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

2. Mitofagija

Mitohondrije imaju dvostruku membranu, koja se sastoji od unutrašnje mitohondrijalne membrane (IMM) i vanjske mitohondrijalne membrane (OMM), odvojene intramembranskim prostorom.

Unutrašnja mitohondrijska membrana je važna komponenta ćelije. Njegova glavna funkcija je da generiše energiju potrebnu za ćeliju i kontrolira metabolizam cijele stanice. Moderna biološka istraživanja pokazuju da je unutarnja mitohondrijalna membrana također usko povezana s ljudskim kognitivnim sposobnostima, posebno pamćenjem.

Molekuli unutrašnje mitohondrijalne membrane takođe sadrže neke komponente vezane za kogniciju i nervni sistem, kao što su membranski proteini i sistemi oksidativne fosforilacije. Ove komponente su direktno uključene u metabolički proces moždanih ćelija, a njihov status aktivnosti će uticati na normalnu funkciju neurona, čime će uticati na ljudsku spoznaju i pamćenje.

Osim toga, molekula koja se zove mitohondrijski transporter u unutrašnjoj mitohondrijalnoj membrani također igra važnu ulogu u skladištenju i opozivu memorije. Ovaj molekul može pomoći neuronima da prenose hemijske signale između sinapsi i ojačaju povezanost sinapsi, čime se postižu dugotrajno skladištenje i precizno prisjećanje na pamćenje.

Ukratko, veza između unutrašnje mitohondrijalne membrane i kognitivnih sposobnosti i pamćenja odavno je naučno potvrđena. Optimizacija metaboličkog stanja unutrašnje mitohondrijske membrane pomaže poboljšanju radne efikasnosti mozga i poboljšava kognitivne i memorijske sposobnosti ljudi. Stoga možemo unaprijediti zdravlje unutrašnje mitohondrijalne membrane pravilnim prilagođavanjem naše prehrane, vježbanjem i održavanjem dobrog stava, čime poboljšavamo naše pamćenje i kognitivne sposobnosti. Vidi se da moramo poboljšati pamćenje, a Cistanche može značajno poboljšati pamćenje jer 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 znati suplemente za poboljšanje pamćenja

Ova konfiguracija organela je od suštinskog značaja za održavanje elektrohemijskog gradijenta, omogućavajući mitohondrijima da generišu potrebnu količinu ATP-a koju ćelije koriste [77]. Eliminacija defektnih mitohondrija je suštinski mehanizam kontrole kvaliteta za održavanje zdravog skupa mitohondrija i održavanje održivog mreže u neuronskim ćelijama [78].

Ove ćelije su osjetljivije na mitohondrijalne defekte zbog svojih visokih metaboličkih zahtjeva; stoga je selektivna eliminacija disfunkcionalnih organela od vitalnog značaja za pouzdanu neurotransmisiju.

Mitohondrije koje su nepovratno oštećene ili koje više nisu efikasne eliminišu se mitofagijom, selektivnim mehanizmom u kojem specijalizovani receptori prepoznaju defektne mitohondrije i posreduju u teretu koji cilja autofagne vezikule [79]. Ćelije koriste različite metode za recikliranje defektnih mitohondrija, naime o putevima zavisnim i nezavisnim od ubikvitina.

Uglavnom, neuronske ćelije pribjegavaju sistemu mehanizama ovisnom o ubikvitinu koji kontrolira PTEN-indukovana kinaza 1 (PINK1)/Parkin kako bi očuvala aktivan i dinamičan skup mitohondrija.

PINK1 je amitohondrijski protein čija akumulacija u OMM-u djeluje kao senzor za održavanje mitohondrijalne funkcije jer označava oštećene mitohondrije za degradaciju [80].

PINK1 pokazuje mitohondrijsku ciljanu sekvencu, tako da se sistematski uvozi u IMM kompleksiranjem sa translokazama vanjske membrane 20 i 40 (TOM20 i TOM40) [81], gdje ga cijepa intramembranska serinska proteaza, povezana s presenilinom (PARL) [romboidni]. 82] i stoga se održava na niskim nivoima u fiziološkim uslovima.

