Makroautofagija i mitofagija kod neurodegenerativnih poremećaja: fokus na terapijske intervencije, 2. dio

3.1.2. Mitofagija u AD

Akumulacija oštećenih mitohondrija je obeležje AD. Mitohondrijalna disfunkcija i povezani bioenergetski deficiti i oksidativni stres doprinose agregaciji A i hiperfosforilaciji tau [154,155], koji su, zauzvrat, posrednici mitohondrijalnih defekata [156].

Smatra se da su mitohondrije tvornice energije unutar ćelija, a oštećeni mitohondriji mogu uzrokovati niz zdravstvenih problema, uključujući gubitak pamćenja. Ali postoje i pozitivni aspekti. Sve dok poduzimamo prave mjere, možemo efikasno poboljšati stanje mitohondrija i poboljšati svoje pamćenje.

Glavna funkcija mitohondrija je proizvodnja energije koja može zadovoljiti različite potrebe stanica. Ali u nekim slučajevima mitohondrije mogu biti oštećene, što rezultira smanjenom proizvodnjom energije, što može dovesti do zdravstvenih problema kao što je gubitak pamćenja. Osim toga, mitohondrije također mogu uzrokovati upalu, što dodatno utiče na fizičko zdravlje.

Međutim, u kontekstu razvoja moderne medicine, nekim metodama možemo pomoći mitohondrijima da povrate svoje zdravlje. Na primjer, aerobne vježbe, uravnotežena ishrana i fizičke vježbe mogu unaprijediti zdravlje mitohondrija, čime se poboljšava naše pamćenje. Osim toga, neke prirodne namirnice poput prirodnog bilja i orašastih plodova također imaju dobre popravke i zaštitne efekte mitohondrija, za održavanje normalnog stanja tijela.

Ukratko, iako oštećenja mitohondrija mogu uzrokovati zdravstvene probleme, trebali bismo nastaviti aktivno istraživati ​​različite načine traženja načina za poboljšanje zdravlja mitohondrija kako bismo bolje održali fizičko zdravlje i inteligenciju. Vidi se da moramo poboljšati pamćenje, a Cistanche može značajno poboljšati pamćenje jer je Cistanche tradicionalni kineski ljekoviti 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 Znaj kratkoročno pamćenje kako poboljšati

Prema tome, A peptidi nisu bili toksični za ćelije bez funkcionalnih mitohondrija (ćelije osiromašene mitohondrijskom DNK) [157]. Izlaganje primarnih kortikalnih neurona peptidima A 1-42 izaziva otvaranje tranzicijskih pora mitohondrijalne membrane [156].

Štaviše, zajedničko izlaganje kortikalnih neurona sa A i NMDA posredovanom aktivacijom NMDAR dalje indukuje mitohondrijalnu depolarizaciju i povećano zadržavanje mitohondrijalnog kalcijuma [158]. Dodatno, sinaptički terminali izloženi A agregatima pokazali su mitohondrijalnu disfunkciju, viši nivo oksidativnog stresa i poremećen transport glutamata i glukoze [159].

Nadalje, uzorci iz moždanog tkiva tau mutantnih miševa pokazali su mitohondrijalne respiratorne defekte i veću proizvodnju ROS [160]. Akumulacija N-terminalnog tau fragmenta bila je povezana sa smanjenom aktivnošću mitohondrijalne citokrom c oksidaze u ljudskom AD mozgu [161].

Štaviše, smanjenje ATP-a uzrokovano defektima mitohondrija aktivira AMPK i posljedično autofagiju [162], povezujući mitohondrijalnu funkciju s regulacijom autofagije.

Čišćenje nezdravih mitohondrija mitofagijom je ugroženo u AD iako mehanizam nije u potpunosti okarakterisan. Prethodne studije koje su koristile postmortemhipokampalno tkivo pacijenata sa AD i neurone dobijene od AD iPSC pokazale su niže nivoe proteina povezanih sa mitofagijom, niže nivoe PINK1 i BNIP3L/NIX, i inaktivaciju proteina inicijacije mitofagije, kao što je fosfo-ULK1 [163].

