Makroautofagija i mitofagija u neurodegenerativnim poremećajima: fokus na terapijske intervencije, 2. dio

3.1.2. Mitofagija u AD

Nakupljanje oštećenih mitohondrija obilježje je AD-a. Mitohondrijska disfunkcija i povezani bioenergetski deficiti i oksidativni stres pridonose A agregaciji i hiperfosforilaciji tau [154,155], koji su zauzvrat posrednici mitohondrijskih defekata [156].

Mitohondriji se smatraju tvornicama energije unutar stanica, a oštećeni mitohondriji mogu uzrokovati niz zdravstvenih problema, uključujući gubitak pamćenja. Ali postoje i pozitivni aspekti. Sve dok poduzimamo prave mjere, možemo učinkovito poboljšati stanje mitohondrija i poboljšati svoje pamćenje.

Glavna funkcija mitohondrija je proizvodnja energije, koja može zadovoljiti različite potrebe stanica. Ali u nekim slučajevima mitohondriji mogu biti oštećeni, što rezultira smanjenom proizvodnjom energije, što može dovesti do zdravstvenih problema kao što je gubitak pamćenja. Osim toga, mitohondriji također mogu uzrokovati upalu, što dodatno utječe na fizičko zdravlje.

No, u kontekstu razvoja moderne medicine, nekim metodama možemo pomoći mitohondrijima da se vrate u zdravlje. Na primjer, aerobne vježbe, uravnotežena prehrana i tjelesne vježbe mogu pospješiti zdravlje mitohondrija, čime se poboljšava naše pamćenje. Osim toga, neke prirodne namirnice poput prirodnog bilja i orašastih plodova također imaju dobre učinke popravka i zaštite mitohondrija, za održavanje normalnog stanja tijela.

Ukratko, iako oštećenje mitohondrija može uzrokovati zdravstvene probleme, trebali bismo nastaviti aktivno istraživati ​​različite načine traženja načina za poboljšanje zdravlja mitohondrija kako bismo bolje održali fizičko zdravlje i inteligenciju. Vidi se da moramo poboljšati pamćenje, a Cistanche može značajno poboljšati pamćenje jer je Cistanche tradicionalni kineski ljekoviti materijal s mnogim jedinstvenim učincima, a jedan od njih je i poboljšanje pamćenja. Učinak Cistanche proizlazi iz raznih aktivnih sastojaka koje sadrži, uključujući taninsku kiselinu, polisaharide, flavonoidne glikozide itd. Ovi sastojci mogu promicati zdravlje mozga na različite načine.

Pritisnite Know Short-term Memory kako poboljšati

Prema tome, peptidi A nisu bili toksični za stanice bez funkcionalnih mitohondrija (stanice osiromašene mitohondrijskom DNA) [157]. Izlaganje primarnih kortikalnih neurona A 1-42 peptidima inducira otvaranje prijelaznih pora mitohondrijske membrane [156].

Štoviše, ko-izloženost kortikalnih neurona s A i NMDA-posredovanom aktivacijom NMDAR-a dodatno inducira depolarizaciju mitohondrija i povećano zadržavanje kalcija u mitohondrijima [158]. Osim toga, sinaptički terminali izloženi agregatima A pokazali su disfunkciju mitohondrija, više razine oksidativnog stresa i oslabljen transport glutamata i glukoze [159].

Nadalje, uzorci iz moždanog tkiva miševa s tau mutiranjem pokazali su mitohondrijske respiratorne defekte i veću proizvodnju ROS-a [160]. Akumulacija N-terminalnog tau fragmenta povezana je sa smanjenom aktivnošću mitohondrijske citokrom c oksidaze u ljudskom AD mozgu [161].

Štoviše, smanjenje ATP-a uzrokovano mitohondrijskim defektima aktivira AMPK i posljedično autofagiju [162], povezujući funkciju mitohondrija s regulacijom autofagije.

