Makroautofagi og mitofagi ved neurodegenerative lidelser: Fokus på terapeutiske indgreb, del 1

Abstrakt:

Makroautofagi, en kvalitetskontrolmekanisme, er en evolutionært bevaret vej til lysosomal nedbrydning af proteinaggregater, patogener og beskadigede organeller.

Protein er et af de næringsstoffer, som den menneskelige krop har brug for. Det er ikke kun en vigtig kilde til kropssammensætning, men også tæt forbundet med hjernens udvikling og kognitive evner. Protein spiller en meget vigtig rolle i hjernen. Det hjælper ikke kun med generering og vedligeholdelse af hjerneceller, men hjælper også hjernens indlærings- og hukommelsesproces.

Protein er en af ​​de vigtige komponenter i hjerneceller. Det kan hjælpe med vækst og reparation af celler, fremme forbindelsen og kommunikationen mellem neuroner og dermed hjælpe folk med at styrke deres hukommelse. Derudover kan protein også producere nogle vigtige stoffer såsom neurotransmittere, som spiller en rolle i at overføre information i hjernen og er med til at forbedre hjernens funktion.

Fra et fødevareperspektiv omfatter fødevarer rige på protein kød, fisk, æg, bønner osv. Når mennesker indtager nok protein, kan de få en mere tilstrækkelig ernæringsforsyning til hjernen og derved fremme den normale udvikling af hjernen, forbedre kognitive evner og hjælpe folk med at lære og huske bedre.

På samme tid, for at protein fuldt ud kan spille sin rolle, er folk også nødt til at kontrollere balancen i deres kost, indtage mere frugt og grøntsager, undgå overdreven indtag af fedtholdige og saltholdige fødevarer og opretholde gode levevaner og mentalitet , for at maksimere proteinets funktion i hjernen.

Derfor kan vi konkludere, at protein er tæt forbundet med hukommelse. Indtagelse af rigt protein er ikke kun gavnligt for fysisk sundhed, men kan også fremme folk til at lære og huske bedre, hvilket tilføjer en masse farve til vores liv. Det kan ses, at vi skal forbedre hukommelsen. Cistanche kan forbedre hukommelsen markant, fordi Cistanche har antioxidant-, anti-inflammatoriske og anti-aldringseffekter, som kan hjælpe med at reducere oxidation og inflammatoriske reaktioner i hjernen og derved beskytte nervesystemets sundhed. Derudover kan Cistanche også fremme vækst og reparation af nerveceller og derved forbedre forbindelsen og funktionen af ​​neurale netværk. Disse effekter kan hjælpe med at forbedre hukommelsen, indlæringsevnen og tænkehastigheden og kan også forhindre forekomsten af ​​kognitiv dysfunktion og neurodegenerative sygdomme.

Klik på kender måder at forbedre hjernens funktion

Som en del af dens vitale homøostatiske rolle er makroautofagi-deregulering forbundet med forskellige menneskelige lidelser, herunder neurodegenerative sygdomme. Der er flere beviser, der forbinder proteinfejlfoldning og mitokondriel dysfunktion i ætiologien til Alzheimers, Parkinsons og Huntingtons sygdom.

Makroautofagi er blevet impliceret i nedbrydningen af ​​forskellige proteinaggregater såsom A, tau, alpha-synuclein (-syn) og mutant huntingtin (mHtt) og i rydningen af ​​dysfunktionelle mitokondrier.

Når disse tages i betragtning, kan målretning af autofagi repræsentere en effektiv terapeutisk strategi til at eliminere proteinaggregater og forbedre mitokondriel funktion i disse lidelser.

Denne gennemgang beskriver vores nuværende forståelse af makroautofagis rolle i neurodegenerative lidelser og fokuserer på mulige strategier for dens terapeutiske modulering.

Nøgleord: neurodegenerative lidelser; autofagi; mitofagi mitokondriel dysfunktion; mutantproteiner; terapeutiske strategier.

1. Oversigt over autofagi

Autofagi er en vigtig intracellulær selvnedbrydende proces, der opretholder intracellulær homeostase gennem nedbrydning og genanvendelse af giftige makromolekyler og beskadigede organeller [1].

Meget af den nuværende viden om autofagi blev opdaget i gærmodellen eller ikke-polariserede celler [2]. Denne proces forekommer på basale niveauer i næsten alle pattedyrsceller og kan stimuleres som reaktion på sult, hvilket giver cellen byggestenene til nye proteiner og lipider. Autofagi spiller en vigtig rolle i clearingen af ​​proteinaggregater og patogener og reguleringen af ​​inflammation og immunitet [3,4].