Poremećaj mitofagije je takođe opisan u APP i modelima prekomerne ekspresije tau [164]. Uloga defektne mitofagije u patogenezi AD dodatno je podržana poboljšanjem pamćenja u APP/PS1 modelima miša nakon korekcije neuronske mitofagije [163]. Studije sa AD modelima su pokazale umetanje tau u mitohondrijalnu membranu čime je poništena mitofagija posredovana Parkinom [165].

Štaviše, prekomjerna ekspresija mitofaginom A tretiranih s Parkinom obnovljenih stanica i poboljšana funkcija mitohondrija [166]. Uprkos povećanoj translokaciji Parkina u mitohondrije, prisustvo nesvarenih lizosoma unutar mitohondrija pokazuje manjkavu lizozomalnu efikasnost u AD u ranim fazama [167].

Nivoi proteina uključenih u fisiju mitohondrija, korak koji je neophodan za izolovane oštećene mitohondrije prije njihovog progutanja autofagosomom, povišeni su u ADbrains [168].

Konzistentno, izmijenjena morfologija mitohondrija prema fragmentaciji je uočena u AD, koja se pogoršava kada se nivoi A i p-tau povećaju i ovi proteini stupe u interakciju s proteinom povezanim s Drp1 fisijom [169].

Poremećaj anterogradnog pokreta doprinosi mitohondrijalnoj disfunkciji prikazanoj u neuronima iz transgenih AD modela [170]. Defektno anterogradno kretanje narušava fuziju starih mitohondrija sa novoformiranim organelom u somi, čime inhibira njihovu popravku posredovanu fuzijom. Dodatno, defektno retrogradno kretanje opisano u AD [129] smanjuje uklanjanje defektnih mitohondrija u somi autofagijom.

Smanjeni nivoi SIRT1 opisani u AD takođe kompromituju aktivaciju proteina autofagije, stabilizaciju inmitohondrija PINK1 i regulaciju mitofagijskih receptora Nix/BNIP3L i LC3 [171].

Štaviše, mitohondrijalni SIRT3 nivoi su smanjeni u AD, što rezultira nižom FOXO3-posredovanom aktivacijom p62 [172]. Smanjeni intracelularni nivoi NAD+ su prijavljeni u AD [173], a smanjenje nivoa NAD+ takođe može smanjiti aktivnost sirtuina.

Stoga, smanjeni nivoi i aktivnost SIRT-a mogu ugroziti mitofagiju, što dovodi do akumulacije oštećenih mitohondrija u AD.

3.2. Parkinsonova bolest

PD je neurodegenerativna bolest koja je rezultat degenerativnog gubitka dopaminergičkih neurona u substantia nigra pars compacta (SNpc), što dovodi do nedostatka dopamina [174].

Posturalna nestabilnost, bradikinezija i hod su tipične osobine bolesti, često praćene hiposmijom i izraženim gastrointestinalnim komplikacijama u obliku gastropareze i zatvora [175].

Histopatološki znak PD je prisustvo fibrilarnih agregata koji se nazivaju Lewyjeva tijela (LB), u kojima je -sinuklein (aSyn) glavni sastojak [176]. aSyn je prirodno nesavijeni protein s mnogim pripisanim funkcijama u razvoju neurona i sinaptičkoj signalizaciji [177].

Međutim, neke studije pokazuju da nedostatak aSyn divljeg tipa (WT) nije relevantan za bazalnu neuronalnu funkciju [178], što sugerira da gubitak funkcije aSyn ne uzrokuje PD. Uprkos intenzivnoj raspravi, aSyn oligomeri su toksični za neuronske ćelije [179].

3.2.1. Autofagija u PD

Autofagija je prvi put bila povezana sa PD kada su Anglade i kolege otkrili da je smrt dopaminergičkih neurona u SNpc u postmortalnom mozgu pacijenata sa PD povezana sa autofagnom deregulacijom [180].

