Uloge NEDD4 podfamilije HECT E3 ubikvitin ligaza u neurorazvoju i neurodegeneraciji 3. dio

Oksidativni stres i aktivacija apoptotičkih puteva uključeni su u patofiziologiju mnogih neurodegenerativnih bolesti.

Odnos između oksidativnog stresa i pamćenja privukao je široku pažnju naučnika. Oksidativni stres je neizbježna fiziološka pojava u živim organizmima. Uzrokuje ga prekomjerna proizvodnja slobodnih radikala, jona kisika i drugih oksidativnih supstanci u tijelu, što dovodi do neravnoteže redoks stanja u tijelu, uzrokujući oksidativno oštećenje bioloških makromolekula, ćelijske membrane itd. Može poremetiti različite fiziološke funkcije, uključujući pamćenje. Međutim, najnovija istraživanja pokazuju da odgovarajući oksidativni stres ima dobar učinak na poticanje pamćenja.

Prvo, oksidativni stres može aktivirati antioksidativni odbrambeni mehanizam u moždanim stanicama, promovirati njihov metabolizam i poboljšati održivost i prilagodljivost nervnih stanica.

Drugo, umjereni oksidativni stres također može potaknuti sintezu korisnih tvari u moždanim stanicama i poboljšati povezanost i stabilnost nervnih stanica. Na primjer, kontinuirana sinteza korisnih supstanci kao što su antioksidativni enzimi i proteini toplotnog šoka poboljšat će sposobnost samopopravke neurona, čime se poboljšavaju funkcije učenja i pamćenja.

Konačno, oksidativni stres također može aktivirati neke gene koji se odnose na preživljavanje i diferencijaciju stanica, promovirati regeneraciju i obnavljanje stanica i tako biti od velike koristi u promicanju kognitivnih sposobnosti i pamćenja.

Ukratko, umjereni oksidativni stres može pomoći u poboljšanju kognitivnih sposobnosti i sposobnosti pamćenja i treba ga shvatiti ozbiljno i racionalno koristiti. Međutim, potrebno je naglasiti da pretjerani oksidativni stres nije dobar za zdravlje. Stoga u svakodnevnoj prehrani treba unositi više antioksidansa, a pritom paziti i na smanjenje pojave kroničnih bolesti i održavanje zdravog načina života. Vidi se da moramo poboljšati pamćenje, a Cistanche deserticola može značajno poboljšati pamćenje, jer i Cistanche deserticola može regulisati ravnotežu neurotransmitera, kao što je povećanje nivoa acetilholina i faktora rasta. Ove supstance su veoma važne za pamćenje i učenje. Osim toga, Cistanche deserticola također može poboljšati protok krvi i promovirati isporuku kisika, što može osigurati da mozak dobije dovoljno hranjivih tvari i energije, čime se poboljšava vitalnost i izdržljivost mozga.

Kliknite znati suplemente za poboljšanje pamćenja

Oksidativni stres proizvodi reaktivne vrste radikala (ROS), koje pokreću ekspresiju pro-apoptotičkih faktora. Alchajmerova bolest (AD), PD i ALS su povezani sa poremećenom signalizacijom insulina/insulinskog faktora rasta (IGF)-1 [105].

Degradaciju IGF-1 posreduje ubikvitin-proteazomski sistem (UPS), a NEDD4-1 igra ključnu ulogu u ovom procesu. NEDD4-1 je pojačano reguliran raznim neurotoksinima koji izazivaju oksidativni stres u neuronima, što dovodi do degradacije IGF-1 od strane UPS-a. Povišena ekspresija NEDD4-1 pronađena je u moždanim tkivima pacijenata sa AD, PD i HD, kao i u tkivima kičmene moždine pacijenata sa ALS-om i mutantnih SOD1 miševa.

