Makroautofagi og mitofagi ved neurodegenerative lidelser: Fokus på terapeutiske indgreb, del 2

2. Mitofagi

Mitokondrier har en dobbeltmembran, der er sammensat af en indre mitokondriel membran (IMM) og en ydre mitokondriel membran (OMM), adskilt af intramembranrummet.

Den indre mitokondriemembran er en vigtig bestanddel af cellen. Dens hovedfunktion er at generere den energi, cellen kræver, og kontrollere hele cellens stofskifte. Moderne biologisk forskning viser, at den indre mitokondriemembran også er tæt forbundet med menneskets kognitive evner, især hukommelsen.

Molekylerne i den indre mitokondriemembran indeholder også nogle komponenter relateret til kognition og nervesystemet, såsom membranproteiner og oxidative phosphoryleringssystemer. Disse komponenter er direkte involveret i hjernecellernes metaboliske proces, og deres aktivitetsstatus vil påvirke neuronernes normale funktion og derved påvirke menneskets kognition og hukommelse.

Derudover spiller et molekyle kaldet mitokondriel transporter i den indre mitokondrielle membran også en vigtig rolle i hukommelseslagring og genkaldelse. Dette molekyle kan hjælpe neuroner med at transmittere kemiske signaler mellem synapser og styrke forbindelsen mellem synapser og derved opnå langtidslagring og nøjagtig genkaldelse af hukommelse.

Sammenfattende er sammenhængen mellem den indre mitokondriemembran og kognitive evner og hukommelse længe blevet videnskabeligt verificeret. Optimering af den metaboliske tilstand af den indre mitokondrielle membran hjælper med at forbedre hjernens arbejdseffektivitet og forbedrer folks kognitive og hukommelsesevner. Derfor kan vi fremme sundheden for den indre mitokondriemembran ved korrekt at justere vores kost, motionere og vedligeholde en god attitude og derved forbedre vores hukommelse og kognitive evner. Det kan ses, at vi skal forbedre hukommelsen, og Cistanche kan forbedre hukommelsen markant, fordi den også kan regulere balancen af ​​neurotransmittere, såsom at øge niveauet af acetylcholin og vækstfaktorer, som er meget vigtige for hukommelse og indlæring. Derudover kan Cistanche også forbedre blodgennemstrømningen og fremme ilttilførsel, hvilket kan sikre, at hjernen får tilstrækkelig næring og energi, og derved forbedre hjernens vitalitet og udholdenhed.

Klik på kend kosttilskud for at forbedre hukommelsen

Denne organelkonfiguration er essentiel for at opretholde en elektrokemisk gradient, hvilket gør det muligt for mitokondrier at generere den nødvendige mængde ATP, der skal bruges af celler [77]. Elimineringen af ​​defekte mitokondrier er en vigtig kvalitetskontrolmekanisme for at opretholde en sund pulje af mitokondrier og opretholde en levedygtighed. netværk i neuronale celler [78].

Disse celler er mere følsomme over for mitokondrielle defekter på grund af deres høje metaboliske krav; således er den selektive eliminering af dysfunktionelle organeller afgørende for pålidelig neurotransmission.

Mitokondrier, der er irreversibelt beskadigede eller ikke længere bliver effektive, elimineres af mitofagi, en selektiv mekanisme, hvor specialiserede receptorer genkender fejlbehæftede mitokondrier og medierer last rettet mod autofagiske vesikler [79]. Celler gør brug af forskellige metoder til at genbruge defekte mitokondrier, nemlig uafhængige pathway-afhængige.

Hovedsageligt tyer neuronale celler til det ubiquitin-afhængige mekanismesystem styret af PTEN-induceret kinase 1(PINK1)/Parkin for at bevare en aktiv og dynamisk pulje af mitokondrier.

PINK1 er amitokondrielt protein, hvis akkumulering i OMM'en fungerer som en sensor til at opretholde mitokondriel funktion, da det markerer beskadigede mitokondrier for nedbrydning [80].

