Воздействие дизельных выхлопов изменяет экспрессию сетей, участвующих в нейродегенерации в мозге рыбок данио. Часть 3
Mar 04, 2024
Результаты протеомного сравнения выявили повышенную регуляцию (чрезмерное представительство) ACTG2 (актин, гамма 2), CAT (каталаза), GSR (глутатиондисульфиредуктаза), GST (глутатион S-трансфераза), HMOX1 (гемоксигеназа 1) и PRDX1 (пероксиредоксин). 1), а также подавление убиквитин-конъюгирующего фермента ubcM2, RAP1A (RAP1A, член семейства RASoncogene), UBE2E3 (убиквитин-конъюгирующий фермент E2 E3) и ACTA1 (актин, альфа 1).
Протеомика — это масштабная научная технология, изучающая типы, структуры, количества и функции белков в организмах. В последние годы все больше исследований показывают, что протеомика тесно связана с памятью.
Исследователи обнаружили, что белки в мозге могут влиять на передачу сигналов между нейронами, тем самым влияя на когнитивную деятельность, такую как обучение и память. Например, большинство белковых молекул, необходимых для кодирования памяти и процессов хранения, синтезируются в синапсах. Эти белковые молекулы не только непосредственно участвуют в проведении и передаче нервных сигналов, но также могут влиять на синаптические связи и их стабильность между нейронами, тем самым влияя на генерацию и консолидацию памяти.
Исследования также показали, что определенные белки играют решающую роль в процессе памяти. Например, протеинкиназа CaMKII в нейронах регулирует силу и стабильность синаптических связей и играет важную роль в обучении и памяти. Другим важным белком является BDNF, который может способствовать росту нейронов, укреплению синапсов и выживанию нейронов, тем самым улучшая консолидацию и поддержание памяти.
Кроме того, некоторые исследования показали, что физическое здоровье и диета также оказывают существенное влияние на протеомику и память. Достаточный сон, соответствующие физические упражнения и диета с низким содержанием жиров и высоким содержанием белка могут способствовать синтезу и восстановлению белка, что полезно для улучшения памяти и когнитивных способностей.
Таким образом, протеомика и память тесно связаны. Ученые, изучающие науки о жизни, все чаще открывают, как модулировать протеом для улучшения памяти и предотвращения лечения когнитивных расстройств, таких как болезнь Альцгеймера. Поэтому мы должны обращать внимание на результаты научных исследований и придерживаться правильных привычек в питании, образе жизни и физических упражнениях, чтобы сохранить здоровый, сильный мозг и лучшую память. Видно, что нам необходимо улучшить память, а Cistanche Deserticola может значительно улучшить память, поскольку Cistanche Deserticola также может регулировать баланс нейротрансмиттеров, например, повышая уровень ацетилхолина и факторов роста. Эти вещества очень важны для памяти и обучения. Кроме того, Cistanche Deserticola может также улучшить кровоток и способствовать доставке кислорода, что может гарантировать, что мозг получает достаточное количество питательных веществ и энергии, тем самым повышая жизнеспособность и выносливость мозга.
Нажмите «Узнай 10 способов улучшить память»
Среди них снижение регуляции ubcM2, ингибитора Nrf2, может привести к более высокой активности этого пути. Поскольку разные компоненты цитоскелета (ACTG2 и ACTA1) ведут себя по-разному, а также учитывая отсутствие значительной дифференциальной экспрессии Nrf2 или Keap1, можно заключить, что воздействие DEP может вызвать перестройку цитоскелета (в пользу транслокации Nrf2 в ядро) и активацию Путь Nrf2 опосредованно через стимулы окислительного стресса (рис. 4).
Эти результаты хорошо подтверждаются нашим транскриптомным анализом, который показывает усиление PRDX, GSR и GST (нижних генов). Однако анализ транскриптома дополнительно подтвердил, что c-Fos и FRA1 (два ингибитора ядерного Nrf2) значительно подавлены и, следовательно, допускают более высокую активность Nrf2 во время лечения DEPe.
Созревание фагосом
Созревание фагосом облегчает транспортировку интернализованных частиц к ряду все более подкисленных мембраносвязанных субклеточных структур, что приводит к деградации частиц. После отпечатывания или отделения от поверхностной мембраны фагосома сливается с ранними эндосомами, поздними эндосомами и лизосомами, что сопровождается значительными закисляющими изменениями в ее составе, превращающими ее в окислительно-деградационную среду.
