Перекрестные помехи между различными путями восстановления ДНК способствуют нейродегенеративным заболеваниям. Часть 3

5.1. ГДР и аутофагия

Неэффективный клиренс агрегатов, указывающий на дефектную аутофагию, является одной из общих черт NDD. В ходе патогенеза БА было показано как нарушение синтеза аутофагосом, так и снижение клиренса аутофагических субстратов [152–154].

Аутофагия — это процесс саморазложения и переработки клеток, который может помочь нам удалить стареющие, поврежденные и бесполезные органеллы и белки. Однако с возрастом и появлением вредных привычек в образе жизни функция аутофагии человеческого организма постепенно снижается, что может нанести вред нашему здоровью и памяти.

Исследования показали, что существует тесная связь между аутофагией и памятью. Снижение функции аутофагии приведет к накоплению мусора в клетках головного мозга, тем самым нарушая нормальный обмен веществ и передачу сигналов в клетках, что приводит к потере памяти и когнитивным нарушениям. Нормальный процесс аутофагии может способствовать регенерации и обновлению клеток мозга, поддерживать здоровье клеток мозга и, таким образом, способствовать улучшению памяти и когнитивных способностей.

Поэтому мы должны активно поддерживать функцию аутофагии и повышать уровень аутофагии за счет правильного образа жизни и корректировки диеты. Например, нам следует избегать чрезмерного потребления нездоровой пищи, такой как продукты с высоким содержанием сахара и жира, и есть больше фруктов и овощей, цельнозерновых продуктов и других продуктов, богатых антиоксидантами и целлюлозой, которые могут помочь уменьшить образование свободных радикалов и способствовать процесс аутофагии. Кроме того, нам следует поддерживать умеренные физические нагрузки, сохранять хорошее настроение, избегать чрезмерного стресса и беспокойства и т. д., что поможет улучшить аутофагию и сохранить здоровый мозг и хорошую память.

В целом между аутофагией и памятью действительно существует тесная связь, но мы можем поддерживать уровень аутофагии посредством правильного образа жизни и корректировки диеты, защищать наш мозг и память и двигаться к более здоровой и позитивной жизни. Видно, что нам нужно улучшить нашу память, и Цистанхе может значительно улучшить память, поскольку Цистанхе также может регулировать баланс нейротрансмиттеров, например, повышая уровень ацетилхолина и факторов роста, которые очень важны для памяти и обучения. Кроме того, цистанхе также может улучшить кровоток и способствовать доставке кислорода, что может гарантировать, что мозг получает достаточное питание и энергию, тем самым повышая жизнеспособность и выносливость мозга.

Нажмите «Знайте добавки для улучшения памяти»

Накопление -SYN при БП указывает на дисфункциональную шаперон-опосредованную аутофагию (CMA), основной вклад в аутофагическую деградацию -SYN [155].

Мутации во многих рецепторах аутофагии, включая SQSTM1/p62 [155], OPTN и UBQLN2, связаны с патогенезом БАС [156–158]. Связь между DDR ​​и аутофагией как непосредственной причиной NDD еще не установлена, хотя в литературе предполагаются косвенные связи между механизмом репарации ДНК и аутофагией различными, неисключительными путями [159–161].

Активация АТМ может вызвать индукцию аутофагии посредством 50-АМФ-активируемой протеинкиназы (AMPK) в ответ на АФК [162,163]. В то время как нейроны Atm-/- демонстрируют аномальную аутофагию, сам ATM процессируется путем аутофагической деградации [164]. У мышей с нокаутом Parp1, подвергшихся острому голоданию, наблюдается недостаточная аутофагия в печени, что указывает на физиологическую роль PARP1 в аутофагии, индуцированной голоданием [165].

Связь между DDR ​​и аутофагией кажется двунаправленной, поскольку нокаут BECLIN1, белка, участвующего в индукции аутофагии, снижает активность и уровни важнейших белков HR и NHEJ, а также ослабляет образование комплексов ДНК-PK [166,167].

