Маленький, но мощный: экзосомы, новые межклеточные мессенджеры в нейродегенерации. Часть 3

Экзосомы, полученные из микроглии: Клетки микроглии представляют собой макрофаги головного и спинного мозга. Они составляют примерно 10% глии.

Микроглия — это тип ненейрональных клеток головного мозга, наиболее распространенные клетки нервной системы. Раньше считалось, что микроглия — это клетки, поддерживающие нейроны, которые в основном обеспечивают кислород и питательные вещества.

Однако недавние исследования показали, что микроглия играет важную роль в здоровье человека и когнитивных функциях. Исследования показали, что микроглия играет жизненно важную роль в процессах обучения и памяти.

Микроглия в основном способствует росту и развитию нейронов, выделяя вещество, называемое фактором роста нейронов. Этот фактор роста не только помогает нейронам соединяться и передавать информацию, но также стимулирует образование новых нейронов. Эти эффекты имеют решающее значение для поддержания здорового обучения и памяти.

С другой стороны, микроглия также может удалять лишние нейроны и синапсы в мозге и способствовать здоровому развитию нервной системы. Этот процесс удаления может помочь уменьшить мешающие сигналы в мозге и улучшить когнитивные функции.

Кроме того, микроглия может защищать нейроны от окислительного повреждения, способствуя поступлению кислорода и питательных веществ в мозг. Эти клетки также играют очень важную роль в сопротивлении когнитивной дегенерации и нейродегенерации.

Короче говоря, важность микроглии нельзя недооценивать. Они могут не только защитить нейроны, но и помочь процессам обучения и памяти. Мы должны максимально защищать и улучшать количество и функции микроглии, чтобы обеспечить здоровье и жизнеспособность нашего мозга. Видно, что нам необходимо улучшить память, а Цистанхе может значительно улучшить память, поскольку он 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, чтобы узнать, как улучшить работу мозга

Хотя их число сравнительно невелико, они выполняют важные функции поддержания гомеостаза путем мониторинга наличия тканевой инфекции и повреждения ЦНС.

В гомеостатических условиях клетки микроглии находятся в состоянии покоя, но постоянно сканируют окружающую среду. При активации они проявляют свою фагоцитарную активность и могут выделять воспалительные молекулы, такие как цитокины и хемокины.

Микроглия может приобретать два фенотипа: подтипы М1 (воспалительный тип) и подтипы М2 (прорегенеративный тип), в зависимости от стимулов, и может переключаться между этими двумя противоположными фенотипами [140], демонстрируя свою замечательную пластичность.

Подобно нейронам и другим глиальным клеткам, микроглия высвобождает экзосомы для связи с соседними клетками и клетками на расстоянии. Биоактивный груз микроглиальных экзосом зависит от фенотипа высвобождающей микроглии: провоспалительной или прорегенеративной. Экзосомы микроглии содержат все ферменты, необходимые для анаэробного гликолиза и продукции лактата.

Поэтому предполагается, что лактат, упакованный в экзосомы, может функционировать как дополнительный источник энергии для нейронов во время синаптической активности [141]. Микроглиальные экзосомы регулируют синаптическую передачу, способствуя выработке церамидов и сфинголипидов в нейронах.

Усиленный метаболизм сфинголипидов положительно влияет на возбуждающую нейротрансмиссию, представляя новый способ влияния микроглии на синаптическую активность [142]. Столкнувшись с инфекцией и/или травмой, клетки микроглии быстро вступают в сложную воспалительную реакцию и приобретают фенотип М1.

Микроглия теперь с провоспалительным фенотипом (фенотип М1) высвобождает экзосомы, которые помогают развитию нейровоспаления. Доказательства участия микроглиальных экзосом в нейровоспалении получены в ходе исследования, проведенного с липополисахаридом (ЛПС).