Движение фагосом происходит на основе связывания цитоскелетных белков (микротрубочек), что приводит к последовательному и динамическому слиянию эндосом и лизосом (Gotthardt et al., 2002). Во время созревания ГТФаза Rab5 управляет слиянием ранних эндосом посредством взаимодействия с несколькими молекулами. включая ранний эндосомный антиген 1 (EEA1), комплекс VPSS34 и белки SNARE.
Более того, одновременно происходит подкисление с помощью вАТФазы (вакуолярного протонного насоса), которая перемещает H+ через мембрану и дополнительно подкисляет просвет (Desjardins et al. 1994).
Хотя на транскриптомном уровне не было обнаружено значительного участия этого пути, наш протеомный анализ показывает подавление ATP6V1A (АТФаза H + транспортирующая субъединица A V1), ATP6V1E1, ATP1B2B, ATP1B3A, ATP6V1F, DYNLRB1 (блокатор легкой цепи динеина типа 1), TUBA1C (тубулин альфа 1c), TUBB2A, TUBB4A и VAMP2 (связанный с пузырьками мембранный белок 2), которые позволяют предположить, что лечение DEPe может приводить к активности созревания нижних фагосом или изменению рН лизосом (рис. 4). Это согласуется с нашим недавним сообщением о том, что воздействие DEPe приводит к снижению нейрональной аутофагии и предполагает механизм, лежащий в основе нейрональной токсичности загрязнения воздуха (Barnhill et al.2020).
Переработка амилоида
Амилоидные бляшки являются отличительным признаком нейропатологических поражений головного мозга при АД и БП с деменцией. Эти структуры состоят из А-бета-пептида, который играет центральную роль в патофизиологии БА (SadighEteghad et al. 2015).
Бета-амилоид обрабатывается комплексом гамма-секретазы (Пресенилин1/2) и бета-секретазой (BACE1) из трансмембранного белка-амилоида типа 1 (APP). Известно, что аномальный приток Ca2+ приводит к аберрантной активации кальпаина, который играет роль в фосфорилировании ассоциированного с микротрубочками белка Tauvia по пути CDK5.
Кроме того, окислительный стресс, связанный с накоплением А-бета, способствует активации нескольких киназ, включая киназы MAP, что приводит к фосфорилированию тау. Патологическое гиперфосфорилирование тау играет важную роль в дестабилизации микротрубочек (Sadigh-Eteghad et al. 2015). ). Эти изменения особенно важны для патогенеза БА и БП и могут быть фактором, способствующим тому, как загрязнение воздуха увеличивает риск.
Наш анализ экспрессии предполагает дестабилизирующее воздействие DEPe на регуляторы процессинга амилоида, поскольку три регулятора, включая CAPNS1 (малая субъединица 1 кальпаина), MARK1 (киназа 1, регулирующая сродство к микротрубочкам) и PRKAR1B (протеин-кинасекАМФ-зависимая регуляторная субъединица бета типа I), были подавлены на уровне уровень белка (рис. 4).
Митохондриальная дисфункция
Как основные потребители кислорода в клетке, митохондрии содержат множество окислительно-восстановительных переносчиков для переноса электронов на кислород, что приводит к образованию активных форм кислорода (АФК).
Эти органеллы содержат систему антиоксидантной защиты для детоксикации АФК и предотвращения окислительного повреждения других клеточных компонентов. Воздействие DEPe привело к изменениям в экспрессии ключевых белков, что, вероятно, привело к митохондриальной дисфункции. Как показано на рис. 4, наблюдается значительное снижение уровня белков АТФ-синтазы (ATP5F1D, ATP5mea), цитохром-с-оксидазы (COX7A2), НАДН-дегидрогеназы (NDUFA10,NDUFS8), 2-оксоглутаратдегидрогеназы (OGDH), и субъединица 2 комплекса цитохрома b-c1 (UQCRC2), которые играют ключевую роль в транспортировке электронов.
Это может изменить выработку АТФ, а также напрямую привести к увеличению выработки и токсичности АФК. Было высказано предположение, что митохондриальная дисфункция способствует патогенезу АД и БП, и, как и в случае с некоторыми из вышеупомянутых путей, загрязнение воздуха может изменить риск, нарушая функцию этой важной органеллы.
Сигнализация наведения аксонов
Формирование нейрональных связей требует расширения аксонов, которые мигрируют к своим синаптическим мишеням. На переднем крае аксона конус роста аксона содержит рецепторы, способные воспринимать привлекательные и отталкивающие сигналы, необходимые для навигации по аксону.
