Взгляд на патогенез нейродегенеративных заболеваний: фокус на митохондриальной дисфункции и окислительном стрессе. Часть 3.

4.3.3. ДНК

АФК могут вызывать многие типы повреждений ДНК, такие как модификация оснований, дезоксирибозомодификация, одноцепочечные разрывы (SSB) и двухцепочечные разрывы (DSB), перекрестные связи ДНК или абазиновые сайты [235].

По мере того, как мы узнаем больше о биологии, мы обнаруживаем, что базовые модификации могут влиять на человеческую память. Эта идея очень интересна, поскольку означает, что мы можем использовать эти модификации для улучшения и улучшения функций нашего мозга.

Исследования показали, что добавление метилирования к экзону ДНК может повлиять на формирование памяти и способность к пространственному обучению. В образцах ткани головного мозга человека было идентифицировано основание ДНК 5-гидроксиметилцитозин (5hmC), и его экспрессия в области коры головного мозга взрослого человека увеличилась.

Дальнейшие исследования показали, что для получения новой информации и консолидации воспоминаний требуются как минимум две разные функции мозга, а именно «запись» и «воспроизведение». На стадии записи холинергические нейроны выделяют ацетилхолин для передачи информации из кратковременной памяти в долговременную. В этом процессе важную роль играет метилаза (ДНК-метилтрансфераза), поскольку она может играть важную роль в регуляции экспрессии генов при формировании новых воспоминаний.

На следующем этапе, этапе воспроизводства, нейроны воспроизводят предыдущий опыт. Это означает, что консолидированная память помещается в долговременную память, и некоторые эксперты полагают, что метилирование этих генов преобразуется в форму, которую очень легко обратить вспять, например, в 5-гидроксиметилцитозин. То есть ютяньская кислота играет ключевую роль в закреплении долговременной памяти.

Таким образом, мы видим, что базовая модификация и память тесно связаны. Это дает нам большую надежду на разработку новых методов лечения для повышения эффективности работы мозга, таких как улучшение когнитивных функций и избежание когнитивного дефицита. Хотя предстоит еще много работы, это одно из прорывных исследований в нашем понимании и изучении нервной системы. Видно, что нам нужно улучшить 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 «Знать помощь с памятью».

Окисленная ДНК, вероятно, является наиболее частым повреждением ДНК нейронов [236]. В нормальных условиях АФК могут вызывать до 50000 повреждений ДНК на клетку в день [237], а задержки в восстановлении повреждений ДНК могут вызывать геномную нестабильность и индуцировать сигнальные каскады, ведущие к гибели клеток [238].

Клетки обладают различными механизмами репарации, такими как репарация с вырезанием оснований (BER), репарация ошибочного спаривания (MMR), эксцизионная репарация нуклеотидов (NER), а также механизмы репарации одноцепочечных (SSBR) и двухцепочечных разрывов (DSBR) [239].

Окисленные основания ДНК удаляются преимущественно по механизму BER/SSBR и включают удаление поврежденного основания специфической ДНК-гликозилазой (DG), разрезание абазового сайта AP-эндонуклеазой (APE1), заполнение образовавшегося пробела ДНК-полимеразой. и запечатывание поврежденной цепи ДНК ДНК-лигазой [240].

Было идентифицировано несколько DG, таких как урацил-ДНК-гликозилазы (UDG), тимин-ДНК-гликозилаза (TDG) или DG, специфичные для окисленных оснований, такие как 8-оксогуанин ({{3}oxoG) ДНК-гликозилаза (OGG1) [ 241,242]. OGG1-1a участвует в репарации ядерной ДНК, а OGG1-2a способствует репарации митохондриальной ДНК [243].

APE1 расщепляет сахарофосфатный остов ДНК в абазисном сайте. Фосфорилирование фермента, как это происходит после воздействия 1-метил-4-фенилпиридиния (MPP+), снижает его ферментативную активность и приводит к накоплению поврежденной ДНК в нейронах [244].

Митохондриальная ДНК еще более склонна к окислительному повреждению, поскольку митохондриальный геном расположен близко к IMM, месту генерации митохондриальных АФК, и поскольку в нем отсутствуют защитные гистоны [245]. Поскольку контроль качества митохондриальной ДНК имеет решающее значение для связи с ядром, митохондрии содержат антиоксиданты и ферменты репарации ДНК, такие как OGG1 и MUTYH (ДНК-гликозилаза mutY) [246].