Воздействие на микроглию ЛПС, основного компонента грамотрицательных бактерий, увеличивает высвобождение экзосом, обогащенных IL-1, провоспалительным цитокином, и микроРНК, таких как miR-155 и miR{{4} }. МикроРНК 155 является важной регуляторной микроРНК в иммунной системе, и ее повышенные уровни обнаруживаются при воспалительных заболеваниях [143].

В другом исследовании клетки микроглии обрабатывали ЛПС, который увеличивал экспрессию белка гена 2 с пониженной регуляцией N-myc (NDRG2). Увеличение белка NDRG2, в свою очередь, стимулировало микроглию к высвобождению экзосом, обогащенных miR-375. Интернализация экзосом, обогащенных miR-375, снижала жизнеспособность клеток N2A-нейронов, что указывает на нейротоксическую природу этих экзосом [144].

Похоже, что воздействие ЛПС изменяет микроРНК и белки, упакованные в экзосомы. Подтверждающие данные были получены в ходе исследования с участием клеток BV2. Клетки BV2 мышей C57 Black представляют собой иммортализованные клетки микроглии. Когда клетки BV2 подверглись воздействию ЛПС, они высвободили экзосомы, богатые провоспалительными цитокинами IL-6 и TNF, а также белками, связанными с трансляцией и транскрипцией.

Протеомный профиль экзосом, проанализированный с помощью масс-спектрометрии, выявил 49 уникальных белков, присутствующих в экзосомах обработанных ЛПС клеток BV2 по сравнению с контрольными клетками BV2.

При этом стоит отметить, что экзосомы из LPS-активированной микроглии содержали 58 белков, а экзосомы из контрольных клеток BV2 — 37 белков [145]. Вышеизложенное обсуждение показывает, что микроглиальные экзосомы играют важную роль в обеспечении нейропротекторных и нейровоспалительных функций микроглии в ЦНС.

4. Роль экзосом в нейродегенеративных заболеваниях.

Многие нейродегенеративные заболевания связаны с накоплением аномальных, неправильно свернутых белков, приводящих к прогрессирующей нервной и глиальной дисфункции. Как правило, нейродегенеративные заболевания начинаются с дисфункции отдельной области мозга.

После высвобождения во внеклеточное пространство неправильно свернутые белки передаются в здоровые клетки и начинают индуцировать неправильное сворачивание эндогенных белков-аналогов, подобно эффекту домино [160].

Этот «инфекционный» процесс приводит к усилению патологии и распространению болезни на более широкие области мозга. Межклеточная коммуникация важна для передачи и прогрессирования нейродегенеративных заболеваний. Экзосомы, выделяемые всеми клетками мозга, стали неотъемлемым игроком в нейро-глиальных коммуникациях.

Способность экзосом транспортировать и переносить биологически активные грузы, такие как липиды, РНК и белки, из одной клетки в другую, делает их привлекательными кандидатами в качестве медиаторов нейродегенерации. Ниже мы обсуждаем влияние экзосом на селективные нейродегенеративные заболевания.

Болезнь Альцгеймера. Болезнь Альцгеймера — наиболее распространенная форма нейродегенеративной деменции, характеризующаяся прогрессирующей потерей памяти и когнитивных способностей.

Центральное место в патологии болезни Альцгеймера занимает образование внеклеточных агрегатов -амилоида (А), известных как амилоидные бляшки, в сочетании с нейрофибриллярными клубками тау. Пептиды (А) образуются в результате последовательного протеолитического процессинга белка-предшественника амилоида (АРР) с помощью - и -секретазы.

Поскольку АРР является внутриклеточным белком, была сформулирована гипотеза о том, что патологические поражения при нейродегенеративных заболеваниях включают физическое распространение неправильно свернутого белка от нейрона к нейрону [161].

Однако механизм(ы) передачи неправильно свернутых белков оставался интригующим вопросом. Один из самых ранних отчетов, который начал проливать свет на возможные механизмы того, как А выделяется во внеклеточное пространство, был получен в исследовании, проведенном Раджендраном и коллегами [162].

