Uvid u patogenezu neurodegenerativnih bolesti: Fokus na disfunkciji mitohondrija i oksidativnom stresu, dio 3

4.3.3. DNK

ROS može inducirati mnoge vrste oštećenja DNA, kao što su modifikacija baza, deoksiribosemodifikacija, jednolančani lomovi (SSB) i dvolančani lomovi (DSB), DNA križne veze ili abazična mjesta [235].

Kako učimo više o biologiji, otkrivamo da modifikacije baza mogu utjecati na ljudsko pamćenje. Ova ideja je vrlo uzbudljiva jer znači da možemo koristiti ove izmjene za poboljšanje i poboljšanje funkcije našeg mozga.

Studije su pokazale da dodavanje metilacije egzonskoj DNK može utjecati na formiranje pamćenja i sposobnost prostornog učenja. U uzorcima ljudskog moždanog tkiva identificirana je DNK baza 5-Hydroxymethylcytosine (5hmC) i njezina je ekspresija u području moždane kore kod odraslih ljudi povećana.

Daljnja istraživanja su pokazala da stjecanje novih informacija i konsolidacija sjećanja zahtijeva najmanje dvije različite funkcije mozga, naime "snimanje" i "reprodukciju". U fazi snimanja, kolinergički neuroni oslobađaju acetilkolin za prijenos informacija iz kratkoročnog pamćenja u dugoročno pamćenje. U tom procesu metilaza (DNA metiltransferaza) igra važnu ulogu jer može igrati važnu ulogu u regulaciji ekspresije gena kada se stvaraju nova sjećanja.

U sljedećoj fazi, fazi reprodukcije, neuroni ponavljaju prethodna iskustva. To znači da se konsolidirano pamćenje stavlja u dugoročno pamćenje, a neki stručnjaci vjeruju da se metilacija ovih gena pretvara u oblik koji je vrlo lako preokrenuti, kao što je 5-hidroksimetilcitozin. Odnosno, yutian kiselina igra ključnu ulogu u konsolidaciji dugoročnog pamćenja.

Stoga možemo vidjeti da su modifikacija baze i memorija usko povezani. To nam daje veliku nadu da osmislimo neke nove tretmane za poboljšanje učinkovitosti mozga, kao što je kognitivno poboljšanje, i izbjegavanje kognitivnih nedostataka. Iako ima još puno posla, ovo je jedna od revolucionarnih studija u našem razumijevanju i istraživanju više živčanih sustava. Vidi se da moramo poboljšati pamćenje, a Cistanche može značajno poboljšati pamćenje jer Cistanche također može regulirati ravnotežu neurotransmitera, poput povećanja razine acetilkolina i faktora rasta koji su vrlo važni za pamćenje i učenje. Osim toga, Cistanche također može poboljšati protok krvi i pospješiti opskrbu kisikom, što može osigurati da mozak dobije dovoljno hranjivih tvari i energije, čime se poboljšava vitalnost i izdržljivost mozga.

Pritisnite Know pomoć s memorijom

Oksidirana DNA vjerojatno je najčešća lezija DNA u neuronima [236]. U normalnim uvjetima, ROS može uzrokovati do 50 000 DNK lezija/stanici/dan [237], a kašnjenja u popravku oštećenja DNK mogu uzrokovati genomsku nestabilnost i inducirati signalne kaskade koje vode do stanične smrti [238].

Stanice imaju različite mehanizme popravka, kao što su popravak ekscizijom baze (BER), popravak neusklađenosti (MMR), popravak ekscizijom nukleotida (NER) i mehanizmi popravka prekida jednog lanca (SSBR) i dvolančanog (DSBR) [239].

Oksidirane baze DNA uklanjaju se uglavnom mehanizmom BER/SSBR i uključuju uklanjanje oštećene baze specifičnom DNA glikozilazom (DG), inciziju abazičnog mjesta pomoću AP-endonukleaze (APE1), popunjavanje nastale praznine pomoću DNApolimeraze. i brtvljenje oštećenog DNK lanca pomoću DNK ligaze [240].

