Strukturel og funktionel indsigt i -Synuclein fibril polymorfisme del 2

-Synuclein (-syn) og -synuclein (-Syn) proteiner hører også til synucleinfamilien [165] (figur 1C). -Syn er et protein på 134 aminosyrer, tidligere identificeret som humanhomologen af ​​bovint fosfonuroprotein 14 (PNP14).

Efterhånden som vi bliver ældre, falder hukommelsen gradvist. Men vi kan forbedre hukommelsen gennem god ernæring. Aminosyreprotein er et af de vigtigste næringsstoffer.

Aminosyreproteiner kan øge antallet og forbindelserne af neuroner i hjernen, hvilket spiller en afgørende rolle for indlæring og hukommelse. Derudover kan aminosyreproteiner fremme vækst og reparation af blodkar i hjernen og øge ilttilførslen til hjernen og derved være med til at forbedre hjernens kognitive evne og hukommelse.

Nogle fødevarer rige på aminosyreproteiner omfatter kylling, oksekød, fisk og æg. Samtidig giver nogle plante-afledte fødevarer såsom bønner, solsikkefrø osv. også rige aminosyreproteiner. Vi kan forbedre hukommelsen ved at spise en afbalanceret kost og indtage passende aminosyrer og proteiner.

Derudover bør vi være opmærksomme på indtagelse af passende mængder af aminosyreprotein og opretholde sunde spisevaner og livsstil. Regelmæssig motion, at få nok søvn og reducere stress kan alle bidrage til at forbedre hjernens udvikling og funktion.

Alt i alt er aminosyrer og proteiner vigtige næringsstoffer til at forbedre hukommelsen. Gennem fornuftige kost- og livsstilsjusteringer kan vi hjælpe vores hjerne til at fungere bedre, forbedre vores evne til at lære og huske og få et sundere og lykkeligere liv. Det kan ses, at vi skal forbedre hukommelsen, og Cistanche deserticola kan forbedre hukommelsen markant, fordi Cistanche deserticola 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 deserticola også fremme væksten og reparationen af ​​nerveceller og dermed forbedre forbindelsen og funktionen af ​​neurale netværk. Disse effekter kan hjælpe med at forbedre hukommelsen, indlæringen og tænkehastigheden og kan også forhindre udviklingen af ​​kognitiv dysfunktion og neurodegenerative sygdomme.

Klik på kender måder at forbedre hjernens funktion

11-aminosyrestrækningen (rest 73-83) mangler i sit NAC-domæne (Figur 1C), på grund af hvilken den ikke kan fibrillere [11,176,177]. Tidligere blev det antaget, at -Syn er en hæmmer af -Syn-aggregation og forhindrede dets neurotoksicitet [11,176]. Imidlertid ændrede denne opfattelse sig efter at have opdaget missense-mutationer i -Syn-genet, P123H (familiært) og V70M (sporadisk), kendt for at forårsage DLB [178].

De skadelige virkninger af disse mutationer er blevet vist af celle- og dyrebaserede undersøgelser [179,180]. Vores gruppe viste for nylig, at under normale fysiologiske forhold fandt fibrilisering og aggregering af -Syn og dets sygdomsassocierede mutationer ikke sted, men et ændret mikromiljø, såsom et fald i pH og/eller tilstedeværelsen af ​​heparin, fik dem til at polymerisere [181].

-Syn, som deler ~55% sekvenshomologi med -Syn, blev oprindeligt identificeret i brystkræft-maligniteter kodet af et brystcancer-specifikt gen, BCSG1 [182]. Det blev rapporteret i det perifere centralnervesystem og brystkræftvæv [182,183]. Det aggregerer og danner fibriller in vitro [177] og inceller [184], men er forholdsvis langsommere end -Syn [91].

Fejlfoldning og fibrillering af -Syn er en stor begivenhed i flere neurodegenerative lidelser [185]. De fejlfoldede -Syn-aggregater er amyloidogene, som afvigende akkumuleres i hjernen, og som følge heraf lider patienten af ​​bevægelsesabnormiteter, der forværres over tid.

Aggregeringen af ​​-Syn er et komplekst fænomen og involverer omdannelsen af ​​monomerer til højt ordnede kryds- -arkrige strukturer gennem dannelsen af ​​flere opløselige on- og off-pathway oligomere arter [185,186]. Amyloiddannelsen af ​​-Syn overvåges generelt af thioflavin T fluorescensfarvestof [187].