Исследуя место расщепления АРР, они заметили, что расщепление АРР -секретазой происходит в подмножестве ранних эндосом с последующим переносом пептида А в мультивезикулярные тельца.

Небольшая фракция пептида А, связанного с мембраной экзосомы, секретировалась во внеклеточное пространство. Экзосомы, содержащие амилоидные бляшки, имели экзосомальные маркерные белки, флотиллин-1 и Аликс. Таким образом, ассоциированный с мембраной экзосомы А-пептид может представлять собой новый механизм, который способствует образованию амилоидных бляшек во внеклеточном пространстве [162].

С момента этого первоначального наблюдения в экзосомах были обнаружены полноразмерные АРР и многие его метаболиты, а также несколько членов семейства секретазных протеаз, участвующих в процессинге АРР [163].

А может существовать в разных конформационных состояниях, имеющих разные свойства и промежуточные продукты образования фибрилл. Предполагается, что из них низкомолекулярный А и протофибриллы особенно нейротоксичны и действуют как затравки для агрегации белков [164,165]. Было показано, что экзосомы, выделенные из посмертного мозга пациентов с болезнью Альцгеймера, имеют повышенные уровни олигомеров А. Эти экзосомы интернализовались при инкубации с культивируемыми нейронами.

Самое главное, они смогли распространить олигомеры А на другие нейроны, вызывая цитотоксичность [166]. Первоначальные наблюдения были подтверждены инкубацией экзосом, содержащих АРР, с первичными культурами нормальных нейронов in vitro [167] и in vivo [168].

Вопрос в том, почему олигомеры А или А упакованы в экзосомы? Чувствуют ли нейроны токсичную природу олигомеров А или А и, следовательно, пытаются очистить токсичные белки от внутриклеточно присутствующих олигомеров А или А, подобных рецепторам трансферрина в ретикулоцитах [7,8]? Монобиквитинирование необходимо для сортировки на MVB/экзосомы. Это поднимает второй вопрос: подвергается ли A убиквитинированию для сортировки на MVB/экзосомы. Белок-предшественник амилоида (APP) имеет пять остатков лизина (Lys-724, Lys-725, Lys-726, Lys-751 и Lys-763) на своем C- концевой конец [169].

Эти остатки были мутированы индивидуально или в комбинации для изучения влияния на процессинг APP с образованием A-пептида. Убиквитинирование APP по Lys-726, опосредованное F-боксом и богатым лейцином повторным белком 2 (FBL2), компонентом убиквитинлигазы E3, снижает генерацию А [170]. С другой стороны, убиквитинирование APP по Lys-763 изолирует APP в комплексе Гольджи и предотвращает созревание APP [171].

Ингибирование убиквитинирования путем замены всех пяти остатков лизина на аргинин в С-концевом фрагменте АРР (С99) предотвращало эффективную деградацию АРР и накопление белка в структурах, похожих на структуру Гольджи. Это было связано с дефицитом деградации, связанной с эндоплазматическим ретикулумом. C99 подвергается расщеплению альфа-секретазой с образованием A [172].

Мутация трех остатков лизина (Lys-724, Lys-725 и Lys-726) одновременно привела к тому, что белок удерживался в ограничивающей мембране эндосом вместо того, чтобы интернализоваться во внутрипросветные везикулы MVB [173]. ]. Когда все пять остатков лизина были мутированы для предотвращения убиквитинирования, белок не мог эффективно сортироваться до MVB/экзосом, и наблюдалось избирательное увеличение A 40 [174].

Этот результат сопоставим с наличием А40 в амилоидных отложениях при церебральной амилоидной ангиопатии [175]. Хотя очевидно, что убиквитинирование APP может направлять белок к MVB/экзосомам, необходимы прямые доказательства с использованием нейрональных культур или моделей in vivo, чтобы доказать, что олигомеры APP, A или A являются моноубиквитинированными для их нацеливания на MVB/экзосомы и что они не убиквитинированы. быть направленной на деградацию, связанную с форэндоплазматическим ретикулумом (ERAD).