Identificirano je nekoliko DG-ova, kao što su uracil-DNA glikozilaze (UDG), timinska DNA glikozilaza (TDG) ili DG-ovi specifični za oksidirane baze, poput 8-oksoGuanine (8-oxoG) DNAglikozilaze (OGG1) [ 241,242]. OGG1-1a je uključen u popravak nuklearne DNK, dok OGG1-2a doprinosi popravku mitohondrijske DNK [243].

APE1 cijepa šećerno-fosfatnu okosnicu DNK na abazičnom mjestu. Fosforilacija enzima, kao što se događa nakon izlaganja 1-metil-4-fenilpiridiniju (MPP+), smanjuje njegovu enzimsku aktivnost i rezultira nakupljanjem oštećene DNA u neuronima [244].

Mitohondrijska DNK još je sklonija oksidativnom oštećenju jer je mitohondrijski genom smješten blizu IMM-a, mjesta mitohondrijske generacije ROS-a, i zato što mu nedostaju zaštitni histoni [245]. Kako je kontrola kvalitete mitohondrijske DNK ključna za komunikaciju s jezgrom, mitohondriji sadrže antioksidanse i enzime za popravak DNK, kao što su OGG1 i MUTYH (mutY DNA glikozilaza) [246].

Mitohondrijska disfunkcija, kao što se događa nakon delecija mtDNA, može dovesti do aktivacije NF-κB putem signalnog puta ovisnog o akalcineurinu [247] i može, zauzvrat, biti inducirana različitim signalnim molekulama. Na primjer, PPAR-koaktivator 1 i SIRT1 reguliraju funkciju mitohondrija aktiviranjem ekspresije mitohondrijskog transkripcijskog faktora A (TFAM) [248].

Osim povećanog oksidativnog oštećenja uzrokovanog oksidativnim stresom, defektni mehanizmi popravka DNK opisani su u neurodegenerativnim bolestima, kao što su AD ili PD [235].

Dopaminergički neuroni bolesnika s PD-om pokazali su pojačanu regulaciju mitohondrijskog OGG1 i više razine fosforiliranog APE1 [249]. Neuroni bolesnika s AD-om imali su više razine oksidiranih baza DNA u jezgri kao i mitohondrijske DNA [250], pokazali su smanjenu aktivnost OGG1 [251] i niže razine UDG [252] u usporedbi s neuronima zdravih pojedinaca.

4.3.4. RNK i oksidativno oštećenje

RNA je zastupljenija, čini 80-90% nukleinske kiseline u stanicama [253], te je ranjivija na oksidativna oštećenja zbog svoje jednolančane strukture, blizine njimaitohondrijima, nedostatka mehanizama popravka oksidirane RNA i manje zaštite od proteina u usporedbi s DNK [60,254].

Funkcije RNA molekula u stanici su različite, uključujući ribosomsku RNA (rRNA), koja je zajedno s prijenosnom RNA (tRNA) i glasničkom RNA (mRNA) odgovorna za sintezu proteina, mikroRNA (miRNA), koje su posttranslacijske regulatori ekspresije gena, te male nuklearne i nukleolarne RNA.

Tradicionalno, mRNA se smatrala kodirajućom RNA [255]. Nekodirajuća RNA igra važnu ulogu u regulaciji spajanja mRNA i translaciji mRNA [256]. Najagresivniji radikal je hidroksilni radikal, proizveden u reakcijama Fenton i Haber-Weiss [257].

Reagira s gvaninom i formira 8-hidroksigvanozin (8-OHG), jedan od najčešće korištenih biomarkera oksidacije RNK [253]. Oštećenje RNA izazvano oksidativnim napadom dovodi do modificiranih baza i nukleozida, cijepanja i fragmentacije tRNA, aminoacilacije ili defekata u paru kodon-antikodon [258] i uzrokuje izravne prekide lanca RNA [259], nepodudaranja baza na tRNA, pogreške u prijevodu [182], i poremećena sinteza proteina [260] sa značajnim utjecajem na vitalnost stanica.