PINK1 udviser en mitokondriel-målretningssekvens og importeres således systematisk til IMM ved kompleksdannelse med translokaser af den ydre membran 20 og 40 (TOM20 og TOM40) [81], hvor den spaltes af den intramembrane serinprotease presenilin-associerede rhomboid-lignende (PARL) 82] og holdes derfor på lave niveauer under fysiologiske forhold.

Efter en given skade falder de molekylære interaktioner mellem TOM20/40 og PINK1, og PINK1-klynger i OMM af beskadigede mitokondrier, hvilket fremmer Parkin-phosphorylering og dens efterfølgende rekruttering [83].

Parkin, en cytosolisk E3 ubiquitin-ligase, ubiquitinerer et utal af proteiner fra OMM, som genkendes af receptorer såsom p62, også betegnet sekvestosom 1 (SQSTM1). p62/SQSTM1 er den ubiquitin-bindende receptor, der er ansvarlig for at drive ubiquitinerede mitokondrier til autophagosomsamlingsstedet ved at interagere med ATG8-familiens LC3/GABARAP-receptorer [84].

Disse receptorer genkender også LIR-motiverne af mange OMM-proteiner til specifik målretning af beskadigede mitokondrier på autophagosomsamlingsstedet [85]. I neuronale celler, ubiquitin-uafhængig mitofagi orkestreret af to bi-funktionelle proteiner, BCL2 og adenovirus E1B 19 kDa-interagerende protein (BNIP3L) og BNIP3-lignende protein X (NIX), er også ansvarlig for differentieringen af ​​retinale ganglieceller (RGC'er). BNIP3 og NIX indeholder et BH3-domæne og er hovedsageligt placeret på OMM.

Disse proteiner har et WXXL-lignende motiv med en affinitet for LC3 og dets homolog GABARAP, der driver mitokondrier til autofagiske vesikler. Under retinal neurogenese finder der et metabolisk skift sted, ledsaget af en stigning i ekspressionen af ​​begge proteiner [86].

NIX-aktivitet kan medieres ved at øge niveauet af reaktive oxygenarter (ROS) i flere cellelinjer [87], hvilket tilføjer et nyt lag af kompleksitet bortset fra udviklingsfunktioner. Faktisk stiger ROS-produktionen som en konsekvens af beskadigede mitokondrier [88] og kan inducere emitofagi [88]. NIX kan også regulere translokationen af ​​Parkin til mitokondrier efter en depolariserende stimulus, såsom CCCP [87].

Derudover har BNIP3L og NIX-reguleret mitofagi neurobeskyttende funktioner. I en model for hjerneiskæmi var den selektive nedbrydning af mitokondrier medieret af disse proteiner afgørende for neuronal overlevelse og funktion [89]. Derudover er NIX-overekspression alene tilstrækkelig til at genoprette mitofagydefekter observeret i cellelinjer afledt af PD-patienter [90].

Fun14 domæne-indeholdende protein 1 (FUNDC1) er et OMM-protein, der interagerer med LC3 og GABARAP og medierer mitofagi under hypoxiske tilstande. Ved homøostatiske niveauer undertrykkes FUNDC1-afhængig mitofagi af Src-kinase-medieret phosphorylering i delen af ​​LIR-motivet ved Tyr18.

I en hypoxisk tilstand resulterer reduceret Src-aktivitet i FDUNC1 Tyr18-dephosphorylering, hvilket letter dets interaktion med LC3 og efterfølgende mitofagi [91]. Desuden favoriserer hypoxi-drevet phosphorylering af ULK1 af AMPK ved Ser555 ULK1-translokation til mitokondrierne, hvilket øger FUNDC1-aktivitet [92]. Derudover er Optineurin (OPTN) en cytosolisk receptor placeret ved OMM, der fremmer mitofagi gennem sin interaktion med LC3 [93].

