Strukturni i funkcionalni uvid u polimorfizam -sinukleinskih fibrila, dio 4

7. Fazno razdvajanje i nukleacija: molekularna osnova polimorfizma fibrila

Ubrzo nakon otkrića da -Syn agregacija nije povezana samo sa PD već i sa MSA i DLB, ključno područje istraživanja je prvenstveno fokusirano na razumijevanje sposobnosti proteina da uzrokuje klinički i patološki različite neurodegenerativne poremećaje.

Kako starite, možda ćete otkriti da vaše pamćenje nije tako dobro kao kad ste bili dijete. Ponekad čak možete osjetiti da vam je mozak "zarđao" i da je teško zapamtiti nove informacije. Ali šta se može učiniti da se ova situacija popravi? Istraživanja posljednjih godina pokazala su da postoji bliska veza između MSA (kompleksa dopamin-saharida) i pamćenja.

MSA je neuronsko kolo koje uključuje neurotransmiter dopamin. Dopamin je važan neurotransmiter u mozgu i povezan je s emocijama, motivacijom i pokretom. Sunčevo kamenje je jezgra u mozgu koja kontroliše kretanje i koordinira kretanje. Odnos s dopaminom je da kada se bazalno tijelo stimulira dopaminom, on će povećati veze između moždanih neurona, čime se potiče formiranje i konsolidacija pamćenja.

Istraživanja pokazuju da se MSA može aktivirati i stimulirati putem digitalnih igrica, muzičkog treninga, fizičke vježbe i društvene interakcije. Ovi modaliteti mogu ojačati vezu sa cerebrospinalnom tekućinom povećanjem oslobađanja dopamina. Na primjer, pokazalo se da statične vježbe za mozak, kao što su sudoku i križaljke, poboljšavaju vještine pamćenja. Takođe se pokazalo da muzički trening stimuliše MSA kola i poboljšava sposobnost pamćenja. Osim toga, pokazalo se da fizička vježba i društvena interakcija imaju pozitivan utjecaj na aktivaciju MSA, čime se promiče zdravlje mozga i poboljšanje pamćenja.

Ukratko, budući da aktivnosti MSA imaju pozitivan utjecaj na pamćenje, pronalaženje i sudjelovanje u aktivnostima koje stimuliraju MSA važan je korak u poboljšanju pamćenja. Fizička aktivnost, sudjelovanje u društvenim aktivnostima i učenje novih vještina mogu aktivirati i stimulirati MSA kolo, čime se promiče bolje zdravlje mozga i pamćenje. Počnimo od sada i aktivno sudjelujmo u ovim aktivnostima kako bismo ubrizgali novu energiju i vitalnost u naš mozak. Vidi se da moramo poboljšati pamćenje, a cistanche deserticola može značajno poboljšati pamćenje jer je cistanche deserticola tradicionalni kineski ljekoviti materijal koji ima mnogo jedinstvenih učinaka, od kojih je jedno poboljšanje pamćenja. Djelotvornost Cistanche deserticola proizlazi iz brojnih aktivnih sastojaka koje sadrži, uključujući taninsku kiselinu, polisaharide, flavonoidne glikozide, itd. Ovi sastojci mogu promovirati zdravlje mozga na različite načine.

Kliknite znati načine za poboljšanje funkcije mozga

U posljednjih nekoliko godina, hipoteza prionskog soja pojavila se kao vodeće objašnjenje za uočenu varijabilnost bolesti u sinukleinopatijama. Iako niz biofizičkih i bioloških podataka podržava postojanje sojeva -Syn [29,30,32–35,53], još uvijek je nejasno kako ovi sojevi potiču i faktori koji pokreću njihovo formiranje in vivo.

Vjerovatni odgovor mogao bi biti u ocrtavanju puteva agregacije i uočavanju molekularnih pokretača koji su u osnovi formiranja soja. Formiranjem amiloida ne upravlja samo primarna nukleacija, već njome dominiraju sekundarni događaji nukleacije kroz većinu faze rasta agregacije, kao što je ranije diskutovano [189].

Ova sekundarna nukleacija uključuje izduživanje novih vlakana iz postojećih sjemenki regrutacijom monomera iz otopine. Bilo kakve promjene u uslovima rastvorljivosti fibrila imaju tendenciju da promene brzinu primarnih i sekundarnih nukleacionih događaja [188,189]. Na primjer, kiseli pH pojačava vezivanje -Syn monomera za površinu fibrila, čime se povećava sekundarna nukleacija [189,302].

