Uvid u patogenezu neurodegenerativnih bolesti: fokus na mitohondrijalnu disfunkciju i oksidativni stres, 1. dio

Sažetak: Kako stanovništvo stari, povećava se učestalost neurodegenerativnih bolesti. Zbog intenzivnog istraživanja napravljeni su važni koraci u rasvjetljavanju patogenetskih kaskada i značajno impliciraju mitohondrijalnu disfunkciju i oksidativni stres.

Uz kontinuirano poboljšanje savremene medicine i životnog standarda, prosječni životni vijek ljudskih bića je sve duži i duži, što također znači da je starenje stanovništva sve ozbiljnije. Iako se stariji moraju suočiti sa brojnim zdravstvenim i životnim problemima, gubitak pamćenja nije nužno jedan od ovih problema.

U stvari, postoji mnogo starijih ljudi sa odličnim pamćenjem. Oni ne samo da mogu održavati svoj svakodnevni život, već i koristiti svoje životno iskustvo za rješavanje problema. Što se tiče opadanja pamćenja, mnogi ljudi misle da je to zbog godina, ali u stvari to je samo zabluda.

Studije su pokazale da nema direktne veze sa gubitkom i starenjem stanovništva. Bilo da smo mladi ili stari, naš mozak ima sposobnost da se popravi, sve dok redovno treniramo, možemo poboljšati svoje pamćenje. Pad pamćenja kod starijih osoba je više zbog toga što njihov mozak nije u potpunosti uvježban, što dovodi do opadanja mozga.

Možemo poduzeti neke mjere da ojačamo svoje pamćenje, kao što je vježbanje mozga kroz različite aktivnosti poput čitanja, pisanja, slikanja, putovanja i druženja. Osim toga, možemo obratiti pažnju i na ishranu i životne navike, kao što su održavanje dobre kvalitete sna, uravnotežena ishrana i izbjegavanje nezdravog ponašanja poput pušenja ili pijenja.

Stoga ne treba isticati pad pamćenja zbog starenja stanovništva, već treba biti aktivniji u vježbanju i održavanju mozga. Poboljšanjem pamćenja možemo zaštititi svoje zdravlje i slobodan život. Vidi se da moramo poboljšati pamćenje, a cistanche može značajno poboljšati pamćenje, jer je cistanche tradicionalni kineski medicinski materijal sa brojnim jedinstvenim efektima, od kojih je jedno poboljšanje pamćenja. Djelovanje Cistanchea dolazi od različitih aktivnih sastojaka koje sadrži, uključujući taninsku kiselinu, polisaharide, flavonoidne glikozide, itd. Ovi sastojci mogu promovirati zdravlje mozga na različite načine.

Kliknite znati 10 načina za poboljšanje pamćenja

Međutim, dostupni tretmani za Alchajmerovu bolest, Parkinsonovu bolest i amiotrofičnu lateralnu sklerozu uglavnom su simptomatski, pružajući neznatne koristi i, najviše, usporavajući napredovanje bolesti.

Iako su u pretkliničkom okruženju lijekovi koji ciljaju na mitohondrijsku disfunkciju i oksidativni stres dali ohrabrujuće rezultate, klinička ispitivanja nisu uspjela ili su imala neuvjerljive rezultate. Vjerovatno je da su do trenutka kliničke dijagnoze, patogenetske kaskade potpuno razvijene i da je značajan broj neurona već degeneriran, što onemogućuje molekule usmjerene na mitohondrije ili antioksidanse da zaustave ili preokrenu proces.

Dok dalja istraživanja ne obezbjeđuju efikasnije molekule, zdrav način života, s puno dijetetskih antioksidansa i izbjegavanje egzogenih oksidanata može odgoditi početak neurodegeneracije, dok porodični slučajevi mogu imati koristi od genetskog testiranja i agresivne terapije započete u pretkliničkoj fazi.

Ključne riječi: mitohondrijska disfunkcija; oksidativni stres; antioksidansi; Alchajmerova bolest; Parkinsonova bolest; amiotrofična lateralna skleroza.

