Uvid u patogenezu neurodegenerativnih bolesti: fokus na mitohondrijalnu disfunkciju i oksidativni stres, dio 3

4.3.3. DNK

ROS može izazvati mnoge vrste oštećenja DNK, kao što su modifikacija baze, deoksiribosemodifikacija, jednolančani prekidi (SSB) i dvolančani prekidi (DSB), umrežavanje DNK ili abazična mjesta [235].

Kako učimo više o biologiji, otkrivamo da modifikacije baza mogu utjecati na ljudsko pamćenje. Ova ideja je vrlo uzbudljiva jer znači da možemo koristiti ove modifikacije za poboljšanje i poboljšanje funkcije našeg mozga.

Studije su pokazale da dodavanje metilacije egzonskoj DNK može utjecati na formiranje pamćenja i sposobnost prostornog učenja. U uzorcima ljudskog moždanog tkiva identifikovana je baza DNK 5-Hydroxymethylcytosine (5hmC) i povećana je njegova ekspresija u području kore velikog mozga odraslih ljudi.

Dalja istraživanja su pokazala da stjecanje novih informacija i konsolidacija sjećanja zahtijevaju najmanje dvije različite moždane funkcije, odnosno "snimanje" i "reprodukciju". U fazi snimanja, kolinergički neuroni oslobađaju acetilholin kako bi prenijeli informacije iz kratkoročne memorije u dugoročnu memoriju. U ovom procesu, metilaza (DNK metiltransferaza) igra važnu ulogu jer može igrati važnu ulogu u regulaciji ekspresije gena kada se formiraju nova sjećanja.

U sljedećoj fazi, fazi reprodukcije, neuroni ponavljaju prethodna iskustva. To znači da je konsolidovana memorija smještena u dugoročnu memoriju, a neki stručnjaci vjeruju da se metilacija ovih gena pretvara u oblik koji je vrlo lako preokrenuti, kao što je 5-Hydroxymethylcytosine. Odnosno, yutian kiselina igra ključnu ulogu u konsolidaciji dugoročnog pamćenja.

Stoga možemo vidjeti da su modifikacija baze i memorija usko povezani. To nam daje veliku nadu da osmislimo neke nove tretmane za poboljšanje učinkovitosti mozga, kao što je kognitivno poboljšanje i izbjegavanje kognitivnih deficita. Iako ima još puno posla koji treba obaviti, ovo je jedna od revolucionarnih studija u našem razumijevanju i istraživanju više nervnih sistema. Vidi se da moramo poboljšati pamćenje, a Cistanche može značajno poboljšati pamćenje jer Cistanche može regulisati i ravnotežu neurotransmitera, kao što je povećanje nivoa acetilholina i faktora rasta, koji su veoma važni za pamćenje i učenje. Osim toga, Cistanche također može poboljšati protok krvi i promovirati isporuku kisika, što može osigurati da mozak dobije dovoljnu ishranu i energiju, čime se poboljšava vitalnost i izdržljivost mozga.

Kliknite Znaj pomoć za memoriju

Oksidirana DNK je vjerovatno najčešći DNK lezioni neuroni [236]. U normalnim uslovima, ROS može uzrokovati do 50,000 DNK lezija/ćeliju/dan [237], a kašnjenje u popravljanju oštećenja DNK može uzrokovati genomsku nestabilnost i inducirati signalne kaskade koje dovode do smrti ćelije [238].

Ćelije imaju različite mehanizme popravke, kao što su popravak bazne ekscizije (BER), popravak neslaganja (MMR), popravak ekscizijom nukleotida (NER) i mehanizmi popravke jednostrukog (SSBR) i dvostrukog lanca (DSBR) [239].

Oksidirane baze DNK uklanjaju se uglavnom BER/SSBR mehanizmom i uključuju uklanjanje oštećene baze specifičnom DNK glikozilazom (DG), inciziju abazičnog mjesta pomoću AP-endonukleaze (APE1), popunjavanje nastale praznine DNK polimerazom i zatvaranje oštećenog lanca DNK pomoću DNK ligaze [240].

