Взгляд на патогенез нейродегенеративных заболеваний: фокус на митохондриальной дисфункции и окислительном стрессе. Часть 1.

Аннотация: По мере старения населения заболеваемость нейродегенеративными заболеваниями увеличивается. Благодаря интенсивным исследованиям были сделаны важные шаги в выяснении патогенетических каскадов, которые существенно влияют на митохондриальную дисфункцию и окислительный стресс.

Благодаря постоянному улучшению современной медицины и уровня жизни средняя продолжительность жизни людей становится все больше и больше, что также означает, что старение населения становится все более и более серьезным. Хотя пожилым людям приходится сталкиваться со многими проблемами со здоровьем и жизнью, потеря памяти не обязательно является одной из этих проблем.

На самом деле есть много пожилых людей с отличной памятью. Они могут не только вести повседневную жизнь, но и использовать свой жизненный опыт для решения проблем. Что касается снижения памяти, то многие думают, что это связано с возрастом, но на самом деле это всего лишь заблуждение.

Исследования не выявили прямой связи между убылью населения и старением населения. Будь мы молодыми или старыми, наш мозг способен самовосстанавливаться, и если мы регулярно тренируемся, мы можем улучшить нашу память. Ухудшение памяти у пожилых людей происходит главным образом из-за того, что их мозг не полностью тренируется, что приводит к его упадку.

Мы можем принять некоторые меры для укрепления нашей памяти, например, тренировать мозг посредством различных занятий, таких как чтение, письмо, рисование, путешествия и общение. Кроме того, мы также можем обратить внимание на привычки питания и образа жизни, такие как поддержание хорошего качества сна, сбалансированное питание и отказ от нездорового поведения, такого как курение или употребление алкоголя.

Поэтому нам не следует подчеркивать ухудшение памяти из-за старения населения, а следует более активно тренировать и поддерживать мозг. Улучшая свою память, мы можем защитить свое здоровье и свободную жизнь. Видно, что нам необходимо улучшить память, а цистанхе может значительно улучшить память, потому что цистанхе — это традиционное китайское лекарственное вещество, обладающее множеством уникальных эффектов, одним из которых является улучшение памяти. Эффект Cistanche обусловлен различными содержащимися в нем активными ингредиентами, в том числе дубильной кислотой, полисахаридами, флавоноидными гликозидами и т. д. Эти ингредиенты могут способствовать здоровью мозга различными способами.

Нажмите «Узнайте 10 способов улучшить память»

Однако доступные методы лечения болезней Альцгеймера, Паркинсона и бокового амиотрофического склероза в основном симптоматические, приносят незначительные преимущества и, в лучшем случае, замедляют прогрессирование заболевания.

Хотя в доклинических условиях препараты, направленные на митохондриальную дисфункцию и окислительный стресс, дали обнадеживающие результаты, клинические испытания не увенчались успехом или дали неубедительные результаты. Вполне вероятно, что к моменту клинического диагноза патогенетические каскады уже развернуты и значительное количество нейронов уже дегенерировало, что делает невозможным для митохондриально-ориентированных или антиоксидантных молекул остановить или обратить вспять этот процесс.

Пока дальнейшие исследования не предоставят более эффективные молекулы, здоровый образ жизни с большим количеством диетических антиоксидантов и избеганием экзогенных оксидантов может отсрочить начало нейродегенерации, в то время как семейные случаи могут получить пользу от генетического тестирования и агрессивной терапии, начатой ​​на доклинической стадии.

Ключевые слова: митохондриальная дисфункция; окислительный стресс; антиоксиданты; болезнь Альцгеймера; болезнь Паркинсона; боковой амиотрофический склероз.

1. Введение

Старение связано с рядом физиологических дефицитов и различной степенью когнитивных нарушений, а также является основным фактором риска нейродегенеративных заболеваний, таких как болезнь Альцгеймера (БА), болезнь Паркинсона (БП) или боковой амиотрофический склероз (АЛС) [1].

В результате огромного количества исследований, направленных на разгадку механизмов старения и нейродегенерации, появилось несколько частей головоломки, но нам еще предстоит пройти долгий путь, чтобы понять всю картину. Однако оказывается, что окислительное повреждение, вызванное свободными радикалами, и митохондриальная дисфункция играют важную роль в обоих процессах.

2. Нормальное старение

Старение мозга происходит на молекулярном, клеточном и гистологическом уровнях [2]. Это связано с более низким уровнем метаболической активности нейронов, тонкими изменениями в нейрональной структуре в нескольких нейронных цепях, а также синаптической атрофией, аномалиями цитоскелета, накоплением флуоресцентных пигментов и реактивными астроцитами и микроглией [3,4].