Monomerni aSyn je kratkotrajni protein i stoga njegove fiziološke nivoe održava uglavnom ubikvitin-proteasomski sistem (UPS) [181]. Međutim, u slučaju intracelularnog preopterećenja aSyn, klirens nativeaSyn od strane UPS-a postaje nedovoljan, čime se eliminacija aSyn monomera prebacuje na autofagosomsko-lizozomalni put (ALP) [182].

Zanimljivo je da je studija u kojoj su miševi ubrizgani humanim aSyn adenovirusom u supstanciju nigra pokazala da su mnogi autofagični proteini povećani u početnoj fazi bolesti, što ukazuje na povećanje autofagije u ovoj fazi [183]. Međutim, postmortem studije ukazuju na povećanje nivoa LC3 II i smanjenje katepsina D, ukazujući na oštećenu funkciju ALP puta [121].

Štaviše, histološki nalazi pokazuju da je LC3 II često lokaliziran unutar aSyn inkluzija [184], što implicira ne samo defektan autofagični proces, već i da je makroautofagija odgovorna za uklanjanje aSyn agregata [185].

CMA je snažno oštećen u PD, jer je smanjena ekspresija LAMP2a i Hsc70 uočena u postmortalnom mozgu pacijenata sa PD [121,186]. Zanimljivo je da su preostale LAMP2a-pozitivne vezikule ko-lokalizirane sa an. Ova zapažanja su u skladu sa činjenicom da aSyn nosi pentapeptid sličan KFERQ, 95VKKDQ99, sa jakom specifičnošću za lizozomske vezikule [187,188].

U aSyn oligomerima, ovaj pentapeptid je još uvijek dostupan i omogućava agregatima da se vežu za lizozomske receptore, blokirajući uvoz aSyn u lizozom, što djelimično objašnjava defekte uočene u CMA neuronskih ćelija u PD [185]. Daljnje studije su pokazale da posttranslacijske modifikacije u aSynal također ometaju CMA put i doprinose ukupnoj ćelijskoj toksičnosti [189].

Zaista, čini se da je specifična inhibicija CMA postignuta smanjenjem LAMP2a odgovorna za povećanje nivoa prirodnog aSyn u kortikalnim neuronima pacova [190]. Dodatno, smanjenje ekspresije LAMP2a u nigrostrijatalnom krugu pacova dovodi do smrti dopaminergičkih ćelija, praćeno povećanjem nivoa aSyn proteina i povećanjem ekspresije LC3 [191].

Stoga se čini da je CMA izuzetno relevantan put za razgradnju WT aSyn. Glukocerebrozidaza (GBA) je lizozomalni protein odgovoran za cijepanje glukocerebrozida i glukozil sfingozina u lumenu ovih vezikula.

Nedostatak GBA dovodi do akumulacije supstrata u lizozomu, sa štetnim efektima na endolizozomalni put. Zanimljivo je da se heterozigotne mutacije u GBA lokusu smatraju glavnim faktorom rizika za razvoj PD [192]. Homozigotne GBA mutantne individue razvijaju Gaucherovu bolest, kao rezultat čega veliki dio razvija parkinsonizam [193].

Povezanost između GBA i aSyn patologija pronađena je kod pacijenata sa poremećajima Lewyjevog tijela, spektrom bolesti s alternativnim oblicima parkinsonizma. Kod ovih pacijenata, prisustvo aSyn inkluzija je u velikoj korelaciji sa prisustvom mutantnog GBA u SNpc postmortem mozga [194].

Zanimljivo je da je u dopaminergičkim neuronima izvedenim iz iPSC heterozigotnih GBA pacijenata sa PD, koji pokazuju smanjenu aktivnost GBA, pronađeno je povećanje broja i povećanje lizosoma [195], praćeno povećanim nivoima aSyn oligomera u neuronima izvedenim iz PD, u poređenju s kontrolnim stanicama. .

Štaviše, nokdaun GBA u striatumu štakora doveo je do akumulacije oligomernog aSyn, čemu je prethodio poremećaj autofagnog puta. Beclin-1 može posredovati u efektima GBA jer je njegova aktivnost smanjena nakon smanjenja aktivnosti GBA, uz istovremenu redukciju LC3 II [196].