Interessant nok er OPTN-dysfunktion forbundet med neurodegenerative sygdomme såvel som andre patologier [94]. Samlet set udgør mitofagy en væsentlig kvalitetskontrolmekanisme til opretholdelse af neuronal metabolisme og homeostase.

Transporten af ​​mitokondrier i neuroner er afhængig af anterograde og trograde bevægelser og er essentiel for at opfylde de energetiske og metaboliske krav langs neuronstrukturen. Disse bevægelser er også afgørende for mitokondriel reparation og nedbrydning og assisteres af transportadapterproteiner (figur 3).

3. Autofagi og neurodegenerative sygdomme

3.1. Alzheimers sygdom

AD er en neurodegenerativ lidelse og den mest udbredte form for demens i den ældre befolkning, som påvirker næsten 50 millioner mennesker verden over [95]. Early-debut familialAD (EOAD, fAD) tegner sig for mindre end 5% af tilfældene og udvikler sig før 65 års alderen.

Autosomale dominante mutationer i tre gener er blevet forbundet med EOAD: amyloid precursor protein (APP) genet og presenilin-1 (PSEN1) og presenilin-2(PSEN2) gener, underenheder af -secretase komplekset [ 95]. Den mest almindelige form er dog den sene sporadiske form af AD (LOAD, sAD) med en prævalens højere end 95% og med ukendt ætiologi.

Neuropatologien af ​​AD er karakteriseret ved progressiv kognitiv svækkelse og hukommelsesnedgang, som er blevet korreleret med tilstedeværelsen af ​​ekstracellulær aflejring af amyloid-plaques (A, aggregering af -amyloide peptider) og intraneuronale neurofibrillære sammenfiltringer (NFT'er, aggregering af hyperphosphoryleret, kompromitterende synap-protein) integritet og homeostase, hvilket fører til irreversibel skade i specifikke hjerneregioner såsom hippocampus og cortex [96].

A-peptiderne genereres ved den sekventielle proteolytiske bearbejdning af amyloid-precursorproteinet (APP) af -site APP-spaltende enzym 1/-sekretase (BACE1) og -sekretase gennem den amyloidogene vej. Spaltning af APP med BACE1, hvis aktivitet er forhøjet i hjernen hos sporadiske AD-patienter [97], forekommer hovedsageligt i endosomer, hvilket giver et surt miljø for optimal enzymaktivitet [98].

Intracellulær handel med APP sker via sekretoriske og endocytiske veje. APP udskilles til plasmamembranen, der derefter internaliseres af clathrin-medieret eller caveolin-medieret endocytose [99].

Inendosomer, APP kan spaltes af BACE1, hvilket giver anledning til det N-terminale APP-fragment.(sAPP) og det C-terminale fragment; sidstnævnte kan gennemgå yderligere spaltning med -sekretase, hvilket resulterer i dannelsen af ​​A og det intracellulære APP-domæne. I den ikke-amyloidogene vej spaltes APP af -sekretase i midten af ​​A-domænet, hvilket forhindrer dannelsen af ​​A-peptiderne.

Spaltningen med -sekretase sker ved forskellige positioner af det C-terminale fragment, hvilket resulterer i dannelsen af ​​A-peptider med forskellige længder. De mest almindelige dannede opløselige peptider er A 1-38 og A 1-40 efterfulgt af A 1-42, hvor sidstnævnte er mere hydrofobe og mere tilbøjelige til at danne trimeriske og tetramere oligomerer, hvilket repræsenterer den mest toksiske isoform [100].

En oligomerstender til at danne A-fibriller med plisserede plader, der samles ekstracellulært til amyloidplaques [101]. A er også blevet forbundet med hyperphosphorylering og aggregering af tau, et mikrotubuli-associeret protein, der normalt hjælper med polymerisering og samling af axonale mikrotubuli og vesikeltransport.

