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

3.1.2. Mitofagi i AD

Ophobningen af ​​beskadigede mitokondrier er et kendetegn for AD. Mitokondriel dysfunktion og de tilhørende bioenergetiske mangler og oxidativt stress bidrager til A-aggregation og hyperphosphorylering af tau [154.155], som igen er mediatorer af mitokondrielle defekter [156].

Mitokondrier anses for at være energifabrikkerne i celler, og beskadigede mitokondrier kan forårsage en række sundhedsproblemer, herunder hukommelsestab. Men der er også positive aspekter. Så længe vi tager de rigtige foranstaltninger, kan vi effektivt forbedre mitokondriernes tilstand og forbedre vores hukommelse.

Mitokondriers hovedfunktion er at producere energi, som kan opfylde cellernes forskellige behov. Men i nogle tilfælde kan mitokondrier blive beskadiget, hvilket resulterer i reduceret energiproduktion, hvilket kan føre til helbredsproblemer såsom hukommelsestab. Derudover kan mitokondrier også forårsage betændelse, hvilket yderligere påvirker det fysiske helbred.

Men i forbindelse med udviklingen af ​​moderne medicin kan vi bruge nogle metoder til at hjælpe mitokondrier med at genoprette deres helbred. For eksempel kan aerob træning, en afbalanceret kost og fysisk træning fremme mitokondriernes sundhed og derved forbedre vores hukommelse. Derudover har nogle naturlige fødevarer såsom naturlige urter og nødder også gode mitokondrielle reparations- og beskyttelseseffekter for at opretholde kroppens normale tilstand.

Kort sagt, selvom mitokondrielle skader kan forårsage sundhedsproblemer, bør vi fortsætte med aktivt at udforske forskellige måder at søge måder at forbedre vores mitokondrielle sundhed for bedre at bevare fysisk sundhed og intelligens. Det kan ses, at vi skal forbedre hukommelsen, og Cistanche kan forbedre hukommelsen markant, fordi Cistanche er et traditionelt kinesisk medicinsk materiale med mange unikke effekter, hvoraf den ene er at forbedre hukommelsen. Virkningen af ​​Cistanche kommer fra de forskellige aktive ingredienser, den indeholder, herunder garvesyre, polysaccharider, flavonoidglykosider osv. Disse ingredienser kan fremme hjernens sundhed på forskellige måder.

Klik på Kend korttidshukommelse, hvordan du forbedrer

Følgelig var A-peptider ikke toksiske for celler uden funktionelle mitokondrier (mitokondrielle DNA-udtømte celler) [157]. Eksponering af primære kortikale neuroner for A 1-42-peptider inducerer åbningen af ​​den mitokondrielle membranovergangspore [156].

Desuden inducerer samtidig eksponering af kortikale neuroner med A- og NMDA-medieret aktivering af NMDAR yderligere mitokondriel depolarisering og øget mitokondriel calciumretention [158]. Derudover viste synaptiske terminaler udsat for A-aggregater mitokondriel dysfunktion, højere niveauer af oxidativ stress og svækket glutamat- og glukosetransport [159].

Endvidere udviste prøver fra hjernevævet fra tau-mutante mus mitokondrielle respiratoriske defekter og højere produktion af ROS [160]. Akkumulering af et N-terminalt tau-fragment var forbundet med reduceret mitochondrial cytochrom c-oxidaseaktivitet i humane AD-hjerner [161].

Desuden aktiverer udtømningen af ​​ATP forårsaget af mitokondrielle defekter AMPK og følgelig autofagi [162], hvilket forbinder mitokondriel funktion med autofagiregulering.

Clearance af usunde mitokondrier ved mitofagi er kompromitteret i AD, selvom mekanismen ikke er fuldt karakteriseret. Tidligere undersøgelser med post-mortemhippocampale væv fra AD-patienter og AD iPSC-afledte neuroner viste lavere niveauer af mitofagi-relaterede proteiner, lavere niveauer af PINK1 og BNIP3L/NIX og inaktivering af mitofagi-initieringsproteiner, såsom phospho-ULK1 [163].