Митохондриальная дисфункция, возникающая после делеции мтДНК, может приводить к активации NF-κB через акальциневрин-зависимый сигнальный путь [247] и, в свою очередь, может индуцироваться различными сигнальными молекулами. Например, PPAR-коактиватор 1 и SIRT1 регулируют функцию митохондрий, активируя экспрессию митохондриального транскрипционного фактора А (TFAM) [248].

Помимо повышенного окислительного повреждения, вызванного окислительным стрессом, дефектные механизмы репарации ДНК были описаны при нейродегенеративных заболеваниях, таких как БА или БП [235].

В дофаминергических нейронах пациентов с БП наблюдалась активация митохондриального OGG1 и более высокие уровни фосфорилированного APE1 [249]. Нейроны больных БА имели более высокий уровень окисленных оснований ДНК как в ядерной, так и в митохондриальной ДНК [250], демонстрировали снижение активности OGG1 [251] и более низкие уровни UDG [252] по сравнению с нейронами здоровых людей.

4.3.4. РНК и окислительное повреждение

РНК более распространена, составляя 80–90% нуклеиновой кислоты в клетках [253], и более уязвима к окислительному повреждению из-за своей одноцепочечной структуры, близости к гемитохондриям, отсутствия механизмов репарации окисленной РНК и меньшей защиты от белки по сравнению с ДНК [60,254].

Функции молекул РНК в клетке разнообразны: рибосомальная РНК (рРНК), которая вместе с транспортной РНК (тРНК) и информационной РНК (мРНК) отвечает за синтез белка, микроРНК (миРНК), которые являются посттрансляционными. регуляторы экспрессии генов, а также малые ядерные и ядрышковые РНК.

Традиционно мРНК считали кодирующей РНК [255]. Некодирующие РНК играют важную роль в регуляции сплайсинга мРНК и трансляции мРНК [256]. Наиболее агрессивным радикалом является гидроксильный радикал, образующийся в реакциях Фентона и Хабера–Вейсса [257].

Он реагирует с гуанином с образованием 8-гидроксигуанозина (8-OHG), одного из наиболее часто используемых биомаркеров окисления РНК [253]. Повреждение РНК, вызванное окислительной атакой, приводит к модификации оснований и нуклеозидов, расщеплению и фрагментации тРНК, аминоацилированию или дефектам спаривания кодон-антикодон [258] и вызывает прямые разрывы цепей РНК [259], несоответствие оснований тРНК, ошибки трансляции. [182] и нарушение синтеза белка [260] со значительным влиянием на жизнеспособность клеток.

Хотя клетки обладают несколькими механизмами деградации измененных транскриптов, такими как нонсенс-опосредованный распад мРНК (NMD) [261], эти механизмы имеют тенденцию подавляться с возрастом. Таким образом, накапливаются измененные неправильно свернутые белки [262].

5. Избирательная уязвимость нейронов при нейродегенеративных заболеваниях.

Хотя многие пути, ведущие к увеличению генерации АФК, и их последствия применимы ко всем клеткам, каждое нейродегенеративное заболевание приводит к дегенерации определенных групп нейронов, что побудило исследователей искать объяснения этой избирательной уязвимости популяций нейронов.

5.1. Избирательная уязвимость нейронов при болезни Альцгеймера

Потеря памяти и снижение когнитивных функций, характерные для БА, вызваны атрофией энторинальной коры (ЭК), преимущественно нейронов II слоя (ЭКII), и гиппокампа, особенно области СА1 [72].

Исследования показали, что нейроны в этих областях имеют высокие энергетические потребности и очень чувствительны к снижению поступления кислорода и глюкозы [263]. Кроме того, пирамидные нейроны CA1 и EC II являются глутаматергическими и, следовательно, более уязвимы к эксайтотоксичности NMDA и повреждающим эффектам повышенных внутриклеточных концентраций кальция [264], в отличие от неокортикальных тормозных интернейронов, которые имеют высокие уровни Ca2+-связывающих белков [265 ].