Af disse grunde har deregulering af autofagi været impliceret i flere patologiske tilstande, herunder neurodegenerative lidelser. Autophagy antager en kritisk rolle i neuroner, da disse celler er meget følsomme over for akkumulering af fejlfoldede proteiner.

Neuroner er afhængige af anterograd og retrograd transport for at klare metaboliske behov, og således ophæver dannelsen af ​​aggregater ikke kun neuronernes korrekte funktion, men forstyrrer også kommunikationen med det omgivende miljø.

Derfor kræver samspillet mellem autofagi og neurodegeneration en dybere forståelse af de regulatoriske veje og de mange trin, der er involveret i hver proces.

Autofagi kan opdeles i tre hovedtyper, afhængigt af levering af last til lysosomet: makroautofagi, mikroautofagi og chaperone-medieret autofagi (CMA). Ved makroautofagi opsluges den cytoplasmatiske last af en voksende dobbeltmembran-vesikel, der efter lukning (autophagosom) smelter sammen med lysosomet til nedbrydning (autolysosom) [5].

Processen er kompleks og involverer en gruppe specifikke autofagi-relaterede proteiner, der virker i en samordnet flux, og den kan forekomme tilfældigt (bulkmakroautofagi) eller selektivt gennem specifikke adaptere. I mikroautofagi er lasten (for det meste proteiner) direkte internaliseret gennem invagination af lysosommembranerne og endosomale vesikler [6].

CMA er en selektiv proces, hvorved proteiner med et specifikt målretningsmotiv (pentapeptidet KFERQ-motivet) genkendes af cytosolisk chaperoneheat shock cognate 70 (Hsc70) og dets co-chaperoner, der hjælper translokationen af ​​last ind i lysosomers lumen gennem lysosomalt associeret membranprotein 2A-receptor (LAMP2A) [7].

CMA udgør en alternativ lysosom-medieret nedbrydningsvej, der kan opreguleres, når blokering af makroautofagi opstår [8]. For omfanget af denne gennemgang vil makroautofagi og selektiv autofagi af mitokondrier, kendt som mitofagi, blive yderligere detaljeret og udforsket i sammenhæng med neuronal funktion og neurodegeneration (figur 1).

1.1. Makroautofagi

Makroautofagi er en kompleks og sekventiel proces, der starter med autophagosomeformation og opslugning af last, efterfulgt af lukning og modning, og til sidst fusion med lysosomet til nedbrydning. Hvert af disse trin involverer distinkte autofagi-relaterede (ATG) proteiner, der mekanistisk koordinerer den autofagiske flux langs autophagosomebiogenese og fusion med lysosomet [9].

Starten af ​​autofagi reguleres af phosphoryleringsstatus for unc-51-lignende autophagy-aktiverende kinase 1 (ULK1), som reguleres af det opstrøms pattedyrsmål for rapamycinkompleks 1 (mTORC1) [10].mTORC1 er aktiv i næringsrigt forhold, eller når PI3K/Akt-vejen stimuleres af vækstfaktorer (f.eks. insulinlignende vækstfaktor-1, IGF1).

Aktiv mTORC1 phosphorylerer ULK1 og ATG13, komponenter af ULK1 initieringskomplekset (også sammensat af ATG101 og FAK familie kinase-interagerende protein med 200 kDa, FIP200) [11] undertrykker autofagi. Under næringsstoffattige forhold inaktiveres mTORC1, hvilket letter ULK1-autophosphorylering [12].

Desuden, når den cellulære energistatus er lav, aktiverer AMP AMPK, som igen hæmmer mTORC1 og phosphorylerer ULK1, hvilket fremmer autofagi [12,13]. Når ULK1 er aktiveret, phosphorylerer den ATG13 og FIP200, hvilket aktiverer hele ULK1-initieringskomplekset [14].

Efter ULK1-kompleksaktivering translokerer det til omegasomer (specifikke regioner ved det endoplasmatiske retikulum (ER), hvilket initierer phagophore-membransamling til autophagosom biogenese [15].

Ved omegasomer fremmer ULK1 rekrutteringen og aktiveringen af ​​klasse III phosphatidylinositol 3-kinasekompleks (PI3PK, sammensat af vakuolær proteinsortering 34, beclin-1, phosphoinositide-3-kinase regulatorisk underenhed 4 og ATG14L) gennem phosphorylering af Beclin-1 [15,16].PI3PK er ansvarlig for dannelsen af ​​phosphatidylinositol-3-phosphat (PI3P) forphagoforekspansion [17].

