Структурный и функциональный взгляд на полиморфизм фибрилл -синуклеина. Часть 4.

7. Фазовое разделение и нуклеация: молекулярные основы полиморфизма фибрилл.

Вскоре после открытия того, что агрегация -Syn связана не только с БП, но также с MSA и DLB, ключевая область исследований была в первую очередь сосредоточена на понимании способности белка вызывать клинически и патологически разнообразные нейродегенеративные расстройства.

Когда вы станете старше, вы можете обнаружить, что ваша память уже не так хороша, как в детстве. Иногда вам может даже показаться, что ваш мозг «заржавел» и вам трудно запоминать новую информацию. Но что можно сделать, чтобы улучшить эту ситуацию? Исследования последних лет показали, что существует тесная связь между MSA (дофамин-сахаридным комплексом) и памятью.

MSA — это нервная цепь, в которой участвует нейромедиатор дофамин. Дофамин является важным нейромедиатором в мозге и связан с эмоциями, мотивацией и движением. Солнечные камни — это ядра мозга, которые контролируют и координируют движение. Связь с дофамином заключается в том, что когда дофамин стимулирует базальное тело, это увеличивает связи между нейронами мозга, тем самым способствуя формированию и консолидации памяти.

Исследования показывают, что MSA можно активировать и стимулировать с помощью цифровых игр, музыкальных тренировок, физических упражнений и социального взаимодействия. Эти методы могут усилить связь со спинномозговой жидкостью за счет увеличения высвобождения дофамина. Например, было доказано, что статические упражнения для мозга, такие как судоку и кроссворды, улучшают навыки памяти. Также было доказано, что музыкальная тренировка стимулирует цепи MSA и улучшает способности памяти. Кроме того, было доказано, что физические упражнения и социальное взаимодействие оказывают положительное влияние на активацию MSA, тем самым способствуя здоровью мозга и улучшению памяти.

Таким образом, поскольку деятельность MSA оказывает положительное влияние на память, поиск и участие в мероприятиях, которые стимулируют MSA, является важным шагом в улучшении памяти. Физическая активность, участие в общественной деятельности и изучение новых навыков могут активировать и стимулировать цепь MSA, тем самым способствуя улучшению здоровья мозга и памяти. Давайте начнем с этого момента и активно участвуем в этих мероприятиях, чтобы вдохнуть новую энергию и жизненную силу в наш мозг. Видно, что нам необходимо улучшить память, а цистанхе пустынный может значительно улучшить память, потому что цистанхе пустынный — это традиционное китайское лекарственное средство, обладающее множеством уникальных эффектов, одним из которых является улучшение памяти. Эффективность Cistanche Deserticola обусловлена ​​множеством содержащихся в нем активных ингредиентов, включая дубильную кислоту, полисахариды, флавоноидные гликозиды и т. д. Эти ингредиенты могут способствовать здоровью мозга различными способами.

Нажмите, чтобы узнать, как улучшить работу мозга

За последние несколько лет гипотеза прионного штамма стала основным объяснением наблюдаемой вариабельности заболевания при синуклеинопатиях. Хотя ряд биофизических и биологических данных подтверждает существование штаммов -Syn [29,30,32–35,53], до сих пор неясно, как происходят эти штаммы и факторы, которые способствуют их образованию in vivo.

Вероятный ответ может заключаться в определении путей агрегации и выявлении молекулярных факторов, лежащих в основе формирования штаммов. Образование амилоида не только регулируется первичной нуклеацией, но и в большей части фазы роста агрегации в ней доминируют события вторичной нуклеации, как обсуждалось ранее [189].

Эта вторичная нуклеация включает удлинение новых фибрилл из существующих семян за счет привлечения мономеров из раствора. Любые изменения в условиях растворения фибрилл имеют тенденцию изменять скорость первичных и вторичных событий нуклеации [188,189]. Например, кислый pH усиливает связывание мономеров -Syn с поверхностью фибрилл, тем самым увеличивая скорость вторичной нуклеации [189,302].

Поскольку семенное размножение агрегатов объясняется фрагментацией и удлинением семян фибрилл, это приводит нас к гипотезе, что феномен деформации является, по крайней мере частично, следствием вторичной нуклеации. Более того, несколько видов сосуществуют на разных стадиях кинетики агрегации [17,303,304], что указывает на участие промежуточных продуктов агрегации в определении полиморфизма.