Nedsættelsen af ​​mitofagi blev også beskrevet i APP- og tau-overekspressionsmodeller [164]. Rollen af ​​defekt mitofagi i AD-patogenese blev yderligere understøttet af en forbedring af hukommelsen i APP/PS1-musemodeller efter korrektion af neuronal mitofagi [163]. Undersøgelser med AD-modeller viste tau-indsættelse i mitokondriemembranen, der ophæver Parkin-medieret mitofagi [165].

Desuden overekspression af Parkin-genoprettede mitophagyin A-behandlede celler og forbedret mitokondriel funktion [166]. På trods af en øget translokation af Parkin til mitokondrierne, viser tilstedeværelsen af ​​ufordøjede mitokondrier inde i lysosomer en mangelfuld lysosomal effektivitet i AD i tidlige stadier [167].

Niveauerne af proteiner involveret i mitokondriel fission, et trin, der er afgørende for at isolere beskadigede mitokondrier, før det opsluges af autofagosomet, er forhøjet i ADbrains [168].

Konsekvent blev ændret mitokondriel morfologi mod fragmentering observeret i AD, som forværres, når niveauerne af A og p-tau stiger, og disse proteiner interagerer med Drp1 fissionsrelateret protein [169].

En svækkelse af anterogradbevægelse bidrager til mitokondriel dysfunktion vist i neuroner fra transgene AD-modeller [170]. Defekt anterograd bevægelse forringer fusionen af ​​gamle mitokondrier med nydannede organeller i soma og hæmmer dermed deres fusionsmedierede reparation. Derudover reducerer en defekt retrograd bevægelse beskrevet i AD [129] fjernelse af defekte mitokondrier i soma ved autofagi.

De reducerede niveauer af SIRT1 beskrevet i AD kompromitterer også aktiveringen af ​​autofagiproteiner, stabilisering af PINK1-inmitokondrier og reguleringen af ​​mitofagireceptorerne Nix/BNIP3L og LC3 [171].

Desuden er mitokondrielle SIRT3-niveauer faldet i AD, hvilket resulterer i lavere FOXO3-medieret aktivering af p62 [172]. Reducerede intracellulære niveauer af NAD+ blev rapporteret i AD [173], og udtømning af NAD+-niveauer kunne også mindske sirtuins aktivitet.

Således kan reducerede niveauer og aktivitet af SIRT'er kompromittere mitofagi, hvilket fører til akkumulering af beskadigede mitokondrier i AD.

3.2. Parkinsons sygdom

PD er en neurodegenerativ sygdom, der skyldes det degenerative tab af dopaminerge neuroner i substantia nigra pars compacta (SNpc), hvilket fører til dopaminmangel [174].

Postural ustabilitet, bradykinesi og gangart er de typiske træk ved sygdommen, ofte ledsaget af hyposmi og markante gastrointestinale komplikationer i form af gastroparese og forstoppelse [175].

Det histopatologiske kendetegn ved PD er tilstedeværelsen af ​​fibrillære aggregater kaldet Lewy bodies (LB'er), hvor -synuclein(aSyn) er en hovedbestanddel [176]. aSyn er et naturligt udfoldet protein med mange tilskrevet funktioner i neuronal udvikling og synaptisk signalering [177].

Nogle undersøgelser indikerer dog, at manglen på vildtype (WT) aSyn ikke er relevant for basal neuronalfunktion [178], hvilket tyder på, at et tab af funktion af aSyn ikke forårsager PD. På trods af intens debat er aSyn-oligomerer giftige for neuronale celler [179].

3.2.1. Autofagi i PD

Autofagi blev først forbundet med PD, da Anglade og kolleger fandt, at døden af ​​dopaminerge neuroner i SNpc i post-mortem hjerner hos PD-patienter var forbundet med autofagisk deregulering [180].