Помимо BMP, Shh и Wnt (которые недавно были вовлечены в аксональное наведение), существует по крайней мере четыре основные группы наводящих сигналов: (i) нетрины и рецепторы DCC/UNC-5; (ii) плексины, семафорины и нейропилиновые рецепторы; (iii) щели и робо-рецепторы; и (iv) эфрины и рецепторы Eph. Эти белки могут либо секретироваться и связываться с внеклеточным матриксом (Slits, Netrins и некоторые семафорины), либо закрепляться на поверхности клетки (эфрины и некоторые другие семафорины) (Stoeckli 2018). Лечение DEPe влияет на несколько аспектов аксонального наведения.
На уровне белка в результате лечения были изменены несколько важных факторов и регуляторов. Чрезмерное представительство PLXNB2 (плексин B2) и недостаточное представительство нескольких белков, включая ARHGEF11 (фактор обмена гуаниновых нуклеотидов 11), CHMP1A (заряженный мультивезикулярный белок тела 1A), COPS5 (сигналосомная субъединица 5 COP9), GNAT1 (субъединица G-белка альфа-трансдуцин 1), GNAT2 (субъединица G-белка альфа-трансдуцин 2), GNB5 (субъединица G-белка бета 5), MYL1 (легкая цепь 1 миозина), MYL2 (легкая цепь 2 миозина), NCK1 (адапторный белок 1), PLXNA1 (плексин A1), PRKAR1B (протеинкиназа цАМФ-зависимая регуляторная субъединица бета типа I), RAC3 (малая ГТФаза 3 семейства Rac), RAP1A (член семейства онкогенов RAS), SHANK2 (SH3 и множественные повторные домены анкирина 2), TUBA1C (тубулин альфа 1c), TUBB2A (тубулин бета 2А класса IIa) ) и TUBB4A (тубулинбета 4А класса Iva) предполагают значительное нарушение направления аксонов у развивающегося эмбриона (дополнительная таблица 5).
Интересно, что путь наведения аксонов существенно не пострадал на транскриптомном уровне, что указывает на то, что вовлечение этого пути может быть последующим результатом, посредством которого некоторые из эффекторных/регуляторных белков подвергаются деградации.
Описанные здесь изменения в путях наведения аксонов могут отражать нейротоксические пути, имеющие отношение к AD и PD, или просто отражать вмешательство в развитие нейронов у развивающихся эмбрионов. Анализ профилей экспрессии у взрослых, подвергшихся воздействию DEPe, поможет решить этот вопрос.
Другие пути
Наш протеомный и транскриптомный анализ также продемонстрировал участие нескольких путей и метаболических путей, включая деградацию мелатонина, циркадный ритм, передачу сигналов между клетками Сертоли и соединениями клеток Сертоли, передачу сигналов через эпителиальные слипчивые соединения, метаболизм гормонов щитовидной железы II (посредством конъюгации и/или деградации), передачу сигналов RhoA, инозин. Биосинтез -5'-фосфата II, сигнальный путь GP6, передача сигналов RhoGDI, внешний путь активации протромбина и система свертывания крови. Многие из этих изменений могут отражать изменения, вызванные перерывом в разработке.
Например, как протеомный, так и транскриптомный анализы показали, что путь фототрансдукции имеет самые большие изменения в экспрессии при лечении DEPe. Как показано в дополнительной таблице 5, несколько генов, включая опсин, GRK, S-аррестин, трансдуцин-, трансдуцин-, PDC и GUCA, имеют пониженный уровень транскрипции из-за воздействия DEPe. Из-за отсутствия доказательств индукции какого-либо элемента этого пути лечение DEPe, по-видимому, вредит развитию зрительной системы. Это согласуется с нашим наблюдением о том, что после лечения глаза так и не развились полностью и стали маленькими.
Функциональная оценка
В этом отчете наиболее заметным эффектом воздействия DEPe было значительное усиление цитохрома P450 (Cyp1A). Cyp1A метаболизирует многие эндогенные и экзогенные соединения, и повышенная экспрессия в мозге может защищать от токсичности или способствовать ее развитию. Чтобы лучше понять роль Cyp1A в токсичности DEPe, мы использовали CRISPR/Cas9 для создания модели нокдауна Cyp1A. Поскольку процедура редактирования генов у рыбок данио, скорее всего, является частичным процессом, приводящим к мозаичным эмбрионам, мы используем термин «нокдаун» (KD) вместо «нокаут». Используя специфичную для последовательности направляющую РНК, мы превратили первый сайт CCA PAM в TGA (стоп-кодонин) первого экзона Cyp1A. В качестве альтернативы в качестве контроля скремблирования (SC) использовали нецелевую направляющую РНК.