Было показано, что SQSTM1/p62 регулирует соотношение между HR и NHEJ, способствуя последнему при облучении [168]. CMA регулирует уровни CHK1 и предотвращает гиперфосфорилирование и дестабилизацию комплекса MRN [169]. Продукт трансляции гена, связанного с устойчивостью к ультрафиолетовому излучению (UVRAG), важного игрока в инициации аутофагии, патрулирует активность репарации DSB посредством прямого связывания с DNA-PK в NHEJ [170].

Интересно, что повреждение ДНК может вызывать митофагию, которая может играть роль в защите клеток от гибели клеток, вызванной повреждением ДНК [171]. Хотя РДР не исследовалась, наша группа недавно продемонстрировала индукцию эндоплазматического стресса (ER-стресс), способствующую выживанию аутофагии после радиационно-индуцированной индукции АФК [172].+

5.2. РДР и нейровоспаление

Нейровоспаление – еще одно распространенное явление, наблюдаемое при различных НДЗ. Считается, что действует порочный цикл, включающий нейровоспаление, окислительный стресс и нейродегенерацию [173,174].

Воспаление само по себе может вызвать повреждение ДНК посредством образования АФК и активных форм азота (РНС). Воспаление усиливает не только мутагенные повреждения ДНК, такие как 8-нитрогуанидин и 8-oxoG, но также отрицательно влияет на способность репарации ДНК, ингибируя многие важные ферменты репарации ДНК [175,176].

Значимое открытие циклической гуанозинмонофосфат-аденозинмонофосфат (GMP-AMP)синтазы (cGAS) в качестве сенсора цитозольной ДНК млекопитающих Sun et al. установил прямую связь между поврежденной ДНК и нейровоспалением [177].

При связывании с цитозольной ДНК cGAS превращает АТФ и GTP в циклический GMP-AMP (cGMP), который связывает и активирует белок-стимулятор эндоплазматического ретикулума генов интерферона (STING), в конечном итоге индуцируя выработку интерферонов типа I через факторы транскрипции NF-kB и IRF3. [178].

Активация cGAS-STING наблюдалась при нескольких NDD: на модели крыс с дефицитом инан-атм с нейровоспалительными и нейродегенеративными фенотипами, накопление цитозольной ДНК, приводящее к повышенным уровням фосфорилированного TBK1 (указывающее активацию STING), наблюдалось в различных типах клеток, включая микроглию [179].

Сюй и др. продемонстрировали, что цГАМФ может подавлять БА за счет повышения уровня TREM2 [180]. Мотонейроны пациентов с БАС, полученные из IniPSC, TDP-43 запускали высвобождение мтДНК, что приводило к активации cGAS-STING, и было показано нейровоспаление [181].

Индукция IL6 в ответ на циркулирующую бесклеточную мтДНК была зарегистрирована в сыворотке пациентов с болезнью Паркинсона [182]. Следовательно, воспаление, опосредованное cGAS-STING, становится еще одной общей характеристикой NDD.

Таким образом, отдельные белки DDR могут участвовать более чем в одном NDD (рис. 2) и могут вызывать нейродегенеративные явления посредством взаимодействия с различными клеточными процессами (рис. 3).

6. Модельные системы для изучения НДЗ и терапии.

Хотя посмертная ткань головного мозга полезна для картирования основных структурных или молекулярных различий в маркерах DDR на поздних стадиях НДР, ее возможности для объяснения механизмов заболевания ограничены.

Таким образом, модели на животных остаются важным инструментом для изучения механизмов, способствующих нейродегенерации, на протяжении всей жизни. Подборка исследований, связывающих DDR и NDD с использованием различных модельных систем, обсуждавшихся выше, или предлагающих подходящие модели для изучения этих перекрестных помех, обобщена в таблице 1.

