Что такое эндогенные механизмы нейропротекции?

Контакт:joanna.jia@wecistanche.com/ WhatsApp: 008618081934791

преимущества цистанхе могут помочь с нейропротекцией

Сара Мармолехо-Мартинес-Артесеро 1 , Кэти Касас 1† и Дэвид Ромео-Гитарт1,2,*

1 Кафедра клеточной биологии, физиологии и иммунологии Института неврологии (INc),

Universitat Autonoma de Barcelona (UAB), Беллатерра, 08193 Барселона, Испания; Sara.Marmolejo@uab.cat

2 Лаборатория «Гормональная регуляция развития и функций мозга» — группа 8, Institut Necker Enfants-Malades (INEM), INSERM U1151, Парижский университет Декарта, Сорбонна, Париж, Сите,

75015 Париж, Франция

* Переписка: david.romeo-guitart@inserm.fr; Тел.: плюс 33-01-40-61-53-57 † Умер 29 июня 2020 г.

Абстрактный: Постмитотические клетки, как и нейроны, должны жить всю жизнь. По этой причине организмы/клетки развились с механизмами самовосстановления, которые позволяют им прожить долгую жизнь. Рабочий процесс открытия нейропротекторов в последние годы был сосредоточен на блокировании патофизиологических механизмов, которые приводят к потере нейронов при нейродегенерации. К сожалению, только несколько стратегий из этих исследований смогли замедлить или предотвратить нейродегенерацию. Имеются убедительные доказательства того, что одобрение механизмов самовосстановления, которые организмы/клетки эндогенно имеют, обычно называемых клеточной устойчивостью, может вооружать нейроны и способствовать их самовосстановлению. Хотя усилению этих механизмов еще не уделялось достаточного внимания, эти пути открывают новые терапевтические возможности для предотвращения гибели нейронов и улучшения нейродегенерации. Здесь мы выделяем основные эндогенные механизмы защиты и описываем их роль в обеспечении выживания нейронов во время нейродегенерации.

Ключевые слова: аутофагия; клеточная устойчивость; эндогенные механизмы; нейропротекция; выживаемость нейронов; развернутый белковый ответ

1. Нейродегенеративные процессы

С увеличением продолжительности жизни в развитых странах частота нейродегенеративных заболеваний, таких как болезнь Альцгеймера (БА), болезнь Паркинсона (БП) или болезнь Хантингтона (БГ), или возрастное снижение работоспособности нашей нервной системы, вероятно, возрастет. Хотя есть несколько линий доказательств, указывающих на то, что эти патологии имеют нейрональные, астроглиальные и микроглиальные компоненты, снижение повседневных функций вызвано прогрессирующей потерей нейронов. Из-за низкого оборота нейроны представляют собой постмитотические клетки, которые должны жить всю жизнь. По этой причине им нужен мощный внутренний защитный механизм, чтобы справиться с внешними и внутренними оскорблениями, которые приведут к их гибели. Этими внешними/внутренними опасностями являются травматические повреждения или эксайтотоксические соединения, активные формы кислорода (АФК), белковые агрегаты и другие токсичные молекулы. К счастью, у клеток есть внутренний механизм, который блокирует гибель, активируя механизмы устойчивости или стимулируя пути регенерации. В то время как у молодых нейронов правильно функционируют эти защитные механизмы самовосстановления, старение нарушает их работу, оставляя нейроны незащищенными. В том же направлении дисфункция этих механизмов самовосстановления также была описана при нейродегенеративных заболеваниях.

В течение последних десятилетий были приложены огромные усилия для получения новых и эффективных нейропротекторных методов лечения. Однако они нацелены на патофизиологические механизмы, что в итоге оборачивается ускорением гибели нейронов. Поэтому, почему бы не усилить механизмы, которые нейроны имеют естественным образом, чтобы получить эффективный нейропротекторный подход?

Эта защитная сеть управляется перекрестными помехами различных клеточных процессов (т. е. реакции развернутого белка (UPR), аутофагии и т. д.), но они сходятся в одном и том же процессе: позволяя клетке адаптироваться к стрессу и выжить [1-3] . Недавно мы рассмотрели новое обоснование для открытия нейропротекторов: расшифровать, какие молекулярные механизмы задействуют нейроны после двух разных повреждений нервов с противоположными фенотипами, выживанием или смертью, которые имеют сходство со здоровьем и нейродегенерацией/старением. Для этого мы использовали две модели повреждения периферических нервов in vivo, которые имитируют функциональность или дисфункцию эндогенных механизмов защиты. Они провоцируют либо гибель мотонейронов (МН) (отрыв корешка (РА)) либо выживание (дистальная аксотомия (ДА)), в зависимости от расстояния сома–повреждение [2]. С помощью этих моделей и подхода, основанного на системной биологии, мы подтвердили, что смерть МН после РА имеет сходство с потерей нейронов, наблюдаемой при нейродегенеративных заболеваниях, и мы также описали, какие механизмы используются МН для выживания после повреждения нерва. [2]. К дегенеративным процессам относятся апоптоз, некроз, аноикис, стресс эндоплазматического ретикулума (ЭР), ядрышковый стресс, перестройки цитоскелета и митохондриальная дисфункция, а драйверами выживания являются: правильный UPR, реакция теплового шока, аутофагический путь, убиквитин- протеасомная система, системы шаперонов, механизм деградации, связанный с ER, и антиоксидантная защита (таблица 1). Интересно, что все эти механизмы были отдельно описаны несколько лет назад и названы предкондиционирующими травмами (см. ниже).

Таблица 1. Сводка белков, участвующих в каждом эндогенном механизменейропротекция, включая молекулярный механизм, посредством которого опосредуются их эффекты.

