalna procjena
U ovom izvještaju, značajno povećanje regulacije citokroma P450 (Cyp1A) bilo je najizraženiji efekat izloženosti DEPe. Cyp1A metaboliše mnoga endogena i egzogena jedinjenja, a povećana ekspresija u mozgu može štititi od toksičnosti ili doprineti toksičnosti. Da bismo bolje razumjeli ulogu Cyp1A u toksičnosti DEPe, koristili smo CRISPR/Cas9 da generišemo Cyp1A nokdown model. Budući da je postupak uređivanja gena kod zebrice vjerovatno djelomičan proces koji rezultira mozaičnim embrionima, koristimo izraz "nokdaun" (KD) umjesto "nokaut". Koristeći vodič-RNA specifičnu za sekvencu, konvertovali smo prvo CCA PAM mjesto u TGA (stop) kodonin prvog egzona Cyp1A. Neciljana vodič-RNA je alternativno korištena kao skrembl kontrola (SC).
Ukupna RNA je zatim izolirana iz glava do 20 KD i SC embriona (5 pdf), a knockdown efikasnost je potvrđena qPCR analizom. Slično onome što je uočeno u RNA-Seq studiji visoke propusnosti, ovaj eksperiment je pokazao oštru indukciju (30.59- puta u odnosu na početnu liniju) Cyp1A nakon DEPetreatmenta u SC embrionima, dok je KD embrio usporio takvo povećanje ekspresije ( Slika 5a).
Preživljavanje šest grupa embriona tokom 7-dnevnog kursa (n veće od ili jednako 40) prikazano je na slici 5b. Ukratko, na 7pdf, prosječno preživljavanje je bilo 89,1%, 74,4%, 79,4%, 68,5%, 48,8% i 7,6% za WT/DMSO, WT/DEPe, SC/DMSO, SC/DEPe, KD/DMSO i KD/DEPe, respektivno. Stoga je KD Cyp1A rezultirao smanjenim preživljavanjem, ali je bio dramatično smanjen u ribama tretiranim DEPe u usporedbi s kontrolama.
Nadalje, KD je također rezultirao značajno većom stopom morfoloških malformacija (slika 5c). Stoga se čini da je indukcija ekspresije Cyp1A pomoću DEPe zaštitni mehanizam kompenzacije. Značajno ograničenje naših nalaza je da smo mjerili Cyp1Aindukciju ekspresije u mozgu zebrice, ali KDexperiments je smanjio ekspresiju u cijelom embriju.
Značaj i implikacije za neurodegenerativne bolesti
Poznato je da zagađenje zraka negativno utječe na kvalitetu života i igra važnu ulogu u razvoju bolesti ljudi i životinja. Koristeći analizu ekspresije visoke propusnosti, pokazali smo da je tretman DEPe promijenio nekoliko bioloških procesa i signalnih puteva u glavama glava embriona zebrice. Promjene u formiranju fagosoma, procesiranju amiloida i mitohondrijalnoj funkciji posebno su relevantne za neurodegeneraciju.
Iznenađujuće, naši rezultati nisu ukazali na bilo kakvu jasnu uključenost upale, za koju se pretpostavlja da igra važnu ulogu u toksičnosti zagađenja zraka. Ovo je vjerovatno zato što smo mjerili izraz samo u glavama 5-dnevnih zebrica, a ne u cijelom tijelu. Ove studije su imale za cilj da utvrde kako na mozak utiče izlaganje DEPe.
Mozak ne sadrži mikrogliju, koju vjerovatno aktivira DEPe, ali one čine tako mali dio ćelija u mozgu da se bilo kakve promjene mogu nedetektirati. Osim toga, mikroglija nije prisutna i ne funkcionira u mozgu larvi u razvoju do 3-5 pdf. Zbog toga, rano izlaganje možda nije najrelevantnije za proučavanje upalnih odgovora. Indukcija metabolizma ksenobiotika je također vjerovatno relevantna kao kompenzacijski ili zaštitni odgovor na zagađenje zraka.
Naš Cyp1AKD model potvrdio je zaštitnu ulogu ovog puta i predstavlja odličan primjer kako studije ekspresije mogu pružiti važne tragove za određivanje mehanizama otrovnih tvari kao što je zagađenje zraka. Nije poznato da li polimorfizmi u genu Cyp1A mijenjaju rizik od AD ili PD kod ljudi izloženih zagađenju zraka, ali ovi rezultati ukazuju na potencijalnu interakciju gena i okoline i zaslužuju daljnje istraživanje.
Jedno važno pitanje na koje se treba obratiti je relevantnost izloženosti DEPe zagađenju vazduha. DEPe je najčešća mješavina koja se koristi u istraživanju zagađenja zraka za ćelijske kulture i druge modele koji nisu podložni inhalacijskim komorama. Diklorometanski ekstrakti DEP sadrže hidrofobne dijelove kao što su PAH za koje je najvjerojatnije da uđu u krvotok i bioakumuliraju se u mozgu. Nedavna studija utvrdila je koncentraciju nekoliko PAH-a u ljudskim obdukcijskim mozgovima i otkrila da oni sadrže koncentracije PAH-a vrlo slične onima korištenim u ovdje predstavljenim studijama (Pastor-Beldaet al. 2019). Stoga je izlaganje mozgu zebrice vrlo relevantno, jer sadrže PAH i druge dijelove za koje je uočeno da se bioakumuliraju u ljudskom mozgu.