Картирование конформационного пространства мономера -Syn выявило структурную субпопуляцию мономера -Syn, которая способствует его связыванию с мембранами и индуцирует образование различных олигомеров и фибрилл [170].

Наша лаборатория недавно продемонстрировала, что гетерогенное зародышеобразование на пути агрегации лежит в основе происхождения полиморфизма [252]. Мы создали два разных полиморфа, HMF (созревшие спиральные фибриллы) и PMF (предварительно созревшие фибриллы), из промежуточных продуктов агрегации, образовавшихся в одних и тех же условиях сборки.

PMF не имеют стабильного амилоидного ядра и содержат случайное содержание клубков вместе с элементами -листа. Более того, структурированный -лист из остатков 74–79 отсутствует в его домене NAC (остатки 65–80), что позволяет предположить, что PMF представляют собой менее упорядоченные фибриллы. типы. Напротив, морфологически и структурно различные HMF более компактны и хорошо упорядочены со стабильным фибриллным ядром [252].

Они содержат сильно открытые гидрофобные поверхности и потенциально более токсичны, чем менее упорядоченные PMF. Эти полиморфы обнаруживают не только структурные различия, но и проявляют различную биологическую активность [252].

Аналогичное исследование, включающее идентификацию промежуточных продуктов агрегации в присутствии фосфолипидной мембраны, показало, что префибриллярные виды содержат две области петель с остатками от 57 до 61 и от 71 до 80 [305]. Эти промежуточные соединения затем перестраиваются в фибриллярные виды, причем большая часть NAC-области и N-конец (остатки 38–80) образуют часть окончательной конформации фибрилл [305].

Также сообщалось об исследованиях агрегатов A, PrP и тау, где различные биологические свойства возникают из-за структурных различий между полиморфами [28,306–309]. Так, морфологически и структурно различные А-фибриллы, образующиеся в условиях покоя и возбуждения, демонстрируют существенные различия по токсичности в первичных нейронах, причем покоящиеся фибриллы более токсичны по сравнению с другими [28].

Ряд структурно разнообразных конформаций PrPSc демонстрирует тропизм к клетке-хозяину, причем определенный набор штаммов преимущественно нацелен на нейроны, астроциты или даже на те и другие [307,308]. Таким образом, штаммы -Syn, возникающие в результате гетерогенного зарождения на пути агрегации, могут вызывать клинические и патологические вариации БП. проявляя вариабельную цитотоксичность и различные прионоподобные свойства (рис. 5).

В последнее время эволюция концепции агрегации белков до более фундаментального явления, а именно разделения фаз жидкость-жидкость (LLPS), существенно повлияла на эту область и направила исследования в новом направлении [310–314]. Белки инкубируют в различных условиях, например, при pH, температуре и солевых условиях [315–317].

События разделения фаз ускоряются в присутствии молекулярных краудеров, таких как полиэтиленгликоль, декстран или фиколл, которые помогают увеличить локальную концентрацию белка и облегчить образование капель [315–318]. После этого динамика, созревание и профиль агрегации исследуются с использованием уникальной комбинации биофизических, биохимических и спектроскопических методов [315,317].

Показано, что явления фазового разделения различных амилоидогенных белков предшествуют агрегации и образованию фибрилл. Было высказано предположение, что наличие областей внутреннего беспорядка (IDR), прионоподобных доменов (PLD) и доменов низкой сложности (LCD) способствует образованию фазово-разделенных конденсатов амилоидогенных белков [310,315,316,319,320].

Наша лаборатория недавно продемонстрировала, что LLPS -Syn является критическим событием на ранней лаг-фазе и предшествует его агрегации в условиях разделения фаз (наличие краудеров, стрессоров, амилоидных кофакторов и т. д.) [315].

Появление этих разделенных по фазе капель в лаг-фазе кинетики агрегации предполагает, что LLP могут усиливать события нуклеации за счет увеличения локальной концентрации белковых молекул [315,320]. Более того, разделенные по фазам капли -Syn со временем претерпевают переход из жидкого состояния в твердое, что приводит к образованию амилоидного гидрогеля [315].