1. Uvod

Starenje povezuje niz fizioloških deficita i promjenjiv stepen kognitivnog oštećenja, što je također glavni faktor rizika za neurodegenerativne bolesti kao što su Alchajmerova bolest (AD), Parkinsonova bolest (PD) ili amiotrofična lateralna skleroza (ALS) [1].

Iz ogromne količine istraživanja usmjerenih na otkrivanje mehanizama starenja i neurodegeneracije proizašlo je nekoliko dijelova slagalice, ali još uvijek imamo dug put da shvatimo cijelu sliku. Međutim, čini se da oksidativna oštećenja izazvana slobodnim radikalima i mitohondrijalna disfunkcija igraju glavnu ulogu u oba procesa.

2. Normalno starenje

Starenje mozga događa se na molekularnom, ćelijskom i histološkom nivou [2]. Povezuje niže razine neuronske metaboličke aktivnosti, suptilne promjene u strukturi neurona u nekoliko neuronskih krugova, kao i sinaptičku atrofiju, abnormalnosti citoskeleta, nakupljanje fluorescentnih pigmenata i reaktivne astrocite i mikroglije [3,4].

Istraživanja ukazuju na hipotalamus kao pokretač i kontrolu postepenog opadanja energetskog metabolizma cijelog tijela [5,6]. Kroz lučenje neurohormona, veze sa endokrinim sistemom i projekcije oreksinergičkog jezgra na retikularni aktivirajući sistem [5], hipotalamus reguliše nivo stresa, metabolizam, san i utiče na subjektivno percipiranu kvalitetu života i uspostavljanje društvenih odnosa. 7–9].

Degeneracija suprahijazmatskog jezgra može dodatno doprinijeti poremećajima cirkadijanskog ritma i poremećenom spavanju [10–12]. Ograničavanje sna može uzrokovati akumulaciju neuronskih toksičnih otpadnih produkata i ograničiti neurogenezu u starenju mozga, pali začarani krug koji pojačava neurodegenerativni proces [13].

Dodatni faktori doprinose opadanju metabolizma moždanih ćelija. Cerebralni metabolizam se uglavnom oslanja na stalnu opskrbu glukozom i kisikom kroz krvotok i, u ograničenoj mjeri, na laktat [14].

Neuronsko preuzimanje glukoze je posredovano transporterima glukoze (GLUT), nakon čega se heksokinaza pretvara u glukoza-6-fosfat (G6P). Kao takav, dostupnost ATP-a, ovisno o opskrbi kisikom i mitohondrijskoj oksidativnoj fosforilaciji (OXPHOS), ometa uzimanje glukoze [5,15]. OXPHOS proizvodi znatno veće količine ATP-a u odnosu na glikolizu [16,17].

U starenju, smanjen metabolizam može biti uzrokovan mitohondrijalnom disfunkcijom i smanjenom sintezom ATP-a, kao i vaskularnim promjenama koje dovode do ograničene opskrbe kisikom.

Visoka potrošnja ćelijske energije u nervnom sistemu, koja se koristi za sinaptički prijenos (oko 80% potrošnje energije mozga) [18,19], sinaptogenezu i sinaptičko orezivanje [18,20] povezuje visoku stopu stvaranja reaktivnog kisika vrste uglavnom elektronima koji su iscurili iz mitohondrijalnog lanca transporta elektrona (ETC).

Prekomjerno stvaranje slobodnih radikala ne može se neutralizirati antioksidativnom odbranom i dovodi do oksidativnog stresa, uključenog u starenje od 1950-ih, kada je Harman sugerirao da oštećenje biomolekula izazvano slobodnim radikalima, kao što su proteini, lipidi i DNK, uzrokuje smanjenje njihovih biohemijskih i fiziološka funkcija u starenju [21].

Zaista, istraživanja su pokazala promijenjen sastav fosfolipida u mozgu starijih ljudi i životinja zajedno s povećanom generacijom malondialdehida (marker peroksidacije lipida), koji formira naslage povezane s intraneuronskim lipofuscinom [22], i povišenim karbonilnim ostacima proteina (marker oksidacije) [ 23].