Как видно из вышеизложенного, грызуны остаются наиболее широко используемыми модельными животными. Например, для AD существует более двухсот различных моделей грызунов (https://www.alzforum.org/research-models/search (по состоянию на 19 февраля 2021 г.)).

Однако ни одна модель не воспроизводит все кардинальные фенотипы, наблюдаемые при заболеваниях человека, что иллюстрирует необходимость в более совершенных моделях для моделирования НДР человека.

Содержание беспозвоночных животных относительно недорого, они имеют короткую продолжительность жизни и цикл воспроизводства. Эти свойства делают модели, не являющиеся позвоночными, пригодными для лекарственного и генетического скрининга.

Нематода Caenorhabditis elegans (C. elegans) является примером животного, прозрачное тело которого позволяет контролировать нейродегенерацию in vivo. Доступны гуманизированные модели животных, в которых трансгенные животные экспрессируют человеческий -SYN [187,188], A 1–42, TAU [189,190 ], TDP-43 и SOD1 [191–193].

Существование поведенческих тестов позволяет изучать жизнеспособность и функциональность отдельных нейронов в течение естественного жизненного цикла. Таким образом, простые животные предоставляют прекрасную возможность изучить совокупное воздействие генетических и экологических факторов риска в сочетании со старением, наиболее важным фактором риска НДР.

Что касается вклада DDR, C. elegans имеет меньшую избыточность генов репарации ДНК, что делает его отличным инструментом для определения того, влияют ли белки репарации ДНК на нейродегенерацию и если да, то каким образом. Ограничение C. elegans заключается в том, что у него нет мозгов. Таким образом, необходимы модели позвоночных. Из них все более популярным становится данио рерио (D. rerio), поскольку его сосудистая сеть и мозг разделены гематоэнцефалическим барьером [194–196].

Развитие технологии iPSC человека открыло двери для моделирования сложных заболеваний головного мозга. Доступны установленные протоколы для создания различных типов клеток головного мозга из ИПСК, полученных от пациента, в двумерных (2D) монослойных культурах и использования их для моделирования БА [197, 198], БАС [199–201] и БП [202, 203].

Возможность редактирования генома в ИПСК (например, с помощью CRISPR/CAS9) еще больше увеличивает потенциал этих клеток для изучения специфической роли отдельных генов. Кроме того, роль других типов клеток головного мозга (включая глиальные клетки, также полученные из ИПСК) можно изучать в недавно разработанных системах совместного культивирования [204].

Тем не менее, системы 2D-культуры не отражают сложность мозга, и такие фенотипы, как агрегация внеклеточных белков, трудно наблюдать. Таким образом, 2D ИПСК не являются наиболее предпочтительным выбором для моделирования NDD.

Самоорганизация эмбриоидных тел из ИПСК, так называемых 3D-органоидных моделей, может позволить нам изучать клеточное развитие и межклеточные взаимодействия в трехмерной микросреде человеческого мозга [205].

Достижения в системах 3D-культуры привели к формированию в этих органоидах (мини-мозге) множества типов клеток головного мозга и специфических областей мозга [206]. Кортикальные органоиды переднего мозга, органоиды среднего мозга и сфероиды двигательных нейронов, полученные из AD и HD, PD. ИПСК и ИПСК пациентов с БАС, соответственно, могут демонстрировать фенотипы основных тканей и, таким образом, могут быть очень полезны для понимания этих сложных NDD (рис. 4) [207–213].

Рисунок 4. Потенциал 2D ИПСК и 3D-органоидов для моделирования NDD. Фибробласты кожи, полученные от пациентов с НДЗ, можно перепрограммировать в ИПСК. Эти ИПСК можно дифференцировать в различные типы клеток головного мозга, включая различные типы нейронов, микроглию и т. д.