Недавно был описан ряд молекулярных признаков уязвимых нейронов. Например, пирамидные нейроны ECII имеют нарушенную активность регулятора сплайсинга тау, что, вероятно, связано с нарушением динамики микротрубочек [266], что может способствовать распространению тау в другие области мозга через нейроны СА1 [267].

Было показано, что субпопуляции селективно уязвимых возбуждающих нейронов экспрессируют RORB (RAR-родственный орфанный рецептор B), а также демонстрируют различия в экспрессии генов, кодирующих белки, локализованные в синапсе и аксонах, субъединицы калиевых каналов, сигнальные молекулы G-белка и сигнальные молекулы рецептора нейромедиатора. [268].

Однако связь между экспрессией RORB, накоплением фосфорилированного тау и нейродегенерацией еще предстоит охарактеризовать.

5.2. Избирательная уязвимость нейронов при болезни Паркинсона

Двигательные симптомы БП вызваны потерей черных дофаминергических нейронов, что приводит к истощению дофамина в дорсальном полосатом теле [269]. Структурно эти нейроны имеют очень длинные и разветвленные аксоны (до 4,5 м), соединенные с большим количеством нейронов (до 2,4 млн синапсов) [270, 271], что требует высокой плотности аксональмитохондрий и бросает вызов биоэнергетике митохондрий [272].

На молекулярном уровне нигральные дофаминергические нейроны обладают низкой буферной способностью Ca2+-, несмотря на высокие зависимые от активности нагрузки Ca2+, которые увеличивают генерацию OXPHOS и АФК [273] и могут способствовать повреждению мтДНК [274]. Кроме того, метаболизм дофамина сам по себе приводит к генерации АФК и вызывает накопление делеций мтДНК [275].

5.3. Уязвимость двигательных нейронов при боковом амиотрофическом склерозе

Патологической отличительной чертой БАС является дегенерация верхних и нижних мотонейронов, которые имеют очень длинные аксоны и, таким образом, зависят от правильной функции и трафика митохондрий [72].

Большой размер двигательной единицы предъявляет высокие энергетические требования к спинально-моторным нейронам для поддержания нейротрансмиссии и сокращения мышц [276].

Относительная сохранность мотонейронов в глазодвигательном, блоковом и отводящем ядрах может быть связана с небольшим количеством иннервируемых мышечных волокон (до пяти мышечных волокон вместо не менее 300 волокон, иннервируемых спинальными мотонейронами) [277], особенно винограда. сходная структура нервно-мышечного соединения [278], а также высокая буферная способность этих нейронов Ca2+ [279].

6. Окислительный стресс при нейродегенеративных заболеваниях.

Исследования все чаще показывают наличие маркеров окислительного стресса в нервной системе пациентов с нейродегенеративными заболеваниями, но молекулярные пути только начинают выясняться.

Описание генетических дефектов, приводящих к AD, PD, HD или ALS, помогло выявить последующие эффекты мутантных белков, причем аналогичные пути впоследствии были продемонстрированы при идиопатических формах заболеваний. Однако патофизиология все еще не полностью выяснена, несмотря на то, что накопленные знания уже привели к попыткам лечения.

6.1. Окислительный стресс при болезни Альцгеймера

Семейные случаи АД с мутациями пресенилина 1 (PS1) и 2 (PS2) связывают патогенез АД с нарушением гомеостаза кальция [280]. ФС взаимодействуют с рианодиновыми рецепторами [281] и влияют на сопряжение ЭР с митохондриями [282].

Действительно, высокие числа MAM были описаны на животных моделях AD и фибробластах или ткани головного мозга пациентов с AD [283]. Кроме того, агрегаты A могут опосредовать перенос Ca2+ из ER в темитохондрии через MCU [284], тогда как тау ингибирует отток кальция из митохондрий [285].

Более того, А может образовывать проницаемые для кальция каналы в мембранах [286,287], тогда как тау может образовывать неселективные ионные каналы в липидных бислоях [288]. Вредные эффекты повышенного содержания митохондриального кальция, вызывающие митохондриальную дисфункцию и окислительный стресс, были описаны в предыдущих разделах.