Nakon datog oštećenja, molekularne interakcije između TOM20/40 i PINK1 se smanjuju, a PINK1 klasteri u OMM oštećenih mitohondrija, promovišući Parkin fosforilaciju i njeno naknadno regrutiranje [83].

Parkin, citosolna E3 ubikvitin ligaza, ubikvitinira mnoštvo proteina OMM-a, koje prepoznaju receptori kao što je p62, koji se također naziva sekvestozom 1 (SQSTM1). p62/SQSTM1 je ubikvitin-vezujući receptor odgovoran za pokretanje ubikvitiniranih mitohondrija do mjesta sastavljanja autofagosoma interakcijom sa ATG8 familijom LC3/GABARApreceptora [84].

Ovi receptori takođe prepoznaju LIR motive mnogih OMM proteina za specifično ciljanje oštećenih mitohondrija na mestu sklapanja autofagosoma [85]. U neuronskim ćelijama, mitofagija nezavisna od ubikvitina, orkestrirana od strane dva bifunkcionalna proteina, BCL2 i adenovirusa E1B 19 kDa-interagujući protein 3 . (BNIP3L) i BNIP3-poput proteina X (NIX), takođe je odgovoran za diferencijaciju retinalnih ganglijskih ćelija (RGC). BNIP3 i NIX sadrže BH3 domen i uglavnom se nalaze na OMM-u.

Ovi proteini imaju motiv sličan WXXL-u sa afinitetom za LC3 i njegov homolog GABARAP, koji pokreće mitohondrije do autofagnih vezikula. Tokom neurogeneze retine dolazi do metaboličkog pomaka, praćenog povećanjem ekspresije oba proteina [86].

NIX aktivnost može biti posredovana povećanjem nivoa reaktivnih vrsta kiseonika (ROS) u nekoliko ćelijskih linija [87], dodajući novi sloj složenosti osim razvojnih funkcija. Zaista, proizvodnja ROS se povećava kao posljedica oštećenih mitohondrija [88] i može izazvati indukemitofagiju [88]. NIX takođe može regulisati translokaciju Parkina u mitohondrije nakon depolarizirajućeg stimulusa, kao što je CCCP [87].

Osim toga, BNIP3L i NIX regulirana mitofagija ima neuroprotektivne funkcije. U modelu ishemije mozga, selektivna degradacija mitohondrija posredovana ovim proteinima bila je ključna za neuronsko preživljavanje i funkciju [89]. Dodatno, samo prekomjerna ekspresija NIX-a dovoljna je za obnavljanje mitofaginih defekata uočenih u ćelijskim linijama dobivenim od pacijenata s PD [90].

Protein 1 koji sadrži domen Fun14 (FUNDC1) je OMM protein koji stupa u interakciju sa LC3 i GABARAP-om i posreduje u mitofagiji u uslovima hipoksije. Na homeostatskim nivoima, FUNDC1-zavisna mitofagija je potisnuta fosforilacijom posredovanom Src kinazom u dijelu LIR motiva na Tyr18.

U hipoksičnom stanju, smanjena aktivnost Src dovodi do defosforilacije FDUNC1 Tyr18, olakšavajući njegovu interakciju sa LC3 i kasniju mitofagiju [91]. Štaviše, fosforilacija ULK1 izazvana hipoksijom pomoću AMPK na Ser555 favorizuje translokaciju ULK1 u mitohondrije, povećavajući aktivnost FUNDC1 [92]. Dodatno, Optineurin (OPTN) je citosolni receptor koji se nalazi na OMM-u koji promoviše mitofagiju kroz svoju interakciju sa LC3 [93].

Zanimljivo je da je OPTN disfunkcija povezana s neurodegenerativnim bolestima, kao i drugim patologijama [94]. Sve u svemu, mitofagija predstavlja suštinski mehanizam kontrole kvaliteta za održavanje neuronskog metabolizma i homeostaze.