Čišćenje nezdravih mitohondrija mitofagijom je ugroženo kod AD iako mehanizam nije u potpunosti karakteriziran. Prethodne studije koje su koristile postmortemhipokampalna tkiva pacijenata s AD-om i neurone koji potiču iz AD iPSC-a pokazale su niže razine proteina povezanih s mitofagijom, niže razine PINK1 i BNIP3L/NIX i inaktivaciju proteina inicijacije mitofagije, kao što je fosfo-ULK1 [163].

Oštećenje mitofagije također je opisano u APP i modelima prekomjerne ekspresije tau [164]. Uloga defektne mitofagije u patogenezi AD dodatno je podržana poboljšanjem pamćenja u APP/PS1 mišjim modelima nakon korekcije neuronske mitofagije [163]. Studije s AD modelima pokazale su umetanje taua u mitohondrijsku membranu čime se prekida mitofagija posredovana Parkinom [165].

Štoviše, prekomjerna ekspresija stanica tretiranih mitofaginom A obnovljenih Parkinom i poboljšana funkcija mitohondrija [166]. Unatoč povećanom prijenosu Parkina u mitohondrije, prisutnost neprobavljenih mitohondrija unutar lizosoma pokazuje manjak lizosomske učinkovitosti u ranim stadijima AD [167].

Razine proteina uključenih u fisiju mitohondrija, korak koji je neophodan za izoliranje oštećenih mitohondrija prije nego ih proguta autofagosom, povišene su u ADbrains [168].

Dosljedno, izmijenjena morfologija mitohondrija prema fragmentaciji primijećena je u AD-u, što se pogoršava kada se razine A i p-tau povećaju i ti proteini stupe u interakciju s proteinom povezanim s fisijom Drp1 [169].

Oštećenje u anterogradnom kretanju pridonosi disfunkciji mitohondrija prikazanoj u neuronima iz transgenih AD modela [170]. Neispravno anterogradno kretanje oštećuje fuziju starih mitohondrija s novoformiranim organelima u somi, čime inhibira njihov popravak posredovan fuzijom. Dodatno, neispravno retrogradno kretanje opisano u AD [129] smanjuje uklanjanje neispravnih mitohondrija u somi autofagijom.

Snižene razine SIRT1 opisane u AD-u također ugrožavaju aktivaciju proteina autofagije, stabilizaciju PINK1 u mitohondrijima i regulaciju mitofagnih receptora Nix/BNIP3L i LC3 [171].

Štoviše, mitohondrijske razine SIRT3 smanjene su u AD-u, što rezultira nižom FOXO3-posredovanom aktivacijom p62 [172]. Smanjene intracelularne razine NAD+ prijavljene su u AD [173], a smanjenje NAD+ razina također može smanjiti aktivnost sirtuina.

Stoga, smanjene razine i aktivnost SIRT-a mogu ugroziti mitofagiju, što dovodi do nakupljanja oštećenih mitohondrija u AD.

3.2. Parkinsonova bolest

PD je neurodegenerativna bolest koja je posljedica degenerativnog gubitka dopaminergičkih neurona u substantia nigra pars compacta (SNpc), što dovodi do nedostatka dopamina [174].

Posturalna nestabilnost, bradikinezija i hod tipična su obilježja bolesti, često popraćena hiposmijom i izraženim gastrointestinalnim komplikacijama u obliku gastropareze i konstipacije [175].

Histopatološko obilježje PD-a je prisutnost fibrilarnih nakupina koje se nazivaju Lewyjeva tjelešca (LB), u kojima je -sinuklein (aSyn) glavni sastojak [176]. aSyn je izvorno nesmotan protein s mnogim pripisanim funkcijama u razvoju neurona i sinaptičkoj signalizaciji [177].

Međutim, neke studije pokazuju da nedostatak divljeg tipa (WT) aSyn nije relevantan za bazalnu funkciju neurona [178], što sugerira da gubitak funkcije aSyn ne uzrokuje PD. Unatoč intenzivnoj raspravi, aSyn oligomeri su toksični za neuronske stanice [179].