Iako stanice imaju nekoliko mehanizama za degradaciju izmijenjenih transkripata, kao što je besmisleno posredovano propadanje mRNK (NMD) [261], ti mehanizmi imaju tendenciju biti nadvladani starenjem. Zbog toga se nakupljaju promijenjeni pogrešno savijeni proteini [262].

5. Selektivna ranjivost neurona u neurodegenerativnim bolestima

Iako se mnogi putovi koji dovode do povećanog stvaranja ROS-a i njihove posljedice odnose na sve stanice, svaka neurodegenerativna bolest dovodi do degeneracije određenih skupina neurona, što je navelo istraživače da traže objašnjenja za ovu selektivnu ranjivost neuronskih populacija

5.1. Selektivna neuronska ranjivost u Alzheimerovoj bolesti

Gubitak pamćenja i kognitivni pad karakteristični za AD uzrokovani su atrofijom entorinalnog korteksa (EC), uglavnom neurona u sloju II (ECII), i hipokampusa, osobito regije CA1 [72].

Istraživanja su pokazala da neuroni u tim područjima imaju visoke energetske zahtjeve i vrlo su osjetljivi na smanjenu opskrbu kisikom i glukozom [263]. Dodatno, CA1 i EC II piramidalni neuroni su glutamatergični i stoga osjetljiviji na NMDA ekscitotoksičnost i štetne učinke povećanih intracelularnih koncentracija kalcija [264], za razliku od neokortikalnih inhibicijskih interneurona, koji imaju visoke razine proteina koji vežu Ca2+- [265]. ].

Nedavno je opisan niz molekularnih obilježja ranjivih neurona. Na primjer, piramidalni neuroni ECII imaju oslabljenu aktivnost regulatora spajanja taua, vjerojatno povezanu s poremećenom dinamikom mikrotubula [266], što može olakšati širenje taua u druge regije mozga putem CA1 neurona [267].

Pokazalo se da subpopulacije selektivno ranjivih ekscitatornih neurona eksprimiraju RORB (RAR-povezani Orphan Receptor B), dok također pokazuju razlike u ekspresiji gena koji kodiraju sinapsu u odnosu na proteine ​​lokalizirane na aksonu, podjedinice kalijevih kanala, G-proteinsignalnih molekula i signalnih molekula receptora neurotransmitera [268].

Međutim, veze između ekspresije RORB-a, nakupljanja fosforiliranog taua i neuralne degeneracije tek treba dalje opisati.

5.2. Selektivna neuronska ranjivost u Parkinsonovoj bolesti

Motorički simptomi PD-a uzrokovani su gubitkom nigralnih dopaminergičkih neurona što dovodi do deplecije dopamina u dorzalnom striatumu [269]. Strukturno, ovi neuroni imaju vrlo duge i razgranate aksone (do 4,5 m), povezani su s velikim brojem neurona (do 2,4 milijuna sinapsi) [270,271], što zahtijeva visoku gustoću aksonskih mitohondrija i predstavlja izazov za bioenergetiku mitohondrija [272].

Na molekularnoj razini, nigralni dopaminergički neuroni imaju nizak kapacitet puferiranja Ca2+-usprkos velikim opterećenjima Ca2+ koja ovise o aktivnosti, što povećava stvaranje OXPHOS i ROS [273] i može promicati oštećenje mtDNA [274]. Osim toga, sam metabolizam dopamina dovodi do stvaranja ROS i uzrokuje nakupljanje delecija mtDNA [275].

5.3. Ranjivost motoričkih neurona kod amiotrofične lateralne skleroze

Patološko obilježje ALS-a je degeneracija gornjih i donjih motoričkih neurona, koji oba imaju vrlo dugačke aksone i stoga ovise o pravilnoj funkciji i prometu mitohondrija [72].