Еще одним патологическим признаком болезни Альцгеймера является аномальное фосфорилирование белка тау в нейрофибриллярных клубках (NFT). Тау — цитоплазматический белок, известный своей способностью стабилизировать микротрубочки. Все больше данных свидетельствуют о том, что патологический тау-белок может распространяться между клетками, привлекая нативный тау-белок для образования агрегатов. Более поздние данные указывают на то, что экзосомы являются переносчиками тау-белка [176,177].

Изучение клеток показало, что экзосомы, участвующие в тау-патологии, происходят из клеток микроглии. Экзосомы микроглии переносят таупротеин в нейроны. Для получения экспериментальных доказательств были проведены исследования, в которых либо ингибировался биогенез экзосом, либо клетки микроглии были истощены тау. Результаты этих исследований показали ослабление отложения тау в нормальных нейронах [178].

Авторы предположили, что микроглия фагоцитирует тау-содержащие цитопатические нейроны, рециркулируя тау через экзосомы, тем самым обвиняя экзосомы в распространении болезни Альцгеймера. В здоровом мозге за фосфорилирование и дефосфорилирование тау ответственны несколько протеинкиназ и фосфатаз соответственно.

Нарушение регуляции этих важных ферментов может привести к аномальному паттерну фосфорилирования тау при БА. Недавнее исследование сравнило груз экзосомальных белков с помощью Nano-LC-MS/MS. Экзосомы были очищены из нейронов индуцированных человеком плюрипотентных стволовых клеток (иПСК), экспрессирующих AD семейную мутантную форму A246E пресенилина 1 (mPS1), и нормальных нейронов ИПСК человека.

Всего в обеих группах экзосом было идентифицировано 1117 белков, а 733 белка были общими для обеих популяций экзосом. Среди дифференциально ассоциированных белков с mPS1 были фосфатазы и протеинкиназы, а уровни их белков, связанных с экзосомами mPS1, были значительно ниже по сравнению с контрольными нейронами [179].

Более того, эти экзосомы содержали отдельные белки, отсутствующие в контрольных экзосомах. В частности, отдельные белки участвуют в структуре и функциях внеклеточного матрикса, что указывает на другой механизм распространения тау-патологии при БА [179]. Основное внимание в исследованиях болезни Альцгеймера уделяется нейронам.

Однако исследования показали, что атрофия астроглии возникает на ранних стадиях нейродегенеративного процесса. Отсутствие поддержки нейронов со стороны атрофированной астроглии приводит к нарушениям синаптических связей, потере синапсов и дисбалансу гомеостаза нейротрансмиттеров. На более поздней стадии болезни Альцгеймера астроциты и микроглия активируются и выделяют воспалительные молекулы и нейротоксические вещества. Нейротоксичные химические вещества вызывают нейровоспаление и гибель нейронов, что приводит к атрофии мозга [180].

На ранних стадиях болезни Альцгеймера клетки микроглии, активированные через Toll-подобный рецептор 4, приобретают нейропротекторную роль и очищают А [181]. Фагоцитоз и деградация очищенных полиморфных отложений бета-амилоидного белка и А, связанного с экзосомами, были подтверждены с использованием культивируемых клеток микроглии [182,183]. Любопытно, что астроциты, по-видимому, освобождают клетки микроглии от их нейропротекторной функции. СМИ и коллеги заметили, что инкубация с пептидом А активирует глиальные клетки и впоследствии приводит к воспалению [184].

Совместное культивирование с астроцитами или культивирование в среде, кондиционированной астроцитами, ингибирует фагоцитарное действие микроглии. Ингибирование микроглиального фагоцитоза было высокоспецифичным, поскольку кондиционированная среда из фибробластов не влияла на фагоцитарную активность микроглии. Из этих исследований очевидно, что астроциты выделяют сигналы в виде растворимых факторов, которые мешают фагоцитарной активности микроглии [182]. Роли астроцитов и микроглии могут поменяться после хронической стимуляции микроглии.