Identificirano je nekoliko DG-ova, kao što su uracil-DNA glikozilaze (UDG), timin DNK glikozilaza (TDG) ili oksidirane bazne specifične DG, kao što je 8-oxoGuanin (8-oxoG) DNAglikozilaza (OGG1) [ 241,242]. OGG1-1a je uključen u popravku nuklearne DNK, dok OGG1-2a doprinosi popravci mitohondrijalne DNK [243].

APE1 cijepa šećerno-fosfatnu kičmu DNK na abazičnom mjestu. Fosforilacija enzima, kao što se dešava nakon izlaganja 1-metil-4-fenilpiridinijumu (MPP+), smanjuje njegovu aktivnost enzima i rezultira akumulacijom oštećene DNK u neuronima [244].

Mitohondrijska DNK je još sklonija oksidativnom oštećenju jer se mitohondrijski genom nalazi blizu IMM-a, mjesta generiranja mitohondrijske ROS, i zato što mu nedostaju zaštitni histoni [245]. Kako je kontrola kvaliteta mitohondrijske DNK ključna za komunikaciju sa jezgrom, mitohondrije sadrže antioksidanse i enzime za popravku DNK, kao što su OGG1 i MUTYH (mutY DNK glikozilaza) [246].

Mitohondrijalna disfunkcija, kao što se dešava nakon brisanja mtDNA, može dovesti do aktivacije NF-κB putem signalnog puta ovisnog o akalcineurinu [247] i može, zauzvrat, biti inducirana različitim signalnim molekulima. Na primjer, PPAR-koaktivator 1 i SIRT1 regulišu mitohondrijalnu funkciju aktiviranjem ekspresije mitohondrijalnog transkripcionog faktora A (TFAM) [248].

Pored povećanog oksidativnog oštećenja uzrokovanog oksidativnim stresom, defektni mehanizmi popravljanja DNK opisani su u neurodegenerativnim bolestima, kao što su AD ili PD [235].

Dopaminergički neuroni pacijenata sa PD pokazali su povećanu regulaciju mitohondrijalnog OGG1 i više razine fosforiliranog APE1 [249]. Neuroni pacijenata sa AD imali su više razine oksidiranih baza DNK u nuklearnoj, kao i mitohondrijskoj DNK [250], pokazali su smanjenje aktivnosti OGG1 [251] i niže razine UDG [252] u poređenju sa neuronima zdravih osoba.

4.3.4. RNK i oksidativna oštećenja

RNK je bogatija, čini 80-90% nukleinske kiseline u stanicama [253], i podložnija je oksidativnim oštećenjima zbog svoje jednolančane strukture, blizine imitohondrija, nedostatka mehanizama za popravak oksidirane RNK i manje zaštite od proteina u poređenju sa DNK [60,254].

Funkcije molekula RNK u ćeliji su različite, uključujući ribosomalnu RNK (rRNA), koja je zajedno sa prijenosnom RNK (tRNA) i glasničkom RNK (mRNA) odgovorna za sintezu proteina, mikroRNA (miRNA), koje su posttranslacijske regulatori ekspresije gena, te male nuklearne i nukleolarne RNK.

Tradicionalno, mRNA se smatrala kao kodirajuća RNK [255]. Nekodirajuća RNA igra važnu ulogu u regulaciji spajanja mRNA i translaciji mRNA [256]. Najagresivniji radikal je hidroksilni radikal, proizveden u Fentonovom i Haber-Weissovim reakcijama [257].

Reaguje sa gvaninom i formira 8-hidroksigvanozin (8-OHG), jedan od najčešće korišćenih biomarkera oksidacije RNK [253]. Oštećenje RNK izazvano oksidativnim napadom dovodi do modificiranih baza i nukleozida, cijepanja i fragmentacije tRNA, aminoacilacije ili defekta u paru kodon-antikodon [258] i uzrokuje direktne prekide lanaca RNK [259], nepodudarnosti baza na tRNA, greške u translaciji [182], i poremećena sinteza proteina [260] sa značajnim uticajem na vitalnost ćelija.