3D-органоиды, полученные из ИПСК, содержат большинство типов клеток головного мозга (за исключением микроглии и сосудистой сети, которые можно культивировать совместно с 3D-органоидами) и могут демонстрировать фенотипы основных заболеваний. Также были показаны различные применения этих модельных систем. Создано с помощью BioRender.com.

7. Выводы

Подводя итог, можно сказать, что как антиоксидантная защита, так и восстановление ДНК предотвращают накопление повреждений ДНК и тем самым противодействуют развитию НДЗ. Одним из примеров антиоксидантной защиты является супероксиддисмутаза 1 (SOD1), которая защищает нейроны от нейротоксичности, опосредованной амилоидом (А) [214]. Как сверхэкспрессия SOD1 дикого типа, так и мутации в SOD1 связаны с несколькими возрастными NDD [11,215,216].

Несколько клинических испытаний нацелены на SOD1 дикого типа или мутантный SOD1 для предотвращения агрегации и неправильного сворачивания при NDD, а антисмысловой олигонуклеотид в настоящее время находится на стадии III клинических испытаний (NCT02623699).

Небольшая молекула, аримокломол, которая способствует правильному сворачиванию SOD1 в эндоплазматическом ретикулуме (ER) [11], находится на стадии III исследования (NCT03491462). Вопрос о том, можно ли использовать нацеливание на репарацию ДНК или DDR в качестве терапевтических вариантов против NDD, еще предстоит выяснить. уточнил.

Тем не менее, появление активации PARP1 с помощью SSB, что является обычным явлением при NDD, и доступность ингибиторов PARP1 позволяют предположить, что этот путь может быть дальнейшим. Однако прямое воздействие на PARP1 несет в себе риск вредного воздействия на другие клетки и тканевые системы. Одним из последствий сверхактивации PARP1 является истощение клеточного НАД+, который является субстратом PARP1.

В нашей предыдущей работе мы показали, что повышение уровня НАД+ является многообещающей стратегией для стимуляции репарации ДНК и предотвращения нейродегенерации при редких заболеваниях репарации ДНК [140,146,184]. Для дальнейшего изучения терапевтического потенциала РДР можно использовать межвидовые исследования, в которых различные модельные системы объединяются для повторения различных аспектов этих сложных заболеваний.

3D-модели органоидов, полученные из iPSC, становятся многообещающими модельными системами, которые могут отразить сложность DDR и ее взаимодействие с другими клеточными процессами, важными для поддержания здоровья нейронов.

Вклад авторов: концептуализация, HN и KS; методология, СГ; программное обеспечение, ПЯ, ТС и К.С.; валидация, SG, PY, TS, HN и KS; формальный анализ, СГ; расследование, СГ; ресурсы, ХН и КС; курирование данных, SG, PY, TS и KS; письменно-оригинальная подготовка черновиков, СГ, ПЯ,ТС, ХН и КС; написание-рецензирование и редактирование, SG, PY, TS, HN и KS; визуализация, СГ, ХН и КС; надзор, HN и KS; администрация проекта, SG, HN и KS; финансирование приобретения, HN Все авторы прочитали и согласились с опубликованной версией рукописи.

Финансирование: Данное исследование финансировалось Юго-восточным региональным управлением здравоохранения (проект № 279922 и 2017029) и Норвежским исследовательским советом (грант № 302483).

Заявление Институционального наблюдательного совета: Неприменимо.

Заявление об информированном согласии: Не применимо.

Заявление о доступности данных: В этом исследовании не было создано или проанализировано никаких новых данных. Обмен данными не относится к этой статье.

Благодарности: мы выражаем благодарность Эллен Тенстад @ScienceShaped, Карине Кнудсон и Франсиско Хосе Наранхо Галиндо за помощь с графическими иллюстрациями, а также Эвандро Фей Фанг, Диане Л. Бордин и Лизе Лирусси за критическое прочтение рукописи.