Monomerisk aSyn er et kortlivet protein, og dets fysiologiske niveauer opretholdes derfor hovedsageligt af ubiquitin-proteasomsystemet (UPS) [181]. I tilfælde af aSyn intracellulær overbelastning bliver clearingen af ​​nativeaSyn af UPS imidlertid mangelfuld, hvilket flytter elimineringen af ​​aSyn-monomerer til autophagosom-lysosomal pathway (ALP) [182].

Interessant nok viste en undersøgelse med mus injiceret med humant aSyn adenovirus i substantia nigra, at mange autofagiske proteiner er opreguleret i den indledende fase af sygdommen, hvilket tyder på en øget inautofagi i dette stadium [183]. Imidlertid indikerer post-mortem undersøgelser en stigning i niveauerne af LC3 II og et fald i cathepsin D, hvilket peger på en svækket funktion i ALPpathway [121].

Desuden viser histologiske fund, at LC3 II ofte er lokaliseret i aSyn-inklusioner [184], hvilket ikke kun indebærer en defekt autofagisk proces, men også at makroautofagi er ansvarlig for clearance af aSyn-aggregater [185].

CMA er stærkt svækket ved PD, da reduceret ekspression af LAMP2a og Hsc70 observeres i post-mortem hjerner hos PD-patienter [121.186]. Interessant nok co-lokaliserede de resterende LAMP2a-positive vesikler med en. Disse observationer er i overensstemmelse med det faktum, at aSyn bærer et KFERQ-lignende pentapeptid, 95VKKDQ99, med en stærk specificitet for lysosomale vesikler [187,188].

I aSyn-oligomerer er dette pentapeptid stadig tilgængeligt og tillader aggregater at binde til de lysosomale receptorer, hvilket blokerer importen af ​​aSyn til lysosomet, hvilket delvist forklarer de defekter, der observeres i CMA af neuronale celler i PD [185]. Yderligere undersøgelser har vist, at post-translationelle modifikationer i aSyn også hindrer CMA-vejen og bidrager til overordnet cellulær toksicitet [189].

Faktisk ser specifik inhibering af CMA opnået ved nedregulering af LAMP2a ud til at være ansvarlig for øgede niveauer af native aSyn i rotte corticale neuroner [190]. Derudover fører reduktionen i LAMP2a-ekspression i det nigrostriatale kredsløb hos rotter til dopaminerg celledød, ledsaget af en stigning i aSyn-proteinniveauer og en stigning i LC3-ekspression [191].

Derfor ser CMA ud til at være en yderst relevant vej for nedbrydningen af ​​WT aSyn. Glucocerebrosidase (GBA) er et lysosomalt protein, der er ansvarligt for spaltningen af ​​glucocerebrosid og glucosyl sphingosin i lumen af ​​disse vesikler.

GBA-mangel fører til substratakkumulering i lysosomet med skadelige virkninger i endolysosomalvejen. Interessant nok betragtes heterozygote mutationer i GBA-locuset som en væsentlig risikofaktor for udvikling af PD [192]. Homozygote GBA-mutante individer udvikler Gauchers sygdom, som et resultat af hvilken en stor del udvikler parkinsonisme [193].

En forbindelse mellem GBA og aSyn patologier blev fundet hos patienter med Lewy Body lidelser, et spektrum af sygdomme med alternative former for Parkinsonisme. Hos disse patienter var tilstedeværelsen af ​​aSyn-inklusioner stærkt korreleret med tilstedeværelsen af ​​mutant GBA i SNpc af post-mortem hjerner [194].

Bemærkelsesværdigt, i dopaminerge neuroner afledt af iPSC fra heterozygote GBA PD-patienter, der viser nedsat aktivitet af GBA, blev der fundet en stigning i antallet og forstørrelsen af ​​lysosomer [195], ledsaget af øgede niveauer af aSyn-oligomerer i PD-afledte neuroner, sammenlignet med kontrolceller .