Iako ćelije imaju nekoliko mehanizama za razgradnju izmijenjenih transkripata, kao što je besmisleno posredovano raspadanje mRNA (NMD) [261], ovi mehanizmi imaju tendenciju da budu preplavljeni starenjem. Tako se akumuliraju izmijenjeni pogrešno savijeni proteini [262].

5. Selektivna ranjivost neurona u neurodegenerativnim bolestima

Iako se mnogi putevi koji vode do povećanog stvaranja ROS-a i njihovih posljedica odnose na sve stanice, svaka neurodegenerativna bolest dovodi do degeneracije određenih grupa neurona, što je navelo istraživače da traže objašnjenja za ovu selektivnu ranjivost neuronskih populacija.

5.1. Selektivna neuronska ranjivost kod Alchajmerove bolesti

Gubitak pamćenja i kognitivni pad karakterističan za AD uzrokovani su atrofijom entorhinalnog korteksa (EC), uglavnom neurona u sloju II (ECII), i hipokampusa, posebno regije CA1 [72].

Istraživanja su pokazala da neuroni u ovim područjima imaju visoke energetske zahtjeve i vrlo su osjetljivi na smanjenu opskrbu kisikom i glukozom [263]. Osim toga, piramidalni neuroni CA1 i EC II su glutamatergični i stoga su ranjiviji na ekscitotoksičnost NMDA i štetne efekte povećane intracelularne koncentracije kalcija [264], za razliku od neokortikalnih inhibicijskih interneurona, koji imaju visoke razine proteina koji vežu Ca{3}65 [264] ].

Nedavno je opisan niz molekularnih obilježja ranjivih neurona. Na primjer, ECII piramidalni neuroni imaju oslabljenu aktivnost regulatora tau spajanja, što je vjerovatno povezano s poremećenom dinamikom mikrotubula [266], što može olakšati širenje tau u druge regije mozga putem CA1 neurona [267].

Pokazalo se da selektivno ranjive subpopulacije ekscitatornih neurona izražavaju RORB (RAR-relatedOrphan Receptor B), dok također pokazuju razlike u ekspresiji gena koji kodiraju sinapse u odnosu na proteine ​​lokalizirane aksonom, podjedinice kalijevih kanala, G-protein signalne molekule neurotransmitera receptora i signalne molekule [268].

Međutim, veze između ekspresije RORB, akumulacije fosforiliranog taua i neuralne degeneracije ostaju da se dalje okarakteriziraju.

5.2. Selektivna neuronska ranjivost kod Parkinsonove bolesti

Motorički simptomi PD uzrokovani su gubitkom nigralnih dopaminergičkih neurona što dovodi do smanjenja dopamina u dorzalnom striatumu [269]. Strukturno, ovi neuroni imaju veoma duge i razgranate aksone (do 4,5 m), povezani su sa velikim brojem neurona (do 2,4 miliona sinapsi) [270,271], što zahteva visoku gustinu aksonalmitohondrija i izaziva mitohondrijalnu bioenergetiku [272].

Na molekularnom nivou, nigralni dopaminergički neuroni imaju nizak kapacitet puferiranja Ca2+- uprkos visokom opterećenju Ca2+ zavisnom od aktivnosti, što povećava stvaranje OXPHOS-a i ROS-a [273] i može promovirati oštećenje mtDNK [274]. Osim toga, sam metabolizam dopamina dovodi do stvaranja ROS-a i uzrokuje akumulaciju delecija mtDNA [275].

5.3. Ranjivost motornog neurona kod amiotrofične lateralne skleroze

Patološki znak ALS-a je degeneracija gornjih i donjih motornih neurona, koji oba imaju vrlo duge aksone i, prema tome, zavise od pravilnog funkcionisanja mitohondrija i prometa [72].