Мы продемонстрировали, что усиление этих эндогенных механизмовнейропротекцияпосредством фармакологического лечения позволяет MN выживать в различных сценариях смерти, начиная от разных видов и заканчивая разными стадиями развития [23,54,55].

2. Первые доказательства эндогенных механизмов: прекондиционирование

Фенотипические эффекты эндогенных механизмов защиты были описаны 40 лет назад. В 1986 г. Murry et al. описали, что сублетальный физиологический стресс, также известный как прекондиционирующее повреждение, усиливает восстановление тканей сердца [56]. Отсюда эти механизмы заживления также наблюдались в головном и спинном мозге (SC) [57]. Например, эти клеточные реакции наблюдаются после повреждения нерва или во время регенерации сердца, когда выработка АФК или внеклеточных везикул соответственно способствует функциональному восстановлению [58-60]. Удивительно, но предварительное кондиционирование определенного органа защищает другие от повреждения [61]. За эти эффекты ответственны несколько специфических эффекторов. После прекондиционирующего повреждения продукция различных медиаторов (оксида азота или АФК) будет активировать сигнальные пути фосфатидилинозитол 3-киназы (PI3K)/протеинкиназы B (AKT), протеинкиназы C (PKC) и другие сигнальные пути, которые будет модулировать факторы транскрипции, такие как индуцируемый гипоксией фактор 1-альфа (Hif1-) или NF-kB. Это приведет к выработке синтазы оксида азота (iNOS), белков теплового шока (HSP) и циклооксигеназы -2 (ЦОГ-2), которые описываются как "концевые эффекторы" и будут способствовать защитный эффект внутри ткани от будущих повреждений [61]. В совокупности эти исследования показывают, что организмы/клетки обладают эндогенными защитными механизмами, и их усиление может быть эффективной терапевтической стратегией.

3. Эндогенные механизмы нейропротекции.

3.1. Тонкая настройка аутофагии

Нейронам требуется непрерывная рециркуляция внутриклеточных материалов для поддержания гомеостаза. Макроаутофагия, именуемая в дальнейшем аутофагией, представляет собой хорошо скоординированную молекулярную сеть в эукариотических клетках, которая стремится рециркулировать цитоплазматическое содержимое посредством лизосомальной деградации. Хотя этот механизм деградации изначально наблюдался только при голодании, недавние исследования показали, что клетки имеют базовый уровень аутофагии для регуляции белкового гомеостаза. Эти базальные уровни необходимы для поддержания аксонов и выживания нейронов в нормальных условиях [62,63]. Функциональный поток аутофагии представляет собой процесс, в высокой степени координируемый различными генами, связанными с аутофагией (ATG), киназами и другими регуляторными белками. Все они работают вместе, чтобы организовать правильную инициацию, зародышеобразование, удлинение, закрытие и слияние аутофагосом с лизосомами для деградации цитозольной нагрузки [64]. Снижение потока аутофагии наблюдается в гиппокампе при старении, а восстановление его уровней способствует формированию новых воспоминаний [65]. Нарушенная или дисфункциональная аутофагия в нейронах связана с нейродегенерацией, в то время как активация аутофагии вызываетнейропротекция[5,54]. Изменения в белках, связанных с начальной фазой и фазой элонгации, наблюдались при боковом амиотрофическом склерозе (БАС) [66, 67], а индукторы аутофагии, такие как рапамицин, оказываютнейропротекцияпосле церебральной ишемии, черепно-мозговой травмы (ЧМТ) и БА [68–70]. Нейрон-специфический нокаут (KO) ATG5 или ATG7 вызывает нейродегенерацию, накопление цитоплазматических телец включения и гибель нейронов [62,71], в то время как их сверхэкспрессия полезна в модели БП [4]. Наконец, р62, который управляет зарядом аутофагосомы и играет ключевую роль на поздних стадиях формирования аутофагосомы, обладает нейропротекторным действием на моделях мух, характеризующихся белковыми агрегатами, что является отличительной чертой нейродегенеративных заболеваний [6].

Несколько исследований показали накопление аутофагосом и аутолизосом во время нейродегенерации, предполагая, что аутофагия сверхактивирована и может вызвать гибель нейронов. Аберрантное накопление аутофагических процессов в цитоплазме может быть вызвано лизосомальной дисфункцией, а не сверхактивированной аутофагией [72]. Аутофагия правильно инициируется после ЧМТ, но аутофагосомы не удаляются из-за лизосомальной дисфункции, что приводит к неразрешенной аутофагии, которая способствует гибели нейронов [73]. Эти нефункциональные лизосомальные пути также наблюдаются после травмы спинного мозга (SCI), препятствуя функциональному восстановлению [74]. Подобная блокировка клиренса аутофагосом также описана при нейродегенеративных заболеваниях (т. е. мозге человека при БА) [75]. Интеграция всех этих данных предполагает, что усиление разрешения аутофагии может обеспечить защиту. Platt недавно выделил терапевтический путь улучшения функции лизосомальных белков для предотвращения нейродегенерации [76]. Сверхэкспрессия транскрипционного фактора EB (TFEB), который модулирует транскрипционную сеть, необходимую для биогенеза и функционирования лизосом, способствует нейропротективному действию в крысиной модели БП [7] и модели AD у мышей [8].