Desuden førte GBA-knockdown i rottestriatum til en ophobning af oligomer aSyn, forudgået af en afbrydelse i den autofagiske vej. Beclin-1 kan mediere virkningerne af GBA, da dets aktivitet nedreguleres ved et fald i GBA-aktivitet med en samtidig reduktion af LC3 II [196].

Leucin-rig gentagen kinase 2 (LRRK2) er forbundet med en form for autosomal dominant form for PD, der også er en væsentlig risikofaktor for idiopatisk PD. Bortset fra mange cellulære funktioner har LRRK2 en fremtrædende rolle i autofagi, idet den er involveret i flere forskellige faser af processen [197].

En undersøgelse ved hjælp af en aldersafhængig LRRK2 knock-in musemodel viste, at midthjerneuroner havde et højere antal LAMP2a-positive vesikler sammenlignet med WTmice [197], hvilket tyder på en opbygning af lysosomale vesikler. Denne stigning var forbundet med dårligere CMA-effektivitet, da clearance af lysosomal-specifikke substrater med et KFERQ-motiv var lavere på LRRK2-knock-in-midthjerneceller.

Dette stemmer overens med beviser, der viser, at LRRK2 regulerer aktiviteten af ​​en undergruppe af Rab GTPaser, som er ansvarlige for membranmobilisering, vesikelsamling og transport [198,199]. G2019S er den mest almindelige mutation i LRRK2-associeret PD, og muteret LRRK2 menes at standse den autofagiske proces.

For eksempel præsenterede differentierede SH-SY5Y neuronale celler, der udtrykker denne mutante form af LRRK2, meget mindre neuritter og en afvigende ophobning af LC3-vesikler [200]. Desuden var der i mus, der bar mutant G2019S LRRK2, en stigning af tidlige og sene autofagiske vesikler med skadelig virkning på antallet af neuroner, der bærer tyrosinhydroxylase (TH) og på cortex neuronalmorfologi [201].

Disse observationer kan bekræftes af det faktum, at LRRK2-aktivitet menes at påvirke makroautofagi via Beclin-1 i en mTOR-uafhængig vej [202]. Da højere ekspression af native aSyn betragtes som en risikofaktor for udvikling af idiopatisk PD [203 ], makroautofagi påtager sig en afgørende rolle i opretholdelsen af ​​enhver cellulær overflod.

Interessant nok viser fund, at ekspressionen af ​​mutantformer af aSyn eller overekspression af WT aSyn blokerer autofagi [204], hvilket giver en central rolle i denne proces i sygdomsprogression. Som bekræftelse af disse observationer fandt Vogiatzi og kolleger, at WT aSyn steg 1.5- til 3.8-fold i PC12-celler efter administration af 3-methyladenin (3-MA), en makroautofagi-hæmmer [190].

Derudover giver disseeding af aSyn-fibriller anledning til nedbrydningsresistente aSyn-inklusioner med et negativt resultat i makroautofagi. Celler, der huser aSyn-aggregater, viser en autophagosomopbygning [205], hvilket kan forklares ved det faktum, at aSyn-inklusioner fremmer mislokaliseringen af ​​mATG9, et protein, der letter membranhandel til fagophoreformation [204].

For nylig blev det observeret, at A30P aSyn-ekspression i dopaminerge neuronale primære kulturer i mellemhjernen standser den autofagiske flux, observeret ved et fald inautophagosom-associeret LC3-protein med en samtidig stigning i SQSTM1/p62-niveauer [206].

Ydermere, i mononukleære celler i perifert blod, der stammer fra PD-patienter, blev autofagiske proteiner såsom ULK1 og Beclin1 fundet at være dysregulerede, hvilket korrelerer med en ophobning [207]. Den selvfornyende karakter af autofagi er afgørende for PD-patofysiologien og den manglende evne til at genbruge fejlfoldet eller aggregerede proteiner har en dybtgående effekt på neuronalceller [61].