Ранее было показано, что эти амилоидные гидрогели захватывают цитотоксические олигомеры и фибриллы [321], что указывает на возможность того, что фибриллы, образующиеся посредством LLPS, могут быть токсичными. Однако при нормальных условиях сборки (без разделения фаз) фибриллы -Syn проявляют очень небольшую цитотоксичность или вообще не проявляют ее [322,323]. Это позволяет предположить, что фибриллы, образующиеся в условиях разделения фаз и в условиях отсутствия разделения фаз, могут быть разными.

Более того, образование фибрилл в разбавленных растворах (как известно, происходит посредством первичной и вторичной нуклеации) [189] и в конденсатах (посредством LLPS) не являются взаимоисключающими событиями [324], но разные пути агрегации могут приводить к образованию разных фибрилл (рис. 6).

Например, TDP-43, белок, участвующий в БАС/ЛВД, подвергается фибрилляции как с LLPS, так и без него. Тем не менее кинетика фибрилляции в обоих случаях различна, что позволяет предположить участие сложных процессов фибрилляции в присутствии ЛПС [329].

Поэтому было бы весьма уместно задать несколько вопросов, например, являются ли фибриллы, образовавшиеся в результате фазового разделения или без него, структурно и функционально отличными друг от друга, или, проще говоря, демонстрируют ли фибриллный полиморфизм. Имеют ли различные условия или мутации LLPS какую-либо роль в определении деформационного поведения образующихся фибрилл -Syn?

Например, было показано, что патогенные мутации в FUS проявляют другие биофизические свойства по сравнению с белком дикого типа [327]. Эти результаты позволяют предположить, что, подобно условиям отсутствия разделения фаз, когда разные условия растворения приводят к образованию полиморфов [29], фибриллы, образующиеся в разных условиях разделения фаз, также могут быть разными (рис. 7).

Например, фаза -Syn, разделяющаяся при различных условиях, таких как наличие ПТМ, семейных мутаций, малых молекул или ионов металлов, может проявлять полиморфизм и образовывать различные типы фибрилл (рис. 7).

Однако этот феномен еще предстоит определить, поскольку для этого потребуется обширная характеристика фибрилл, образующихся внутри капель. Мы полагаем, что сосуществование конформационно различных промежуточных видов и множества путей агрегации, наблюдаемых с LLPS или без него, может лечь в основу происхождения полиморфизма. .

Однако необходимы дополнительные исследования в этой области, чтобы определить вклад гетерогенной нуклеации и множественных путей агрегации в полиморфизм фибрилл. Разработка и применение различных биофизических методов могут помочь нам получить ценную информацию о молекулярных событиях, происходящих во время LLPS и последующего созревания капель.

8. Клинические и терапевтические последствия полиморфизма.

Исследования, обсуждаемые в обзоре, предоставляют убедительные доказательства того, что -Syn может образовывать разнообразные полиморфы с различными структурными и биологическими свойствами. Подобно прионам, где каждое прионное заболевание кодируется отдельной конформацией неправильно свернутого белка, каждая синуклеинопатия также, возможно, связана с уникальной структурой -Syn.

Однако различные структуры фибрилл одного и того же белка создают ряд проблем при разработке лекарств против нейродегенеративных заболеваний. Такие методы лечения, как иммунотерапия, будут высокоспецифичными для определенного штамма, но могут не распознавать другой. Аналогичным образом, разработка небольших терапевтических молекул или лекарств для блокирования или замедления процесса агрегации белков должна быть проверена на наличие множества конформаций. Учитывая сложность фибрилл и их полиморфизм, возможным вариантом может стать нацеливание на мономерный -Syn.

Однако это также сложно из-за изначально неупорядоченной природы белка. Несмотря на эти проблемы, обнаружение и характеристика штаммов -Syn, полученных от пациентов, откроет окно возможностей для более глубокого понимания и характеристики синуклеинопатий. Это будет способствовать разработке новых методов лечения и более надежных систем классификации синуклеинопатий.