В астроцитах А, взаимодействующий с кальций-чувствительными рецепторами (CaSR), вызывает их подавление, заставляя соседние нейроны секретировать вновь синтезированный А, оксид азота и пероксинитрит [289].

В митохондриях одним из самых ранних изменений, связанных с БА, является эпоксидирование АТФ-синтазы с последующим снижением ее функции, описанное в нейронах ЭК уже на стадиях I-II по Брааку [290,291]. Расположенный внутри IMM, встроенный в богатый ПНЖК липидный бислой и близко к митохондриальному матриксу, фермент является легкой мишенью для свободных радикалов, генерируемых комплексами I и III [292].

Помимо энергетической недостаточности, модификация АТФ-синтазы дополнительно увеличивает выработку АФК с последующим усилением окислительных модификаций биологических молекул [293].

В этом каскаде большинство модифицированных продуктов липоксидации участвуют в энергетическом обмене, увеличивая энергетическую недостаточность, за ними следуют белки, участвующие в нейротрансмиссии, антиоксидантной защите и ионных каналах, как показано в таблице 1.

Связь между митохондриями и ядром и импорт ядерно-кодируемых митохондриальных субъединиц нарушаются из-за биоэнергетических дефектов и дисфункции митохондриальных белков, что приводит к изменению экспрессии регуляторных и структурных митохондриальных комплексов и ферментов [299]. Липидный обмен также изменяется, при этом изменения липидного профиля описаны при БА, особенно при РЭ [300].

Окислительное повреждение ПНЖК приводит к снижению содержания этих жирных кислот в липидных рафтах при ЭК на ранних стадиях БА [301], что влияет на толщину мембраны, ее текучесть, кривизну, а также на активность мембраносвязанных белков, которые способствуют амилоидогенному процессингу амилоида. белок-предшественник.

Похоже, что митохондриальный окислительный стресс, измененный липидный обмен, перекисное окисление липидов и биоэнергетические дефекты являются частью самоподдерживающейся петли, которая способствует усилению измененной митохондриальной динамики, митохондриальному трафику, нарушению митофагии и нарушению взаимодействия ЭР и митохондрий [290].

Внутриклеточное накопление бета-амилоида (А) и фосфорилированного тау вызывает значительную часть измененной динамики митохондрий, выражающуюся в чрезмерной фрагментации митохондрий, с увеличением количества и уменьшением размера митохондрий [302]. И А, и фосфорилированный тау увеличивают активность ГТФазы Drp1, что приводит к чрезмерной фрагментации митохондрий [303,304].

In vitro мутантные клеточные линии APP обнаруживали высокие концентрации мРНК и белков деления митохондрий и пониженные уровни мРНК и белков слияния митохондрий [305]. Также было показано, что фосфорилированный тау подавляет Opa1 и усиливает Mfn1 и Mfn2 [306].

Кроме того, цитоплазматическое накопление А приводит к истощению уровней Паркина и PINK1, тем самым препятствуя пути митофагии. Дефектная митофагия приводит к накоплению аутофагических вакуолей в соме нейронов и дисфункциональных нейритах [307] — процессу, потенцируемому особенностями митофагии в нейронах, где зрелые лизосомы концентрируются в теле клетки, тогда как митохондрии распространяются вдоль аксонов и дендритов нейронов, образуя нейроны. митофагия — более медленный процесс [308].

Кроме того, А-олигомеры взаимодействуют с аутофагическими вакуолями в дистальных частях аксонов, что приводит к ингибированию митохондриаксонального транспорта [309]. Кроме того, в лабораторных моделях мутации в гене PS1 изменяли закисление лизосом [310] и приводили к снижению экспрессии генов, связанных с аутофагией, через сигнальный путь ERK/CREB [311].

Белок тау также вносит важный вклад в защиту физиологических условий клеточного генома путем связывания хроматина [236]. Гиперфосфорилированное состояние тау препятствует этой функции, создавая предпосылки для нанесения большего окислительного повреждения ДНК и увеличения времени, необходимого для восстановления этих повреждений ДНК [236].

Нельзя упускать из виду роль активации микроглии и хронического воспаления в патогенезе БА. Микроглия, врожденные иммунные макрофагоподобные клетки нервной системы, составляют около 10% клеточной популяции мозга здорового взрослого человека [312].