De første kilder til membraner til phagophor-kernedannelse inkluderer COPII-vesikler, ATG9-vesikelreservoirer og selve ER-omegasommembranen [18]. ATG9 er et transmembrant glycoprotein, der cykler mellem trans-Golgi-netværket (TGN) og endosomalsystemet gennem genanvendelse af endosomer [19] og rekrutteres til omegasom ved autofaginduktion og leverer således membraner til den begyndende fagophor [20,21].

Desuden pendler ATG9 til og fra plasmamembranen, sidstnævnte gennem en clathrin-medieret proces [22]. Trafficering af ATG9 mellem membraner er afhængig af ULK1--medieret fosforylering under basale og autofagi-inducerende forhold [23]. Andre membrankilder, såsom mitokondrierne, Golgi-komplekset og plasmamembranen, er også blevet foreslået at deltage i vesikelkernedannelsen og -udvidelsen [24-26].

Specifikke opløselige N-ethylmaleimid-sensitive faktorbindingsproteinreceptorer (SNARE'er) og andre bindingsfaktorer er involveret i fusionen af ​​membraner afledt af Golgi, endosomer eller plasmamembranen med omegasommembranen [15], der opretholder vesikelvækst.

Generering af PI3P er essentiel for nukleering af fagophorvesiklen, rekruttering af PI3P-bindende proteiner, der er involveret i fagophorekspansion, og krumningsformning og rekruttering af nedstrøms ATG-proteiner [27]. Rekrutteringen af ​​PI3P-effektorer såsom WD-gentagende domæne-phosphoinositid-interagerende proteiner (WIPI'er) til theomegasom er afgørende for autophagosom biogenese og autofagisk flux [27,28].

Alfy, alarge stillads FYVE domæne-holdigt protein, er en PI3P effektor, der målretter ubiquitinerede aggregater til autophagosomet og dermed deltager i selektiv autophagy [29].

Det næste trin er rekruttering af mikrotubuli-associeret protein 1A/1B-let kæde (LC3) til phagophoren, assisteret af ubiquitin-lignende konjugationssystemer. Til at begynde med er E1 ubiquitinligase ATG7 og E2 ubiquitinligase ATG10 involveret i konjugationen af ​​ATG12 til ATG5, der yderligere binder til ATG16L1. Det komplekse ATG12-ATG5-ATG161L er afgørende for rekruttering af LC3 til de PI3P-positive membraner [27].

For det første spaltes LC3 proteolytisk ved C-terminalen af ​​ATG4-protease, der danner LC3-I, som igen, gennem virkningen af ​​ATG3 og ATG7 og ATG12-ATG5-ATG161L, genererer LC3-II gennem sin binding til aminhovedgruppen af ​​phosphatidylethanolamin (PE) i phagophormembranen [30,31].

En sådan lipidering af LC3 er afgørende for udvidelsen og lukningen af ​​fagophoren og yderligere modning af autofagosomet [32]. Desuden er lipideret LC3 involveret i specifik lastgenkendelse via LIR-domænet (LC3-interaktionsregion) gennem selektive adaptorproteiner [33]. Phagoforekspansionen og forlængelsen er dårligt defineret, men interaktionen af ​​WIPI2 med ATG 9-berigede vesikler er afgørende for processen [21].

Adskillige værker viste, at yderligere ATG-proteiner er involveret i de sidste trin af autophagosom biogenese, men deres nøjagtige roller er ikke klart defineret endnu. Undersøgelser viste, at defekter i LC3 ubiquitin-konjugationssystemer svækkede autophagosom lukning [34,35], hvilket implicerer disse komplekser i de sidste trin af autophagosom biogenese.

Lukningen af ​​autophagosomvesikler medieres af det endosomale sorteringskompleks, der kræves til transport (ESCRT) maskineri [36]. Efter lukningen dissocierer autofagosomet fra ER, og dets modning fortsætter gennem interaktion med flere endocytiske vesikler.

Autophagosomer kan fusionere med forskellige endolysosomale rum, såsom sene endosomer (LE) og multivesikulære legemer (MVB), en funktion, der varierer med celletype og visse fysiologiske tilstande [37].