Regulacija/inaktivacija NEDD{0}} spasila je neurone od smrti posredovane cinktoksičnošću [106]. NEDD4-1 je također povezan sa drugim proteinima koji su posebno važni u regulaciji ćelijskog odgovora na stres (HSF-1) i apoptoze (NDFIP1).

Faktor transkripcije toplotnog šoka-1 (HSF-1) je glavni faktor transkripcije stresa koji aktivira gensko kodiranje za šaperone i anti-apoptotičke proteine. Smatra se da je njegova disregulacija upletena u neurodegeneraciju, posebno u -sinukleinopatiju. Podproteotoksični stresni uslovi izazvani -Synucleinom, NEDD4-1 je E3 ligaza u neuronima koja ubikvitinira HSF-1 za dalju degradaciju od strane proteazoma.

Aberantna degradacija HSF-1 koja uključuje NEDD4-1 mogla bi biti važan molekularni ključni mehanizam koji leži u osnovi -sinukleinopatije i ekstenzivne neurodegeneracije [107]. NEDD4-1 također stupa u interakciju s NDFIP1 (protein koji djeluje u porodici NEDD4), transmembranskim proteinom sa zaštitnom ulogom u ćelijskom modelu PD, pomažući u smanjenju apoptoze i poboljšanju stope preživljavanja ćelija. Ovo vezivanje stvara pojačanu ekspresiju NDFIP1 [108].

Gubitak NEDD4-1 povezan je s povećanjem RTP801, pro-apoptotičkog proteina dovoljnog i neophodnog da izazove smrt neurona u ćelijskim i životinjskim modelima PD [109]. SMURF1 i SMURF2 su druge HECT E3 ligaze sa vezama na apoptotske puteve.

SMURF1 je opisan kao protein povezan s Hirano tijelom (HB) [110]. HB je prvo uočen kod pacijenata koji boluju od ALS-a i PD-a, a potom i kod AD. SMURF1 je reguliran proinflamatornim citokinima koji igraju ulogu u apoptozi kod ozljede CNS-a [111].

Također se pokazalo da inhibira p53-posredovanu apoptozu stabilizacijom MDM2-MDMX kompleksa koji ubikvitinira p53 što dovodi do njegove degradacije [51]. SMURF2 je opisan kao negativni regulator TGF-signalizacije, glavni akter u regulaciji apoptoze.

Tretman karbamatnim pesticidom, karbofuranom, dovodi do neurodegeneracije povećanom TGF-signalizacijom uz značajno smanjenje SMURF2 [112]. TGF-signalizacija je povećana, posebno kod pacijenata sa AD, PD i ALS [113].

Drugi glavni faktor u apoptozi je protein p53. p53-posredovana apoptoza je direktno uključena u procese koji dovode do neurodegeneracije. Zanimljivo je da HECT E3 NEDL1 pojačava p53-posredovanu apoptozu [114].

Glutamat je najzastupljeniji ekscitatorni neurotransmiter u centralnom nervnom sistemu. Kod AD, kognitivni pad je posljedica sinaptičkog oštećenja uzrokovanog cijepanjem proteina prekursora teamiloida u patogeni peptid amiloid- (A ) [115]. A smanjuje podtip jonotropnog glutamatnog receptora AMPA-R na membrani.

Precizni molekularni mehanizmi koji dovode do ovog smanjenja ostaju nejasni; međutim, kod kultiviranih neurona sa A-indukovanom sinaptičkom disfunkcijom, identificirana je uloga ubikvitinacije posredovane NEDD4-1na AMPA-R.

Poznato je da NEDD4-1 cilja na AMPA-R, a A promoviše njegovo regrutovanje, čime se povećava ubikvitinacija i degradacija sinaptičkih receptora [116]. HECT E3 NEDD4-2 je umiješan u ubikvitinaciju i degradaciju BEST1( bestrofin-1), hloridni kanal aktiviran kalcijumom eksprimiran na površini neurona i astrocita [117].