Velika veličina motorne jedinice nameće velike energetske zahtjeve spinalno-motornim neuronima za održavanje neurotransmisije i mišićne kontrakcije [276].

Relativno očuvanje motoričkih neurona u okulomotornoj, trohlearnoj i abducensnoj jezgri može se povezati s malim brojem inerviranih mišićnih vlakana (do pet mišićnih vlakana za razliku od najmanje 300 vlakana inerviranih spinalnim motoričkim neuronima) [277], osobito grape- sličnu strukturu neuromuskularnog spoja [278], kao i visok kapacitet puferiranja Ca2+ ovih neurona [279].

6. Oksidativni stres u neurodegenerativnim bolestima

Istraživanja sve više pokazuju prisutnost markera oksidativnog stresa u živčanom sustavu pacijenata koji boluju od neurodegenerativnih bolesti, ali molekularni putovi tek se počinju razjašnjavati.

Opis genetskih defekata koji dovode do AD-a, PD-a, HD-a ili ALS-a pomogao je u identificiranju nizvodnih učinaka mutantnih proteina, pri čemu su slični putovi naknadno prikazani u idiopatskim oblicima bolesti. Međutim, patofiziologija je još uvijek nepotpuno razjašnjena, unatoč akumuliranom znanju koje je već dovelo do terapijskih pokušaja.

6.1. Oksidativni stres u Alzheimerovoj bolesti

Obiteljski slučajevi AD s mutacijama Presenilina 1 (PS1) i 2 (PS2) povezivali su patogenezu AD s poremećenom homeostazom kalcija [280]. PS stupaju u interakciju s ryanodin receptorima [281] i utječu na spajanje ER-mitohondrija [282].

Doista, visoki MAM brojevi opisani su u životinjskim modelima AD i fibroblastima ili moždanom tkivu bolesnika s AD-om [283]. Osim toga, agregati A mogu posredovati u prijenosu Ca2+ iz ER u njimatohondrije kroz MCU [284], dok tau inhibira izljev mitohondrijskog kalcija [285].

Štoviše, A može formirati kanale propusne za kalcij u membranama [286,287], dok tau može formirati neselektivne ionske kanale u lipidnim dvoslojevima [288]. Štetni učinci povećanog mitohondrijskog kalcija u induciranju mitohondrijske disfunkcije i oksidativnog stresa opisani su u prethodnim odjeljcima.

U astrocitima, A u interakciji s receptorima za osjet kalcija (CaSR) inducira njihovu nižu regulaciju, vodeći susjedne neurone da luče novosintetizirani A, dušikov oksid i peroksinitrit [289].

U mitohondrijima, jedna od najranijih promjena povezanih s AD-om je epoksidacija ATP-sintaze s posljedičnim smanjenjem njezine funkcije, opisana u EC neuronima već u Braakovim stadijima I-II [290,291]. Smješten unutar IMM-a, umetnut u lipidni dvosloj bogat PUFA i blizu mitohondrijskog matriksa, enzim je laka meta za slobodne radikale koje stvaraju kompleksi I i III [292].

Uz energetski neuspjeh, modifikacija ATP sintaze dodatno povećava proizvodnju ROS-a s naknadnim potenciranjem oksidativnih modifikacija bioloških molekula [293].

U ovoj kaskadi, većina modificiranih proizvoda lipoksidacije uključena je u energetski metabolizam, povećavajući neuspjeh energije, nakon čega slijede proteini uključeni u neurotransmisiju, antioksidacijsku obranu i ionske kanale, kao što je prikazano u tablici 1.