Ponovljena kinaza 2 bogata leucinom (LRRK2) povezana je sa oblikom autosomno dominantnog oblika PD, što je također glavni faktor rizika za idiopatsku PD. Osim mnogih ćelijskih funkcija, LRRK2 ima istaknutu ulogu u autofagiji, jer je uključen u nekoliko različitih faza procesa [197].

Studija koja je koristila LRRK2 model knock-in miša ovisno o dobi pokazalo je da neuroni srednjeg mozga imaju veći broj LAMP2a-pozitivnih vezikula u poređenju sa WTmice [197], što sugerira nakupljanje lizozomalnih vezikula. Ovo povećanje je povezano sa lošijom efikasnošću CMA jer je klirens supstrata specifičnih za lizozome sa KFERQ motivom bio niži na ćelijama srednjeg mozga koje su zakucale LRRK2.

Ovo je u skladu s dokazima koji pokazuju da LRRK2 regulira aktivnost podskupa Rab GTPaza, koje su odgovorne za mobilizaciju membrane, sklapanje vezikula i transport [198,199].G2019S je najčešća mutacija u LRRK{4}}povezanoj PD, i Smatra se da mutirani LRRK2 zaustavlja autofagijski proces.

Na primjer, diferencirane SH-SY5Y neuronske ćelije koje eksprimiraju ovaj mutantni oblik LRRK2 predstavljaju mnogo manje neurite i aberantnu akumulaciju LC3 vezikula [200]. Štaviše, kod miševa koji su nosili mutant G2019S LRRK2, došlo je do povećanja ranih i kasnih autofagnih vezikula, sa štetnim efektima na broj neurona koji nose tirozin hidroksilazu (TH) i na neuronalmorfologiju korteksa [201].

Ova zapažanja mogu biti potkrijepljena činjenicom da se vjeruje da aktivnost LRRK2 utiče na makroautofagiju putem Beclin-1 na mTOR nezavisnom putu [202]. Budući da se veća ekspresija nativnog aSyn smatra faktorom rizika za razvoj idiopatskog PD [203 ], makroautofagija preuzima ključnu ulogu u održavanju bilo kojeg stanijskog obilja.

Zanimljivo, nalazi pokazuju da ekspresija mutantnih oblika aSyn ili prekomjerna ekspresija WT aSyn blokira autofagiju [204], dajući ključnu ulogu u ovom procesu u progresiji bolesti. Potvrđujući ova zapažanja, Vogiatzi i saradnici su otkrili da se WT aSyn povećao 1.5- do 3.8-puta u PC12 ćelijama nakon primjene 3-metiladenina (3-MA), a inhibitor makroautofagije [190].

Dodatno, zasijavanje aSyn fibrila dovodi do inkluzija aSyn otpornih na degradaciju, sa negativnim ishodom u makroautofagiji. Ćelije koje sadrže aSyn agregate pokazuju nagomilavanje autofagosoma [205], što se može objasniti činjenicom da inkluzije aSyn promovišu mislokalizaciju mATG9, proteina koji olakšava promet membrane za fagoforeformaciju [204].

Nedavno je uočeno da ekspresija A30P aSyn u primarnim kulturama dopaminergičkih neurona srednjeg mozga zaustavlja autofagični tok, što je uočeno smanjenjem LC3 proteina povezanog s autofagozomima uz istovremeni porast nivoa SQSTM1/p62 [206].

Štaviše, u mononuklearnim ćelijama periferne krvi dobijenim od pacijenata sa PD, otkriveno je da su autofagni proteini kao što su ULK1 i Beclin1 neregulisani, što je u korelaciji sa akumulacijom [207]. Priroda autofagije koja se samo obnavlja je neophodna za patofiziologiju PD, a nemogućnost recikliranja je pogrešno savijena. ili agregirani proteini imaju dubok uticaj na neuronske ćelije [61].