Derfor tyder undersøgelser på, at nedsat autofagi kunne være den ætiologiske faktor i PD-patogenese. For eksempel inducerer specifik ablation af ATG7, afgørende for autophagosomeelongation i dopaminerge neuroner fra gamle mus, karakteristiske PD-træk, såsom motorisk skrøbelighed, tab af TH-positive neuroner og aSyn-aflejring [208].

Desuden fører ATG7-udtømning til tilstedeværelsen af ​​p62-indeholdende aSyn-inklusioner i SNpc-dopaminerge neuroner og en robust stigning i polyubiquitinerede substrater [209]. Selvom defekterne i autofagi er tværgående i forhold til PD-modeller, skal sammenhængen mellem årsagssammenhænge undersøges nærmere.

3.2.2. Mitofagi i PD

Mitokondrier spiller en central rolle i PD-patogenese [210]. Mitokondriel svigt, herunder nedsat kompleks I-aktivitet, velbeskrevet i post-mortem hjerner hos idiopatiske PD-patienter [211.212], sammen med øget oxidativt stress i nigrostriatale neuroner [213] og lavere mitokondriel kapacitet til at buffere Ca2+ [214] , er velkendte træk ved PD neurodegenerativ proces, som fremhæver den altafgørende betydning af at rydde beskadigede mitokondrier i syge neuroner. aSyn-oligomerer er blevet beskrevet for at inducere mitokondriel skade.

Faktisk importeres både WT og mutant aSyn til mitokondrierne i cellelinjer [215], dyrkede dopaminerge neuroner og PD patienters hjerner [216]. A53T aSyn har imidlertid hurtigere akkumuleringshastigheder i mitokondrierne, hvilket forringer aktiviteten af ​​kompleks I og forårsager forværret ROS-produktion [217]. Desuden viste en undersøgelse, der brugte dopaminerge neuronale kulturer, at aSyn-aggregater, der bevarer pSer129 aSyn, binder fortrinsvis til mitokondrier i stedet for WT aSyn, hvilket fører til svækket oxidativ fosforylering [218].

Faktisk stimulerer mutant aSyn mitokondriel fragmentering og fremmer tilstedeværelsen af ​​cardiolipin på overfladen af ​​mitokondrier [219]. Cardiolipin er et faresignal fremkaldt af mitokondrier, der forbinder til LC3 for at initiere mitofagi [220].

Bemærkelsesværdigt nok kan aSyn binde til cardiolipin og dermed konkurrere med LC3 og standse mitofagi [219]. Det dynamiske samspil mellem Parkin og PINK1 giver mulighed for korrekt identifikation af beskadigede mitokondrier.

Påfaldende nok er mutationer i Parkin- og PINK1-gener ansvarlige for tidligt debuterende autosomale recessive former for PD [221]. Patologisk bevis blev fundet i hjernen hos disse PD-patienter, såsom en reduceret population af neuroner i SNpc og fibrillær gliose [222]. I PD opregulerer Parkin-aktivitet Drp1-funktionen for at fremme mitokondriel fission og nedregulerer funktionen af ​​Mfn1/2 for at forhindre fusion, hvilket resulterer i mindre mitokondrier, der er lettere at opsluge i fagophorer [223].

Det er interessant, at mutantformer af Parkin ikke kan lokaliseres i mitokondrierne efter en depolariserende fornærmelse, hvilket fører til inhibering af mitofagi [224]. Desuden hæmmer proteiner lokaliseret ved OMM, der regulerer apoptotiske hændelser, såsom Bcl-XL og Mcl -1, Parkin-rekruttering til mitokondrier, hvilket blokerer mitofagi [225].

Derudover reduceres p62-positive mitokondrier tilbøjelige til selektiv nedbrydning i celler, der udtrykker mutant Parkin [226], hvilket kan ske på grund af Parkin-sekvestrering i uopløselige aggregater [227]. Transgene mus med absentParkin viser en stigning i pSer129 aSyn, men ikke i aSyn totale niveauer [228]. En sådan ablation kan producere milde nigrostriatale defekter [229], forbundet med ændret mitokondriemorfologi [230].