Komunikacija između mitohondrija i jezgre i uvoz nuklearno kodiranih mitohondrijskih podjedinica narušeni su bioenergetskim nedostacima i disfunkcionalnim mitohondrijskim proteinima, što dovodi do promijenjene ekspresije regulacijskih i strukturnih mitohondrijskih kompleksa i enzima [299]. Metabolizam lipida također je promijenjen, s promjenama lipidomskih profila opisanih u AD-u, posebice u EC-u [300].

Oksidativno oštećenje PUFA dovodi do smanjenja ovih masnih kiselina u lipidnim splavima u EC od ranih faza AD [301], s posljedicama na debljinu membrane, fluidnost, zakrivljenost, kao i na aktivnost proteina vezanih na membranu, koji pogoduju amiloidogenoj obradi amiloida prekursorski protein.

Čini se da su mitohondrijski oksidativni stres, promijenjen metabolizam lipida, peroksidacija lipida i bioenergetski defekti dio samoodržive petlje koja pridonosi povećanju promijenjene dinamike mitohondrija, prometa mitohondrija, poremećene mitofagije i poremećene interakcije ER-mitohondrija [290].

Unutarstanično nakupljanje amiloida beta (A) i fosforiliranog taua inducira veći dio promijenjene mitohondrijske dinamike, izražene kao prekomjerna fragmentacija mitohondrija, s povećanim brojem i smanjenom veličinom mitohondrija [302]. I A i fosforilirani tau povećali su aktivnost GTPaze Drp1, što dovodi do prekomjerne fragmentacije mitohondrija [303,304].

In vitro, mutirane APP stanične linije pokazale su visoke koncentracije mRNA i proteina mitohondrijske fisije i smanjene razine mRNA i proteina mitohondrijske fuzije [305]. Također se pokazalo da fosforilirani tau snižava Opa1 i pojačava Mfn1 i Mfn2 [306].

Osim toga, citoplazmatsko nakupljanje A dovodi do smanjenja razina Parkina i PINK1, ometajući tako mitofagijski put. Defektna mitofagija rezultira nakupljanjem autofagičnih vakuola u neuronskoj somi i disfunkcionalnim neuritima [307], proces potenciran posebnostima mitofagije u neuronima, gdje su zreli lizosomi koncentrirani u tijelu stanice, dok se mitohondriji protežu duž aksona i dendrita neurona, čineći neuronske mitofagija sporiji proces [308].

Osim toga, A oligomeri stupaju u interakciju s autofagičnim vakuolama u distalnim dijelovima aksona, što dovodi do inhibicije mitohondrijskog laksonalnog transporta [309]. Osim toga, u laboratorijskim modelima, mutacije u genu PS1 promijenile su lizosomsku acidifikaciju [310] i dovele do smanjene ekspresije gena povezanih s autofagijom kroz ERK/CREB signalni put [311].

Protein tau također ima važan doprinos zaštiti staničnog genoma u fiziološkim uvjetima, vezanjem kromatina [236]. Hiperfosforilirano stanje taua ometa ovu funkciju, stvarajući preduvjete za nanošenje većeg oksidativnog oštećenja DNA i dulje vrijeme potrebno za popravak tih oštećenja DNA [236].

Ne smije se zanemariti uloga aktivacije mikroglije i kronične upale u patogenezi AD. Mikroglija, urođene imunološke stanice živčanog sustava slične makrofagima, čini oko 10% stanične populacije zdravih odraslih mozgova [312].

Kod AD, mikroglija ima povećanu ekspresiju receptora komplementa što dovodi do regulacije NF-κB signalnog puta, A-aktiviranih Fc receptora (koji inducira ekspresiju MIP-makrofagnog upalnog proteina-1) i povećane ekspresije receptora čistača A{ {4}} i B (SCARA i SCARB) [313,314]. Vezanje A na SCARB-2 aktivira mikrogliju za proizvodnju proupalnih citokina, kemokina i ROS [315].