Несколько независимых исследований привели к выводу, что экзосомы, высвобождаемые нейронами, астроцитами и микроглией, действуют как поглотители и поглощают растворимый А, не содержащий семян, чтобы способствовать агрегации А, который интернализуется микроглией для деградации [185–187]. Это наблюдение неудивительно, учитывая тщательно контролируемую межклеточную связь между клетками мозга (кратко обсуждаемую в разделе 3).

Как упоминалось ранее, агрегаты А взаимодействуют с гликосфинголипидами, церамидами и/или GPI-заякоренным белком PrPc (клеточным прионбелком), присутствующим на поверхности экзосом и нейронов [185,187]. Нейрональные экзосомы связывают А более эффективно по сравнению с астроцитарными или микроглиальными экзосомами из-за обильного присутствия на их поверхности ганглиозида GM1 и сиалилированных гликосфинголипидов, особенно трисиалоганглиозида GT1 [188–190]. Астроцитарные экзосомы обогащены сфинголипидным церамидом [187].

Агрегаты А, связанные с астроцитарными экзосомами, интернализуются нейронами и направляются в митохондрии, вызывая кластеризацию митохондрий и одновременно увеличивая уровни белка деления Drp-1. На внешней мембране митохондрий экзосома А образует комплекс с транспортером АДФ/АТФ, потенциалзависимым анионным каналом 1, и активирует каспазы.

Активные каспазы вызывают фрагментацию нейритов и, в конечном итоге, гибель нейрональных клеток [191]. Чтобы лучше понять возможные динамические взаимодействия между белками, липидами и РНК при болезни Альцгеймера, недавно были применены высокопроизводительные методы. Кон и его коллеги применили интегративный подход «омики» для анализа экзосом микроглии [192].

В этом исследовании авторы выделили микроглиальные экзосомы из теменной коры пациентов с болезнью Альцгеймера на поздней стадии. Они провели интегративный анализ, сочетающий протеомный, транскриптомный и липидомный анализы. Они использовали протеомику дробовика, которая относится к восходящему анализу белков, при котором белки характеризуются путем анализа пептидов, высвобождаемых из белка посредством протеолиза [193], целевую липидомику и технологию NanoStringnCounter (технологию мультиплексной гибридизации нуклеиновых кислот) [194].

Используя этот комбинаторный подход, исследовательская группа продемонстрировала значительное снижение гомеостатических маркеров микроглии P2RY12 и TMEM119 и повышение уровней связанных с заболеванием маркеров микроглии FTH1 и TREM2. Кроме того, уровни тау-белка в экзосомах микроглии, происходящих из мозга при болезни Альцгеймера, были значительно выше, что позволяет предположить, что экзосомы, полученные из микроглии, играют важную роль в распространении тау-патологии.

Синаптические и нейрон-специфические белки также были по-разному обогащены экзосомами микроглии, происходящими из мозга при болезни Альцгеймера. Авторы, однако, предположили, что синаптические и миелин-специфичные белки подвергаются фагоцитозу перед входом в микроглиальные экзосомы. Липидомный анализ выявил провоспалительный фенотип и потенциальный дефект ремоделирования ацильной цепи.

Наконец, miRNAs, связанные с сигнальными путями иммунного и клеточного старения, были увеличены в экзосомах микроглии, происходящих из мозга при AD [192]. Эти данные позволяют предположить, что значительные изменения в молекулярном составе экзосом отражают изменения в микроглии, соответствующие болезненному состоянию. Мы накопили большое количество данных, которые указывают на участие экзосом в болезни Альцгеймера.