Budući da se razmnožavanje agregata izazvano sjemenom pripisuje fragmentaciji i izduženju sjemena fibrila, to nas navodi na hipotezu da je fenomen deformacije, barem djelomično, posljedica sekundarne nukleacije. Štaviše, više vrsta koegzistiraju u različitim fazama kinetike agregacije [17,303,304], što sugerira uključenost intermedijara agregacije u diktiranju polimorfizma.

Mapiranje konformacionog prostora -Syn monomera otkriva strukturnu subpopulaciju -Syn monomera koja potiče njegovo vezivanje s membranama i inducira stvaranje različitih oligomera i fibrila [170].

Naša laboratorija je nedavno pokazala da heterogena nukleacija tokom puta agregacije čini osnovu porijekla polimorfizma [252]. Generirali smo dva različita polimorfa, HMF (Helix zrele fibrile) i PMF (Pre-sazrele fibrile), od agregacijskih intermedijera formiranih pod istim uvjetima sklapanja.

PMF-ovi nemaju stabilno amiloidno jezgro i posjeduju nasumični sadržaj zavojnice zajedno sa elementima -listovima. Štaviše, strukturirani -list iz ostataka 74-79 je odsutan u svom NAC domenu (ostaci 65-80), što sugerira da su PMF-ovi manje uređeni fibrili vrste. Naprotiv, morfološki i strukturno različiti HMF-ovi su kompaktniji i dobro uređeni sa stabilnom fibrilnom jezgrom [252].

Oni sadrže visoko izložene hidrofobne površine i potencijalno su toksičniji od manje uređenih PMF-ova. Ovi polimorfi pokazuju ne samo strukturne razlike, već i različite biološke aktivnosti [252].

Slična studija koja je uključivala identifikaciju intermedijara agregacije u prisustvu fosfolipidne membrane otkrila je da prefibrilarne vrste sadrže dva regiona petlje sa ostacima 57 do 61 i 71 do 80 [305]. Ovi intermedijari se zatim preuređuju u fibrilarne vrste sa većinom NAC regiona i N-terminusom (ostaci 38-80) koji čine deo konačne fibrilne konformacije [305].

Također su objavljene studije sa agregatima A, PrP i tau, gdje se razlikuju biološka svojstva zbog strukturnih razlika između polimorfa [28,306–309]. Na primjer, morfološki i strukturno različiti A fibrili formirani u uvjetima mirovanja i uznemirenosti pokazuju značajne razlike u toksičnosti u primarnim neuronima, pri čemu su mirna fibrila toksičnija u odnosu na druge [28].

Raspon strukturno raznolikih PrPSc konformacija pokazuje tropizam ćelija domaćina, sa specifičnim skupom sojeva koji prvenstveno ciljaju na neurone, astrocite, ili čak i na oboje [307,308]. pokazujući varijabilnu citotoksičnost i različita svojstva slična prionima (Slika 5).

Nedavno je evolucija koncepta agregacije proteina do fundamentalnijeg fenomena, odnosno razdvajanja tekuće-tečne faze (LLPS), značajno utjecala na ovu oblast i usmjerila istraživanja u novom smjeru [310–314]. Proteini se inkubiraju u različitim uslovima, na primer, pH, temperatura i uslovi soli [315–317].

Događaji odvajanja faza promoviraju se u prisustvu molekularnih grupa, poput polietilen glikola, dekstrana ili ficola, koji pomažu u povećanju lokalne koncentracije proteina i olakšavaju stvaranje kapljica [315–318]. Nakon toga, dinamika, sazrevanje i profil agregacije se istražuju upotrebom jedinstvene kombinacije biofizičkih, biohemijskih i spektroskopskih metoda [315,317].

Pokazalo se da fenomen faznog razdvajanja različitih amiloidogenih proteina prethodi agregaciji i formiranju fibrila. Sugerirano je da prisustvo intrinzičnih poremećenih regiona (IDR), domena sličnih prionu (PLD) i domena niske složenosti (LCD) promoviše formiranje fazno odvojenih kondenzata amiloidogenih proteina [310,315,316,319,320].

Naša laboratorija je nedavno pokazala da je LLPS od -Syn kritičan događaj u ranoj fazi kašnjenja i prethodi njegovom agregaciji u uslovima razdvajanja faza (prisustvo gužvi, stresora, amiloidnih kofaktora, itd.) [315].

Pojava ovih fazno razdvojenih kapljica u lag fazi kinetike agregacije sugerira da LLP mogu poboljšati događaje nukleacije povećanjem lokalne koncentracije proteinskih molekula [315,320]. Štaviše, fazno odvojene kapljice -Syn prolaze kroz prelazak iz tečnosti u čvrsto stanje s vremenom i rezultiraju formiranjem amiloidnog hidrogela [315].