Индукция аутофагии не так хороша, как хотелось бы. Хотя это канонический защитный механизм, его механизм или чрезмерная активация могут способствовать гибели клеток [77,78]. Ингибирование аутофагии после воздействия прионов человека уменьшает повреждение нейронов, указывая на то, что индукция аутофагии также приводит к смерти [79], а снижение инициации аутофагии способствует функциональному восстановлению после гемисекции СК, предотвращает апоптоз и уменьшает гибель пирамид после ишемии у новорожденных и взрослых мышей. [80–82]. Если ориентироваться на аксотомированные нейроны, то блокирование аутофагии является нейропротективным для руброспинальных нейронов [80], а повышение уровня ATG5 защищает спинальные МН [5]. Добавляя противоречия, раковые клетки, обработанные химиотерапией, активируют аутофагию, чтобы преодолеть вызванную лечением апоптозную гибель, в то время как MN-зависимая аутофагия ингибирует апоптоз [54]. Кроме того, ATG также вызывают гибель нейронов. ATG5 теряет свои проаутофагические способности при расщеплении, перемещая свою активность в сторону индукции гибели клеток [83-85]. Beclin1 оказывает антиапоптотическое действие в нормальных условиях, но его расщепление на С-конце делает клетки чувствительными к апоптотическим сигналам [9]. Следовательно, между обоими клеточными процессами существует перекрестная связь, и клетки могут перенаправлять их, чтобы повысить свои шансы на выживание, чтобы справиться с инсультом [83].

Итак, что важно длянейропротекция? Повышать или блокировать аутофагию? Тонкая настройка — это ответ [86]. Индукция точно настроенной аутофагии дает положительные эффекты за счет (i) удаления нефункциональных белков/органелл, (ii) позволяя клетке повторно адаптироваться к новой ситуации и (iii) деградации вредных эффектов, таких как индукторы воспаления или апоптоза [87, 88], которые опосредуют гибель нейронов. Однако эта аутофагия должна быть активирована в строго определенное время, чтобы избежать чрезмерной деградации, которая провоцирует гибель клеток.

Наконец, аутофагия также имеет неканонические/деградационные функции, такие как модуляция воспалительного ответа, формирование новых воспоминаний [65], поддержание синаптического гомеостаза [89] и транспортировка грузов внутри клетки [90]. . Так, полная его блокировка приведет к необратимому повреждению нервной системы и/или нейронов.

Польза цистанхе пустыни: может помочь с нейропротекцией

3.2. Борьба с сексуальной частью реакции развернутого белка

Нейроны чрезвычайно чувствительны к неправильно свернутым белкам и агрегатам. ER отвечает за клеточный протеостаз, который представляет собой синтез, укладку и сортировку белков. Любое изменение его приспособленности приведет к накоплению белков с неправильной укладкой, вызывая стресс ER и активируя реакцию ER-перегрузки (ERO), пути ER-ассоциированной деградации (ERAD) или UPR, который является высококонсервативным клеточным ответом. Изменения в распределении и морфологии ER и UPR наблюдались при нейродегенеративных заболеваниях [91–93] и при изоляции нейрона после повреждения нерва [16,94]. Связывающий иммуноглобулиновый белок (BIP), также известный как GRP78, является резидентным шапероном ER, который является основным датчиком UPR. В неактивном состоянии BIP остается привязанным к трем ма-

jor эффекторы UPR: РНК-активируемая протеинкиназа-подобная киназа ER (PERK), которая индуцирует гомологичный белок C/EBP (CHOP), инозитол-требующий белок -1 альфа (IRE1), который сплайсирует X-box-связывающий белок 1 (Xbp1) мРНК и активирующий транскрипционный фактор -6 альфа (ATF6) [95,96]. Когда BIP обнаруживает белки с неправильной укладкой, эти преобразователи активируются и вызывают изменения в экспрессии генов определенных белков (например, шаперонов, факторов транскрипции) с целью повышения способности клеток правильно сворачивать белки путем модулирования экспрессии генов, повышения очистки от неправильно свернутых белков. клиренс белков или ингибирование синтеза белка, что позволяет клетке адаптироваться к стрессу и выжить [97]. В качестве доказательства концепции избыточная экспрессия BIP в дофаминовых нейронах увеличивает их выживаемость, а ее подавление вызывает гибель дофаминовых нейронов черного цвета [10]. Кроме того, у мышей BIP plus/- наблюдается ускоренное распространение прионного патогенеза [98]. В целом, модуляция UPR может оказывать защитное действие на нейродегенерацию [94], как недавно было рассмотрено нашей группой [99]. Активация UPR является ранним событием при нейродегенеративных заболеваниях, и ее точная модуляция оказывает благотворное влияние на прогрессирование патологии [100, 101]. Хотя UPR может действовать как эндогенный механизм клеточной защиты, его (избыточная) активация способствует апоптозу [102] (т.е. ось PERK обладает про- или антиапоптотическими способностями [91]). Кроме того, недавние данные свидетельствуют о том, что различные возмущения ER будут по-разному активировать 3 ветви UPR, указывая на то, что их скоординированная совместная активация не всегда присутствует.

Следовательно, клетка имеет специфическую программу реагирования на специфическое раздражение. Напр., блокада CHOP или гиперэкспрессия Xbp1 увеличивает выживаемость нейронов после повреждения нерва, указывая на то, что каждая ветвь играет различную роль в гибели нейронов [16].