Osim toga, starenje smanjuje antioksidativne odbrambene sisteme, kao što je astrocitni glutation sistem [24], koji dalje potencira oksidativni stres [2]. Mitohondrije prolaze kroz niz promjena povezanih sa starenjem kao što su fragmentacija ili povećanje [25], povećana mitohondrijska DNK (mtDNA ) oksidativno oštećenje [26], ispoljavaju disfunkcije respiratornog lanca [27] i homeostaze kalcijuma [28].

Ove promjene povezuju smanjenje intracelularnog nivoa NAD+ što narušava funkciju enzima zavisnih od NA kao što su sirtuini (SIRT) i histon deacetilaze [29,30]. Sirtuini su visoko evolucijski konzervirani enzimi uključeni u regulaciju životnog vijeka i starenja u različitim organizmima, od kvasca do sisara [31].

Kod sisara, SIRT 3, 4 i 5 su locirani u mitohondrijima, SIRT 2 u citosolu, a SIRT 1, 6 i 7 se nalaze u jezgru [32]. Istraživanja su pokazala da je SIRT 1, uglavnom u hipotalamusu, ključni igrač u kontroli starenja i dugovječnosti kod organizama sisara [33,34].

Skraćivanje telomera, koji promovišu hromozomsku stabilnost tokom replikacije ćelije [35], u početku je zanemareno kao imalo važan uticaj na mozak budući da su neuroni u suštini postmitotične ćelije koje se više ne repliciraju.

Međutim, ovo gledište je dovedeno u pitanje demonstriranjem aktivnosti ćelijskog ciklusa u 10-20% neurona u korteksu mozga zdravog starenja i u AD [36,37], kao i prisustvom neuralnih matičnih ćelija u subventrikularnim i subgranularnim zonama, u horoidni pleksusi i moždane ovojnice [38]. Osim toga, glijalne ćelije (posebno mikroglija) se aktivno repliciraju, pri čemu se telomeri postepeno skraćuju nakon svake ćelijske replikacije [39].

Starenje također izaziva upalni fenotip tokom kojeg, kao odgovor na mutacije i oštećenja DNK, nuklearni faktor-κB (NF-κB) inicira transkripciju faktora tumornekroze- (TNF-) i različitih inflamatornih interleukina (IL-1, IL -6, IL-8) [40].

ROS imaju ključnu ulogu u ovom procesu, budući da fosforiliraju i razgrađuju IκB, koji se veže i inaktivira NF-κB [41]. Niske količine ROS-a pokreću signalne kaskade za preživljavanje, aktivirani NF-κB potiskuje c-Jun N-terminalne kinaze (JNKs) i apoptozu i pojačava regulaciju antioksidativnih i anti-apoptotičkih gena kao što je mangan superoksidizmutaza (MnSOD) [42].

Međutim, visoke koncentracije ROS-a aktiviraju NF-κB kroz protein kinaze i iniciraju ćelijske signalne puteve stresa. Oštećeni neuroni mijenjaju teionsku ravnotežu u intersticijskom prostoru i dovode do oslobađanja citokina, čime se aktivira mikroglia [43,44].

Iako TNF- ima važnu ulogu u učenju i sinaptičkoj plastičnosti [45], prekomjerna mikroglijalna aktivacija će uzrokovati degeneraciju sinapsi i funkcionalna oštećenja, karakteristična za starenje i neurodegeneraciju [46].

Osim toga, upalni odgovori induciraju druge faktore transkripcije, kao što su pretvarač signala i aktivator transkripcije (STAT-1) i receptor-gama aktiviran proliferatorom peroksizoma (PPAR), potonji igra važnu ulogu u mitohondrijskoj biogenezi [47] .

Kao takav, sekretorni fenotip povezan sa starenjem (SASP), posebno u astrocitima, može izazvati nekoliko neurodegenerativnih bolesti povezanih sa starenjem [48].

3. Mitohondrije u mozgu

Visoka cerebralna metabolička aktivnost se uglavnom oslanja na oksidativnu fosforilaciju za proizvodnju ATP-a. Međutim, mitohondrije vrše i druge važne funkcije u mozgu.

Konstantna signalizacija dovodi do kontinuiranih varijacija u koncentracijama kalcijuma u citosolu i mitohondrije u saradnji sa endoplazmatskim retikulumom imaju ključnu ulogu u regulaciji neurotransmisije puferovanjem kalcijuma u presinaptičkim terminalima i regulacijom nivoa somato-dendritičnog kalcijuma [49,50]. Štaviše, mitohondrije regulišu ćelijski ciklus i kontrolišu ćelijsku smrt [51].