BEST1 je uključen u oslobađanje glutamata i GABA, povezano sa modulacijom neuronske ekscitabilnosti i sinaptičkom transmisijom u patološkim stanjima kao što su neuroinflamacija i neurodegeneracija.

Druga veza je opširno opisana između glutamata i neurodegenerativnih bolesti: ekscitotoksičnost glutamata. Prekomjerni glutamat u sinapsama je toksičan i povezan je s AD, ALS i HD. Disfunkcionalni glutamatni transporteri doprinose ovoj ekscitotoksičnosti [118].

HECT E3 NEDD4-2može posredovati u ubikvitinaciji glutamatnih transportera in vitro i in vivo modela PD [119]. U astrocitima tretiranim MPP+ (1-metil-4-fenilpiridinijum), nivoi GLT-1 ubikvitiniranih (Ub) transportera glutamata su povećani dok su nivoi GLT-1 koji nisu Ub smanjeni.

Ovo je poništeno siRNA-posredovanim obaranjem NEDD4-2. Slični rezultati su dobijeni u MPTP mišjem modelu PD (1-metil-4-fenil-1,2,2,6-tetrahidropiridin). Obaranja NEDD4-2 u ovom modelu miša rezultiralo je poboljšanjem poremećaja kretanja [120].

6. Zaključci i buduće perspektive

Put ubikvitina je glavni faktor u regulaciji homeostaze proteina i aktivnosti mnogih proteina. Deregulacija ovog puta, koji se sastoji od mnogih enzima, a posebno E3 ligaza, dovodi do poremećaja u razvoju i funkciji neurona, uzrokujući neurorazvojne ili neurodegenerativne bolesti (Slika 3).

U ovom radu dali smo prvi pregled funkcija i regulacije određene podfamilije E3 ligaza visoko eksprimiranih u mozgu, NEDD4 potfamilije E3 HECT ubikvitinligaza. To je najbolje okarakterizirana podgrupa od 28 enzima tipa HECT [121].

9 članova ove podfamilije NEDD4 bili su visoko očuvani tokom evolucije kod sisara, ali i kod nesisara, kao što su Caenorhabditis elegans ili Drosophila. Proteini koji dijele iste strukture i domene kao NEDD4 proteini pronađeni su u kvascima Saccharomyces cerevisiae i Schizosaccharomyces pombe [17].

Poznato je da su enzimi E3 iz podfamilije NEDD4 visoko eksprimirani u CNS-u.

Nedavne studije pokazuju da imaju različite i važne uloge u razvoju i funkciji neurona. Oni takođe učestvuju u ćelijskim procesima uključenim u regulaciju preživljavanja ćelija i programirane ćelijske smrti (Slika 3).

Genetske studije su pokazale da su neki od gena koji kodiraju ove enzime mutirani u određenim neurorazvojnim i neurodegenerativnim bolestima. Vrlo je vjerovatno da će daljnje genetske studije, korištenjem sekvenciranja sljedeće generacije na velikim grupama pacijenata, pokazati uključenost ove E3 porodice u druge CNS patologije. Poznato je da su neurodegenerativne bolesti bolesti povezane sa starenjem.

Starost može dovesti do modifikacija u koncentraciji i aktivnosti enzima ubikvitinskog puta. Promjene aktivnosti mogu biti uzrokovane posttranslacijskim modifikacijama (PTM) kao što je deamidacija.

Zaista, smatra se da je deamidacija molekularni sat za promet proteina i može dovesti do denaturacije ili agregacije proteina [122]. Efekat deamidacije ubikvitinligaza iz porodice NEDD4 trebalo bi, kao i fosforilaciju, ozbiljno proučiti.

Modifikacija njihove koncentracije ili aktivnosti može utjecati na ćelijske procese i rezultirati neurodegeneracijom. Regulatorni mehanizmi NEDD4 su prilično raznoliki, kao što se vidi ranije. Ovo otvara zanimljive mogućnosti za razvoj terapeutika koji bi omogućili modulaciju (blokiranje, smanjenje ili povećanje) njihovih akcija.