цистанхе в хинди-траве может помочь с нейропротекцией

Ранняя активация PERK после черепно-мозговой травмы оказываетнейропротекция, в то время как устойчивая передача сигналов по этому пути усугубляет потерю клеток [11]. Сверхэкспрессия или фармакологическая активация PERK уменьшает патологию Tau [12], в то время как предотвращение его устойчивой активации уменьшает гибель нейронов [13] и улучшает возрастное ухудшение памяти [14]. Ингибирование PERK в астроцитах задерживает потерю нейронов в модели прионной болезни in vivo. Интересно, что активация PERK в астроцитах нарушает секретом, изменяя его синаптогенную функцию и вызывая потерю синапсов [15]. Те же авторы описали, что основными нижестоящими механизмами, участвующими в этом пагубном эффекте PERK, являются пути адгезии внеклеточного матрикса и клеток, которые сшивают UPR с anoikis (см. ниже, раздел 3.4). Уровни активации транскрипционного фактора 5 (ATF5) напрямую зависят от активации PERK/эукариотического фактора инициации трансляции 2a (eIF2a). ATF5 напрямую связан с теми нейронами, которые более устойчивы к смерти при эпилепсии человека [26]. Однако последующие последствия этих эффектов не столь ясны. ATF5 индуцирует экспрессию двух антиапоптотических эффекторов (см. ниже), В-клеточной лимфомы 2 (Bcl-2) и индуцированного белка дифференцировки клеток миелоидного лейкоза (Mcl-1) [103], который будет ингибировать апоптоз. ATF5 также модулирует механистическую мишень рапамицина (mTOR) в тканях, отличных от нейронов, которая является основным модулятором аутофагии, связывая UPR и аутофагию.

Активация IRE1 уменьшает печеночную недостаточность [17], а нижележащий эффектор Xpb1 способствует защите сердца [18].нейропротекцияпри БА, БП и после инсульта [19–21]. Поразительно, исследование диабетической и индуцированной ишемией ретинопатии показало, что защитные эффекты UPR опосредованы Xbp1 [22]. Тем не менее, хроническая активация ветви IRE1 будет приводить к фосфорилированию фактора 2, ассоциированного с рецептором фактора некроза опухоли-а (TNF-), (TRAF2), вызывая апоптотическую гибель клеток различными путями [104-106]. Эктопическая сверхэкспрессия Ire1 будет приводить к зависимой от аутофагии гибели нейронов в модели PD Drosophila [107]. Следовательно, скорректированная модуляция IRE1 -Xbp1 во время определенного окна может оказывать защитное действие [108].

Недавно мы описали, что фармакологическое лечение NeuroHeal или сверхэкспрессия sirtuin1 (SIRT1) индуцирует выживание MN после повреждения нерва и увеличивает присутствие расщепленного ATF6 при одновременном снижении фосфорилирования IRE1 [23]. Фармакологическая активация ATF6 индуцирует защиту в различных моделях ишемии путем активации протеостаза [24], а блокирование этого фактора транскрипции оказывает вредное воздействие. В частности, ATF6 модулирует экспрессию белков, связанных с антиоксидантным ответом, модулируя гормезис АФК [109]. Форсированная экспрессия ATF6 улучшает функциональный исход после инсульта, и авторы предполагают, что этот эффект может быть опосредован индукцией аутофагии [25].

Итак, что представляет интерес с терапевтической точки зрения: активация или ослабление UPR? Ключевым моментом является активизация определенных ветвей УПО. Точная активация UPR может способствовать защитным эффектам, помогая клетке восстанавливать протеостаз. Тем не менее, к этой концепции следует относиться с осторожностью, поскольку, если стресс сохраняется и протеостаз не восстанавливается, UPR запускает апоптоз нейронов, опосредованный ветвью PERK или IRE1 [110]. Кроме того, UPR также связан с аутофагией и наоборот. BIP опосредует аутофагический ответ, способствуя выживанию нейронов [111]. Наконец, 3 ветви UPR модулируют транскрипцию ATG [112], указывая на сложную связь между обоими клеточными процессами.

3.3. «Не сегодня» Апоптоз

Апоптоз представляет собой каспазозависимую запрограммированную гибель клеток (PCD), которая поддерживает целостность клеточной плазматической мембраны и органелл [113]. Его нарушение регуляции является причиной многих видов рака, нейродегенеративных или воспалительных патологий. Смерть, вызванная каспазой, является строго контролируемым процессом, который требует скоординированного включения нескольких участников, чтобы вызвать окончательную гибель клеток [114]. Признаки смерти, подобные апоптозу, обнаруживаются на моделях бокового амиотрофического склероза (БАС), БА или БП, хотя неясно, является ли он окончательным исполнителем гибели нейронов [115]. В ходе эволюции клетки выработали несколько механизмов, позволяющих предотвратить их гибель, когда в ней нет необходимости, или избежать преждевременного ПКС. Клетки запускают эффективную апоптозную гибель только тогда, когда баланс между механизмами про- и антиапоптоза подталкивает их к гибели. Основываясь на наших моделях in vivo, мы наблюдали, что RA индуцирует апоптотические пути, а также антиапоптотические, и их баланс приводит к альтернативной и неизвестной смерти, которая не является классическим апоптозом [2]. Последние публикации в этой области предполагают, что каспазы также действуют путем ремоделирования нервной системы, не способствуя гибели клеток [116], и их активность зависит от их внутриклеточного положения. Следовательно, активные формы каспаз, обнаруживаемые в нейродегенеративных тканях, могут играть роль, не связанную со смертью, и окончательная гибель нейронов происходит через другие фатальные механизмы.

Апоптозу могут препятствовать антиапоптотические пути, которые управляются тремя семействами белков: FLICE-ингибирующими белками, Bcl-2 и ингибиторами белков апоптоза (IAP). IAP оказываютнейропротекцияв модели ишемии [27] или избежать гибели МН после повреждения нерва на неонатальных стадиях [28]. Предполагается, что IAP ответственны за блокирование гибели нейронов после аксотомии во взрослом возрасте [29]. В том же направлении посттрансляционная модификация X-сцепленного-IAP (XIAP), которая блокирует его функцию антикаспазы 3, была описана как вклад в патогенез БП [117].