Ranije je pokazano da ovi amiloidni hidrogelovi hvataju citotoksične oligomere i fibrile [321], što ukazuje na mogućnost da fibrili formirani putem LLPS-a mogu biti toksični. Međutim, pod normalnim uslovima sklapanja (bez odvajanja faza), -Syn fibrili pokazuju vrlo malu ili nikakvu citotoksičnost [322,323]. Ovo sugerira da bi fibrili formirani u uvjetima razdvajanja i nerazdvajanja faza mogli biti različiti.

Štaviše, formiranje fibrila u razrijeđenim otopinama (za koje se zna da se događa putem primarne i sekundarne nukleacije) [189] i to unutar kondenzata (preko LLPS) nisu međusobno isključivi događaji [324], ali različiti putevi agregacije mogu rezultirati stvaranjem različitih fibrila (Slika 6).

Na primjer, TDP-43, protein uključen u ALS/FTD, prolazi kroz fibrilaciju sa ili bez LLPS. Ipak, kinetika fibrilacije u oba slučaja je različita, što ukazuje na uključivanje složenih procesa u fibrilaciju u prisustvu LPS-a [329].

Stoga bi bilo vrlo relevantno postaviti nekoliko pitanja poput toga da li su fibrili formirani sa ili bez faznog razdvajanja strukturno i funkcionalno različiti jedni od drugih, ili, jednostavno rečeno, pokazuju polimorfizam fibrila. Imaju li različiti uvjeti LLPS ili mutacije bilo kakvu ulogu u odlučivanju o ponašanju deformacija formiranih -Syn fibrila?

Na primjer, pokazalo se da patogene mutacije u FUS-u pokazuju drugačija biofizička svojstva u poređenju sa proteinom divljeg tipa [327]. Ovi nalazi upućuju na to da, slično uslovima bez razdvajanja faza, gdje različiti uvjeti rješenja dovode do polimorfa [29], fibrili formirani pod različitim uvjetima razdvajanja faza također mogu biti različiti (Slika 7).

Na primjer, faza -Syn koja se odvaja pod različitim uvjetima, poput prisutnosti PTM-a, porodičnih mutacija, malih molekula ili metalnih jona, može pokazati polimorfizam i formirati različite tipove fibrila (Slika 7).

Međutim, ovaj fenomen tek treba da se utvrdi jer bi mu bila potrebna opsežna karakterizacija fibrila formiranih unutar kapljica. Vjerujemo da bi koegzistencija konformacijski različitih intermedijarnih vrsta i mnoštva puteva agregacije uočenih sa ili bez LLPS-a mogla biti osnova nastanka polimorfizma .

Međutim, potrebno je više istraživanja u ovoj oblasti da bi se ocrtao doprinos heterogene nukleacije i višestrukih puteva agregacije fibrilpolimorfizmu. Razvoj i primjena različitih biofizičkih tehnika može nam pomoći da dobijemo pronicljive informacije o molekularnim događajima koji se dešavaju tokom LLPS-a i kasnijeg sazrijevanja kapljica.

8. Kliničke i terapijske implikacije polimorfizma

Studije o kojima se govori u pregledu pružaju uvjerljive dokaze da -Syn može formirati različite polimorfe sa različitim strukturnim i biološkim svojstvima. Slično kao kod priona, gdje je svaka prionska bolest kodirana posebnom konformacijom pogrešno savijenog proteina, svaka sinukleinopatija je također povezana s jedinstvenom -Syn strukturom.

Međutim, različite strukture fibrila za isti protein predstavljaju nekoliko izazova u razvoju lijekova protiv neurodegenerativnih poremećaja. Terapije kao što je imunoterapija bile bi vrlo specifične za određeni soj, ali možda neće prepoznati drugu. Slično, razvoj malih terapeutskih molekula ili lijekova za blokiranje ili usporavanje procesa agregacije proteina mora biti pregledan na više konformacija. Uzimajući u obzir složenost fibrila i njihov polimorfizam, ciljanje na monomerni -Syn može biti opcija.

Međutim, to je također izazov zbog intrinzično poremećene prirode proteina. Uprkos ovim izazovima, otkrivanje i karakterizacija sojeva -Syn dobivenih od pacijenata otvorit će prozor mogućnosti za dublje razumijevanje i karakterizaciju sinukleinopatija. To će olakšati razvoj novih terapija i robusnijih sistema klasifikacije sinukleinopatija.