Da bi se postigle ove različite funkcije, održavanje mitohondrijske kondicije je ključno, jer zahtijeva efikasne mehanizme kontrole kvaliteta [52], koji se postižu mitohondrijalnom biogenezom i fisijom (odvajanje jedne organele na dvije ili više ćerki organela, neophodnih za naseljavanje ćelija koje se dijele ili rastu sa adekvatan broj mitohondrija), fuziju (proces kroz koji mitohondrije dijele bitne komponente) i mitofagiju (eliminaciju oštećenih mitohondrija prije nego što dovedu do apoptoze cijele stanice) [53,54].

Osim toga, mitohondrije se moraju prometovati duž aksona kako bi se obezbijedila energija po cijelom aksonu [2].

3.1. Mitohondrijski respiratorni lanac i ROS proizvodnja

Mitohondrij ima spužvastu vanjsku mitohondrijalnu membranu (OMM), koja omogućava slobodno kretanje malih jona i nenabijenih molekula, i nepropusnu unutrašnju mitohondrijsku membranu (IMM), koja obavija mitohondrijalni matriks.

Između IMM i OMM nalazi se intermembranski prostor [55]. Mitohondrijski lanac za transport elektrona (ETC) sastoji se od nekoliko proteinskih kompleksa smještenih u IMM-u koji koriste elektrone uklonjene reduciranim nikotinamid adenin dinukleotidom (NADH) i flavinadenin dinukleotidom (FADH2) iz Krebsovog ciklusa za pumpanje protona iz matriksa u međumembranski prostor, generiranje gradijenta potencijala preko IMM-a, koji će se koristiti u završnom koraku OXPHOS-a za sintezu ATP-a [56].

Da bi pravilno funkcionisali, ovi kompleksi moraju biti sastavljeni od presavijenog IMM-a (mitohondrijalnih krista) u specifično konfigurisane strukture [57]. Čak i pod normalnim uslovima, 1–2% ukupnog potrošenog kiseonika curi i stvara ROS [58].

Najmanje osam mitohondrijalnih mjesta može generirati ROS, a kompleksi I, II i III su glavni doprinositelji [55,59]. Kroz peroksidaciju lipida, oksidaciju proteina i oštećenje DNK, generirani ROS može uzrokovati promjenu funkcije mitohondrija i povećati brzinu produkcije ROS-a, što je kulminiralo indegeneracijom neurona [60,61].

3.2. Mitohondrije i ćelijska kalcijumska homeostaza

Kalcij je uključen u mnoge neuronske funkcije, kao što su diferencijacija, oslobađanje vezikula i sinaptička transmisija, ili ćelijska smrt i preživljavanje [62,63]. Prolazne fluktuacije u citosolnom Ca2+ djeluju kao sekundarni glasnici.

Nivoi slobodnog citosolnog Ca2+ su u nanomolarnim rasponima, dok su ekstracelularni nivoi milimolarni. Dotok kalcijuma se dešava kroz ligandooperisane ili voltažom upravljane kalcijumske kanale (VGCC), ali Ca2+ se također može osloboditi iz intracelularnih zaliha Ca2+, među kojima endoplazmatski retikulum (ER) ima ključnu ulogu [64]. Vezivanje agonista za inozitol 1,4,5-trifosfatne (IP3) receptore ili za ryanodinereceptore (RyRs) uzrokuje oslobađanje Ca2+ iz ER [65].

Međutim, da bi povećanje citosolnog Ca2+ bilo kratko, kalcij mora biti brzo očišćen kroz fluks kalcija, vezivanje za Ca2+-puferske proteine ​​[66], ili unos u ER ili mitohondrije [62] .

Efluks Ca2+ postiže se pomoću plazma membrane Ca2+-ATPaze, koja pumpa Ca2+ protiv gradijenta koncentracije dok hidrolizira ATP, i Na+/Ca2+ izmjenjivača (NCX ), koji se oslanja na gradijent natrijuma za ekstrudiranje Ca2+ [67].