Den følger sigmoidal vækstkinetik, som består af (i) lagfasen, der involverer dannelsen af ​​kerner, som til sidst vokser ind i den påviselige aggregatstruktur i opløsning; (ii) forlængelsesfasen, omdannelsen og den efterfølgende vækst af oligomere arter til den fibrillære struktur; og (iii) den stationære fase, der repræsenterer steady-state, hvor monomer- og fibrilkoncentrationen når ligevægt.

Ved slutningen af ​​aggregeringen samles -Syn til atypiske lange amyloidfibriller, normalt karakteriseret ved elektronmikroskopi og atomkraftmikroskopiske billeddannelsesteknikker [9]. Disse faser af aggregering kan ikke tilskrives en enkelt begivenhed eller mikroskopisk proces. I stedet er alle processerne, dvs. primær kernedannelse, forlængelse, sekundær kernedannelse og fragmentering, aktive gennem alle faserne af vækstkurven, men med forskellige hastigheder [188,189] (figur 2).

Disse reaktionshastigheder er styret af aggregeringshastighedskonstanter og koncentrationen af ​​de reagerende arter på et givet tidspunkt [190]. Amyloiddannelsen starter med primær kernedannelse af de monomere arter i opløsningen og forlængelse ved tilsætning af monomer til de voksende ender af aggregaterne [189]. Imidlertid er primære nukleationsprocesser kortvarige og overgås hurtigt af sekundære nukleeringsprocesser [191].

Fragmenteringen af ​​fibrillerne under omrøringsbetingelser (eller endda under stille betingelser afhængigt af amyloidfibrillernes stabilitet) modificerer antallet af voksende ender og påvirker signifikant den overordnede vækstkinetik [188,189].

Desuden er sekundær nukleering ved overfladekatalyse også en af ​​de væsentligste bidragydere til amyloidvækst i flere systemer, især understillede forhold [189,190]. Selvsamlingen og aggregeringen af ​​-Syn er et komplekst fænomen og involverer flere parallelle processer. Derfor er det afgørende at forstå de underliggende molekylære begivenheder for at afgrænse deres grundlæggende forbindelse med menneskelig sygdom.

4. Prion-lignende stammefænomener i -Syn

Siden opdagelsen af ​​-Syn som hovedbestanddelen af ​​Lewy body-patologi i 1997, er det primære fokus blevet flyttet til at afgrænse den underliggende patogene mekanisme af PD.

Heiko Braak [192] præsenterede et iscenesættelsessystem for Lewy-patologi i 2003 baseret på de specifikke mønstre for -Syn-spredning. Ifølge Braak-hypotesen starter Lewypatologien fra lugteløget og DMV og spredes derefter gradvist til de andre hjerneområder.

Selvom der er eksperimentel og klinisk evidens, der understøtter Braaks hypotese, er det usikkert, om den er anvendelig og/eller nøjagtigt beskriver progressionen af ​​PD hos alle patienter. For eksempel er der tilfælde, hvor patienter ikke viser Lewy-patologi i DMV eller ENS, mens andre hjerneregioner er alvorligt påvirket [193-198].

Selv i nogle tilfælde er der ikke observeret nogen sammenhæng mellem sværhedsgraden af ​​Lewy-patologi og kliniske symptomer ved PD [195]. Derfor foreslås det kun at anvende Braaks hypotese på en undergruppe af befolkningen [198], da ikke alle PD-patienter overholder det stadiesystem, som Braak foreslår [199]. Spændende nok gav rapporterne om Lewy-patologi i føtale neuronale transplantater efter fjorten års transplantation i striatum hos PD-patienten direkte bevis for celle-til-celle-transmission og spredningen af ​​-Synpathology foreslået af Braak [200,201].

Undersøgelser, der anvender in vitro- og cellemodelsystemer, antydede senere, at -Syn-aggregater er infektiøse, kan bevæge sig fra en celle til en anden og så aggregeringen af ​​deres opløselige endogene modstykke i modtagercellerne, hvilket forklarer fænomenet observeret i podede neuroner [18,21,23] . Denne prion-lignende transmission af -Syn-aggregat fra en region til en anden er også impliceret i DLB- og PDD-patienter, hvilket tyder på, at spredningen af ​​Lewy-patologi er den fælles egenskab af -Syn-aggregatesin-synukleinopatier [202-205].

Imidlertid er de kliniske og patologiske træk ved disse synukleinopatier meget variable og heterogene [206.207], [146.208]. Man kan spørge, hvorfor fordelingen af ​​-Syn-patologi og manifestationen af ​​sygdomssymptomer er forskellig blandt synukleinopatier, på trods af at det er forbundet med aggregeringen af ​​det samme protein.

Dette kunne forklares af det prionlignende stammefænomen af ​​-Syn, hvor det samme precursorprotein danner forskellige fibriller, der resulterer i en særskilt patologi.