Zahvalnice Zahvaljujemo se sljedećim agencijama za finansiranje ovog rada: The Levine Foundation (JMB), grantovi Nacionalnog instituta za ekološke zdravstvene nauke, NIEHST32ES015457 (LMB, SK) i The Parkinson's Alliance (JMB).
Doprinos autora Koncepcija i dizajn studije (MSJ, LMB, JMB); Prikupljanje podataka (MSJ, HM, LMB, SL): Analiza i interpretacija podataka (MSJ, LMB, JMB); Izrada članka ili njegova kritička revizija za važan intelektualni sadržaj (MSJ, HM, LMB, JMB).
Finansiranje Ove studije su podržali The Levine Foundation (JMB), grantovi Nacionalnog instituta za zdravstvene nauke o životnoj sredini, NIEHS T32ES015457 (LMB, SK) i The Parkinson's Alliance (JMB).
Dostupnost podataka Svi podaci su dostupni u našim dodatnim datotekama.
Deklaracije
Etičko odobrenje Sve eksperimente na životinjama odobrio je UCLA komitet za istraživanje životinja.
Saglasnost za objavljivanje Svi autori odobravaju ovu prijavu za objavljivanje.
Konkurentni interesi Autori izjavljuju da ne postoje suprotstavljeni interesi.
Otvoreni pristup Ovaj članak je licenciran pod Creative Commons Attribution 4.0 Međunarodna licenca, koja dozvoljava upotrebu, dijeljenje, prilagođavanje, distribuciju i reprodukciju u bilo kojem mediju ili formatu, sve dok date odgovarajuće priznanje originalnom(ima) autoru(ima) i izvor, navedite vezu do Creative Commons licence i naznačite da li su promjene napravljene.
Slike ili drugi materijal treće strane u ovom članku uključeni su u Creative Commons licencu za članak osim ako nije drugačije naznačeno u kreditnoj liniji za materijal. Ako materijal nije uključen u Creative Commons licencu za članak, a vaša namjeravana upotreba nije dozvoljena zakonskim propisima ili premašuje dozvoljenu upotrebu, morat ćete dobiti dozvolu direktno od nositelja autorskih prava. Da vidite kopiju ove licence.
Reference
Ahmadinejad F, Møller, SG Hashemzadeh-Chaleshtori M, BidkhoriG, Jami MS. Molekularni mehanizmi koji stoje iza hvatača slobodnih radikala djeluju protiv oksidativnog stresa Antioksidansi 2017; 6https://doi.org/10.3390/antiox6030051
Barnhill LM, Khuansuwan S, Juarez D, Murata H, AraujoJA, Bronstein JM. 2020. Izlaganje ekstraktu izduvnih gasova dizel motora izaziva toksičnost neurona ometajući autofagiju. Toxicol Sci; https://doi.org/10.1093/toxsci/kfaa055. Dostupno: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/32298450 [Pristupljeno 1. maja 2020.].
Bostancıklıoğlu M. Ažuriranje o interakcijama između Alchajmerove bolesti, autofagije i upale. Gene.2019;705:157–66. https://doi.org/10.1016/j.gene.2019.04.040.
Calderón-Garcidueñas L, Maronpot RR, Torres-Jardon R, Henríquez-Roldán C, Schoonhoven R, Acuña-Ayala H, et al. Oštećenje DNK u tkivima nosa i mozga pasa izloženih zagađivačima zraka povezano je sa dokazima kronične upale mozga i neurodegeneracije. Toxicol Pathol. 2003;31:524–38. https://doi.org/10.1080/01926230390226645.
Calderón-Garcidueñas L, Mora-Tiscareño A, Ontiveros E, Gómez-Garza G, Barragán-Mejía G, Broadway J, et al. Zagađenje zraka, kognitivni deficiti i abnormalnosti mozga: pilot studija s djecom i psima. Brain Cogn.2008a;68:117–27. https://doi.org/10.1016/j.bandc.2008.04.008.
Calderón-Garcidueñas L, Reed W, Maronpot RR, HenríquezRoldán C, Delgado-Chavez R, Calderón-Garcidueñas A, et al. Upala mozga i patologija slična Alchajmeru kod osoba izloženih ozbiljnom zagađenju zraka. Toxicol Pathol. 2004;32:650–8. https://doi.org/10.1080/01926230490520232.
Calderón-Garcidueñas L, Solt AC, Henríquez-Roldán C, TorresJardón R, Nuse B, Herritt L, et al. Dugotrajna izloženost zagađenju zraka povezana je s neuroinflamacijom, izmijenjenim imunološkim odgovorom, poremećajem krvno-moždane barijere, ultrafinim taloženjem čestica i akumulacijom amiloida -42 i -sinukleina kod djece i mladih odraslih. Toxicol Pathol. 2008b;36:289–310. https://doi.org/10.1177/0192623307313011.
Calderón-Garcidueñas L, Villarreal-Calderon R, Valencia Salazar G, Henríquez-Roldán C, Gutiérrez-Castrellón P, Coria-Jiménez R, et al. Sistemska upala, endotelna disfunkcija i aktivacija kod klinički zdrave djece izložene zagađivačima zraka. Inhal Toxicol. 2008c;20:499–506. https://doi.org/10.1080/08958370701864797.
For more information:1950477648nn@gmail.com