Fusionen af ​​autophagosomer med forbigående MVBs danner en mellemstruktur kaldet amfisomet, som yderligere vil fusionere med lysosometo blive nedbrudt [38]. Dephosphorylering af PI3P ved autophagosommembranen byphosphoinositide 3-phosphataser af myotubulinproteinfamilien er påkrævet før deres fusion med lysosomer [39].

Autofagosomer er tilfældigt fordelt i hele cytoplasmaet, hvorimod lateendosomer og lysosomer overvejende findes i den perinukleære region, men også neuronale aksonale og dendritiske kompartmenter [40]. Autofagosomer bevæger sig langs de mikrotubuli mod lysosomer ved LC3 og dynein-afhængige mekanismer [41]. Fusionen af ​​autofagosomer med lysosomer assisteres af forskellige proteinfamilier. RabGTPases lokaliseres ved vesikelmembranerne og rekrutterer membranbindende proteiner, der hjælper SNARE'er i fusionsbegivenhederne (gennemgået i [42]).

Konsekvent forårsager udtømningen af ​​SNAREproteiner akkumulering af autofagosomer i forskellige celler [43,44]. Blandt de Rab GTPaser, der regulerer autophagosommodning, rekrutteres Rab7 til autophagosomemembranen og fungerer som en molekylær switch, der hjælper dens binding til dynein og letter dermed transporten af ​​autophagosom og lysosomer mod den perinukleære region [45]. Rab7-knockdown-celler viser selektiv svækkelse af autophagosomfusion med lysosom, men ikke med LE eller MVB [45,46].

Derudover er proteiner fra GABARAP-underfamilien (LC3-homologer) involveret i autophagosom-modning, og deres udtømning standser autophagosom-lysosom-fusion [47].

Ved fusion aktiverer forsuringen af ​​autolysosomallumen med protonpumpen eller v-ATPase de lysosomale hydrolytiske enzymer [48], hvilket resulterer i lastnedbrydning. De resulterende metabolitter er tilgængelige til genbrug i cellen eller fungerer som intracellulære signalmolekyler (figur 2).

Et væsentligt punkt i makroautofagi-regulering er de post-translationelle modifikationer af adskillige ATG- og ikke-ATG-proteiner (gennemgået i [49]). Dette er vigtigt for at begrænse udvidelsen af ​​autofagi og forhindre ukontrolleret nedbrydning af cytoplasmatisk indhold, hvilket ville kompromittere intracellulær homeostase og kan føre til celledød.

1.2. Funktion af autofagi i neuroner

Neuronal overlevelse er afhængig af både CMA og makroautofagi for at afbalancere niveauerne af fejlfoldede proteiner og beskadigede organeller, der ellers ikke er i stand til at blive fortyndet gennem celledeling og til at opretholde cellulære processer ved at genbruge metabolitter [50].

Den ineffektive fjernelse af proteinaggregater fører til en blokade af aksonal transport og større transkriptionelle ændringer; autofagi er således afgørende for at opretholde homeostase i hele neuroncellen (axon, soma og dendritter). I de synaptiske regioner er den konstante proteinomsætning uundværlig for at opfylde de lokale høje energikrav og for at opretholde en funktionel proteinsyntese og nedbrydningscyklus [51].

Dette er vigtigt ikke kun for at opretholde synaptisk plasticitet [52], men også for at understøtte aksonal homeostase [53,54]. Faktisk regulerer neuronal stimulation autofaginiveauer, mens autofagi opretholder synaptisk funktion på både præ- og postsynaptiske domæner [55].

Interessant nok, bortset fra det centrale autofagi-maskineri, kræves adskillige neuralspecifikke regulatoriske proteiner til autofagi i præsynaptiske regioner: Endophilin-A er en endocyticadaptor, der genererer buede membraner og tjener som en platform til at rekruttere autofagiske proteiner, og dermed fremme autophagosom biogenese [56], og synaptojanin 1, en lipidphosphatase, der medierer synaptisk vesikelhandel, er også nødvendig for autophagosomebiogenese [57].

På den anden side kan autofagi reguleres negativt ved præsynapses gennem Fagott, et stilladsprotein, der interagerer med ATG5, hvilket gør det utilgængeligt for autophagosom biogenese [58]. I post-synaptiske regioner er autofagi afgørende for at opretholde synaptisk plasticitet.