Важный вопрос: в какой степени экзосомы способствуют или предотвращают выведение неправильно свернутых белков? Кроме того, выяснение вклада экзосом, высвобождаемых из различных клеток мозга, будет способствовать нашему пониманию передачи заболеваний.

Болезнь Паркинсона. Болезнь Паркинсона является одним из наиболее распространенных возрастных заболеваний головного мозга. В первую очередь ее считают двигательным расстройством с типичными симптомами тремора покоя, ригидности, брадикинезии и двигательной нестабильности [195].

Кроме того, с этим заболеванием связаны снижение когнитивных функций, депрессия и психоз [196]. Патологически он характеризуется дегенерацией нигростриатных дофаминергических нейронов и наличием тел Леви, которые содержат неправильно свернутый белок -синуклеин в выживших нейронах. Альфа-синуклеин обнаруживается во многих жидкостях организма, включая спинномозговую жидкость и плазму [197,198].

Альфа-синуклеин обнаруживается в культуральной среде, когда клетки, экспрессирующие альфа-синуклеин, культивируются in vitro [199]. Учитывая, что альфа-синуклеин был обнаружен внеклеточно в отсутствие сигнала внеклеточной сортировки, как этот белок достигает внеклеточного пространства? Несколько исследователей исследовали механизм секреции альфа-синуклеина, включая роль экзосом в секреции альфа-синуклеина и патологии.

Первое указание на то, что экзосомы действительно могут быть вовлечены в патогенез, появилось в исследовании in vitro с использованием клеток SH-SY5Y, экспрессирующих альфа-синуклеин. Авторы продемонстрировали кальций-зависимую внеклеточную секрецию альфа-синуклеина через экзосомы и предположили их участие в распространении патологии болезни Паркинсона [200].

В результате этого исследования экзосомы, содержащие альфа-синуклеин, были идентифицированы в различных клетках, спинномозговой жидкости и плазме пациентов с болезнью Паркинсона [201–203]. Однако в различных исследованиях сообщается о большой вариабельности [204]. Интересно, что количество -синуклеина в экзосомах относительно низкое по сравнению со свободным -синуклеином, обнаруженным в спинномозговой жидкости или кондиционированных средах.

Тщательное исследование показало, что клетки нейроглиомы, экспрессирующие -синуклеин, используют два пути высвобождения олигомеров -синуклеина: один - через экзосомы, а второй - прямое высвобождение свободного -синуклеина в виде олигомеров [205].

Хотя экзосомы имеют низкие уровни альфа-синуклеина, экзосомы более эффективны в проявлении токсических эффектов, чем свободный альфа-синуклеин. Олигомеры альфа-синуклеина, присутствующие в экзосомах, более эффективно интернализовались клетками нейроглиомы человека H4 по сравнению со свободными олигомерами -синуклеина [205].

В продолжение этого исследования эта группа исследователей сообщила о аналогичных результатах с использованием экзосом, выделенных из спинномозговой жидкости пациентов с болезнью Паркинсона. Эффективное поглощение экзосомального олигомеризованного -синуклеина наблюдалось в культурах клеток нейроглиомы человека H4 по сравнению со свободными олигомерами -синуклеина [206].

Доказательства секреции свободного альфа-синуклеина во внеклеточное пространство или жидкость были получены в ходе исследования, изучавшего роль вакуолярного белка сортировки 4 (VPS4) в загрузке альфа-синуклеина в мультивезикулярные тельца. В норме VPS4 регулирует сортировку белков в мультивезикулярные тельца. При болезни Паркинсона VPS4 направляет альфа-синуклеин в лизосомы для его деградации и в рециркуляцию эндосом для внеклеточной секреции альфа-синуклеина [207].

Когда лизосомальная функция ингибировалась, высвобождение -синуклеина, упакованного в экзосомы, увеличивало количество инкультивируемых клеток SH-SY5Y [208]. Эндосомальная фракция -синуклеина избегает деградации в условиях лизосомального нарушения [209].

For more information:1950477648nn@gmail.com