Velika veličina motoričke jedinice nameće visoke energetske zahtjeve neuronima kičmenog motora za održavanje neurotransmisije i kontrakcije mišića [276].

Relativna očuvanost motornih neurona u jezgri okulomotornog, trohlearnog i abducensnog može se povezati s malim brojem inerviranih mišićnih vlakana (do pet mišićnih vlakana za razliku od najmanje 300 vlakana inerviranih motornim neuronima kralježnice) [277], posebnog grožđa- sličnu strukturu neuromišićnog spoja [278], kao i visok kapacitet puferiranja Ca2+ ovih neurona [279].

6. Oksidativni stres kod neurodegenerativnih bolesti

Istraživanja su sve više pokazala prisustvo markera oksidativnog stresa u nervnom sistemu pacijenata koji imaju neurodegenerativne bolesti, ali molekularni putevi tek počinju da se rasvetljavaju.

Opis genetskih defekata koji dovode do AD, PD, HD ili ALS pomogao je u identifikaciji nizvodnih efekata mutantnih proteina, sa sličnim putevima koji su kasnije demonstrirani u idiopatskim oblicima bolesti. Međutim, patofiziologija je još uvijek nepotpuno razjašnjena, unatoč akumuliranom znanju koje je već dovelo do terapijskih pokušaja.

6.1. Oksidativni stres kod Alchajmerove bolesti

Porodični slučajevi AD sa mutacijama presenilina 1 (PS1) i 2 (PS2) povezuju patogenezu AD sa poremećenom homeostazom kalcijuma [280]. PS stupaju u interakciju sa rijanodinskim receptorima [281] i utiču na spajanje ER-mitohondrija [282].

Zaista, visoki MAM brojevi su opisani u životinjskim modelima AD i fibroblasta ili moždanog tkiva pacijenata sa AD [283]. Osim toga, A agregati mogu posredovati u prijenosu Ca2+ iz ER u njihove mitohondrije preko MCU [284], dok tau inhibira mitohondrijski efluks kalcijuma [285].

Štaviše, A može formirati kanale propusne za kalcijum u membranama [286,287], dok tau može formirati neselektivne jonske kanale u lipidnim dvoslojevima [288]. Štetni učinci povećanog mitohondrijalnog kalcija u izazivanju mitohondrijalne disfunkcije i oksidativnog stresa opisani su u prethodnim odjeljcima.

U astrocitima, A u interakciji s receptorima koji osjećuju kalcij (CaSRs) indukuje njihovu regulaciju, vodeći susjedni neuroni da luče novosintetizirani A, dušikov oksid i peroksinitrit [289].

U mitohondrijima, jedna od najranijih promjena povezanih s AD je epoksidacija ATPsintaze s posljedičnom redukcijom njene funkcije, opisana u EC neuronima već u Braakovim fazama I-II [290,291]. Smješten unutar IMM-a, umetnut u dvosloj lipida bogat PUFA i blizu mitohondrijalnog matriksa, enzim je laka meta za slobodne radikale generirane kompleksima I i III [292].

Pored energetskog neuspjeha, modifikacija ATP sintaze dodatno povećava proizvodnju ROS uz naknadno potenciranje oksidativnih modifikacija bioloških molekula [293].

U ovoj kaskadi, većina modificiranih proizvoda lipoksidacije uključena je u energetski metabolizam, povećavajući energetski neuspjeh, a zatim slijede proteini uključeni u neurotransmisiju, antioksidantnu odbranu i jonske kanale, kao što je prikazano u Tabeli 1.

Komunikacija između mitohondrija i jezgre i uvoz nuklearno kodiranih mitohondrijalnih podjedinica narušeni su bioenergetskim defektima i disfunkcionalnim mitohondrijskim proteinima, što dovodi do izmijenjene ekspresije regulatornih i strukturnih mitohondrijalnih kompleksa i enzima [299]. Metabolizam lipida je također promijenjen, sa promjenama u lipidomskim profilima opisanim u AD, posebno u EC [300].