Povećane razine taua, inducirajući ekspresiju receptora sličnih cestarini, također dovode do otpuštanja proupalnih citokina IL-1, IL-6 i IL-8 kroz NF-κB signalni put [316]. Iako upala aktivira autofagiju u stanicama [108], budući da oštećenje autofagije utječe i na mikroglijalne stanice, kronični upalni mikroglijalni fenotip dodatno doprinosi oštećenju neurona u AD [317].

6.2. Oksidativni stres u Parkinsonovoj bolesti

PD je druga najčešća neurodegenerativna bolest, koja pokazuje i kognitivna i neuromuskularna oštećenja.

Iako je većina slučajeva sporadična, opisano je nekoliko mutacija u obiteljskim i ranim oblicima PD-a, kao što su mutacije u PARK1 (kodira PINK1), PARK2 (kodira za Parkin), PARK1/4 (-sinuklein), PARK7 (DJ1), PARK8 (LRRK2), PARK9 (ATP13A2) PARK17 (Vsp35), FBX07, GIGYF2 ili HTRA2, ističući uključenost puta razgradnje proteina ubikvitina, oksidativnog stresa, puta preživljavanja stanica, mitohondrijske funkcije i apoptoze u patogenezi PD [113,318].

Patološko obilježje PD-a je nakupljanje netopivih inkluzija koje se pretežno sastoje od sinukleina (Lewyjeva tjelešca) uglavnom u nigralnim dopaminergičkim neuronima [61].

Proučavanje parkinsonskih sindroma izazvanih toksinima pomoglo je u razjašnjavanju patogeneze PD. U 20. stoljeću pokazalo se da izloženost 1-metil-fenil 4-fenil-1,2,3,6-tetrahidpiridinu uzrokuje simptome koji nalikuju teškom parkinsonizmu [319] ometajući s kompleksom I ETC-a.

Nadalje, u eksperimentalnom okruženju, rotenon, inhibitor kompleksa I, doveo je do apoptoze u stanicama ljudskog neuroblastoma, a ovo je otkriće prošireno na raspravu o uključenosti izloženosti pesticidima u etiologiju PD [320].

Kasnije je nekoliko istraživača dosljedno izvješćivalo o defektu kompleksa I mitohondrijskog ETC-a koji je doveo do 30-40% pada njegove aktivnosti [48,321], uzrokovan smanjenom stopom proizvodnje podjedinica kompleksa I, razaranjem njegove strukture i oksidativnim oštećenjem [ 322]. -sinuklein cilja na mitohondrije i dovodi do smanjenja aktivnosti kompleksa [323].

Mutacije LLRK2 (repetirana kinaza bogata leucinom 2) mogu povećati razine sinukleina [324]. PINK1 i Parkin reguliraju mitofagiju, kao što je ranije opisano. DJ1 je važan za integritet i dinamiku mitohondrija; pokazalo se da prekomjerna ekspresija DJ1 smanjuje fragmentaciju mitohondrija izazvanu rotenonom, neovisno o PINK1 [325].

Uvjerljivi dokazi pokazali su povećanu akumulaciju produkata oksidacije lipida, proteina i DNA u degenerirajućim neuronima u PD-u [326-328] zajedno sa smanjenjem antioksidansa GSH [329], čime se implicira oksidativni stres u patogenezi PD-a.

U početku, ROS vjerojatno potječu od ETC-a, vanjskih čimbenika i dopaminske autooksidacije [330], potencirane kasnije metabolizmom dopamina u monoaminooksidazi B, upalnim odgovorima ili doprinosom teških metala [331].

Pokazalo se da ROS inducira neortodoksnu aktivaciju željeznog regulatornog proteina 1, čime pridonosi nakupljanju željeza u dopaminergičkim stanicama [332]. Vodikov peroksid može lako difundirati do susjednih neurona, gdje može generirati hidroksilne radikale svojom interakcijom sa željezom [55].

PINK1 mutacije u domeni kinaze mitohondrijsko smještene molekule također povećavaju osjetljivost stanica na oksidativni stres [55,333].

For more information:1950477648nn@gmail.com