U tom kontekstu, visoko osjetljive tehnike kao što su PMCA [330], test konverzije izazvane potresom u realnom vremenu (RT-QuIC) [331] i induktor HANdaiamiloidnog pucanja (HANABI) [332] značajno su doprinijele pojačavanju -Sinaggregata iz CSF-a pacijenata mozgova. PMCA i RT-QuIC su korišteni za razlikovanje između PD/MSA i PD/DLB sojeva -Syn dobijenih od pacijenata, respektivno [52,333].

Korištenje ovih tehnika pomoglo bi u praćenju progresije bolesti tokom vremena i pomoglo bi u ranoj i specifičnoj dijagnozi sinukleinopatija. Nadalje, kliničke i patološke razlike i heterogenost od pacijenta do pacijenta uočene u PD i srodnim poremećajima mogu utjecati na to kako treba liječiti pacijente sa sinukleinopatijom. Od sada, svi pacijenti s PD-om primaju istu vrstu liječenja, a ne pravi se razlika između pacijenata u zavisnosti od toga kako su dobili bolest i kakve simptome imaju.

Stoga, predviđamo da lijekovi i terapeutski agensi dizajnirani za ciljanje patogenih vrsta -Syn mogu uključivati ​​korištenje bilo jednog lijeka zasnovanog na konformaciji ili koktela lijekova protiv različitih polimorfa ili sojeva koji su naseljeni u oboljelom ljudskom mozgu. Nadalje, nekoliko ključnih parametara treba uzeti u obzir od slučaja do slučaja, kao što su profil bolesti, patološki i klinički simptomi, vrste i priroda uključenih sojeva proteina i stopa progresije bolesti tijekom liječenja pacijenata sa sinukleinopatijama.

Stoga je identificiranje potencijalnih terapijskih ciljeva i dizajniranje lijekova zasnovanih na konformaciji sljedeći veliki korak ka razvoju lijekova protiv PD i srodnih poremećaja. Uspostavljanje veze između širenja naprezanja i fenotipa bolesti pružit će vrijedan uvid u razvoj učinkovitih strategija za borbu protiv neurodegenerativnih poremećaja.

Drugi izazov je isporuka lijekova u mozak za liječenje neurodegenerativnih poremećaja, uglavnom suočenih s preprekama zbog restriktivnih krvno-moždanih barijera [32]. Učinjeni su brojni pokušaji da se lijekovi isporuče putem nanonosača, direktnih metoda isporuke lijekova, prolaznog poremećaja krvno-moždane barijere i terapija matičnim stanicama [33–37]. Međutim, nijedan od tretmana nije uspio u potpunosti prevladati trenutne izazove [32].

9. Završne napomene i otvorena pitanja

Ponašanje -Syn soja nalik prionu je još uvijek zagonetan fenomen. Iznenađujuće je kako se jedan protein bez ikakve pravilne strukture može savijati na mnogo različitih načina i usvojiti konformacije koje rezultiraju raznim patologijama.

Mnoga neodgovorena pitanja zahtijevaju dalje istraživanje, čak i nakon impresivne količine rada na -Syn polimorfima i sojevima. Na primjer, šta pokreće formiranje -Syn soja pod datim ćelijskim i okolišnim uvjetima? Kako ovi sojevi ciljaju različite tipove stanica i regije mozga? Da li se sojevi -Syn razvijaju, mijenjaju ili prilagođavaju s vremenom ovisno o faktorima domaćina?

Kako prisustvo drugih proteina, liganada, membrana ili kofaktora utiče na formiranje soja? Da li sojevi -Syn imaju sposobnost međusobnog ukrštanja i rezultiraju mješovitim patologijama? Da li -Syn sojevi ometaju i blokiraju jedni druge, slično kao prioni?

Da li je moguće, ili imamo tehnike koje su dovoljno osjetljive da razlikujemo PD i MSA sojeve u ranoj fazi dijagnoze? Uzimajući u obzir širenje fenomena prionskog soja na nekoliko drugih amiloidogenih proteina, također bi moglo biti neophodno razumjeti ključne molekularne događaje u biologiji soja i dizajniranje učinkovitih strategija.

Doprinosi autora: Konceptualizacija, SM i SKM istraživanje (pregled literature); SM;LG; RB i ASS; pisanje-izrada originalnog nacrta, SM; LG; RB i ASS; pisanje-recenzija i uređivanje, SM; LG; RB; ASS i SKM; vizualizacija, SM; administracija projekta, SM i SKM; nadzor, SM i SKM; akvizicije finansiranja, SKM, SM i SKM podjednako doprinose korespondentnim autorima. Svi autori su pročitali i pristali na objavljenu verziju rukopisa.