Исследования указывают на то, что гипоталамус инициирует и контролирует постепенное снижение энергетического метаболизма всего организма [5,6]. Через секрецию нейрогормонов, связи с эндокринной системой и проекции орексинергического ядра на ретикулярную активирующую систему [5] гипоталамус регулирует уровень стресса, обмен веществ, сон, влияет на субъективно воспринимаемое качество жизни и налаживание социальных отношений [5]. 7–9].

Дегенерация супрахиазматического ядра может дополнительно способствовать нарушениям циркадианного ритма и нарушению сна [10–12]. Ограничение сна может привести к накоплению нейрональных токсичных отходов и ограничению нейрогенеза в стареющем мозге, запуская порочный круг, который усиливает нейродегенеративный процесс [13].

Дополнительные факторы способствуют снижению метаболизма клеток головного мозга. Церебральный обмен веществ опирается главным образом на постоянное поступление глюкозы и кислорода через кровоток и, в ограниченной степени, на лактат [14].

Поглощение глюкозы нейронами опосредовано транспортерами глюкозы (GLUT), после чего она преобразуется в глюкозо-6-фосфат (G6P) под действием гексокиназы. Таким образом, доступность АТФ, в зависимости от снабжения кислородом и окислительного фосфорилирования митохондрий (OXPHOS), препятствует поглощению глюкозы [5,15]. OXPHOS производит значительно большее количество АТФ по сравнению с гликолизом [16,17].

Снижение метаболизма при старении может быть вызвано дисфункцией митохондрий и снижением синтеза АТФ, а также сосудистыми изменениями, которые приводят к ограничению поступления кислорода.

Высокие затраты клеточной энергии в нервной системе, используемые для синаптической передачи (около 80% энергозатрат мозга) [18,19], синаптогенеза и синаптической обрезки [18,20] связаны с высокой скоростью генерации активного кислорода. виды в основном за счет электронов, утекающих из митохондриальной электрон-транспортной цепи (ЦТЦ).

Чрезмерное образование свободных радикалов не может быть нейтрализовано антиоксидантной защитой и приводит к окислительному стрессу, причастному к старению с 1950-х годов, когда Харман предположил, что вызванное свободными радикалами повреждение биомолекул, таких как белки, липиды и ДНК, вызывает снижение их биохимических и биохимических свойств. физиологическая функция при старении [21].

Действительно, исследования продемонстрировали изменение состава фосфолипидов в мозге пожилых людей и животных вместе с увеличением образования малонового диальдегида (маркера перекисного окисления липидов), который образует отложения, связанные с внутринейрональным липофусцином [22], и повышенным содержанием карбонильных остатков (маркера окисления белков) [22]. 23].

Кроме того, старение ослабляет системы антиоксидантной защиты, такие как астроцитарная система глутатиона [24], что еще больше усиливает окислительный стресс [2]. Митохондрии претерпевают ряд возрастных изменений, таких как фрагментация или увеличение [25], увеличение количества митохондриальной ДНК (мтДНК). ) окислительное повреждение [26], проявляются нарушениями функции дыхательной цепи [27] и кальциевого гомеостаза [28].

Эти изменения связаны со снижением внутриклеточных уровней НАД+, что ухудшает функцию NA-зависимых ферментов, таких как сиртуины (SIRT) и деацетилазы гистонов [29,30]. Сиртуины представляют собой высоко эволюционно консервативные ферменты, участвующие в регуляции продолжительности жизни и старения у разных организмов, от дрожжей до млекопитающих [31].

У млекопитающих SIRT 3, 4 и 5 расположены в митохондриях, SIRT 2 — в цитозоле, а SIRT 1, 6 и 7 — в ядре [32]. Исследования показали, что SIRT 1, главным образом в гипоталамусе, является ключевым игроком, контролирующим старение и продолжительность жизни организмов млекопитающих [33,34].

Укорочение теломер, которое способствует стабильности хромосом во время репликации клеток [35], изначально игнорировалось как имеющее важное влияние на мозг, поскольку нейроны по существу являются постмитотическими клетками, которые больше не реплицируются.

Однако эта точка зрения была поставлена ​​под сомнение демонстрацией активности клеточного цикла в 10–20% нейронов коры здорового стареющего мозга и при БА [36,37], а также наличием нейральных стволовых клеток в субвентрикулярной и субгранулярной зонах. сосудистые сплетения и мозговые оболочки [38]. Кроме того, глиальные клетки (особенно микроглия) активно реплицируются, при этом теломеры постепенно укорачиваются после каждой клеточной репликации [39].