Stoga studije sugeriraju da bi poremećena autofagija mogla biti etiološki faktor u patogenezi PD. Na primjer, specifična ablacija ATG7, bitna za autofagozomsko produženje u dopaminergičkim neuronima ostarjelih miševa, inducira karakteristične karakteristike PD, kao što su motorna slabost, gubitak TH-pozitivnih neurona i taloženje aSyn [208].

Štaviše, osiromašenje ATG7 dovodi do prisustva p62-koji sadrže aSyn inkluzije u SNpc dopaminergičkim neuronima i snažnog povećanja poliubikvitiniranih supstrata [209]. Iako su defekti u autofagiji transverzalni u odnosu na PD modele, odnos uzročnosti treba dalje istražiti.

3.2.2. Mitofagija u PD

Mitohondrije igraju centralnu ulogu u patogenezi PD [210]. Zatajenje mitohondrija, uključujući smanjenu aktivnost kompleksa I, dobro opisano u postmortalnom mozgu pacijenata sa idiopatskim PD [211,212], zajedno s povećanim oksidativnim stresom u nigrostriatalnim neuronima [213] i nižim mitohondrijskim kapacitetom puferiranja Ca2+ [214] , su dobro poznate karakteristike neurodegenerativnog procesa PD, koje naglašavaju iznimnu važnost čišćenja oštećenih mitohondrija u oboljelim neuronima. Opisani su aSyn oligomeri da induciraju oštećenje mitohondrija.

Zaista, i WT i mutantni aSyn se uvoze u mitohondrije u ćelijskim linijama [215], kultivisanim dopaminergičkim neuronima i mozgovima pacijenata sa PD [216]. Međutim, A53T aSyn ima brže stope akumulacije u mitohondrijima, narušavajući aktivnost kompleksa I i uzrokujući pojačanu proizvodnju ROS-a [217]. Nadalje, studija koja je koristila dopaminergičke neuronske kulture pokazala je da se aSyn agregati koji zadržavaju pSer129 aSyn vezuju prvenstveno za mitohondrije, a ne za WT aSyn, što dovodi do poremećene oksidativne fosforilacije [218].

Zaista, mutant aSyn stimulira fragmentaciju mitohondrija i promovira prisustvo kardiolipina na površini mitohondrija [219]. Kardiolipin je signal opasnosti koji izazivaju mitohondrije koje se povezuju sa LC3 da bi pokrenule mitofagiju [220].

Izvanredno, aSyn se može vezati za kardiolipin, natječući se s LC3 i zaustavljajući mitofagiju [219]. Dinamička interakcija između Parkina i PINK1 omogućava ispravnu identifikaciju oštećenih mitohondrija.

Zapanjujuće je da su mutacije Parkin i PINK1 gena odgovorne za rani početak autozomno recesivnih oblika PD [221]. Patološki dokazi pronađeni su u mozgu ovih pacijenata sa PD, kao što je smanjena populacija neurona u SNpc i fibrilarna glioza [222]. U PD, Parkinova aktivnost pojačava funkciju Drp1 kako bi promovirala fisiju mitohondrija i smanjuje funkciju Mfn1/2 kako bi spriječila fuziju, što rezultira manjim mitohondrijama koje je lakše zahvatiti fagoforima [223].

Zanimljivo je da mutantni oblici Parkina ne uspijevaju da se lokaliziraju unutar mitohondrija nakon depolarizirajućeg inzulta, što dovodi do inhibicije mitofagije [224]. Štaviše, proteini lokalizirani na OMM-u koji regulišu apoptotičke događaje, kao što su Bcl-XL i Mcl-1, inhibiraju regrutaciju Parkina u mitohondrije, blokirajući mitofagiju [225].

Osim toga, p62-pozitivne mitohondrije sklone selektivnoj degradaciji su smanjene u ćelijama koje eksprimiraju mutant Parkina [226], što se može dogoditi zbog sekvestracije Parkina u nerastvorljive agregate [227]. Transgeni miševi sa odsutnim Parkinom pokazuju povećanje pSer129 aSyn, ali ne i ukupnih nivoa aSyn [228]. Takva ablacija može proizvesti blage nigrostrijalne defekte [229], povezane s promijenjenom morfologijom mitohondrija [230].