Ишемическое прекондиционирование, которое частично снижает пагубные эффекты ишемии, действует через IAP и позволяет клеткам выжить после активации каспазного каскада [30]. IAP также опосредуют про-выживательный эффект нейротрофического фактора глиальных клеток (GDNF) на MN после неонатальной аксотомии [28]. Другими молекулярными путями, которые избегают гибели клеток путем модулирования проапоптотических белков, являются киназы, регулируемые внеклеточными сигналами (ERK) и AKT. В этом смысле путь AKT был описан как игрок, способствующий выживанию, путем блокирования апоптоза [31]. AKT ингибирует индуктор апоптоза p53, способствуя его деградации, и поэтому блокирует его проапоптотические способности [32–34]. В противном случае каспазы способны ингибировать AKT путем его расщепления, что указывает на точно настроенную модуляцию выживания и гибели клеток [118]. С другой стороны, активность AKT фосфорилирует факторы транскрипции белка O (FOXO) Forkhead box. Они связаны с апоптозом [119], и их модификация приводит к повышению выживаемости клеток [35]. AKT-зависимое фосфорилирование FOXO позволяет избежать его попадания в ядро, предотвращая индукцию проапоптотических генов, таких как Bcl-2- взаимодействующий медиатор клеточной гибели (BIM) или Bcl-2 взаимодействующий с 19 килодальтонами. белок 3 (Bnip3) [119–121]. С др. стороны, посттрансдукционные модификации FOXO точно настраивают их транскрипционную сеть внутри клетки, перемещая ее в сторону индукции аутофагии вместо апоптоза [54,121-123]. Таким образом, специфическая модуляция семейства FOXO является новым способом повышения выживаемости нейронов путем ингибирования апоптоза [54,124].

Наконец, активность нейронов также является промотором антиапоптоза за счет активации NMDA-зависимых антиапоптотических генов [125,126]. Некоторые из этих активированных генов позволяют митохондриям становиться более устойчивыми к стрессу [126], помогая клетке пережить повреждение.

3.4. Повторное прикрепление Анти-Аноикисом

Взаимодействие между клеткой и внеклеточным матриксом (ECM) необходимо для его правильной функциональной интеграции в ткани. Когда это перекрестное взаимодействие предотвращено, клетка погибает из-за PCD, называемого anoikis, который имеет общие пути с апоптозом. Интересно, что нарушение внутренних программ anoikis придает злокачественность опухолевым клеткам, давая им достаточную клеточную устойчивость, чтобы ускользнуть и повторно прикрепиться к другим тканям, не умирая [127,128]. Основными эффекторами этих взаимодействий являются интегриновые белки, образованные комбинацией субъединиц и . Эта комбинация будет определять специфичность лиганда и внутриклеточную передачу сигналов. Сигналы ECM передаются в нейроны через интегрины, необходимые для формы клеток, выживания, подвижности, пролиферации, развития, связи нейронов и синаптической пластичности [129]. Интегрины также важны для внутриклеточной передачи сигналов факторов роста [130], которые являются хорошо известными модуляторами выживания нейронов, блокируя механизмы гибели. 1 интегриновая субъединица необходима для взаимодействия клетки с ЕСМ, и ее блокады достаточно, чтобы вызвать anoikis [36] и апоптоз нейронов [131]. Кроме того, внутриклеточная сигнализация этой субъединицы связана с выживанием ганглиозных клеток сетчатки [132], а их дефекты присутствуют при нейродегенеративных заболеваниях [133].

Тем не менее, клетки разработали антианокисные подпрограммы для противодействия гибели, которая инициируется тирозинкиназами, малыми ГТФазами [128], NF-kB [134], PI3K/AKT, протоонкогенной тирозинкиназой-протеинкиназой (Src) или осями ERK. и аутофагией [135,136]. NF-kB модулирует анти-аноикис путем запуска антиапоптотических белков, таких как Bcl-2 и IAP- 1 [135], в то время как роль PI3K/AKT в выживании клеток широко документирована и способствует выживанию. дифференцированных клеток [36,37]. Отслоение ВКМ также вызывает аутофагию, которая представляет собой самозащитный механизм, ведущий к обходному апоптозу [135]. Эти свидетельства снова указывают на сложную сеть между механизмами самозащиты.

Аноикис также присутствует при гибели нейронов после ЧМТ из-за повышения уровня матриксной металлопротеиназы (ММП), которая разрушает белки ВКМ [137]. Экспрессия и уровни MMPs модифицируются после нейротравмы, и они играют разные роли в дегенерации аксонов, формировании глиального рубца и ремоделировании синапсов. Что касается выживаемости нейронов, ингибирование MMP9 оказывает защитное действие при церебральной ишемии за счет снижения деградации ламинина [38]. ММП также вовлечены в нейродегенерацию [138]. Недавние исследования показали, что ингибирование MMP9 оказывает защитное действие на двигательную единицу на модели мышей с БАС [39,40] и на моделях БА [41]. Следовательно, лечение, направленное на ингибирование специфических MMP, будет косвенно поддерживать антианокисную программу в нейронах, способствуя ее выживанию.

3.5. Цитоскелет и моторные транспортеры

Нейрональный цитоскелет состоит из трех различных структурных комплексов: микротрубочек (МТ), промежуточных филаментов (ПФ) и актиновых микрофиламентов. У них разные клеточные функции: MT регулирует динамику нейритов и дендритов [139], актин отвечает за морфологию клеток [140], а IF обеспечивает механическую стабильность структуры цитоскелета [141]. Дефекты структурных комплексов наблюдаются при нейродегенеративных заболеваниях, периферических невропатиях, синаптической дисфункции и приводят к зрелой потере шипов [141–146].