В этом контексте высокочувствительные методы, такие как PMCA [330], анализ конверсии, индуцированный землетрясением в реальном времени (RT-QuIC) [331] и индуктор взрыва HANdaiamyloid (HANABI) [332], внесли значительный вклад в усиление -синагрегатов из спинномозговой жидкости пациентов. мозги. PMCA и RT-QuIC использовались для различения штаммов -Syn, полученных от пациента, PD/MSA и PD/DLB, соответственно [52,333].

Использование этих методов поможет отслеживать прогрессирование заболевания с течением времени и поможет в ранней и специфической диагностике синуклеинопатий. Кроме того, клинические и патологические различия и гетерогенность между пациентами, наблюдаемые при БП и связанных с ней расстройствах, могут влиять на то, как следует лечить пациентов с синуклеинопатией. На данный момент все пациенты с БП получают одинаковое лечение, и между пациентами не делается различий в зависимости от того, как они заразились заболеванием и какие у них симптомы.

Поэтому мы ожидаем, что лекарства и терапевтические средства, предназначенные для воздействия на патогенные виды -Syn, могут включать использование либо одного конформационного препарата, либо коктейля лекарств против различных полиморфов или штаммов, населяющих больной мозг человека. Кроме того, при лечении пациентов с синуклеинопатиями в каждом конкретном случае следует учитывать несколько ключевых параметров, таких как профиль заболевания, патологические и клинические симптомы, типы и природа задействованных белковых штаммов, а также скорость прогрессирования заболевания.

Таким образом, выявление потенциальных терапевтических целей и разработка конформационных препаратов является следующим большим шагом на пути к разработке лекарств против БП и связанных с ней расстройств. Установление связи между распространением астресс и фенотипом заболевания предоставит ценную информацию для разработки эффективных стратегий борьбы с нейродегенеративными расстройствами.

Еще одной проблемой является доставка в мозг лекарств для лечения нейродегенеративных заболеваний, которые в основном сталкиваются с неудачами из-за рестриктивного гематоэнцефалического барьера [32]. Предпринимались многочисленные попытки доставки лекарств с помощью наноносителей, методов прямой доставки лекарств, временного разрушения гематоэнцефалического барьера и терапии стволовыми клетками [33–37]. Однако ни один из методов лечения не смог полностью преодолеть текущие проблемы [32].

9. Заключительные замечания и открытые вопросы

Прионоподобное поведение штамма -Syn до сих пор остается загадочным явлением. Удивительно, как один-единственный белок без какой-либо правильной структуры может складываться по-разному и принимать конформации, которые приводят к различным патологиям.

Многие оставшиеся без ответа вопросы требуют дальнейшего изучения, даже после впечатляющего объема работы над полиморфами и штаммами -Syn. Например, что стимулирует образование штамма -Syn в данных условиях клетки и окружающей среды? Как эти штаммы воздействуют на разные типы клеток и участки мозга? Эволюционируют ли штаммы -Syn, изменяются или адаптируются со временем в зависимости от факторов-хозяев?

Как присутствие других белков, лигандов, мембран или кофакторов влияет на формирование штамма? Обладают ли штаммы -Syn способностью пересекаться друг с другом и приводить к смешанным патологиям? Мешают ли штаммы -Syn и блокируют распространение друг друга, подобно прионам?

Возможно ли это, или у нас есть методы, достаточно чувствительные, чтобы различать штаммы БП и МСА на ранней стадии диагностики? Учитывая распространение феномена прионного штамма на несколько других амилоидогенных белков, возможно, также необходимо понять ключевые молекулярные события в биологии штаммов и разработать эффективные стратегии.

Вклад авторов: исследование концептуализации, SM и SKM (обзор литературы); СМ;ЛГ; РБ и АСС; письменно-оригинальная подготовка черновика, СМ; ЛГ; РБ и АСС; написание-рецензирование и редактирование, СМ; ЛГ; РБ; АСС и СКМ; визуализация, СМ; администрирование проектов, SM и SKM; супервизия, СМ и СКМ; финансирования приобретения, SKM, SM и SKM вносят равный вклад в соответствующие авторы. Все авторы прочитали и согласились с опубликованной версией рукописи.

Финансирование: Это исследование финансировалось Департаментом биотехнологии (DBT) [BT/PR22749/BRB/10/1576/2016] правительства Индии.