Oksidativno oštećenje PUFA dovodi do smanjenja ovih masnih kiselina u lipidnim splavovima u EC od ranih faza AD [301], s posljedicama na debljinu membrane, fluidnost, zakrivljenost, kao i aktivnost proteina vezanih za membranu, koji favoriziraju amiloidogenu obradu amiloida. prekursor proteina.

Čini se da su mitohondrijski oksidativni stres, izmijenjen metabolizam lipida, lipidna peroksidacija i bioenergetski defekti dio samoodržive petlje koja doprinosi povećanju izmijenjene dinamike mitohondrija, prometu mitohondrijama, poremećenoj interakciji mitofagija90 i mitohondrija90.

Intracelularno nakupljanje amiloida beta (A) i fosforiliranog taua izaziva veliki dio izmijenjene mitohondrijalne dinamike, izražene kao pretjerana fragmentacija mitohondrija, sa povećanim brojem i smanjenom veličinom mitohondrija [302]. I A i fosforilirani tau povećavaju GTPazu aktivnost Drp1, što dovodi do prekomjerne mitohondrijalne fragmentacije [303,304].

In vitro, mutantne APP ćelijske linije su pokazale visoke koncentracije mRNA i proteina mitohondrijske fisije i smanjene nivoe mRNA i proteina mitohondrijalne fuzije [305]. Takođe je pokazano da fosforilirani tau smanjuje Opa1 i povećava Mfn1 i Mfn2 [306].

Osim toga, citoplazmatska akumulacija A dovodi do iscrpljivanja nivoa Parkina i PINK1, čime se ometa put mitofagije. Defektna mitofagija rezultira akumulacijom autofagičnih vakuola u neuronskoj somi i disfunkcionalnim neuritima [307], što je proces potenciran posebnostima mitofagije u neuronima, gdje su zreli lizozomi koncentrirani u tijelu stanice, dok se mitohondrije protežu duž aksona i dendrita neurona neurona. mitofagija je sporiji proces [308].

Osim toga, A oligomeri stupaju u interakciju s autofagnim vakuolama u distalnim dijelovima aksona, što dovodi do inhibicije mitohondrialaksonalnog transporta [309]. Osim toga, u laboratorijskim modelima, mutacije u PS1 genu su promijenile lizozomalnu acidifikaciju [310] i dovele do smanjene ekspresije gena povezanih s autofagijom putem ERK/CREB signalnog puta [311].

Protein tau takođe ima važan doprinos zaštiti fizioloških stanja ćelijskog genoma, vezivanjem hromatina [236]. Hiperfosforilirano stanje tau ometa ovu funkciju, stvarajući pretpostavke za nanošenje više oksidativnih oštećenja DNK i duže vrijeme potrebno za popravku ovih lezija DNK [236].

Ne smije se zanemariti uloga mikroglijalne aktivacije i kronične upale u patogenezi AD. Microglia, urođene imunološke ćelije nervnog sistema slične makrofagima, čine oko 10% stanične populacije u zdravom mozgu odraslih [312].

U AD, mikroglija ima povećanu ekspresiju receptora komplementa što dovodi do pojačane regulacije NF-κB signalnog puta, A-aktiviranih Fc receptora (koji induciraju ekspresiju upalnog proteina MIP-makrofaga-1) i povećane ekspresije receptora za uklanjanje A{ {4}} i B (SCARA i SCARB) [313,314]. Vezivanje A za SCARB-2 aktivira mikrogliju, da proizvodi proinflamatorne citokine, hemokine i ROS [315].