Старение также вызывает воспалительный фенотип, во время которого в ответ на мутации и повреждение ДНК ядерный фактор-κB (NF-κB) инициирует транскрипцию фактора некроза опухолей- (TNF-) и различных воспалительных интерлейкинов (IL-1, IL -6, IL-8) [40].

АФК играют решающую роль в этом процессе, поскольку они фосфорилируют и разлагают IκB, который связывается с NF-κB и инактивирует его [41]. Низкие количества АФК инициируют сигнальные каскады, способствующие выживанию, активированный NF-κB подавляет N-концевые киназы c-Jun (JNK) и апоптоз, а также активирует антиоксидантные и антиапоптотические гены, такие как супероксиддисмутаза марганца (MnSOD) [42].

Однако высокие концентрации АФК активируют NF-κB через протеинкиназы и инициируют пути передачи сигналов клеточного стресса. Поврежденные нейроны изменяют теионный баланс в интерстициальном пространстве и приводят к высвобождению цитокинов, тем самым активируя микроглию [43,44].

Хотя TNF- играет важную роль в обучении и синаптической пластичности [45], чрезмерная активация микроглии вызывает дегенерацию синапсов и функциональные нарушения, характерные для старения и нейродегенерации [46].

Кроме того, воспалительные реакции индуцируют другие факторы транскрипции, такие как преобразователь сигнала и активатор транскрипции (STAT-1) и гамма-рецептор, активируемый пролифератором пероксисомы (PPAR), последний играет важную роль в биогенезе митохондрий [47]. .

Таким образом, секреторный фенотип, связанный со старением (SASP), особенно в астроцитах, может вызывать несколько возрастных нейродегенеративных заболеваний [48].

3. Митохондрии в мозге

Высокая метаболическая активность головного мозга зависит главным образом от окислительного фосфорилирования для производства АТФ. Однако митохондрии выполняют и другие важные функции в мозге.

Постоянная передача сигналов приводит к постоянным изменениям цитозольных концентраций кальция, а митохондрии во взаимодействии с эндоплазматическим ретикулумом играют решающую роль в регуляции нейротрансмиссии путем буферизации кальция в пресинаптических окончаниях и регуляции уровней сомато-дендритного кальция [49,50]. Более того, митохондрии регулируют клеточный цикл и контролируют гибель клеток [51].

Для выполнения этих разнообразных функций решающее значение имеет поддержание приспособленности митохондрий, требующее эффективных механизмов контроля качества [52], достигаемых посредством митохондриального биогенеза и деления (разделение одной органеллы на две или более дочерних органелл, необходимых для заселения делящихся или растущих клеток адекватное количество митохондрий), слияние (процесс, посредством которого митохондрии разделяют важные компоненты) и митофагия (уничтожение поврежденных митохондрий до того, как они приведут к апоптозу всей клетки) [53,54].

Кроме того, митохондрии должны перемещаться по аксонам, чтобы обеспечить энергией весь аксон [2].

3.1. Митохондриальная дыхательная цепь и продукция АФК

Митохондрия имеет губчатую внешнюю митохондриальную мембрану (ОММ), обеспечивающую свободное движение мелких ионов и незаряженных молекул, и непроницаемую внутреннюю митохондриальную мембрану (ИММ), которая окутывает митохондриальный матрикс.

Между IMM и OMM находится межмембранное пространство [55]. Митохондриальная цепь транспорта электронов (ETC) состоит из нескольких белковых комплексов, расположенных в IMM, которые используют электроны, удаленные восстановленными никотинамидадениндинуклеотидом (NADH) и флавинадениндинуклеотидом (FADH2) из ​​цикла Кребса, для перекачки протонов из матрикса в межмембранное пространство, тем самым создавая потенциальный градиент через IMM, который будет использоваться на заключительном этапе OXPHOS для синтеза АТФ [56].

Чтобы функционировать должным образом, эти комплексы должны быть собраны с помощью свернутых IMM (митохондриальных крист) в специфически настроенные структуры [57]. Даже в нормальных условиях 1–2% общего потребляемого кислорода утекает и генерирует АФК [58].

По крайней мере, восемь митохондриальных сайтов способны генерировать АФК, при этом комплексы I, II и III вносят основной вклад [55,59]. За счет перекисного окисления липидов, окисления белков и повреждения ДНК образующиеся АФК могут вызывать изменение функции митохондрий и увеличивать скорость продукции АФК, что приводит к дегенерации нейронов [60,61].