Динамика MTs является строго контролируемым процессом, и его дисбаланс может привести к разрушительным последствиям для выживания нейронов или производительности аксонов [142], в то время как его стабилизация блокирует гибель нейронов [147] и ускоряет рост аксонов в центральной нервной системе [148]. Более подробно, цитоскелетные структуры представляют собой железные дороги, а моторные белки кинезины и динеины представляют собой поезда, которые перемещают груз антероградным или ретроградным транспортом соответственно. Следовательно, двигательные комплексы также необходимы для выживания нейронов. Семейство кинезинов состоит из кинезина -1 (исторически названного KIF5c) и кинезина -3 (KIF1A, KIF1B и KIF1B) [149]. KIF5c обогащен МН [150], и его генетическая аблация связана с заболеваниями и параличами МН [149,151]. Недавно это было связано с патогенезом БАС [152]. Нарушение его взаимодействия с МТ приводит к дегенерации аксонов и последующей гибели нейронов [153]. Нарушение KIF5c приводит к нарушению митохондриальной динамики, что приводит к выживанию или гибели нейронов в зависимости от стимулов. Кроме того, KIF5c точно настраивает митохондриальную функцию, превращаясь в клеточное здоровье (см. ниже, раздел 3.6.) [42], и его модуляция может способствоватьнейропротекция. Белковые агрегаты, такие как амилоид-, оказывают пагубное влияние на стабильность KIF5a, приводя к нарушению митохондриального движения и хорошей функции [154].

Ретроградные белки также оказываютнейропротекция. Это динеины и многобелковые комплексы, образованные различными белками, причем p150glue (dynactin1/DCNT1) является наиболее распространенной субъединицей. Дисфункциональная субъединица 1 динактина (DCTN1) использовалась в качестве модели мышей с БАС, и ее мутация вызывает дефект аксонального транспорта, который приводит к фенотипу, подобному БАС, у мышей [155,156]. У нокаутированных мышей наблюдается возрастзависимая гибель МН, которая сопровождается блокированием аутофагии [157]. DCTN1 играет четкую роль в транспорте аутофагических вакуолей внутри тела нейрона, и его нарушение вызывает накопление амфизом в дистальных аксонах, приводя к AD-подобному фенотипу [158]. Адаптер динеина Rab-interacting lysosomal protein (RILP) играет решающую роль в биогенезе, транспорте аутофагосом, а его ингибирование вызывает накопление аутофагических процессов [44]. В целом было замечено, что дисфункция МТ вместе с аберрантной локализацией кинезина и динеина приводит к лизосомной дисфункции, которая провоцирует накопление аутофагосом и пресинаптическую дистрофию при БА [159]. Сверхэкспрессия DCTN1 в остеокластах предотвращает апоптотическую гибель, что свидетельствует о том, что моторные белки также играют роль в предотвращении клеточной гибели в других типах клеток и тканях [43].

Таким образом, снижение аксонального транспорта наблюдается при многих нейродегенеративных заболеваниях и после повреждения нервной системы. Этот дефект приведет к изменениям в структуре МТ и/или молекулярных моторах, необходимых для аксонального транспорта [5]. Надлежащий аксональный транспорт имеет решающее значение для нормального функционирования нейронов, и нарушения в этом процессе способствуют гибели нейронов. Было показано, что усиление транспортного механизма клетки либо за счет стабилизации цитоскелета, либо за счет повышения уровня/активности моторных белков оказывает нейропротекторное действие за счет восстановления правильного потока аутофагии в нейроне [5].

3.6. Митохондриальная хорошо функционирующая

Функционирование нейронов зависит от баланса энергии и кальция (Ca2 plus ), поэтому для них решающее значение имеет производительность митохондрий. Митохондрии не являются статическими органеллами. Они меняют форму, размер, количество или локализацию внутри клетки и обладают способностью сливаться или делиться путем деления, чтобы приспособиться к клеточным потребностям. Они производят энергию через цикл трикарбоновых кислот (TCA) и окислительное фосфорилирование (OXPHOS) через цепь переноса электронов (ETC). Активация OXPHOS приведет к АФК, которые обладают широким спектром функций (дифференцировка, аутофагия, иммунный ответ) на физиологических уровнях [160] и регенерацией аксонов [60]. Тем не менее, на сверхфизиологическом уровне АФК вредны, поскольку вызывают повреждение липидов, ДНК и белков. Эти изменения были связаны с нейродегенеративными заболеваниями, ТСМ и ЧМТ. Митохондрии также действуют как основной регулятор выживания нейронов благодаря их участию в путях, которые модулируют гибель нейронов.

Митохондрии транспортируются по клетке цитоскелетом, моторными белками и соответствующими адаптерами. В нейронах они в основном транспортируются на МТ с помощью адаптеров Miro и Milton/trafficing kinesin-binding protein 1 (TRAK) белков [161]. Эти движения митохондрий внутри нейронов необходимы для поддержания оптимальной приспособленности синапсов, выработки энергии, буферизации Ca2 plus и т. д. [162]. Митохондрии часто располагаются вблизи ЭР, образуя митохондриально-ассоциированные мембраны ЭР или митохондриально-ассоциированные мембраны (МАМ). Эти мембранные микродомены представляют собой обратимые связи, которые совместно регулируют и влияют на различные клеточные процессы, т. е. синтез/транспорт липидов, динамику/сигнализацию Ca2 plus, аутофагию, форму и размер митохондрий, апоптоз и энергетический метаболизм [163]. MAM изменяются при неврологических расстройствах, таких как AD, PD и ALS [164]. Митохондрии действуют как концентраторы ATG, обеспечивая мембраны для образования аутофагосом и модулируя аутофагический поток [165]. Митохондрии также страдают от UPR(mt), и в зависимости от активированного пути это связано с увеличением продолжительности жизни у червей и мышей [166], но его чрезмерная активация вызывает нейродегенерацию [167].