Finansiranje: Ovo istraživanje je finansiralo Odjel za biotehnologiju (DBT) [BT/PR22749/BRB/10/1576/2016], Vlada Indije.

Izjava institucionalnog odbora za reviziju: Nije primjenjivo.

Izjava o informiranoj saglasnosti: Nije primjenjivo.

Izjava o dostupnosti podataka: Nije primjenjivo.

Zahvalnice: Autori zahvaljuju Odjeljenju za biotehnologiju (DBT), indijskoj vladi za finansijsku podršku. Zahvaljujemo Pradeepu Kaduu na njegovoj pomoći u izradi figura. SM je zahvalna Univerzitetskoj komisiji za grantove Indije na njenoj stipendiji.

Sukob interesa: Autori izjavljuju da nema sukoba interesa.

Skraćenice

-sinuklein (-Syn), Parkinsonova bolest (PD), multipla sistemska atrofija (MSA), demencija s Lewyjevim tijelom (DLB), Parkinsonova bolest, demencija (PDD), Lewyjeva tijela (LBs), Lewyjevi neuriti (LN), Alchajmerova bolest (AD ), glijalne citoplazmatske inkluzije (GCI), posttranslacijske modifikacije (PTM), divlji tip (WT), krio-elektronska mikroskopija (cryo-EM), NMR u čvrstom stanju (ssNMR) spektroskopija; transmisiona elektronska mikroskopija (TEM), mikroskopija atomske sile (AFM), kružni dihroizam (CD), dorzalno motorno jezgro vagusnog nerva (DMV), enterički nervni sistem (ENS); -Synuclein (sin); -sinuklein ( -Syn); Ciklična amplifikacija pogrešno savijanja proteina (PMCA); Odvajanje faza tečnost-tečnost (LLPS).

Reference

1. Spillantini, MG; Goedert, M. Alfa-sinukleinopatije: Parkinsonova bolest, demencija sa Lewyjevim telima i multisistemska atrofija. Ann. NY Acad. Sci. 2000, 920, 16–27. [CrossRef] [PubMed]

2. Spillantini, MG; Crowther, RA; Jakes, R.; Hasegawa, M.; Goedert, M. -Sinuklein u filamentoznim inkluzijama Lewyjevih tijela od Parkinsonove bolesti i demencije s Lewyjevim telima. Proc. Natl. Akad. Sci. USA 1998, 95, 6469–6473. [CrossRef] [PubMed]

3. Spillantini, MG; Schmidt, ML; Lee, VM; Trojanowski, JQ; Jakes, R.; Goedert, M. A-sinuklein u Lewyjevim tijelima. Nature 1997, 388, 839–840. [CrossRef]

4. Galvin, JE; Lee, VM; Trojanowski, JQ Sinukleinopatije: Kliničke i patološke implikacije. Arch. Neurol. 2001, 58, 186–190.[CrossRef]

5. Mahul-Mellier, AL; Burtscher, J.; Maharjan, N.; Weerens, L.; Croisier, M.; Kuttler, F.; Leleu, M.; Knott, GW; Lashuel, HA Proces formiranja Lewyjevog tijela, a ne samo fibrilizacija alfa-sinukleina, jedan je od glavnih pokretača neurodegeneracije. Proc. Natl. Akad. Sci. USA 2020, 117, 4971–4982. [CrossRef] [PubMed]

6. Shahmoradian, SH; Lewis, AJ; Genoud, C.; Hench, J.; Moors, TE; Navarro, PP; Castano-Diez, D.; Schweighauser, G.; GraffMeyer, A.; Goldie, KN; et al. Lewyjeva patologija kod Parkinsonove bolesti sastoji se od natrpanih organela i lipidnih membrana. NatNeurosci. 2019, 22, 1099–1109. [CrossRef] [PubMed]

7. Fares, MB; Jagannath, S.; Lashuel, HA Reverzni inženjering Lewy tijela: Koliko daleko smo stigli i koliko daleko možemo ići? Nat.Rev. Neurosci. 2021, 22, 111–131. [CrossRef] [PubMed]

8. Serpell, LC; Berriman, J.; Jakes, R.; Goedert, M.; Crowther, RA Difrakcija vlakana sintetičkih alfa-sinukleinskih filamenata pokazuje unakrsnu beta konformaciju sličnu amiloidu. Proc. Natl. Akad. Sci. USA 2000, 97, 4897–4902. [CrossRef] [PubMed]

For more information:1950477648nn@gmail.com