3.2.1. Autofagija u PD-u

Autofagija je prvi put povezana s PD-om kada su Anglade i kolege otkrili da je smrt dopaminergičkih neurona u SNpc u postmortem mozgovima pacijenata s PD-om bila povezana s autofagijskom deregulacijom [180].

Monomerni aSyn je kratkotrajni protein i stoga njegove fiziološke razine uglavnom održava ubikvitin-proteasomski sustav (UPS) [181]. Međutim, u slučaju unutarstaničnog preopterećenja aSyn, uklanjanje nativnog aSyn pomoću UPS-a postaje manjkavo, čime se eliminacija aSyn monomera prebacuje na autofagosomsko-lizosomalni put (ALP) [182].

Zanimljivo je da je studija u kojoj su miševi kojima je ubrizgan humani aSyn adenovirus u substanciju nigru pokazala da su mnogi autofagični proteini regulirani na gore u početnoj fazi bolesti, što ukazuje na povećanje autofagije u ovoj fazi [183]. Međutim, post mortem studije ukazuju na povećanje razine LC3 II i smanjenje katepsina D, ukazujući na oslabljenu funkciju u ALP putu [121].

Štoviše, histološki nalazi pokazuju da je LC3 II često lokaliziran unutar aSyn inkluzija [184], što implicira ne samo neispravan autofagijski proces, već i da je makroautofagija odgovorna za uklanjanje aSyn agregata [185].

CMA je snažno oslabljena kod PD-a, budući da je opažena smanjena ekspresija LAMP2a i Hsc70 u postmortalnom mozgu pacijenata s PD-om [121,186]. Zanimljivo je da su preostale LAMP2a-pozitivne vezikule ko-lokalizirane s an. Ova su opažanja u skladu s činjenicom da aSyn nosi pentapeptid sličan KFERQ-u, 95VKKDQ99, s jakom specifičnošću za lizosomske vezikule [187,188].

U aSyn oligomerima, ovaj pentapeptid je još uvijek dostupan i omogućuje agregatima da se vežu na lizosomske receptore, blokirajući uvoz aSyn u lizosom, što djelomično objašnjava nedostatke uočene u CMA neuronskih stanica u PD [185]. Daljnje studije su pokazale da posttranslacijske modifikacije u aSyn također ometaju put CMA i pridonose ukupnoj staničnoj toksičnosti [189].

Doista, čini se da je specifična inhibicija CMA postignuta regulacijom LAMP2a odgovorna za povećane razine prirodnog aSyn u kortikalnim neuronima štakora [190]. Dodatno, smanjenje ekspresije LAMP2a u nigrostrijatalnom krugu štakora dovodi do smrti dopaminergičkih stanica, praćeno povećanjem razine proteina aSyn i povećanjem ekspresije LC3 [191].

Stoga se čini da je CMA izuzetno relevantan put za razgradnju WT aSyn. Glukocerebrozidaza (GBA) je lizosomalni protein odgovoran za cijepanje glukocerebrozida i glukozil sfingozina u lumenu ovih vezikula.

Nedostatak GBA dovodi do nakupljanja supstrata u lizosomu, sa štetnim učincima u endolizosomskom putu. Zanimljivo je da se heterozigotne mutacije u GBA lokusu smatraju glavnim faktorom rizika za razvoj PD [192]. Homozigotne GBA mutantne jedinke razvijaju Gaucherovu bolest, uslijed koje veliki dio razvija parkinsonizam [193].

Veza između GBA i aSyn patologija pronađena je kod pacijenata s poremećajima Lewyjevih tjelešaca, spektrom bolesti s alternativnim oblicima Parkinsonizma. U ovih pacijenata, prisutnost inkluzija aSyn bila je u visokoj korelaciji s prisutnošću mutantnog GBA u SNpc mozgova nakon smrti [194].

Zanimljivo, u dopaminergičkim neuronima izvedenim iz iPSC heterozigotnih GBA pacijenata s PD-om, koji pokazuju smanjenu aktivnost GBA, pronađeno je povećanje broja i povećanje lizosoma [195], popraćeno povećanim razinama aSyn oligomera u neuronima izvedenim iz PD-a, u usporedbi s kontrolnim stanicama .