Затем тотальную РНК выделяли из головок эмбрионов размером до 20 KD и SC (5 pdf), а эффективность нокдауна подтверждали с помощью анализа qPCR. Подобно тому, что наблюдалось в высокопроизводительном исследовании RNA-Seq, этот эксперимент продемонстрировал резкую индукцию (в 30,59- раз от исходного уровня) Cyp1A при обработке DEPE у эмбрионов SC, в то время как у эмбрионов KD такое увеличение экспрессии отсутствовало ( рис. 5а).
Выживаемость шести групп эмбрионов в течение 7-дневного курса (n больше или равна 40) показана на рис. 5б. Вкратце, в 7pdf средняя выживаемость составила 89,1%, 74,4%, 79,4%, 68,5%, 48,8% и 7,6% для WT/DMSO, WT/DEPe, SC/DMSO, SC/DEPe, KD/DMSO и КД/ДЕПе соответственно. Таким образом, KD Cyp1A приводил к снижению выживаемости, но был резко снижен у рыб, обработанных DEPE, по сравнению с контрольной группой.
Кроме того, КД также приводил к значительно более высокому уровню морфологических пороков развития (рис. 5в). Таким образом, индукция экспрессии Cyp1A с помощью DEPe, по-видимому, является защитным компенсаторным механизмом. Существенным ограничением наших результатов является то, что мы измеряли индукцию экспрессии Cyp1A в мозге рыбок данио, но эксперименты KD снижали экспрессию во всем эмбрионе.
Значение и последствия нейродегенеративных заболеваний.
Известно, что загрязнение воздуха отрицательно влияет на качество жизни и играет важную роль в развитии болезней человека и животных. Используя высокопроизводительный анализ экспрессии, мы показали, что обработка DEPe изменила несколько биологических процессов и сигнальных путей в головах эмбрионов рыбок данио. Изменения в формировании фагосом, процессинге амилоида и функции митохондрий особенно важны для нейродегенерации.
Удивительно, но наши результаты не показали какого-либо явного участия воспаления, которое, как предполагалось, играет важную роль в токсичности загрязнения воздуха. Вероятно, это связано с тем, что мы измеряли экспрессию только в головах рыбок данио в возрасте 5-дневного возраста, а не во всем теле. Целью этих исследований было определить, как воздействие ДЭПэ влияет на мозг.
Мозг действительно содержит микроглию, которая, вероятно, активируется DEPe, но она составляет такую небольшую часть клеток мозга, что любые изменения могут быть незамеченными. Кроме того, микроглия отсутствует и не функционирует в мозгу развивающихся личинок до 3–5 pdf. По этой причине раннее воздействие может быть не самым важным для изучения воспалительных реакций. Индукция метаболизма ксенобиотиков также, вероятно, важна в качестве компенсаторной или защитной реакции на загрязнение воздуха.
Наша модель Cyp1AKD подтвердила защитную роль этого пути и представляет собой отличный пример того, как исследования экспрессии могут дать важные подсказки для определения механизмов воздействия токсикантов, таких как загрязнение воздуха. Неизвестно, изменяют ли полиморфизмы гена Cyp1A риск развития АД или БП у людей, подвергающихся воздействию загрязнения воздуха, но эти результаты предполагают потенциальное взаимодействие гена и окружающей среды и заслуживают дальнейшего изучения.
Одним из важных вопросов, требующих решения, является значимость воздействия DEPe на загрязнение воздуха. DEPe является наиболее распространенной смесью, используемой в исследованиях загрязнения воздуха для клеточных культур и других моделей, которые не поддаются воздействию ингаляционных камер. Дихлорметановые экстракты ДЭП содержат гидрофобные фрагменты, такие как ПАУ, которые с наибольшей вероятностью попадают в кровоток и биоаккумулируются в мозге. Недавнее исследование определило концентрацию нескольких ПАУ в аутопсии головного мозга человека и обнаружило, что они содержат концентрации ПАУ, очень похожие на те, которые использовались в исследованиях, представленных здесь (Пастор-Белда и др., 2019). Таким образом, воздействие на мозг рыбок данио очень актуально, поскольку они содержат ПАУ и другие фрагменты, которые, как наблюдалось, биоаккумулируются в человеческом мозге.
Благодарности Мы благодарим следующие агентства за финансирование этой работы: Фонд Левина (JMB), гранты Национального института наук о гигиене окружающей среды, NIEHST32ES015457 (LMB, SK) и Альянс Паркинсона (JMB).
Вклад автора Концепция и дизайн исследования (MSJ, LMB, JMB); Сбор данных (MSJ, HM, LMB, SL):Анализ и интерпретация данных (MSJ, LMB, JMB); Составление проекта статьи или ее критическая доработка для важного интеллектуального содержания (MSJ, HM, LMB, JMB).