4.1. Begrebet prionstammer

De sidste par årtiers forskning har antydet, at proteiner/peptider med forskellige strukturer og sekvenser kan danne en fælles fold af tvær- -ark-rig struktur af amyloid [209-213]. Disse proteiner/peptider danner amyloider med en fælles aggregeringsramme, dvs. gennem en nukleationsafhængig polymerisationsmekanisme [214,215].

Imidlertid kan hvert protein/peptid også gennemgå en særskilt aggregeringsvej for at danne en unik amyloidstruktur. Nylige højopløselige strukturelle undersøgelser med ssNMR og cryo-EM har faktisk antydet, at hvert protein pakker unikt og danner forskellige strukturer for tvær- -arkfoldningen [56-58,61,216]. Ikke kun det, men overraskende nok kan ét protein danne flere forskellige strukturelle folder [40,59].

Disse proteiner kan således antage forskellige konformationer fra den samme aminosyresekvens, hvilket giver anledning til flere proteinopatier og derfor ikke bekræfter hypotesen om et protein-én struktur [217]. For eksempel folder tau forskelligt ved Alzheimers og Picks sygdom [40.218.219] . Forskellige TAR DNA-bindende protein (TDP-43) aggregater findes i hjernerne af Frontotemporal lobardegeneration (FTLD-TDP) subtyper, der viser morfologiske forskelle på tværs af undertyperne [220].

Dette proteins evne til at folde forkert og vise konformationel mangfoldighed kan føre til alvorlige konsekvenser, såsom neurodegeneration [221]. Dette fænomen med et proteindannende forskellige amyloider forbundet med forskellige fænotypiske egenskaber er velkendt for prioner [46,222]. Prioner er infektiøse proteinpartikler, der viser konformationel heterogenitet og kan overføres fra et individ til et andet [223].

Et utal af beviser viser epidemiologisk og klinisk-patologisk mangfoldighed i humane prionsygdomme, såsom Kuru sygdom, Gerstmann-Straussler-Scheinkers syndrom og Creutzfeldt-Jakob sygdom [224], såvel som ikke-menneskelige prionsygdomme, såsom bovin spongiform encephalopati (BSE) hos kvæg, scrapie hos får og geder osv. [225].

Det normale cellulære prionprotein (PrPC) gennemgår omdannelse fra -helical til -sheet-rich konformation (PrPSc), som er en uopløselig, PK-resistent og infektiøs form. PrPSc formerer sig og aggregeres efter to bredt accepterede mekanismer/modeller, dvs. skabelon-assisteret og nukleationspolymerisationsmodel.

En patogen prion fungerer som en skabelon i den template-assisterede model og giver en overflade til at konvertere et endogent normalt prionprotein til dets fejlfoldede patogene form [226]. I nukleations-polymerisationsmodellen kombinerer monomerPrPSc og danner en stabil kerne, også kaldet et frø. Disse frø bliver ved med at rekrutterePrPC og konvertere dem til deres patogene modstykker [226].

En af de bemærkelsesværdige egenskaber ved prioner er, at de kan foldes forkert til forskellige konformationer, der hver især giver anledning til særskilte kliniske, histologiske og patologiske profiler. Disse aggregater med forskellig konformation og patologisk adfærd omtales som 'stammer' [45,227]. De banebrydende observationer om tilstedeværelsen af ​​prionstammer kom fra undersøgelsen af ​​Pattison og Milson, 1961 [228], hvor de eksperimentelt producerede scrapie hos geder og observerede distinkte kliniske manifestationer af sygdommen på grund af forskellige stammer.

I en anden undersøgelse var Fraserand Dickinson i stand til at skelne mellem forskellige scrapie-stammer i inficerede musemodeller afhængigt af omfanget af skader i forskellige områder af hjernen [229]. Senere viste en overflod af rapporter eksistensen af ​​PrPSc-stammer [227.230-233] og metoder til at skelne dem, såsom Proteinase K (PK)-fordøjelse [234.235], elektronparamagnetisk resonans (EPR) og NMR-spektroskopi [43].

Disse konformationer af PrPSc varierer med hensyn til forskellige typer af sekundære strukturelementer, såsom -helix, -streng, -turn, forskellige strukturelle folder eller forskellig pakning [227,230,232,235,236]. For eksempel genfoldes prionprotein fra den syriske hamster til både -spiralformede og -arkstrukturer, såvel som forskellige mellemprodukter i vandig opløsning [236].