Štoviše, nokdaun GBA u striatumu štakora doveo je do nakupljanja oligomernog aSyn-a, čemu je prethodio poremećaj u autofagijskom putu. Beclin-1 bi mogao posredovati u učincima GBA budući da je njegova aktivnost smanjena nakon smanjenja aktivnosti GBA, s popratnim smanjenjem LC3 II [196].

Leucinom bogata ponavljajuća kinaza 2 (LRRK2) povezana je s oblikom autosomno dominantnog oblika PD-a, a također je glavni čimbenik rizika za idiopatsku PD. Osim mnogih staničnih funkcija, LRRK2 ima istaknutu ulogu u autofagiji, uključen je u nekoliko različitih faza procesa [197].

Studija koja je koristila mišji model LRRK2 knock-in ovisno o dobi pokazala je da neuroni srednjeg mozga imaju veći broj LAMP2a-pozitivnih vezikula u usporedbi s WT miševima [197], što ukazuje na nakupljanje lizosomskih vezikula. Ovo povećanje bilo je povezano sa slabijom učinkovitošću CMA budući da je klirens lizosomalnih specifičnih supstrata s KFERQ motivom bio manji na LRRK2 knock-in stanicama srednjeg mozga.

To je u skladu s dokazima koji pokazuju da LRRK2 regulira aktivnost podskupa Rab GTPaza, koje su odgovorne za mobilizaciju membrane, sastavljanje vezikula i transport [198,199]. G2019S je najčešća mutacija u PD-u povezanoj s LRRK2-, i Smatra se da mutirani LRRK2 zaustavlja autofagijski proces.

Na primjer, diferencirane SH-SY5Y neuronske stanice koje eksprimiraju ovaj mutirani oblik LRRK2 pokazale su mnogo manje neurite i nenormalnu akumulaciju LC3 vezikula [200]. Štoviše, u miševa koji su nosili mutant G2019S LRRK2, došlo je do porasta ranih i kasnih autofagnih vezikula, sa štetnim učincima na broj neurona koji nose tirozin hidroksilazu (TH) i na neuronalnu morfologiju korteksa [201].

Ova opažanja mogu se potvrditi činjenicom da se vjeruje da aktivnost LRRK2 utječe na makroautofagiju preko Beclin-1 u putu neovisnom o mTOR-u [202]. Budući da se veća ekspresija nativnog aSyn-a smatra faktorom rizika za razvoj idiopatske PD-a [203 ], makroautofagija preuzima ključnu ulogu u održavanju bilo kakvog staničnog obilja.

Zanimljivo je da nalazi pokazuju da ekspresija mutantnih oblika aSyn ili prekomjerna ekspresija WT aSyn blokiraju autofagiju [204], dajući ključnu ulogu u ovom procesu u napredovanju bolesti. Potvrđujući ova zapažanja, Vogiatzi i suradnici otkrili su da se WT aSyn povećao 1.5- do 3.8-puta u PC12 stanicama nakon primjene 3-metiladenina (3-MA), inhibitor makroautofagije [190].

Osim toga, ovo sijanje aSyn fibrila dovodi do aSyn inkluzija otpornih na degradaciju, s negativnim ishodom u makroautofagiji. Stanice koje sadrže aSyn agregate pokazuju nakupljanje autofagosoma [205], što se može objasniti činjenicom da aSyn inkluzije potiču mislokalizaciju mATG9, proteina koji olakšava promet membrane za fagoforeformaciju [204].

Nedavno je primijećeno da ekspresija A30P aSyn u primarnim kulturama dopaminergičkih neurona srednjeg mozga zaustavlja autofagijski tok, opažen smanjenjem proteina LC3 povezanog s autofagosomom uz istodobno povećanje razina SQSTM1/p62 [206].