Povećani nivoi taua, izazivanjem ekspresije receptora sličnih toll-u, također dovode do otpuštanja proinflamatornih citokina IL-1 , IL-6 i IL-8 kroz NF-κB signalni put [316]. Iako zapaljenje aktivira autofagiju u ćelijama [108], budući da oštećenje autofagije utiče i na mikroglijalne ćelije, hronični inflamatorni mikroglijalni fenotipovi suplementarno doprinose oštećenju neurona u AD [317].

6.2. Oksidativni stres kod Parkinsonove bolesti

PD je druga najčešća neurodegenerativna bolest, koja pokazuje i kognitivna i neuromišićna oštećenja.

Iako je većina slučajeva sporadična, opisano je nekoliko mutacija u porodičnim i ranim oblicima PD, kao što su mutacije u PARK1 (kodiranje PINK1), PARK2 (kodiranje za Parkin), PARK1/4 (-sinuklein), PARK7 (DJ1), PARK8 (LRRK2), PARK9 (ATP13A2) PARK17 (Vsp35), FBX07, GIGYF2 ili HTRA2, naglašavajući uključenost puta degradacije proteina ubikvitina, oksidativnog stresa, staze preživljavanja, mitohondrijalne funkcije i apoptoze u patogenezi PD311 [38].

Patološko obeležje PD je nakupljanje nerastvorljivih inkluzija koje se sastoje pretežno od sinukleina (Lewyeva tela) uglavnom u nigralnim dopaminergičkim neuronima [61].

Proučavanje Parkinsonovih sindroma izazvanih toksinima pomoglo je u razjašnjavanju PD-patogeneze. U 20. stoljeću, pokazalo se da izlaganje 1-metil-fenil 4-fenil-1,2,3,6-tetrahidpiridinu izaziva simptome koji liče na teški parkinsonizam [319] ometanjem sa kompleksom I ETC.

Nadalje, u eksperimentalnom okruženju, rotenon, inhibitor kompleksa I, doveo je do apoptoze u ćelijama humanog neuroblastoma, a ovaj nalaz je proširen kako bi se raspravljalo o uključenosti izloženosti pesticidima u etiologiju PD [320].

Nakon toga, nekoliko istraživača je uporno prijavljivalo defekt kompleksa I mitohondrijske ETC koji dovodi do 30-40% pada njegove aktivnosti [48,321], uzrokovanog smanjenom stopom proizvodnje podjedinica kompleksa I, uništavanjem njegove strukture i oksidativnim oštećenjem [ 322]. -sinuklein cilja mitohondrije i dovodi do smanjenja aktivnosti kompleksa [323].

LLRK2 (leucin-rich repeat kinase 2) mutacije mogu povećati nivoe -sinukleina [324]. PINK1 i Parkin regulišu mitofagiju, kao što je ranije opisano. DJ1 je važan za integritet i dinamiku mitohondrija; Pokazalo se da prekomerna ekspresija DJ1 smanjuje fragmentaciju mitohondrija izazvanu rotenonom, nezavisno od PINK1 [325].

Uvjerljivi dokazi su pokazali nakupljanje povećanih produkata oksidacije lipida, proteina i DNK u degenerirajućim neuronima u PD [326–328] zajedno sa smanjenjem antioksidansa GSH [329], što implicira oksidativni stres u patogenezi PD.

U početku, ROS vjerovatno potiče od ETC-a, vanjskih faktora i autooksidacije dopamina [330], potenciran kasnije monoamin oksidazom B metabolizmom dopamina, upalnim odgovorima ili doprinosom teških metala [331].

Pokazalo se da ROS indukuje neortodoksnu aktivaciju regulatornog proteina gvožđa 1, čime doprinosi akumulaciji gvožđa u dopaminergičkim ćelijama [332]. Vodikov peroksid može lako difuzirati u susjedne neurone, gdje može generirati hidroksilne radikale kroz interakciju sa željezom [55].

PINK1 mutacije u domeni kinaze mitohondrijski locirane molekule takođe povećavaju osetljivost ćelija na oksidativni stres [55,333].

For more information:1950477648nn@gmail.com