Phosphoryleringsstatus for tauis reguleret af forskellige kinaser og phosphataser, der moduleres i nærvær af A-oligomerer; for eksempel regulerer glykogensyntasekinase-3 (GSK3) og proteinphosphatase 2A(PP2A) direkte tau-phosphoryleringsstatus [102]. Den hyperphosphorylerede tilstand af tau hæmmer dets tilknytning til mikrotubuli, hvilket påvirker dets stabilisering og fører til adskillelse af tomikrotubuli-netværk [103,104].

Den proteolytiske spaltning af hyperphosphoryleret tau udløser dannelsen af ​​tau-oligomerer [105], der er mere toksiske end aggregater, hvilket fører til progressiv neuronal død [106].

3.1.1. Autofagi svækkelse i AD

I AD er forskellige molekylære patogene mekanismer som følge af akkumulering af A-oligomerer og tau-hyperphosphorylering blevet rapporteret, nemlig mitokondriel dysfunktion [107,108] og forstyrrelse af proteostasesystemer, såsom udfoldet proteinrespons og autofagi [109].

Selvom A-peptider udviser et KFERQ-relateret motiv, som er vigtigt for normal bearbejdning og nedbrydning af APP, er disse fragmenter ikke substrater for CMA-nedbrydning [110], og makroautofagi hjælper med deres clearance [111].

Faktisk spiller makroautofagi en vigtig rolle i A-metabolisme, fordi den er involveret i nedbrydning og clearance af APP [112] og dets spaltningsprodukter, herunder A [113] og APP-CTF'er (amyloid precursor protein spaltet C-terminalt fragment) [114].

Autophagy-dysfunktion er blevet påvist i både AD-patienter og dyremodeller. I AD patientens hjerner blev der observeret en ophobning af umodne autofagiske vesikler indeholdende filamentøs tau i dystrofiske neuritter [115].

Disse autofagiske vesikler findes ofte i proksimale områder af amyloide plaques i hjernen hos patienter og gnavermodeller [116]. Mærkeligt nok blev akkumulering af autofagosomer også observeret i dendritter og soma af APP/PS1-transgene museneuroner, selv før fremkomsten af ​​A-plakker [117]. Derudover blev det observeret en akkumulering af umodne autofagiske vesikler før neuronalt tab i hippocampus af PS1M146L/APP751SL-musemodellen [118].

Den unormale akkumulering af autofagosomer i neuroner tyder på, at den defekte autofagiske-lysosomal vej bidrager til akkumuleringen af ​​A- og tau-oligomerer i AD [117]. APP og PSEN1 lokaliseres i autofagosomer; således er en ophobning af disse organeller forbundet med en stigning i A-generation, hvilket igen forstyrrer autophagosome membraner [115].

Følgelig kan de umodne autofagosomer, der er beskrevet i AD-hjerner og APP/PS1-transgene mus, udgøre en anden kilde til A-generation. Hjerner fra PSEN1-EOAD-patienter udviser lysosomal svækkelse forbundet med amyloidpatologi og neurodegeneration [119].

Det er blevet foreslået, at autophagosomakkumulering kan skyldes en svækkelse af autophagosom-lysosom-fusion eller defekt lysosomfordøjelse [120]. Undersøgelser viste en ændring af autofagi-initiering, specifikt et fald i Beclin 1-ekspression i cortex hos AD-patienter og musemodeller [121] . Den øgede aktivitet af caspase 3 hos AD-patienter kan forklare den overdrevne spaltning af Beclin 1 [122].

Den genetiske reduktion af Beclin 1 i en transgen musemodel af AD, der udtrykker human APP, øgede A-akkumulering, hvorimod overekspression af Beclin 1 reducerede A-niveauer signifikant [113]. Ud over Beclin-1 blev andre ATG-proteiner nedreguleret i en alder- afhængig måde, hvilket resulterer i en ophobning af A [123]. ATG7, et nøgleprotein i reguleringen af ​​autofagi, var impliceret i AD-patologi.