Disse er ikke kun strukturelt, men også funktionelt adskilte fra hinanden [43] og er blevet identificeret i forskellige menneskelige og dyre prionlidelser [233,237]. På trods af, at de er resultatet af aggregeringen af ​​det samme prionprotein, adskiller prionsygdomme sig fra hinanden med hensyn til sygdomsdebut/ inkubationsperiode, progression og histopatologiske læsioner i den inficerede hjerne [224,225]. Dette er blevet samlet betegnet som 'prionstammefænomener' [45,46,238].

En af de væsentligste bidragydere til denne stamme-diversitet/variation er de smitsomme stoffers/prioners evne til at inficere visse arter [44.239.240] og krydse 'artsbarrieren' og derved generere en række forskellige stammer med skelnelige biokemiske og patologiske egenskaber. Et sådant tilfælde er vCJD (variant Creutzfeldt-Jakobs sygdom), som er et resultat af overførsel af BSEprion mellem arter fra kvæg til mennesker [44.240], som er det eneste kendte tilfælde af ikke-menneskelige prioner, der overføres til mennesker.

Det har også været kendt, at forskellige prionstammer eksisterer sammen med hinanden, som det ses i tilfælde af sCJD (sporadisk Creutzfeldt-Jakob sygdom) [241.242], der viser forskellige biokemiske egenskaber i forskellige områder af hjernen. Prionstammer er også kendt for at forlænge deres inkubationsperiode ved samtidig infektion med andre stammer, hvilket viser et fænomen med "konkurrence", som observeret i forskellige undersøgelser [243-245].

Alle de ovennævnte træk ved prionstammefænomener og potentialet for generering af nye prionstammer er ikke kun dukket op som en alvorlig videnskabelig udfordring, men også som en trussel mod den almene folkesundhed.

Nylige undersøgelser har imidlertid antydet, at denne stammeegenskab af amyloider ikke kun er begrænset til prioner, men også andre amyloider forbundet med forskellige neurodegenerative lidelser såsom Alzheimers og Parkinsons [19.246.247], [18.248]. Der er fremlagt forskellige beviser fra in vitro og in vivo undersøgelser for at demonstrere den prionlignende stammeadfærd af -Syn, som diskuteret nedenfor.

4.2. -Syn-stammer genereret in vitro

Voksende beviser for prionlignende stammer af -Syn forbundet med kliniske og patologiske variationer observeret i synukleinopatier er blevet rapporteret i de sidste par år [29-35,249].

Disse stammer er blevet defineret som distinkte og stabile konformationelle samlinger af et enkeltprotein, der kan selvreplikere og formere sig in vivo og resultere i forskellige sygdomsfænotyper. Guo et al. opdagede to 'stammer' af -Syn foruddannede fibriller (pust), gennem denovo fibrillering, benævnt 'stamme A', og gentagne podningsfibrillering in vitro, benævnt 'stamme B'.

Disse to stammer udviste distinkte konformationer og slående forskelle i krydssåning af tau-protein i primære neuronale kulturer og in vivo [30]. Udover at dokumentere beviserne for -Syn fibrilstammer for første gang, identificerede disse fund også krydssåningsadfærden hos -Syn. Senere udnyttede flere grupper kamæleonegenskaberne ved -Syn [9] og screenede adskillige vækstbetingelser for at generere -Syn-stammesin vitro. Under forskellige vækstbetingelser blev adskillige konformationsstabile og ustabile tilstande af protein observeret [250].

Konformationerne, som ikke er termodynamisk stabile eller ikke kan etablere stabile intermolekylære interaktioner, kan ikke vokse til amyloidfibriller. Disse omtales som vækstinkompetente tilstande (figur 3). På den anden side kan vækstkompetente tilstande af -Syn vokse og danne forskellige fibriller afhængigt af vækstbetingelserne (figur 3).

De resulterende fibriller under forskellige samlingsbetingelser besidder ikke kun forskellige biokemiske og biofysiske egenskaber, såsom resistens over for proteaser, cytotoksicitet, podningsevne osv. [29-32,34-36,51,53], men præger også deres arkitektur på datterfibrillerne afhængigt af vækstbetingelsen og arten af ​​frø (figur 3).

Bousset et al. faktisk genereret to strukturelt og funktionelt forskellige -Syn-stammer, kaldet 'fibriller' og 'bånd', ved hjælp af forskellige fysiologiske saltkoncentrationer [29]. Fibriller forårsagede mere cytotoksicitet, hvorimod båndene viste sig at være mere effektive til at inducere -Syn-inklusioner in vivo [33]. Lignende forskelle blev opnået med stammer genereret af Suzuki et al. [51], hvor en stamme forårsagede akkumulering af rigelige phosphorylerede og ubiquitinerede -Syn-aggregater i dyrkede neuroner og mus på grund af dens evne til at interagere med proteasomkomplekser, hvorimod den anden stamme ikke gjorde det [51].