3.2. Митохондрии и клеточный гомеостаз кальция

Кальций участвует во многих функциях нейронов, таких как дифференцировка, высвобождение везикул и синаптическая передача, а также гибель и выживание клеток [62,63]. Временные колебания цитозольного Ca2+ действуют как вторичные мессенджеры.

Уровни свободного цитозольного Ca2+ находятся в наномолярных пределах, а внеклеточные уровни - в миллимолярных. Приток кальция происходит через лиганд-управляемые или потенциалзависимые кальциевые каналы (VGCC), но Ca2+ также может высвобождаться из внутриклеточных хранилищ Ca2+, среди которых эндоплазматический ретикулум (ЭР) играет центральную роль [64]. Связывание агониста с инозитол-1,4,5-трифосфатными (IP3) рецепторами или с рианодинрецепторами (RyRs) вызывает высвобождение Ca2+ из ЭР [65].

Однако для того, чтобы увеличение цитозольного Ca2+ было кратковременным, кальций должен быть быстро выведен за счет оттока кальция, связывания с Ca2+-буферными белками [66] или поступления в ЭР или митохондрии [62]. .

Отток Ca2+ достигается с помощью Ca2+-АТФазы плазматической мембраны, которая перекачивает Ca2+против градиента концентрации при гидролизе АТФ, и обменника Na+/Ca2+ (NCX ), который использует градиент натрия для выдавливания Ca2+ [67].

Поглощение Ca2+ в ЭР осуществляется АТФ-зависимой Са2+-АТФазой саркоэндоплазматического ретикулума (SERCA) [68], в то время как поглощение Ca2+ в митохондриях опосредовано потенциал-зависимой анион-селективной канальные белки (VDCA), которые опосредуют перенос Ca2+ в межмембранное пространство, откуда расположенный в IMM митохондриальный унипортер Ca2+ (MCU) далее переносит кальций в митохондриальный матрикс.

Увеличение содержания митохондриального кальция активирует дегидрогеназы ETC и выработку АТФ [69]. Однако перегрузка кальцием может изменить потенциал митохондриальной мембраны, открыть пору перехода митохондриальной проницаемости (MPTP) и привести к высвобождению цитохрома с [70].

Таким образом, концентрация Ca2+ в митохондриях должна быть точно настроена.

Митохондриальный обменник Na+/Ca2+, расположенный в IMM и названный NCLX, поскольку он также может обменивать Li+ на Ca2+, вытесняет Ca2+ из митохондриального матрикса с помощью электрохимического градиента. Na+[71], а из межмембранного пространства Ca2+ вытесняется обменником Na+/Ca2+ 3 и VDAC [72]. Рисунок 1 иллюстрирует механизмы, участвующие в клеточном гомеостазе кальция.

Рисунок 1. Внутриклеточный гомеостаз кальция. Приток Ca2+ в клетку опосредуется потенциал-управляемыми кальциевыми каналами (VGCC), лиганд-управляемыми кальциевыми каналами (LGCC) и, в исключительных случаях, обратным функционированием натрий/кальциевого обменника (NCX).

Кроме того, Ca2+ может высвобождаться из ЭР после связывания инозитол-1,4,5-трифосфата (IP3) со специфическими рецепторами (IP3R) или рианодиновыми рецепторами (RyR).

IP3 генерируется путем связывания лигандов с рецепторами, связанными с G-белком плазмалеммы, что активирует фосфолипазу C для расщепления фосфатидилинозитол-4, 5-бифосфата, в результате чего образуется второй мессенджер IP3.

Избыточный цитозольный кальций удаляется посредством оттока через NCX и плазматическую мембрану Са2+-АТФазы (PMCA) и поглощения в ЭР Са2+--АТФазой саркоэндоплазматического ретикулума (SERCA).

Митохондрии буферизуют цитозольный кальций через митохондриальный унипортер кальция (MCU) и вытесняют избыток Ca2+ через обменник Na+/Ca2+ (NCLX). Кроме того, цитозольные Ca2+-связывающие белки (CBP) действуют как преобразователи сигнала.

Контролируя внутриклеточную концентрацию Ca2+, митохондрии взаимодействуют с ЭР через митохондриально-ассоциированные мембраны ЭР (МАМ) [73], микродомены, в которых ОММ находится всего в 10–100 нанометрах от ЭР [74,75].

Эти области представляют собой обогащенные инозитол-1,4,5-трифосфатные рецепторы (IP3R) [76], которые образуют функциональные комплексы с VDAC через шаперон Grp75 (глюкозорегулируемый белок 75), принадлежащий к семейству белков теплового шока 70 [77]. ].