Apsorbovanje ER Ca2+ vrši ATP-zavisni sarko-endoplazmatski retikulum Ca2+-ATPaze (SERCA) [68], dok je mitohondrijalni unos Ca2+ posredovan anion-selektivnim naponom zavisnim od napona. proteini kanala (VDCA), koji posreduju u prijenosu Ca2+ u intermembranski prostor, odakle IMM-lociran mitohondrijski Ca{10}} uniporter (MCU) dalje prenosi kalcijum u mitohondrijski matriks.

Povećanje mitohondrijalnog kalcija aktivira ETC dehidrogenaze i proizvodnju ATP-a [69]. Međutim, preopterećenje kalcijem može promijeniti potencijal mitohondrijalne membrane, otvoriti pore tranzicije mitohondrijalne permeabilnosti (MPTP) i dovesti do oslobađanja citokroma c [70].

Kao takve, mitohondrijalne koncentracije Ca2+ moraju biti fino podešene.

Mitohondrijski Na+/Ca2+ izmjenjivač lociran u IMM-u, i nazvan NCLX, jer također može zamijeniti Li+ za Ca2+, ekstrudira Ca2+ iz mitohondrijske matrice koristeći elektrohemijski gradijent Na+[71], dok se iz međumembranskog prostora Ca2+ ekstrudira pomoću Na+/Ca2+ izmjenjivača 3 i VDAC-a [72]. Slika 1 ilustruje mehanizme uključene u ćelijsku homeostazu kalcijuma.

Slika 1. Intracelularna homeostaza kalcijuma. Ćelijski priliv Ca2+ posredovan je naponskim kalcijumskim kanalima (VGCC), ligandom vođenim kalcijumskim kanalima (LGCC), i, u izuzetnim okolnostima, obrnutim funkcionisanjem izmjenjivača natrijuma/kalcijuma (NCX).

Osim toga, Ca2+ se može osloboditi iz ER-a nakon što se inozitol-1,4,5-trifosfat (IP3) vezuje za specifične receptore (IP3R) ili rijanodinske receptore (RyR).

IP3 se stvara vezivanjem liganada za plazmalemalne receptore vezane za Gprotein, koji aktivira fosfolipazu C da cijepa fosfatidilinozitol 4,5-bifosfat, što rezultira drugim glasnikom IP3.

Višak citosolnog kalcijuma uklanja se kroz efluks kroz NCX i plazma membransku Ca2+ ATPazu (PMCA) i unos u ER od strane Ca2+-ATPaze sarkoendoplazmatskog retikuluma (SERCA).

Mitohondrija puferuje citosolni kalcij kroz mitohondrijski uniporter kalcijuma (MCU) i istiskuje višak Ca2+ kroz Na+/Ca2+izmjenjivač (NCLX). Osim toga, citosolni Ca2+ vezujući proteini (CBP) djeluju kao pretvarači signala.

U kontroli intracelularnih koncentracija Ca2+, mitohondrije stupaju u interakciju sa ER preko ER membrana povezanih s mitohondrijama (MAM) [73], mikrodomena u kojima je OMM udaljen samo 10-100 nanometara od ER [74,75].

Ove oblasti su obogaćene ininozitol 1,4,5-trifosfatnim receptorima (IP3Rs) [76] koji formiraju funkcionalne komplekse sa VDAC-ima preko šaperona, Grp75 (protein regulisan glukozom 75), koji pripada porodici proteina toplotnog šoka 70 [77 ].

IP3R-Grp75-VDAC kompleksi regulišu prijenos Ca2+ iz ER u mitohondrije [74]. Apozicija ER na mitohondrije je kontrolisana proteinom 2 koji sortira kiseli klaster fosfofurina (PACS2) [78]. Smanjena kontaktna mjesta između ER i mitohondrija uzrokovana delecijom PACS2 rezultiraju fragmentacijom mitohondrija i apoptozom [79].