При БА в микроглии повышается экспрессия рецепторов комплемента, что приводит к усилению регуляции сигнального пути NF-κB, A-активируемых Fc-рецепторов (которые индуцируют экспрессию воспалительного белка MIP-макрофагов-1) и повышенной экспрессии рецепторов-мусорщиков A{ {4}} и B (SCARA и SCARB) [313,314]. Связывание A со SCARB-2 активирует микроглию с образованием провоспалительных цитокинов, хемокинов и АФК [315].

Повышенные уровни тау, индуцируя экспрессию toll-подобных рецепторов, также приводят к высвобождению провоспалительных цитокинов IL-1, IL-6 и IL-8 через NF-κB. сигнальный путь [316]. Хотя воспаление активирует аутофагию в клетках [108], поскольку нарушение аутофагии затрагивает также клетки микроглии, хронический воспалительный фенотип микроглии дополнительно способствует повреждению нейронов при AD [317].

6.2. Окислительный стресс при болезни Паркинсона

БП является вторым по распространенности нейродегенеративным заболеванием, проявляющимся как когнитивными, так и нервно-мышечными нарушениями.

Хотя большинство случаев являются спорадическими, некоторые мутации были описаны при семейных и ранних формах БП, например, мутации в PARK1 (кодирующий PINK1), PARK2 (кодирующий паркин), PARK1/4 (-синуклеин), PARK7 (DJ1), PARK8 (LRRK2), PARK9 (ATP13A2), PARK17 (Vsp35), FBX07, GIGYF2 или HTRA2, подчеркивая участие пути деградации белка убиквитина, окислительного стресса, пути выживания клеток, митохондриальной функции и апоптоза в патогенезе БП [113,318].

Патологической отличительной чертой БП является накопление нерастворимых включений, состоящих преимущественно из синуклеина (тельц Леви), преимущественно в нигральных дофаминергических нейронах [61].

Изучение синдромов Паркинсона, вызванных токсинами, помогло выяснить патогенез БП. В 20 веке было показано, что воздействие 1-метил-фенил4-фенил-1,2,3,6-тетрагидропиридина вызывает симптомы, напоминающие тяжелый паркинсонизм [319], мешая с комплексом I ЭТЦ.

Кроме того, в экспериментальных условиях ротенон, ингибитор комплекса I, приводил к апоптозу в клетках нейробластомы человека, и этот результат был расширен для обсуждения участия воздействия пестицидов в этиологии БП [320].

В дальнейшем ряд исследователей последовательно сообщали о дефекте комплекса I митохондриальной ЭТЦ, приводящем к снижению его активности на 30–40% [48,321], вызванному снижением скорости продукции субъединиц комплекса I, разрушением его структуры и окислительным повреждением [48,321]. 322]. -синуклеин нацелен на митохондрии и приводит к снижению активности комплекса I [323].

Мутации LLRK2 (богатой лейцином повторной киназы 2) могут повышать уровни альфа-синуклеина [324]. PINK1 и Parkin регулируют митофагию, как описано ранее. DJ1 важен для целостности и динамики митохондрий; Было показано, что сверхэкспрессия DJ1 снижает фрагментацию митохондрий, индуцированную ротеноном, независимо от PINK1 [325].

Убедительные данные показали накопление повышенного количества продуктов окисления липидов, белков и ДНК в дегенерирующих нейронах при БП [326–328] вместе со снижением уровня антиоксиданта GSH [329], тем самым вовлекая окислительный стресс в патогенез БП.

Первоначально АФК, вероятно, возникают из-за ЦЭТ, внешних факторов и автоокисления дофамина [330], которое позднее усиливается метаболизмом дофамина моноаминоксидазой B, воспалительными реакциями или вкладом тяжелых металлов [331].

Было показано, что АФК индуцируют необычную активацию регуляторного белка железа 1, тем самым способствуя накоплению железа в дофаминергических клетках [332]. Перекись водорода может легко диффундировать в соседние нейроны, где она может генерировать гидроксильные радикалы за счет взаимодействия с железом [55].

Мутации PINK1 в киназном домене молекулы, расположенной в митохондриях, также повышают восприимчивость клеток к окислительному стрессу [55,333].

For more information:1950477648nn@gmail.com