Mogli bismo ciljati proteinske domene regulacije enzimske aktivnosti, kao što je HECT enzimski domen, i domen interakcije sa ligandima. Neki molekuli su već razvijeni za djelovanje na NEDD4 proteine, kao što je lijek protiv raka Bortezomib, koji stupa u interakciju s nekoliko proteina iz podfamilije NEDD4 [123].

Klomipramin, lijek koji se koristi za liječenje depresije, posebno blokira HECT katalitičku aktivnost NEDD4 ICH [124]. Podfamilija NEDD4 je postala od velikog interesa za one koji su zainteresirani za fiziološke i patofiziološke procese u CNS-u.

S obzirom na raznolikost i važnost funkcija koje imaju proteini ove podfamilije u neuronima i mogućnost razvoja terapeutika koji ih specifično ciljaju, potrebna su daljnja istraživanja ovih konkretnih ligaza.

Doprinosi autora: Konceptualizacija, SH, PV i CRA; metodologija, SH, PV i CRA; validacija, SH, PV i CRA; pisanje – priprema originalnog nacrta, SH, PV, SM, CV-D., DL, FL,PC, HB i CRA; pisanje-recenzija i uređivanje, SH, PV, MJ, SM, CV-D., DL, FL, PC, HBand CRA; nadzor, PV i CRA; administracija projekta, PV i CRA; finansiranje, PV i CRA Svi autori su pročitali i složili se s objavljenom verzijom rukopisa.

Finansiranje: Ovo istraživanje nije dobilo vanjsko finansiranje.

Izjava institucionalnog odbora za reviziju: Nije primjenjivo.

Izjava o informiranom pristanku: Nije primjenjivo.

Izjava o dostupnosti podataka: Nije primjenjivo.

Priznanja: Ovo istraživanje podržali su Inserm University of Tours i fondacija ARSLA, Francuska. SH priznaje finansijsku podršku Regionalnog centra Val deLoire (Fellowship).

Sukob interesa: Autori izjavljuju da nema sukoba interesa.

Reference

1. Gilbert, SL; Dobyns, WB; Lahn, BT Genetske veze između razvoja mozga i evolucije mozga. Nat. Rev. Genet. 2005, 6, 581–590. [CrossRef] [PubMed]

2. Upadhyay, A.; Joshi, V.; Amanullah, A.; Mishra, R.; Arora, N.; Prasad, A.; Mishra, A. E3 Ubiquitin Ligases NeurobiologicalMechanisms: Development to Degeneration. Front. Mol. Neurosci. 2017, 10, 151. [CrossRef] [PubMed]

3. Hipp, MS; Kasturi, P.; Hartl, FU Mreža proteostaze i njen pad u starenju. Nat. Rev. Mol. Cell Biol. 2019, 20, 421–435.[CrossRef] [PubMed]

4. Ramocki, MB; Zoghbi, HY Neuspjeh neuronske homeostaze rezultira uobičajenim neuropsihijatrijskim fenotipovima. Nature 2008, 455, 912–918. [CrossRef] [PubMed]

5. Wang, C.; Dong, K.; Wang, Y.; Peng, G.; Song, X.; Yu, Y.; Shen, P.; Cui, X. Integracija ekspresije HECW1 u kliničke indikatore pokazuje visoku preciznost u procjeni prognoze pacijenata sa karcinomom bubrežnih stanica bistrih stanica. BMC Cancer 2021, 21, 890.[CrossRef]

6. Swatek, KN; Komander, D. Ubiquitin modifikacije. Cell Res. 2016, 26, 399–422. [CrossRef]

7. Kwon, YT; Ciechanover, A. Ubiquitin Code in the Ubiquitin-Proteasome System and Autophagy. Trends Biochem. Sci. 2017, 42, 873–886. [CrossRef]

For more information:1950477648nn@gmail.com