SG и PY финансировались за счет гранта Юго-Восточного регионального управления здравоохранения (проект № 279922 и 2017029), а TSG финансировался за счет гранта Норвежского исследовательского совета (грант № 302483).

Конфликты интересов: Мы подтверждаем, что у всех авторов нет конфликта интересов в отношении данной рукописи.

Ссылки

1. Делани, С.; Джарем, округ Колумбия; Волле, CB; Йенни, К.Дж. Химические и биологические последствия окислительно-поврежденного гуанина в ДНК. Свободный радикал. Рез. 2012, 46, 420–441. [Перекрестная ссылка]

2. Шэн, З.; Ока, С.; Цучимото, Д.; Аболхассани, Н.; Номару, Х.; Сакуми, К.; Ямада, Х.; Накабеппу, Ю. 8-Оксогуанин вызывает нейродегенерацию во время MUTYH-опосредованной репарации оснований ДНК. Дж. Клин. Расследование. 2012, 122, 4344–4361. [Перекрестная ссылка]

3. Крокан, Х.Э.; Драблос, Ф.; Слупфауг, Г. Урацил в возникновении ДНК, последствиях и восстановлении. Онкоген 2002, 21, 8935–8948. [CrossRef]

4. Линдал, Т.; Ниберг, Б. Скорость депуринации нативной дезоксирибонуклеиновой кислоты. Биохимия 1972, 11, 3610–3618. [Перекрестная ссылка]

5. Чин-Чан, М.; Наварро-Йепес, Дж.; Кинтанилья-Вега, Б. Загрязнители окружающей среды как факторы риска нейродегенеративных расстройств: болезни Альцгеймера и Паркинсона. Передний. Клеточные нейроны. 2015, 9, 124. [CrossRef]

6. Рамачандиран, С.; Хансен, Дж. М.; Джонс, ДП; Ричардсон-младший; Миллер, Г.В. Различные механизмы токсичности параквата, MPP+ и андротенона: окисление тиоредоксина и активация каспазы -3. Токсикол. наук. 2007, 95, 163–171. [Перекрестная ссылка]

7. Хоу, Ю.; Дэн, X.; Баббар, М.; Вэй, Ю.; Хассельбальх, С.Г.; Крото, ДЛ; Бор В.А. Старение как фактор риска нейродегенеративных заболеваний. Нат. Преподобный Нейрол. 2019, 15, 565–581. [Перекрестная ссылка] [PubMed]

8. Висс-Корей Т. Старение, нейродегенерация и омоложение мозга. Природа 2016, 539, 180–186. [Перекрестная ссылка] [PubMed]

9. Лопес-Отин, К.; Бласко, Массачусетс; Партридж, Л.; Серрано, М.; Кремер, Г. Признаки старения. Cell 2013, 153, 1194–1217. [Перекрестная ссылка][PubMed]

10. Фанг, Э.Ф.; Шайби-Кнудсен, М.; Чуа, К.Ф.; Мэттсон, член парламента; Крото, ДЛ; Бор, В.А. Повреждение ядерной ДНК, сигнализирующее о томитохондриях при старении. Нат. Преподобный мол. Клеточная Биол. 2016, 17, 308–321. [Перекрестная ссылка]

11. Трист, Б.Г.; Дэвис, КМ; Коттам, В.; Жену, С.; Ортега, Р.; Рудо, С.; Кармона, А.; Де Сильва, К.; Васингер, В.; Льюис, SJG и др. Протеинопатия бокового амиотрофического склероза, подобная супероксиддисмутазе 1, связана с потерей нейронов головного мозга при болезни Паркинсона. Акта Нейропатол. 2017, 134, 113–127. [Перекрестная ссылка]

12. Рултен, С.Л.; Калдекотт, К.В. Восстановление разрывов нитей ДНК и нейродегенерация. Ремонт ДНК 2013, 12, 558–567. [Перекрестная ссылка]

For more information:1950477648nn@gmail.com