PACS2 je funkcionalno vezan za fosfatidilserin sintazu-1 (PSS1), enzim koji se nalazi u MAMs koji posreduje u prijenosu lipida između ER i mitohondrija [80]. PACS2 i PSS1 su utvrđeni povišenom regulacijom kod transgenih miševa sa AD, kao i kod pacijenata sa AD kasnim početkom [74,81]. Opisano je nekoliko drugih komponenti MAM-a uključenih u homeostazu kalcija i signalne kaskade, kao što su:

- Bap31 (protein 31 povezan sa receptorom B ćelija), koji je u interakciji sa OMM proteinom Fis1 [82];

- VAPB (Vesicle-associated membrane protein-associated protein B), koji je u interakciji sa proteinom OMM koji interaguje sa tirozin fosfatazom proteinom 51 [83];

- Sig-1R (Sigma neopioidni intracelularni 1-receptor 1), pratilac koji vezuje Grp78; u uslovima ER stresa, Grp78 se odvaja od ER lipidnih splavova i aktivira odgovor nesavijenog proteina (UPR) [ 84,85];

- kinaza endoplazmatskog retikuluma slična protein kinazi (PERK), koja, kada se aktivira, smanjuje sintezu proteina dok se nakupljeni nesavijeni protein ne očisti [86].

3.3. Mitochondrial Dynamics

Mitohondrije su dinamičke organele, koje su u stanju da moduliraju svoj broj, oblik, veličinu i položaj u citoplazmi kroz pažljivo balansiranje dva suprotna procesa: mitohondrijalne fuzije i fisije [87].

Fisiju regulišu dva proteina: Drp1 (protein sličan dinaminu 1) i Dnm2 (dinamin 2) [88]. Početni korak je omotavanje endoplazmatskog retikuluma oko mitohondrija i smanjenje prečnika potonjeg sa 300-500 nm na oko 150 nm [89]. Prostorna povezanost replikacije mtDNK sa ER-mitohondrijskim kontaktnim mjestima objašnjava distribuciju mtDNK u replicirajućim organelama [90].

Nakon ovog koraka, citosolni protein Drp1 se regrutuje na već označeno mjesto suženja na OMM-u i vezuje za fosfolipidnu membranu pomoću adapterskih proteina kao što su MFF (mitohondrijski fisijski faktor) i proteini mitohondrijske dinamike 49 i 51 (MiD49 i MiD51).

Nakon regrutacije Drp1, oko mitohondrija se formira prstenasta struktura [92], nakon čega hidroliza GTP potencira suženje mitohondrijske membrane [87].

Poslednji korak je regrutovanje Dnm2, GTPaze koja se okuplja na označenom mestu i završava proces fisije [93]. Konstrikcija i podela IMM-a zavisi od kalcijuma i dešava se na kontaktnim mestima ER-mitohondrija, verovatno čak i pre regrutovanja Drp1 [94].

Mitohondrijska fuzija je suprotan proces, kojim se membrane dvije mitohondrije spajaju, dajući jedan jedini mitohondrij i omogućavajući dijeljenje bitnih komponenti između dvije organele.

Proces regulišu dva druga proteina sa aktivnošću GTPaze, Mfn1 i Mfn2 (mitofuzini 1 i 2) za fuziju OMM, dok je fuzija IMM pod kontrolom druge GTPaze, OPA1 (optička atrofija 1) [95].

Nakon povezivanja dva mitohondrija (posredovano preko GTP domena), dva susjedna OMM povećavaju svoju kontaktnu površinu nakon čega slijedi njihova fuzija zbog hidrolize GTP, naknadnih konformacijskih promjena i oligomerizacije Mfns-a [96].

Nakon OMMfuzije, fuziju IMM posreduje OPA1 umetnut u IMM, koji se može odcijepiti metaloproteazama vezanim za dvije membrane, OMA1 i YME1L, što rezultira dva fragmenta visoke molekularne težine (L-OPA1) i tri kraća fragmenta (S-OPA1) [97] .

Interakcija L-OPA1 sa kardiolipinom, umetnutim u IMM, ključna je za pokretanje fuzije membrane [98]. Ravnoteža između OMA1 ili YME1L cijepanja OPA1 reguliše fisiju mitohondrija [99].

Stimulacija OXPHOS-a inducira YME1L cijepanje OPA1 i mitohondrijalnu fuziju, dok je OPA1 cijepanje OMA1 odgovor na stres, a može izazvati i mitohondrijalnu fragmentaciju [87].

For more information:1950477648nn@gmail.com