Ovi nalazi se mogu objasniti Parkinovom sposobnošću da modulira stanje fosforilacije aSyn na Ser129 [231]. Pokazalo se da PINK1 mutantni oblici povezani sa PD ne uspijevaju precizno regrutirati Parkina u mitohondrije, što rezultira disfunkcionalnom mitofagijom [232]. Dodatno, PINK1 ablacija dovodi do povećanja broja fragmentiranih mitohondrija [233], što je uobičajena karakteristika dopaminergičkih neurona pacijenata sa PD [234].

Iako na broj dopaminergičkih neurona ostaje nepromijenjen PINK1, strijatalni neuroni PINK1−/− miševa pokazuju smanjeni kapacitet za oslobađanje dopamina [235] i podložniji su egzogenim stresorima kao što je oksidativni stres [236].

Ova zapažanja su praćena nižim stopama disanja kod mutantnih životinja i smanjenom aktivnošću imitohondrijalnog kompleksa I [237], što može objasniti doprinos ove mutacije PD. Iznenađujuće, smanjenje Parkina ili PINK1 samo po sebi ne inducira očiglednu neuronsku degeneraciju kod glodavaca, što sugerira da drugi Parkin/PINK1-nezavisni mitofagijski procesi mogu se odvijati [228].

Relevantnost mitohondrijske disfunkcije, a time i mitofagije, potcrtana je činjenicom da nekoliko mitohondrijskih toksina, uključujući 1-metil-4-fenil-1,2,3,6-tetrahidropiridin (MPTP) i rotenon, često oponašaju molekularnu disfunkciju u PD i koriste se kao modeli za idiopatsku PD [238]. Ovi toksini ciljaju na kompleks I koji inhibira mitohondrije, što se obično opaža u postmortem mozgovima pacijenata sa PD [212].

MPTP inducira parkinsonizam promovišući dopaminergičku neurodegeneraciju i akumulaciju aSyn [239]. MPTP je lipofilno jedinjenje koje može proći krvno-moždanu barijeru (BBB), a u astrocitima se pretvara u svoj jonski oblik 1-metil4-fenil piridinijum (MPP+) [240]. Ovaj aktivni oblik (MPP+) služi kao supstrat visokog afiniteta za dopaminergičke transportere da uđu u neuronske ćelije [241], inhibirajući mitohondrijski kompleks I i posljedično smanjujući stope disanja [239], među ostalim citotoksičnim efektima.

Zaista, tretman MPP+ u primarnim dopaminergičkim neuronima štakora i ćelijama SH-SY5Y promovira Drp1-zavisnu fragmentaciju mitohondrija [242]. Dodatno, u PC12 dopaminergički diferenciranim ćelijama, MPP+-indukovano oštećenje mitohondrija je praćeno dramatičnim smanjenjem brzina aksonskog transporta, praćeno izraženim neurodegenerativnim procesom [243].

Isto tako, rotenon, još jedan jak inhibitor kompleksa I, može oponašati fenotipske karakteristike PD. Kada se ubrizgava miševima, rotenon stimulira selektivnu smrt dopaminergičkih neurona zajedno s pojavom aSyn agregata i motoričke disfunkcije [244]. Osim toga, primjena rotenona remeti autofagični tok, što je otkriveno povećanjem LC3 i p62 i smanjenim nivoima LAMP2a, zaustavljajući selektivnu degradaciju mitohondrija [244].

Treba napomenuti da rotenon ima ozbiljan utjecaj na mrežu mikrotubula [245], narušavajući autofagni tok kod pacova [244] i mijenjajući njihovu brzinu kretanja mitohondrija u neuritima diferenciranih SH-SY5Y ćelija [246]. Budući da mitofagija u velikoj mjeri ovisi o transportu ovisnom o mikrotubulama [247], očekuje se da će mitofagija biti poremećena nakon izlaganja rotenonu.

For more information:1950477648nn@gmail.com