Митохондриальная дисфункция возникает из-за недостаточного количества митохондрий, неспособности обеспечить их необходимыми субстратами или дисфункции их механизма транспорта электронов и синтеза АТФ. Высокие уровни АФК и родственных реактивных частиц (РНП) могут быть нейтрализованы ферментами дисмутазы и антиоксидантами [168]. Изменения в этих ферментах и ​​некоторых митохондриальных дыхательных комплексах наблюдались при нейродегенеративных заболеваниях, таких как БАС и БП [169]. Нарушения числа и функции митохондрий серьезно нарушают клеточный гомеостаз и вызывают начало заболевания. Поэтому клетки стремятся поддерживать динамическое равновесие между противоположными процессами митохондриального биогенеза и клиренса. Накопление дисфункциональных митохондрий и/или потеря их биогенеза вызывает гибель клетки. Недавние терапевтические возможности для предотвращения нейродегенерации направлены на усиление митохондриального биогенеза путем модулирования NAD plus [170], эпигенетических меток [171] или модулирования оси серотонина в головном мозге [172]. Дисфункциональный митохондриальный клиренс с помощью митофагии также даетнейропротекция. Сверхэкспрессия PTEN-индуцированной киназы 1 (PINK1), которая необходима для инициации процесса митофагии, увеличивает выживаемость нейронов в модели БХ у мух [45]. Кроме того, добавление НАД+ снижает нейротоксичность в мутантной модели БП РОЗОВЫХ 1- [173].

Функция митохондрий связана с АФК и клеточным антиоксидантным ответом. Таким образом, транскрипционный фактор, ядерный фактор, производный от эритроидного ряда, фактор 2-родственный фактор 2 (Nrf2), регулирует экспрессию цитопротекторных и дезинтоксикационных генов для борьбы с окислительным стрессом и нейровоспалением, стремясь уменьшить повреждение нервной системы. Следовательно, это может быть эффективной манипуляцией для замедления прогрессирования нейродегенеративных заболеваний [174–176]. При стимуляции АФК Nrf2 диссоциирует от Kelch-подобного ECH-ассоциированного белка (Keap1), тем самым регулируя экспрессию антиоксидантных ферментов [177]. Описано, что Keap1 опосредует убиквитинирование р62 [178]. Когда Keap1 подавляется, p62 накапливается в клетках и вызывает цитотоксичность, в то время как его сверхэкспрессия способствует деградации p62 посредством пути аутофагии. С другой стороны, p62 активирует Nrf2 через путь аутофагии с образованием пути p62-Keap1-Nrf2-антиоксидантно-чувствительный элемент (ARE) и противодействует окислительному повреждению, вызванному АФК [179]. ]. Более того, Nrf2 образует регуляторные петли, участвующие в регуляции митохондриального биогенеза. Nrf2 увеличивает экспрессию коактиватора гамма-рецептора, активируемого пролифератором пероксисом, 1-альфа (PGC-1) и ядерного респираторного фактора (NRF1), которые непосредственно участвуют в регуляции транскрипции мтДНК. Наконец, Nrf2 регулирует экспрессию PINK1, который играет ключевую роль в индукции митофагии [180], предполагая, что антиоксидантная способность клетки также влияет на состояние митохондрий.

Нейродегенеративные заболевания связаны как с ингибированием пути Nrf2, так и с дисфункцией аутофагии, что приводит к накоплению АФК, стареющих органелл и неправильно свернутых белков [181,182]. Нейродегенеративные заболевания связаны с большим количеством белковых агрегатов и АФК, индуцирующих ось положительной обратной связи p62-Keap1-Nrf2, которая является защитным механизмом в нейронах [183, 184]. Экспрессия Nrf2 низкая в моделях животных с БА и в мозге пациентов с БА [185]. Связывание Nrf2 с ARE происходит вскоре во время прогрессирования заболевания, что соответствует увеличению продукции АФК [186]. Нейропротекторы Nrf2 за счет снижения образования АФК и A-опосредованной токсичности, вызванной АФК [187,188]. При БХ наблюдается дисфункция митохондриального комплекса II, вызывающая повышение АФК [48]. В начальной фазе БХ лечение агонистом Nrf2 приводит к увеличению жизненно важных цитопротекторных генов через Keap1-Nrf2-ARE в астроцитах и ​​микроглии [189]. Активация пути Keap1-Nrf2-ARE малыми молекулами в астроцитах ускоряет резистентность нейронов к неэксайтотоксичной токсичности глутамата [46-48]. Измененная функция митохондрий, биогенез и митофагия являются важными патологическими особенностями при БП, а Nrf2 является важным фактором транскрипции, который регулирует контроль качества митохондрий и гомеостаз [190]. При БП происходит активация системы Nrf2-ARE [191, 192], и ее фармакологическая активация предотвращает прогрессирование БП [49, 50]. Активация Nrf2 играет защитную роль против АФК и гибели клеток, вызванных мутантным белком супероксиддисмутазы 1 (SOD1). Кроме того, сверхэкспрессия астроцитов Nrf2 увеличивает выживаемость SC MN и продлевает продолжительность жизни трансгенных мышей SOD1 [51,52]. Кроме того, взаимодействие между p62 и путем Keap1-Nrf2 в контексте аутофагии может играть важную роль в удалении АФК, предотвращении окислительного повреждения и модулировании стресса ER при церебральном ишемически-реперфузионном повреждении [53].