Nadalje, u mononuklearnim stanicama periferne krvi dobivenim od pacijenata s PD-om, otkriveno je da su autofagični proteini kao što su ULK1 i Beclin1 neregulirani, što je u korelaciji s nakupljanjem [207]. Samoobnavljajuća priroda autofagije ključna je za patofiziologiju PD-a, a nemogućnost recikliranja pogrešno presavijenog ili agregirani proteini imaju dubok učinak na neuronske stanice [61].

Stoga studije sugeriraju da bi poremećena autofagija mogla biti etiološki čimbenik u patogenezi PD-a. Na primjer, specifična ablacija ATG7, bitna za produljenje autofagosoma u dopaminergičkim neuronima starih miševa, izaziva karakteristične značajke PD, kao što su slabost motora, gubitak TH-pozitivnih neurona i taloženje aSyn [208].

Štoviše, deplecija ATG7 dovodi do prisutnosti inkluzija aSyn koje sadrže p62- u SNpc dopaminergičkim neuronima i snažnog povećanja poliubikvitiniranih supstrata [209]. Iako su nedostaci u autofagiji transverzalni na modele PD-a, odnos uzročnosti treba dalje istražiti.

3.2.2. Mitofagija u PD-u

Mitohondriji igraju središnju ulogu u patogenezi PD [210]. Otkazivanje mitohondrija, uključujući smanjenu aktivnost kompleksa I, dobro opisano u postmortalnom mozgu pacijenata s idiopatskom PB [211,212], zajedno s povećanim oksidativnim stresom u neuronima nigrostrijata [213] i nižim kapacitetom mitohondrija za puferiranje Ca2+ [214] , dobro su poznata obilježja neurodegenerativnog procesa PD-a, koja naglašavaju najveću važnost čišćenja oštećenih mitohondrija u bolesnim neuronima. Opisano je da aSyn oligomeri izazivaju oštećenje mitohondrija.

Doista, i WT i mutirani aSyn uvoze se u mitohondrije u staničnim linijama [215], kultiviranim dopaminergičkim neuronima i mozgovima pacijenata s PD [216]. Međutim, A53T aSyn ima brže stope akumulacije u mitohondrijima, smanjujući aktivnost kompleksa I i uzrokujući pojačanu proizvodnju ROS [217]. Nadalje, studija koja je koristila dopaminergičke neuronske kulture pokazala je da se aSyn agregati koji zadržavaju pSer129 aSyn vežu preferencijalno za mitohondrije nego za WT aSyn, što dovodi do oslabljene oksidativne fosforilacije [218].

Doista, mutant aSyn stimulira fragmentaciju mitohondrija i potiče prisutnost kardiolipina na površini mitohondrija [219]. Kardiolipin je signal opasnosti koji izazivaju mitohondriji koji se povezuju s LC3 kako bi pokrenuli mitofagiju [220].

Nevjerojatno, aSyn se može vezati na kardiolipin, natječući se s LC3 i zaustavljajući mitofagiju [219]. Dinamička međuigra između Parkina i PINK1 omogućuje ispravnu identifikaciju oštećenih mitohondrija.

Začuđujuće je da su mutacije u genima Parkin i PINK1 odgovorne za rani početak autosomno recesivnih oblika PD-a [221]. Patološki dokazi pronađeni su u mozgovima ovih bolesnika s PD-om, poput smanjene populacije neurona u SNpc-u i fibrilarne glioze [222]. U PD-u, Parkinova aktivnost pojačava funkciju Drp1 za promicanje mitohondrijske fisije i smanjuje funkciju Mfn1/2 za sprječavanje fuzije, što rezultira manjim mitohondrijima koje je lakše zahvatiti u fagofore [223].

Zanimljivo je da se mutirani oblici Parkina ne uspijevaju lokalizirati unutar mitohondrija nakon depolarizirajućeg inzulta, što dovodi do inhibicije mitofagije [224]. Štoviše, proteini lokalizirani na OMM koji reguliraju apoptotske događaje, kao što su Bcl-XL i Mcl-1, inhibiraju regrutiranje Parkina u mitohondrije, blokirajući mitofagiju [225].