Niveauerne af ATG7 viste sig at være reduceret i hjernebarken og hippocampus af en AD musemodel, men der blev ikke påvist ændringer i temporale cortex på AD-patienter [124]; ATG7 knockdown-mus udviste reduktion af A-sekretion ledsaget af en stigning af intracellulær A [125], hvilket yderligere understøtter en rolle for ATG7 i transporten af ​​A-peptider til multivesikulære legemer, der skal udskilles.

Ekspressionen af ​​p62 blev vist at være nedsat i en tredobbelt transgen musemodel, hvilket kompromitterede de indledende trin af selektiv autofagi i AD [126]. Imidlertid afslørede en genomomfattende analyse transkriptionel opregulering af positive regulatorer af autofagi i AD.

I overensstemmelse med aktivering af autofagi blev en opregulering af ATG-proteinniveauer og en højere hastighed af autophagosomdannelse og lysosomal biogenese observeret i de tidlige stadier af AD [127]. Denne kontrovers antyder differentiel autofagiregulering i de tidlige og sene stadier af AD, som bør overvejes, når mekanismen i forskellige modeller evalueres, og når man søger efter terapeutiske strategier.

Tilstedeværelsen af ​​umodne autofagosomer i dystrofiske neuritter tyder på, at retrograd transport af autofagi-relaterede vesikler og deres modning er svækket i AD [128]. Til støtte for dette fører inhibering af autophagosomlevering til lysosomer til deres akkumulering i neuritter med lignende morfologi, som beskrevet i AD [64].

En oligomer kan forstyrre dynein-snapin-komplekset og svække den aksonale vesikeltransport, hvilket kan bidrage til defekt levering af autophagosomer til lysosomesin AD [129]. Nedbrydning af tau, som primært er lokaliseret i axoner og mindre fundne inneuritter og soma, sker gennem proteasom eller ved makroautofagi, afhængigt af dets soligomeriseringstilstand.

AD-associerede tau-modifikationer driver dens nedbrydning gennem makroautofagi, når den proteasommedierede proteolyse bliver svækket af sygdomsprogression [130]. Af relevans kan nedbrydningen af ​​tau producere forskellige fragmenter, der binder til Hsc70, der målrettes til LAMP-2A af CMA [131,132].

Alligevel forårsager akkumuleringen af ​​disse fragmenter i den lysosomale membran aggregering af tau, som forstyrrer lysosomal integritet og blokerer CMA [132]. Forringelsen af ​​den autofagiske-lysosomale vej resulterer i aggregering af tau-oligomerer, som igen nedbrydes, når makroautofagi induceres med rapamycin [132,133].

Tau er afgørende for den retrograde bevægelse af autophagosomer mod lysosomer gennem stabilisering af mikrotubuli, en rolle, der er kompromitteret i AD [134]. Hyperphosphorylering af tau og dets oligomerisering resulterer i forskydning af mikrotubulimaskineri og følgelig svækkelse af autofagosomes bevægelse og modning, hvilket også bidrager til autofagisk dysfunktion.

Bortset fra defekter i autophagosom transport, blev en svækkelse i lysosomal funktion også beskrevet i AD. PSEN1 er en regulator af lysosomal funktion, der fungerer som en chaperone for den vakuolære-ATPase, der forsurer det lysosomale lumen. Mutationer i PSEN1 svækket lysosomal forsuring og autophagosom-lysosom fusion, hvilket resulterer i akkumulering af A-ladede autophagosomer [135].

Derudover blev det foreslået, at lysosomal proteolyse påvirkes ved AD; høje niveauer af A, LC3-II og ubiquitinerede proteiner var til stede både i lysosom- og autophagosomfraktioner isoleret fra den transgene AD-musemodel [136]. I overensstemmelse med dette resulterer afbrydelsen af ​​lysosomal proteolyse ved at hæmme lysosomal cathepsiner i raske neuroner i akkumulering af autofagiske vesikler med lignende morfologi som dem, der er til stede i AD-patienter og transgene musemodeller [64].