Transport mitohondrija unutar neurona oslanja se na anterogradne i retrogradne pokrete i neophodan je za ispunjavanje energetskih i metaboličkih zahtjeva duž strukture neurona. Ovi pokreti su takođe neophodni za popravku i degradaciju mitohondrija i potpomognuti su proteinima adaptera za transport (slika 3).

3. Autofagija i neurodegenerativne bolesti

3.1. Alchajmerova bolest

AD je neurodegenerativni poremećaj i najčešći oblik demencije u starijoj populaciji, koji pogađa gotovo 50 miliona ljudi širom svijeta [95]. Porodični AD sa ranim početkom (EOAD, fAD) čini manje od 5% slučajeva i razvija se prije 65. godine života.

Autosomno dominantne mutacije u tri gena su povezane sa EOAD: genom amiloidnog prekursorskog proteina (APP) i presenilin-1 (PSEN1) i presenilin-2(PSEN2) genima, podjedinicama kompleksa -sekretaze [ 95]. Međutim, najčešći oblik je sporadični oblik AD sa kasnim početkom (LOAD, sAD) sa prevalencijom većom od 95% i nepoznate etiologije.

Neuropatologiju AD karakterizira progresivno kognitivno oštećenje i pad pamćenja, što je povezano s prisustvom ekstracelularnog taloženja amiloidnih plakova (A , agregacija -amiloidnih peptida) i intraneuronskih neurofibrilarnih zapleta (NFT, agregacija sintetičnog hiperfosfosfaliziranog agregacije proteina). integritet i homeostaza, što dovodi do nepovratnih oštećenja u specifičnim regijama mozga kao što su hipokampus i korteks [96].

A peptidi nastaju sekvencijalnom proteolitičkom obradom amiloidnog prekursorproteina (APP) enzima 1/-sekretaze (BACE1) za cijepanje APP-a (APP) i -sekretaze kroz amiloidogeni put. Cepanje APP pomoću BACE1, čija je aktivnost povišena u mozgu sporadičnih pacijenata sa AD [97], dešava se uglavnom u endosomima, obezbeđujući kiselu sredinu za optimalnu aktivnost enzima [98].

Intracelularni promet APP-a odvija se putem sekretornih i endocitnih puteva. APP se luči u plazma membranu, a zatim se internalizuje endocitozom posredovanom klatrinom ili kaveolinom [99].

Inendosomi, APP se može odcijepiti od strane BACE1 čime nastaje N-terminalni APP fragment.(sAPP) i C-terminalni fragment; potonji se može podvrgnuti daljem cijepanju pomoću -sekretaze, što rezultira formiranjem A i APP intracelularnog domena. U tadano-amiloidogenom putu, APP se cijepa pomoću -sekretaze u sredini A domene, sprječavajući stvaranje A peptida.

Cepanje pomoću -sekretaze se dešava na različitim pozicijama C-terminalnog fragmenta, što rezultira formiranjem A peptida različitih dužina. Najčešći rastvorljivi peptidi koji se formiraju su A 1-38 i A 1-40, zatim A 1-42, pri čemu je potonji hidrofobniji i skloniji formiranju trimeričkih i tetramernih oligomera, tako da predstavlja najtoksičniju izoformu [100].

Oligomeri formiraju A fibrile sa -naboranim listovima koji se ekstracelularno sklapaju u amiloidne plakove [101]. A je također povezan s hiperfosforilacijom i agregacijom taua, proteina povezanog s mikrotubulama koji normalno pomaže u polimerizaciji i sastavljanju aksonalnih mikrotubula i transportu vezikula.