Заявление Институционального наблюдательного совета: Неприменимо.

Заявление об информированном согласии: Не применимо.

Заявление о доступности данных: Не применимо.

Благодарности: Авторы выражают благодарность Департаменту биотехнологии (DBT) правительства Индии за финансовую поддержку. Мы благодарим Прадипа Каду за помощь в изготовлении фигурок. С.М. благодарна Комиссии по университетским грантам Индии за предоставленную ей стипендию.

Конфликты интересов: Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Сокращения

-синуклеин (-Syn), болезнь Паркинсона (PD), множественная системная атрофия (MSA), деменция с тельцами Леви (DLB), болезнь Паркинсона, деменция (PDD), тельца Леви (LB), невриты Леви (LN), болезнь Альцгеймера (AD) ), глиальные цитоплазматические включения (GCI), посттрансляционные модификации (PTM), дикого типа (WT), криоэлектронная микроскопия (крио-EM), твердотельная ЯМР-спектроскопия (ssNMR); просвечивающая электронная микроскопия (TEM), атомно-силовая микроскопия (АСМ), круговой дихроизм (КД), дорсальное двигательное ядро ​​блуждающего нерва (ДМВ), кишечная нервная система (ЭНС); -Синуклеин (син); -синуклеин (-Syn); Циклическая амплификация неправильного сворачивания белков (PMCA); Фазовое разделение жидкость-жидкость (LLPS).

Ссылки

1. Спиллантини, МГ; Гедерт, М. Альфа-синуклеинопатии: болезнь Паркинсона, деменция с тельцами Леви и мультисистемная атрофия. Энн. Н-Й Акад. наук. 2000, 920, 16–27. [Перекрестная ссылка] [PubMed]

2. Спиллантини, МГ; Кроутер, РА; Джейкс, Р.; Хасэгава, М.; Гёдерт, М. -Синуклеин в нитевидных включениях телец Леви при болезни Паркинсона и деменции с тельцами Леви. Учеб. Натл. акад. наук. США 1998, 95, 6469–6473. [Перекрестная ссылка] [PubMed]

3. Спиллантини, МГ; Шмидт, МЛ; Ли, ВМ; Трояновский, JQ; Джейкс, Р.; Гедерт, М. А-синуклеин в тельцах Леви. Природа 1997, 388, 839–840. [Перекрестная ссылка]

4. Гэлвин, Дж. Э.; Ли, ВМ; Трояновский, JQ Синуклеинопатии: клинические и патологические последствия. Арх. Нейрол. 2001, 58, 186–190. [CrossRef]

5. Махул-Мелье, Алабама; Берчер, Дж.; Махарджан, Н.; Веренс, Л.; Круазье, М.; Каттлер, Ф.; Леле, М.; Нотт, Г.В.; Лашуэль, Х.А. Процесс формирования телец Леви, а не просто фибриллизация альфа-синуклеина, является одним из основных факторов нейродегенерации. Proc. Натл. акад. наук. США 2020, 117, 4971–4982. [Перекрестная ссылка] [PubMed]

6. Шахморадян, Ш.Х.; Льюис, Эй Джей; Жену, К.; Хенч, Дж.; Мавры, TE; Наварро, ПП; Кастано-Диес, Д.; Швайгхаузер, Г.; ГраффМейер, А.; Голди, КН; и др. Патология Леви при болезни Паркинсона состоит из скученных органелл и липидных мембран. НатНейросци. 2019, 22, 1099–1109. [Перекрестная ссылка] [PubMed]

7. Тарифы, МБ; Джаганнатх, С.; Лашуэль, Х.А. Реверс-инжиниринг тел Леви: как далеко мы продвинулись и как далеко мы можем зайти? Нат.Рев. Нейроски. 2021, 22, 111–131. [Перекрестная ссылка] [PubMed]

8. Серпелл, Л.С.; Берриман, Дж.; Джейкс, Р.; Гедерт, М.; Кроутер, Р.А. Дифракция волокон синтетических нитей альфа-синуклеина показывает амилоидную кросс-бета-конформацию. Учеб. Натл. акад. наук. США 2000, 97, 4897–4902. [Перекрестная ссылка] [PubMed]

For more information:1950477648nn@gmail.com