Disse fund kan forklares ved Parkins evne til at modulere fosforyleringstilstanden af ​​aSyn ved Ser129 [231]. Det blev påvist, at PINK1-mutantformer forbundet med PD ikke nøjagtigt rekrutterer Parkin til mitokondrierne, hvilket resulterer i dysfunktionel mitofagi [232]. Derudover fører PINK1-ablation til en stigning i antallet af fragmenterede mitokondrier [233], et fælles træk i PD-patienters dopaminerge neuroner [234].

Selvom antallet af dopaminerge neuroner forbliver upåvirket af PINK1-udtømning, viser striatale neuroner af PINK1-/- mus en reduceret kapacitet til at frigive dopamin [235] og er mere modtagelige for eksogene stressfaktorer såsom oxidativ stress [236].

Disse observationer er ledsaget af lavere respirationshastigheder hos mutante dyr og nedsat aktivitet af mitokondrielt kompleks I [237], hvilket kan forklare denne mutations bidrag til PD. Overraskende nok inducerer Parkin- eller PINK1-depletion alene ikke åbenlys neuronal degeneration hos gnavere, hvilket tyder på, at andre Parkin/PINK1-uafhængige mitofage-processer kan finde sted [228].

Relevansen af ​​mitokondriel dysfunktion og dermed mitofagi understreges af det faktum, at adskillige mitokondrielle toksiner, herunder 1-methyl-4-phenyl-1,2,3,6-tetrahydropyridin (MPTP) og rotenon, efterligner ofte den molekylære dysfunktion i PD og bruges som modeller for idiopatisk PD [238]. Disse toksiner retter sig mod mitokondrierne ved at hæmme kompleks I, en funktion, der normalt observeres i post-mortem hjerner hos PD-patienter [212].

MPTP inducerer parkinsonisme ved at fremme dopaminerg neurodegeneration og aSyn-akkumulering [239]. MPTP er en lipofil forbindelse, der kan krydse blod-hjerne-barrieren (BBB), og i astrocytter omdannes den til sin ioniske form 1-methyl4-phenylpyridinium (MPP+) [240]. Denne aktive form (MPP+) tjener som et højaffinitetssubstrat for dopaminerge transportører til at komme ind i neuronale celler [241], hæmmer mitokondriekompleks I og reducerer følgelig respirationshastigheder [239], blandt andre cytotoksiske effekter.

Faktisk fremmer MPP+-behandling i primære rotte-dopaminerge neuroner og SH-SY5Y-celler Drp1-afhængig mitokondriel fragmentering [242]. Derudover, i PC12 dopaminerge differentierede celler, er MPP +-induceret mitokondriel skade ledsaget af et dramatisk fald i aksonale transporthastigheder efterfulgt af en markant neurodegenerativ proces [243].

Ligeledes kan rotenon, en anden stærk kompleks I-hæmmer, efterligne de fænotypiske kendetegn ved PD. Når det injiceres i mus, stimulerer rotenon den selektive død af dopaminerge neuroner sammen med forekomsten af ​​aSyn-aggregater og motorisk dysfunktion [244]. Derudover forstyrrer administration af rotenon den autofagiske flux, fordømt af stigningen i LC3 og p62 og nedsatte niveauer af LAMP2a, hvilket standser den selektive nedbrydning af mitokondrier [244].

Det skal bemærkes, at rotenon har en alvorlig indvirkning på mikrotubulus-netværket [245], svækker den autofagiske flux hos rotter [244] og ændrer bevægelseshastighederne for mitokondrier i neuritter af differentierede SH-SY5Y-celler [246]. Da mitofagi er meget afhængig af mikrotubuli-afhængig transport [247], forventes mitofagi at blive svækket efter rotenoneksponering.

For more information:1950477648nn@gmail.com