A kompromitterer også lysosomal membranintegritet, hvilket resulterer i frigivelse af cathepsiner i cytoplasmaet [137,138]. Tilstedeværelsen af ​​cathepsin D i exosomer isoleret fra blodet fra prækliniske AD-patienter [139] understøtter hypotesen om en ineffektiv lysosomal funktion. Besynderligt nok blev genetiske variationer i det Cathepsin D-kodificerende gen også beskrevet som risikofaktorer for AD [140].

Analysen af ​​autofagiprocessen i neuroner fra tidlige til seneste stadier af AD viste en øget ekspression af autofaggener på tidlige stadier, men den lysosomale clearance-defekt resulterede i akkumulering af autolysosomale strukturer med progression af sygdom [141]. Sirtuiner (SIRT'er) omfatter en gruppe af nikotinamid-adenindinukleotid (NAD+)-afhængige proteiner, der er regulatorer af flere cellulære veje.

Blandt dem er Sirt1 blevet forbundet med autofagiregulering. Lavere niveauer af SIRT1 kompromitterer den deacetyleringsmedierede aktivering af downstream autophagy proteiner (fx ATG5, ATG7 og LC3) [142], hvilket også kan bidrage til autophagy svækkelse i AD. Niveauerne af SIRT1 er faldet i parietal cortex hos AD hjernepatienter og korrelerer med ophobningen af ​​A og tau tangles [143].

Aktivering af mTOR, den centrale koordinator for autofagi, blev beskrevet i AD som reaktion på A-akkumulering [144]. A øger mTOR-aktivitet, hvilket også resulterer i højeretau-ekspression og GSK3 --medieret phosphorylering [145], hvilket understøtter en rolle for mTORin-tau-medieret patogenese. Derudover blev sekretion af phospho-tau gennem exocytoticvesikler ved mTOR-signalering observeret i hjernen hos AD-patienter [146].

Dysregulering af PI3K/Akt/mTOR-vejen er også blevet impliceret i AD-patogenese [147]. Aktivering af PI3K af vækstfaktorer (f.eks. insulinlignende vækstfaktor-1, IGF1) fremmer fosforyleringen af ​​Akt og indirekte aktivering af mTORC1, fremmer autofagi. I AD interagerer A med og hæmmer PI3K/Akt/mTOR-vejen [148], hvilket fører til aktivering af GSK3 og øget tau-hyperphosphorylering.

Desuden er transkriptionsfaktoren EB (TFEB), hovedregulatoren for lysosombiogenese, et nedstrøms mål for mTORC1. Et fald i mTORC1-aktivitet inducerer dephosphorylering af TFEB og dets translokation til kernen for at aktivere ekspressionen af ​​autofagi og lysosomale biogenese-relaterede gener [149].

Niveauerne af TFEB viste sig at være faldet i hjerneprøverne (hippocampus) fra AD-patienter, især faldende nukleare niveauer af TFEB i de fremskredne stadier af sygdommen [150].

Derudover blev TFEB-translokation til kernen svækket i presenilin-mangelfibroblaster og inducerede pluripotente stamcelle-afledte humane AD-neuroner, hvilket resulterede i reduceret CLEAR netværksaktivering [151].

I en dobbelttransgen APP/PS1-dyremodel blev der imidlertid påvist øgede niveauer af total og nukleær TFEB i hippocampus af 8-måned gamle AD-mus med en samtidig stigning af dets nedstrøms-mål, hvilket tyder på, at TFEB er involveret i lysosomal- medieret AD progression [152]. Opreguleringen af ​​TFEB-målgener blev også rapporteret i PS1 betingede knockout-mus og 5xFAD-mus [153].

Aktiveringen af ​​TFEB-netværket kan afspejle et forsøg på at kompensere for den svækkede autofagi i AD-dyremodeller. Den nøjagtige rolle af TFEB som en master regulator af lysosomal funktion i AD patogenese er langt fra at blive fuldt ud forstået og kræver yderligere undersøgelse.

For more information:1950477648nn@gmail.com