Финансирование Эти исследования были поддержаны Фондом Левина (JMB), грантами Национального института гигиены окружающей среды, NIEHS T32ES015457 (LMB, SK) и Альянса Паркинсона (JMB).
Доступность данных Все данные доступны в наших дополнительных файлах.
Декларации
Этическое одобрение Все эксперименты на животных были одобрены Комитетом по исследованию животных Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе.
Согласие на публикацию. Все авторы одобряют подачу данного материала к публикации.
Конкурирующие интересы Авторы заявляют об отсутствии конкурирующих интересов.
Открытый доступ. Эта статья распространяется по международной лицензии Creative Commons Attribution 4.0, которая разрешает использование, совместное использование, адаптацию, распространение и воспроизведение на любом носителе и в любом формате при условии, что вы укажете первоначальный автор(ы). и источник, укажите ссылку на лицензию Creative Commons и укажите, были ли внесены изменения.
Изображения или другие сторонние материалы в этой статье включены в лицензию Creative Commons, если иное не указано в кредитной линии материала. Если материал не включен в лицензию Creative Commons статьи и ваше предполагаемое использование не разрешено законодательным регулированием или превышает разрешенное использование, вам необходимо будет получить разрешение непосредственно от владельца авторских прав. Чтобы просмотреть копию этой лицензии.
Рекомендации
Ахмадинежад Ф, Мёллер, С.Г. Хашемзаде-Чалештори М, БидхориГ, Джами М.С. Молекулярные механизмы, лежащие в основе функции поглотителей свободных радикалов против окислительного стресса. Антиоксиданты 2017;6 https://doi.org/10.3390/antiox6030051
Барнхилл Л.М., Хуансуван С., Хуарес Д., Мурата Х., АраухоХ.А., Бронштейн Дж.М. 2020. Воздействие экстракта дизельных выхлопов вызывает токсичность нейронов, нарушая аутофагию. Токсикол Наука; https://doi.org/10.1093/toxsci/kfaa055. Доступно: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/32298450 [по состоянию на 1 мая 2020 г.].
Бостанджиклыоглу М. Обновленная информация о взаимодействии болезни Альцгеймера, аутофагии и воспаления. Ген.2019;705:157–66. https://doi.org/10.1016/j.gene.2019.04.040.
Кальдерон-Гарсидуэньяс Л., Маронпот Р.Р., Торрес-Хардон Р., Энрикес-Рольдан С., Шунховен Р., Акунья-Аяла Х. и др. Повреждение ДНК в тканях носа и мозга собак, подвергшихся воздействию загрязнителей воздуха, связано с признаками хронического воспаления головного мозга и нейродегенерации. Токсикол Патол. 2003;31:524–38. https://doi.org/10.1080/01926230390226645.
Кальдерон-Гарсидуэньяс Л., Мора-Тискареньо А., Онтиверос Э., Гомес-Гарса Г., Барраган-Мехиа Г., Бродвей Дж. и др. Загрязнение воздуха, когнитивный дефицит и аномалии мозга: пилотное исследование с участием детей и собак. Brain Cogn.2008a;68:117–27. https://doi.org/10.1016/j.bandc.2008.04.008.
Кальдерон-Гарсидуэньяс Л., Рид В., Маронпот Р.Р., Энрикес Ролдан С., Дельгадо-Чавес Р., Кальдерон-Гарсидуэньяс А. и др. Воспаление головного мозга и патология, подобная болезни Альцгеймера, у лиц, подвергшихся сильному загрязнению воздуха. Токсикол Патол. 2004;32:650–8. https://doi.org/10.1080/01926230490520232.
Кальдерон-Гарсидуэньяс Л., Солт А.С., Энрикес-Рольдан С., ТорресХардон Р., Нусе Б., Херритт Л. и др. Длительное воздействие загрязнения воздуха связано с нейровоспалением, измененным иммунным ответом, нарушением гематоэнцефалического барьера, отложением ультрамелкодисперсных частиц и накоплением амилоида -42 и -синуклеина у детей и молодых людей. Токсикол Патол. 2008б;36:289–310. https://doi.org/10.1177/0192623307313011.
Кальдерон-Гарсидуэньяс Л, Вильярреал-Кальдерон Р, Валенсия Саласар Г, Энрикес-Рольдан С, Гутьеррес-Кастреллон П, Кориа-Хименес Р и другие. Системное воспаление, эндотелиальная дисфункция и активация у клинически здоровых детей, подвергшихся воздействию загрязнителей воздуха. Вдыхать токсикол. 2008c;20:499–506. https://doi.org/10.1080/08958370701864797.
For more information:1950477648nn@gmail.com