Наконец, митохондрии управляют выживанием нейронов, потому что они чувствуют внутренние и внешние инициаторы гибели, запуская сигнальные каскады, которые сходятся в митохондриях, а затем снова расходятся в один или несколько путей гибели клеток, что приводит к другому типу гибели клеток (например, к внутреннему апоптозу). ) [193].

растение цистанхе в нашей эры

4. Ориентация на системную модуляцию

4.1. Ограничение калорийности

Ограничение калорийности (CR) увеличивает продолжительность жизни различных организмов и оказывает защитное действие на некоторые органы. CR воздействует на весь организм: от системной среды до различных субклеточных популяций. В 2010 г. Кромер и соавторы предположили, что преимущества CR зависят от SIRT-зависимой аутофагии [194]. С другой стороны, было указано, что CR оказывает нейропротекторное действие при болезни Паркинсона благодаря оси грелин-AMPK, при этом AMPK является ключевым индуктором аутофагии [195]. Учитывая очевидную невозможность поддержания долговременного CR, возник терапевтический интерес к открытию новых «миметиков» CR (CRM), которые имитируют физиологические эффекты CR в организме [196]. Как CR, так и CR-миметики исследовали эффективность на моделях AD у крыс путем улучшения когнитивной функции посредством индукции аутофагии [197], поэтому они представляют собой новые терапевтические возможности для лечения нейродегенерации.

4.2. Упражнение

Физические упражнения вызывают все больший интерес из-за их способности уменьшать патофизиологические состояния, такие как невропатическая боль, или улучшать функциональные исходы в моделях инсульта [198]. Он также замедляет прогрессирование БП за счет ингибирования воспалительной реакции и усиления антиоксидантного баланса [199]. Описано, что физические упражнения действуют за счет увеличения эндогенных уровней нейротрофических факторов [200,201]. Более того, он модулирует секрецию мышечных гормонов, способствуя защитным эффектам в головном мозге, нейрогенезу и замедляя старение мозга [202]. Фактически, недавно было описано, что один и тот же гормон, иризин, играет роль в формировании костей [203], что указывает на то, что упражнения влияют на все тело.

5. В поисках эффективного нейропротектора: что есть и куда идти

Общими признаками нейродегенеративных заболеваний являются, среди прочего, неправильная активация UPR, накопление аутофагических процессов, нарушение нормального функционирования митохондрий. В совокупности они будут подавлять нейроны, провоцируя их гибель. Эффективный нейропротектор должен исправить эти механизмы, придав клетке полную устойчивость к старению/повреждениям. Нам необходимо полностью изменить молекулярную сеть внутри клетки, подтолкнув ее к полному восстановлению функций. Одобренные препараты, такие как рилузол для лечения БАС [204], или продолжающиеся клинические испытания, такие как рапамицин для лечения БАС [204], спермидин и ДГ для лечения БА [205, 206], нацелены только на один из этих дегенеративных процессов, и нейрон перегружен остальные. Хотя они могут давать положительный эффект, мы предлагаем найти генетический или фармакологический подход для поддержки различных молекулярных путей — мультитаргетной терапии — вместо одной мишени.

Специфическая сверхэкспрессия определенных белков, таких как SIRT1, BIP и/или ATG5, способствует выживанию нейронов после повреждения нерва инейропротекцияпри нейродегенеративных заболеваниях. В основном они настраивают сети UPR или аутофагии. Активация SIRT1 с использованием трансгенных мышей или вирусных векторов продемонстрировала защиту при различных нейродегенеративных заболеваниях, таких как БАС, БА и БХ [207–209], а также после повреждения нерва [55]. Активность деацетилазы SIRT1 поддерживает различные эндогенные механизмы защиты: аутофагию, модулирует UPR путем ослабления PERK и увеличивает расщепление ATF6 [23, 210], оказывает антиапоптотическое действие и модулирует активность AKT для ингибирования аноикиса [211, 212]. Следовательно, его точная модуляция может повысить клеточную устойчивость. Из нашего недавнего исследования мы пришли к выводу, что модулирование активности деацетилазы SIRT1 является важным узлом молекулярной сети для достижения клеточной устойчивости [54,55]. Наконец, сверхэкспрессия BIP защищает от агрегатов и индуцирует аутофагию и митофагию [99], поэтому ее модуляция также является эффективным подходом к кластеризации различных нейропротекторных путей.

6. Заключительные замечания

Усиление эндогенных механизмовнейропротекцияоткрывает захватывающие терапевтические возможности для лечения нейродегенеративных заболеваний или поддержания гомеостаза тканей после нейротравмы. Хотя в настоящее время это неисследованная область, она может способствовать более эффективным биомедицинским результатам, чем блокирование конкретного патофизиологического признака. Таким образом, их поддержка генетической, фармакологической или системно-модулирующей терапией может задержать прогрессирование патологии и ускорить функциональное восстановление. Оптимальная терапевтическая стратегия должна включать конкретную модуляцию эндогенных механизмов защиты для ремоделирования всей сети и достижения защиты.

Вклад авторов: DR-G. и С.М.-М.-А. написал рукопись, а CC сделал критический обзор. Все авторы прочитали и согласились с опубликованной версией рукописи.

Финансирование: Это исследование не получило внешнего финансирования.

Заявление о доступности данных: в этом исследовании не создавались и не анализировались новые данные. Обмен данными не применим к этой статье.

Конфликт интересов: Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.