Комплексы IP3R-Grp75-VDAC регулируют перенос Ca2+ из ЭР в митохондрии [74]. Присоединение ЭР к митохондриям контролируется белком 2, сортирующим кислотные кластеры фосфофурина (PACS2) [78]. Уменьшение мест контакта между ЭР и митохондриями, вызванное делецией PACS2, приводит к фрагментации митохондрий и апоптозу [79].

PACS2 функционально связан с фосфатидилсеринсинтазой-1 (PSS1), ферментом, расположенным в MAM, который опосредует перенос липидов между ER и митохондриями [80]. PACS2 и PSS1 были обнаружены повышенными у трансгенных мышей с AD, а также у людей с AD с поздним началом [74,81]. Описано несколько других компонентов МАМ, участвующих в гомеостазе кальция и сигнальных каскадах, таких как:

- Bap31 (белок 31, ассоциированный с В-клеточным рецептором), который взаимодействует с белком ОММ Fis1 [82];

- VAPB (Vesicle-ассоциированный мембранный белок-ассоциированный белок B), который взаимодействует с белком 51, взаимодействующим с белком OMM тирозинфосфатазой [83];

- Sig-1R (сигма-неопиоидный внутриклеточный 1-рецептор 1), шаперон, который связывает Grp78; в условиях стресса ER Grp78 диссоциирует от липидных рафтов ER и активирует развернутый белковый ответ (UPR) [ 84,85];

- Протеинкиназоподобная киназа эндоплазматического ретикулума (PERK), которая при активации снижает синтез белка до тех пор, пока накопленный развернутый белок не будет очищен [86].

3.3. Митохондриальная динамика

Митохондрии являются динамическими органеллами, способными модулировать свое количество, форму, размер и положение в цитоплазме посредством тщательного балансирования двух противоположных процессов: слияния и деления митохондрий [87].

Деление регулируется двумя белками: Drp1 (динамин-родственный/подобный белок 1) и Dnm2 (динамин 2) [88]. Начальным этапом является обертывание эндоплазматической сети вокруг митохондрий и уменьшение диаметра последних с 300–500 нм примерно до 150 нм [89]. Пространственная ассоциация реплицирующейся мтДНК с участками контакта ЭР с митохондриями объясняет распределение мтДНК в реплицирующихся органеллах [90].

После этого этапа цитозольный белок Drp1 рекрутируется к уже отмеченному сайту сужения на OMM и связывается с фосфолипидной мембраной с помощью адаптерных белков, таких как MFF (фактор деления митохондрий) и белков митохондриальной динамики 49 и 51 (MiD49 и MiD51) [91].

После рекрутирования Drp1 вокруг митохондрий формируется кольцевая структура [92], после чего гидролиз GTP потенцирует сужение митохондриальной мембраны [87].

Последним шагом является рекрутирование Dnm2, ГТФазы, которая собирается в отмеченном сайте и завершает процесс деления [93]. Сжатие и деление IMM зависит от кальция и происходит в местах контакта ER с митохондриями, возможно, даже до рекрутирования Drp1 [94].

Слияние митохондрий — это противоположный процесс, при котором мембраны двух митохондрий сливаются, образуя одну митохондрию и обеспечивая совместное использование основных компонентов между двумя органеллами.

Процесс регулируется двумя другими белками с ГТФазной активностью, Mfn1 и Mfn2 (митофузины 1 и 2) для слияния ОММ, тогда как слияние IMM находится под контролем другой ГТФазы, OPA1 (оптическая атрофия 1) [95].

После связывания двух митохондрий (опосредованного через GTP-домены) два соседних OMM увеличивают площадь контактной поверхности с последующим их слиянием за счет гидролиза GTP, последующих конформационных изменений и олигомеризации Mfns [96].

После слияния OMM слияние IMM опосредуется OPA1, вставленным в IMM, который может расщепляться двумя мембраносвязанными металлопротеазами, OMA1 и YME1L, в результате чего образуются два высокомолекулярных фрагмента (L-OPA1) и три более коротких фрагмента (S-OPA1) [97] .

Взаимодействие L-OPA1 с кардиолипином, встроенным в IMM, имеет решающее значение для управления слиянием мембран [98]. Баланс между расщеплением OMA1 или YME1L OPA1 регулирует деление митохондрий [99].

Стимуляция OXPHOS индуцирует расщепление YME1L OPA1 и слияние митохондрий, тогда как расщепление OPA1 с помощью OMA1 является реакцией на стресс и может также вызывать фрагментацию митохондрий [87].

For more information:1950477648nn@gmail.com