Ved langvarig depression (LTD) er autofagi afgørende for at formidle handel og eliminering af -amino-3-hydroxy-5-methyl-4-isoxazolpropionsyre(AMPA)-receptorer. Interessant nok aktiverer stimulering af N-methyl-D-aspartat (NMDA) receptorer nedbrydningen af ​​AMPA-receptorer ved autofagi [59]. Desuden undertrykker hjerneafledt neurotrofisk faktor (BDNF) autofagi i hippocampale neuroner, hvilket letter langsigtet potensering (LTP) og hukommelsesudholdenhed hos mus, hvilket understøtter en rolle for autofagi i synaptisk plasticitet [60].

Neuronal makroautofagi er en vigtig mekanisme, der fjerner defekte intracellulære materialer og er ekstremt effektiv i neuroner, med en hurtig clearance af autophagosomer, da et stort antal autophagosomer akkumuleres i neuroner efter lysosomalinhibering [61].

I neuroner i CNS og også i det perifere nervesystem (PNS), starter autophagosom biogenese i neuriter og synaptiske terminale regioner i distalaxon, og transporteres derefter tilbage til cellesomaen ved retrograd bevægelse for at fusionere med aktive lysosomer [62].

Autofagosomer undergår modning, når de bevæger sig fra distalt (neuritspids) til proksimalt (cellesoma) ved at opsluge organeller og opløselig last og ved at øge luminal forsuring for effektiv lastnedbrydning. I soma er der en blandet befolkning af autofagosomer med forskellige modningstilstande, der kommer fra distale regioner, eller som er lokalt genereret [63].

Distale-afledte autophagosomer tilbageholdes i det somatodendritiske kompartment og er ude af stand til at vende tilbage til axonet, hvorimod autophagosomerne fra soma kan bevæge sig frit mellem dendritter og soma [63].

Under normale forhold opdages autofagosomer næppe i neuroner, da de hurtigt smelter sammen med lysosomer, hvilket viser, at autofagi er yderst effektiv i neuronernes autofagi-induktion og autophagosom-clearance i [64].

Autophagosomerne afledt af distale axoner indeholder cytoplasmatisk indhold, og mindst 10% af befolkningen indeholder fragmenter af mitokondrier [62], hvilket understøtter en rolle for autofagi-afhængig nedbrydning af mitokondrier.

Makroautofagi er afgørende for neuritformning under dens vækst og også for neuralplasticitet. Tab af funktion af ATG16L1, et kerne autofagisk protein, er tilstrækkeligt til at inducere defekter i musehjernedannelse [65]. Derudover resulterer neural-specifik deletion af ATG9 i defekt udvikling af axonkanaler og mangelfuld neuritudvækst in vitro [66].

Imidlertid fører faldet af ATG'er og associerede proteiner med aldring [67] til en progressiv svækkelse af makroautofagi, hvilket sandsynligvis bidrager til den sene indtræden af ​​flere neurodegenerative sygdomme.

Akkumulering af autofagosomer skyldes en ubalance mellem deres dannelse og nedbrydning [68], som er blevet beskrevet i Alzheimers sygdom (AD), Parkinsons sygdom (PD) og Huntingtons sygdom (HD) [69].

Selvom genetiske mutationer af autofagi-relaterede gener ikke beskrives som direkte årsagsfaktorer til neurodegenerative sygdomme, understøtter adskillige beviser, at forstyrrelser i makroautofagi-processen og dens regulering er involveret i neurodegeneration.

Faktisk resulterer dysfunktion af den autofagiske proces såsom svækkelse af autophagosom-lysosom-fusion [64], defekt lysosomal forsuring [70] eller defekt autophagosomtransport [71,72] i akkumulering af toksiske proteinaggregater og funktionsfejl i organeller, hvilket bidrager til neurodegeneration.

Genetisk inaktivering af ATG5, ATG7 eller FIP200 i CNS forårsager axonhævelse og neurondød hos mus, hvilket resulterer i progressiv svækkelse af motorisk funktion [73-75].

Desuden dør ATG5-nullmus inden for én dag efter fødslen på grund af neuronalt tab forårsaget af autofagsvækkelse [76]. Selvom adskillige undersøgelser beviser vigtigheden af ​​makroautofagi for neuronal overlevelse og funktion, er der meget lidt kendt om dens regulering i neuroner og glia .

Akkumulering af afvigende proteiner eller inklusionslegemer er velbeskrevet i flere neurodegenerative sygdomme, og ændringer i den autofagiske aktivitet kan påvirke neuronal homeostase og overlevelse. At afdække rollerne for autofagi og regulering i neuronal og glialfunktion vil være nøglen til at forfølge nye terapeutiske strategier for at standse neuronal dysfunktion og degeneration.

For more information:1950477648nn@gmail.com