I dag er forskellige eksperimentelle forhold snarere blevet en almindelig strategi til at generere stammer in vitro. I tilfælde, hvor kriterierne, der skal kaldes en 'stamme', dvs. bør være en strukturel variant af proteinaggregaterne, udviser evnen til selv at formere sig og serielt overføre sygdommen over de næste generationer og forårsage kliniske og fænotypiske sygdomsvariationer, er det ikke fuldstændigt. opfyldt, ville det være mere passende at kalde fibrillerne for 'polymorfer'.

Disse polymorfer kan vise slående forskelle i deres morfologi og struktur [28,56,251], nukleationshastigheder [252], podnings- og membranbindingsevne i celler [36] osv. Men som en funktionel konsekvens af disse strukturelle variationer i polymorfer, kan eller kan de ikke resultere i særskilte kliniske undertyper af sygdomme. Der er også tilfælde af intraprøve polymorfi, som kan opstå, uanset om fibriller er genereret in vitro [39,57,253-256] eller afledt af hjerneekstrakter [40,257,258].

Selvom disse kan have visse fællestræk, såsom en lignende monomer fold eller en fælles struktur, viser de også markante forskelle i morfologi, -strengsarrangement eller biokemiske egenskaber [57.256]. Forskellige samlingsbetingelser kan således generere strukturelt og funktionelt distinkte fibrillære samlinger, som enten kan forplante sig som en unik -Syn-stamme eller blot kan danne polymorfer.

Adskillige rapporter har hævdet tilstedeværelsen af ​​-Syn-aggregater i mave-tarmkanalen [259-263] og en nøglerolle for vagusnerven i spredningen af ​​disse aggregater fra gutto-hjernen [74,76,192,264,265]. For nylig har curli-udtrykkende E. coli vist sig at fremme -Syn-patologi i tarmen og hjernen hos mus, der overudtrykker human -Syn [78]. Eksponering for mikrobielle amyloider kan inducere polymorfi.

I stedet ville det være interessant at spørge, om forskellige former for -Syn (polymorfer) stammer fra tarmen, spredes til hjerneregionerne via retrograd vagal transport og forårsager patologi på en stammespecifik måde. I denne sammenhæng er der observeret strukturelle og funktionelle forskelle mellem -Syn-fibriller dannet i nærvær og fravær af bakterielt endotoksin lipopolysaccharid (LPS) [31].

LPS er kendt for at modulere -Syn-aggregering ved at stabilisere de -spiralformede mellemprodukter, der dannes under dets aggregeringsvej, hvilket resulterer i fibriller med variabel cytotoksicitet og ændret internaliseringsadfærd [266]. Ydermere har -Syn vist sig at gennemgå adskillige PTM'er, såsom phosphorylering, methioninoxidation, acetylering, nitrering osv., som er direkte forbundet med dets aggregering og cytotoksicitet [94,115,267,268].

Da pS129 er den mest almindelige PTM og hovedformen af ​​-Syn i inklusionslegemerne, kan det forårsage stammedannelse i -Synin vivo. Ma et al. viste, at phosphorylering ved Ser129 gør det muligt for proteinet at danne en særskilt stamme, der adskiller sig strukturelt med højere cytotoksicitet og forskellige formeringsegenskaber in vitro og i celler sammenlignet med vildtype-modstykket (uden phosphorylering) [269].

Ikke kun phosphorylering, men også N-terminal acetylering kan bibringe fibrilpolymorfi [267], hvilket tyder på, at selv en lille modifikation i -Syn-aminosyresekvensen kan påvirke dens fibrilstruktur betydeligt. Ændringen i fibrilstrukturen kan yderligere påvirke udbredelsen af ​​fibriller in vivo ved selektivt at målrette forskellige celletyper og cellulære populationer i hjernen [32].

Disse stammespecifikke forskelle bevares derefter trofast gennem generationerne [28,29,52] og fører til kliniske forskelle i sygdomsdebut, neurologisk sygdom, læsionsprofil osv. [32]

Samlet set tyder disse undersøgelser på, at i et komplekst og overfyldt miljø, såsom det med acell, kan subtile miljømæssige og cellulære ændringer, tilstedeværelsen af ​​co-faktorer eller andre proteiner og ændringer i proteinets primære sekvens føre til dannelsen af ​​forskellige polymorfer eller stammer , hvilket resulterer i forskellige sygdomsudfald.

For more information:1950477648nn@gmail.com