Status fosforilacije tauisa reguliran različitim kinazama i fosfatazama koje su modulirane u prisustvu A oligomera; na primjer, glikogen sintaza kinaza-3 (GSK3) i protein fosfataza 2A(PP2A) direktno regulišu status tau fosforilacije [102]. Hiperfosforilirano stanje tau inhibira njegovu povezanost s mikrotubulama, utječući na njegovu stabilizaciju i dovodeći do rasklapanja mreže tomikrotubula [103,104].

Proteolitičko cijepanje hiperfosforiliranog taua pokreće stvaranje tau oligomera [105] koji su toksičniji od agregata, što dovodi do progresivne smrti neurona [106].

3.1.1. Oštećenje autofagije u AD

U AD, prijavljeni su različiti molekularni patogeni mehanizmi koji su rezultat akumulacije A oligomera i tau hiperfosforilacije, naime mitohondrijalna disfunkcija [107,108] i poremećaj proteostaznih sistema, kao što su nesavijeni proteinski odgovor i autofagija [109].

Iako A peptidi pokazuju motiv vezan za KFERQ, koji je važan za normalnu obradu i degradaciju APP, ovi fragmenti nisu supstrati za degradaciju CMA [110], a makroautofagija pomaže u njihovom uklanjanju [111].

Zaista, makroautofagija igra važnu ulogu u metabolizmu A jer je uključena u razgradnju i čišćenje APP [112] i njegovih proizvoda cijepanja, uključujući A [113] i APP-CTF (amiloidni prekursor protein odcijepljen C-terminalni fragment) [114].

Disfunkcija autofagije je dokazana i kod pacijenata sa AD i kod životinjskih modela. U mozgu bolesnika s AD, uočeno je nakupljanje nezrelih autofagnih vezikula koje sadrže filamentozni tau u distrofičnim neuritima [115].

Ove autofagne vezikule se često nalaze u proksimalnim regijama amiloidnih plakova u mozgu pacijenata i modela glodara [116]. Zanimljivo je da je akumulacija autofagosoma također uočena u dendritima i somi APP/PS1 transgenih mišjih neurona čak i prije pojave A plakova [117]. Dodatno, uočeno je nakupljanje nezrelih autofagnih vezikula prije gubitka neurona u hipokampusu mišjeg modela PS1M146L/APP751SL [118].

Abnormalna akumulacija autofagosoma u neuronima ukazuje na to da defektni autofagno-lizosomski put doprinosi akumulaciji A i tau oligomera u AD [117]. APP i PSEN1 se lokalizuju u autofagosomima; dakle, akumulacija ovih organela je povezana s povećanjem A generacije, što zauzvrat remeti membrane autofagosoma [115].

Shodno tome, nezreli autofagozomi opisani u AD mozgu i APP/PS1 transgenim miševima mogu predstavljati još jedan izvor za A generaciju. Mozak pacijenata s PSEN1-EOAD-om pokazuje lizozomsko oštećenje povezano s amiloidnom patologijom i neurodegeneracijom [119].

Pretpostavlja se da bi akumulacija autofagosoma mogla biti rezultat oštećenja fuzije autofagosoma i lizosoma ili defektne probave lizosoma [120]. Studije su pokazale promjenu inicijacije autofagije, posebno smanjenje ekspresije Beclin 1 u korteksu pacijenata s AD i mišjih modela [121]. . Povećana aktivnost kaspaze 3 kod pacijenata sa AD može objasniti pretjerano cijepanje Beclina 1 [122].

Genetska redukcija Beclina 1 u transgenom mišjem modelu AD koji eksprimira humani APP povećala je akumulaciju A, dok je prekomjerna ekspresija Beclina 1 značajno smanjila nivoe A [113]. Pored Beclin-1, drugi ATG proteini su bili smanjeni u godinama - zavisan način, što rezultira akumulacijom A [123]. ATG7, ključni protein u regulaciji autofagije, bio je uključen u patologiju AD.

Utvrđeno je da su nivoi ATG7 smanjeni u moždanoj kori i hipokampusu AD mišjeg modela, ali nisu otkrivene promjene u temporalnim korteksima kod pacijenata s AD [124]; ATG7 knockdown miševi su pokazali redukciju A sekrecije praćenu povećanjem intracelularnog A [125], što dalje podržava ulogu ATG7 u transportu A peptida do multivezikularnih tijela koja se luče.

Pokazalo se da je ekspresija p62 smanjena u trostrukom modelu transgenog miša, kompromitujući početne korake selektivne autofagije u AD [126]. Međutim, analiza u cijelom genomu otkrila je transkripcijsku up-regulaciju pozitivnih regulatora autofagije u AD.

U skladu sa aktivacijom autofagije, povećanje nivoa ATG proteina i veća stopa formiranja autofagosoma i biogeneza lizosoma primećeni su u ranim fazama AD [127]. Ova kontroverza sugerira diferencijalnu regulaciju autofagije u ranim i kasnim fazama AD, što bi trebalo uzeti u obzir kada se procjenjuje mehanizam u različitim modelima i kada se traže terapijske strategije.

Prisustvo nezrelih autofagosoma u distrofičnim neuritima sugerira da su retrogradni transport vezikula povezanih s autofagijom i njihovo sazrijevanje poremećeni u AD [128]. U prilog tome, inhibicija isporuke autofagosoma u lizozome dovodi do njihove akumulacije u neuritima slične morfologije, kao što je opisano u AD [64].

Oligomeri mogu poremetiti kompleks dinein-snapin, ometajući transport aksonskih vezikula, što bi moglo doprinijeti neispravnom dopremanju autofagosoma u lizozomin AD [129]. Degradacija taua, koji je primarno lociran u aksonima i manje pronađenim inneuritima i somama, događa se kroz proteazom ili makroautofagijom, ovisno o stanju njegove oligomerizacije.

Tau modifikacije povezane sa AD pokreću njegovu degradaciju kroz makroautofagiju kada proteoliza posredovana proteazomima postane oštećena progresijom bolesti [130]. Od značaja, degradacija tau može proizvesti različite fragmente koji se vežu za Hsc70 i ciljaju na LAMP-2A od strane CMA [131,132].

Ipak, akumulacija ovih fragmenata u lizozomalnoj membrani uzrokuje agregaciju tau, što narušava integritet lizosoma i blokira CMA [132]. Oštećenje autofagno-lizosomskog puta dovodi do agregacije tau oligomera, koji se, zauzvrat, razgrađuju kada se makroautofagija inducira rapamicinom [132,133].

Tau je neophodan za retrogradno kretanje autofagosoma prema lizosomima kroz stabilizaciju mikrotubula, uloga koja je ugrožena u AD [134]. Hiperfosforilacija tau i njegova oligomerizacija dovodi do pomicanja mašinerije mikrotubula i posljedično do oštećenja kretanja i sazrijevanja autofagosoma, što također doprinosi disfunkciji autofagije.

Osim defekata u transportu autofagosoma, u AD je opisano i oštećenje lizosomske funkcije. PSEN1 je regulator lizosomske funkcije koji djeluje kao pratilac za vakuolarnu-ATPazu koja zakiseljuje lumen lizosoma. Mutacije u PSEN1 ometaju sosomalnu acidifikaciju i fuziju autofagozoma-lizosoma, što rezultira akumulacijom autofagosoma napunjenih A [135].

Dodatno, sugerirano je da je lizozomska proteoliza pogođena u AD; visoki nivoi A , LC3-II i ubikvitiniranih proteina bili su prisutni iu frakcijama lizosoma i autofagosoma izolovanih iz AD transgenog mišjeg modela [136]. U skladu s tim, poremećaj lizozomalne proteolize inhibicijom lizozomalnih katepsina u zdravim neuronima dovodi do akumulacije autofagnih vezikula sa sličnom morfologijom kao kod pacijenata sa AD i transgenih mišjih modela [64].

A također ugrožava integritet lizozomalne membrane, što rezultira oslobađanjem katepsina u citoplazmu [137,138]. Prisustvo katepsina D u egzozomima izolovanim iz krvi pretkliničkih pacijenata sa AD [139] podržava hipotezu o neefikasnoj lizozomalnoj funkciji. Zanimljivo je da su genetske varijacije u genu za kodifikovanje katepsina D takođe opisane kao faktori rizika za AD [140].

Analiza procesa autofagije u neuronima od ranih do najnovijih faza AD pokazala je povećanu ekspresiju gena autofagije u ranim fazama, ali je defekt lizosomskog klirensa rezultirao akumulacijom autolizosomskih struktura s progresijom bolesti [141]. Sirtuini (SIRT) obuhvataju grupu. nikotinamid adenin dinukleotid (NAD+) zavisnih proteina koji su regulatori višestrukih ćelijskih puteva.

Među njima, Sirt1 je povezan s regulacijom autofagije. Niži nivoi SIRT1 kompromituju deacetilaciju posredovanu aktivaciju nizvodnih proteina autofagije (npr. ATG5, ATG7 i LC3) [142], što takođe može doprineti oštećenju autofagije u AD. Nivoi SIRT1 su sniženi u parijetalnom korteksu kod pacijenata sa AD mozga i koreliraju sa akumulacijom A i tau zapleta [143].

Aktivacija mTOR, centralnog koordinatora autofagije, opisana je u AD kao odgovor na akumulaciju A [144]. A povećava aktivnost mTOR, što također rezultira višom ekspresijom taua i GSK3 -posredovanom fosforilacijom [145], podržavajući ulogu mTORin tau posredovane patogeneze. Dodatno, sekrecija fosfo-taua kroz egzocitotične vezikule mTOR signalizacijom uočena je u mozgu pacijenata sa AD [146].

Disregulacija PI3K/Akt/mTOR puta je također implicirana u patogenezi AD [147]. Aktivacija PI3K faktorima rasta (npr. faktor rasta sličan insulinu-1, IGF1) potiče fosforilaciju Akt i indirektnu aktivaciju mTORC1, promovira autofagiju. Kod AD, A stupa u interakciju sa i inhibira PI3K/Akt/mTOR put [148], što dovodi do aktivacije GSK3 i povećane hiperfosforilacije tau.

Štaviše, faktor transkripcije EB (TFEB), glavni regulator biogeneze lizosoma, je nizvodna meta mTORC1. Smanjenje aktivnosti mTORC1 inducira defosforilaciju TFEB-a i njegovu translokaciju u jezgro kako bi se aktivirala ekspresija autofagije i gena povezanih s lizozomalnom biogenezom [149].

Utvrđeno je da su nivoi TFEB smanjeni u uzorcima mozga (hipokampus) pacijenata sa AD, posebno smanjenjem nuklearnih nivoa TFEB u uznapredovalim stadijumima bolesti [150].

Dodatno, translokacija TFEB u jezgro je oslabljena u fibroblastima s nedostatkom presenilina i induciranim pluripotentnim AD neuronima koji potiču iz matičnih ćelija, što je rezultiralo smanjenom CLEAR mrežnom aktivacijom [151].

Međutim, u dvostruko-transgenom APP/PS1 životinjskom modelu, povećani nivoi ukupnog i nuklearnog TFEB su otkriveni u hipokampusu 8-mjesečnih AD miševa uz istovremeni porast njegovih ciljeva nizvodno, što sugerira da je TFEB uključen u lizozomske posredovana progresija AD [152]. Povećanje regulacije ciljnih gena TFEB također je prijavljeno kod PS1 uslovnih nokaut miševa i 5xFAD miševa [153].

Aktivacija TFEB mreže mogla bi odražavati pokušaj kompenzacije poremećene autofagije u AD životinjskim modelima. Tačna uloga TFEB-a kao glavnog regulatora lizosomske funkcije u patogenezi AD je daleko od potpunog razumijevanja i zahtijeva dalje istraživanje.

For more information:1950477648nn@gmail.com