Osim toga, p62-pozitivni mitohondriji skloni selektivnoj razgradnji smanjeni su u stanicama koje izražavaju mutirani Parkin [226], što se može dogoditi zbog sekvestracije Parkina u netopljive agregate [227]. Transgeni miševi s odsutnim Parkinom pokazuju porast pSer129 aSyn, ali ne i ukupne razine aSyn [228]. Takva ablacija može uzrokovati blage nigrostrijatne defekte [229], povezane s promijenjenom morfologijom mitohondrija [230].

Ovi se nalazi mogu objasniti Parkinovom sposobnošću da modulira stanje fosforilacije aSyn-a na Ser129 [231]. Pokazalo se da PINK1 mutirani oblici povezani s PD-om ne uspijevaju točno regrutirati Parkin u mitohondrije, što dovodi do disfunkcionalne mitofagije [232]. Uz to, ablacija PINK1 dovodi do povećanja broja fragmentiranih mitohondrija [233], što je uobičajena značajka dopaminergičkih neurona bolesnika s PD-om [234].

Iako broj dopaminergičkih neurona ostaje nepromijenjen smanjenjem PINK1, strijatalni neuroni PINK1−/− miševa pokazuju smanjenu sposobnost otpuštanja dopamina [235] i osjetljiviji su na egzogene stresore kao što je oksidativni stres [236].

Ova su opažanja popraćena nižim stopama disanja kod mutiranih životinja i smanjenom aktivnošću njimaitohondrijskog kompleksa I [237], što može objasniti doprinos ove mutacije PD-u. Iznenađujuće, deplecija Parkina ili PINK1 sama po sebi ne izaziva očitu degeneraciju neurona kod glodavaca, što sugerira da možda se odvijaju drugi Parkin/PINK1-neovisni mitofagijski procesi [228].

Važnost mitohondrijske disfunkcije, a time i mitofagije, naglašena je činjenicom da nekoliko mitohondrijskih toksina, uključujući 1-metil-4-fenil-1,2,3,6-tetrahidropiridin (MPTP) i rotenon, često oponašaju molekularnu disfunkciju u PD-u i koriste se kao modeli za idiopatsku PD [238]. Ti toksini ciljano djeluju na mitohondrije inhibirajući kompleks I, što je značajka koja se obično opaža u post mortem mozgovima bolesnika s PD [212].

MPTP izaziva parkinsonizam potičući dopaminergičku neurodegeneraciju i nakupljanje aSyn [239]. MPTP je lipofilni spoj koji može prijeći krvno-moždanu barijeru (BBB), au astrocitima se pretvara u svoj ionski oblik 1-metil4-fenil piridinij (MPP+) [240]. Ovaj aktivni oblik (MPP+) služi kao supstrat visokog afiniteta za dopaminergičke prijenosnike koji ulaze u neuronske stanice [241], inhibirajući mitohondrijski kompleks I i posljedično smanjujući stope disanja [239], između ostalih citotoksičnih učinaka.

Doista, tretman MPP+ u primarnim dopaminergičkim neuronima štakora i SH-SY5Y stanicama potiče fragmentaciju mitohondrija ovisnu o Drp1- [242]. Dodatno, u dopaminergički diferenciranim stanicama PC12, oštećenje mitohondrija izazvano MPP+-popraćeno je dramatičnim smanjenjem brzina transporta aksona, nakon čega slijedi izražen neurodegenerativni proces [243].

Isto tako, rotenon, još jedan jak inhibitor kompleksa I, može oponašati fenotipska obilježja PD-a. Kada se ubrizga u miševe, rotenon stimulira selektivnu smrt dopaminergičkih neurona zajedno s pojavom aSyn agregata i motoričke disfunkcije [244]. Uz to, primjena rotenona remeti autofagijski tok, koji je denonciran povećanjem LC3 i p62 i smanjenim razinama LAMP2a, zaustavljajući selektivnu degradaciju mitohondrija [244].

Važno je napomenuti da rotenon ima ozbiljan utjecaj na mrežu mikrotubula [245], oštećujući autofagijski tok u štakora [244] i mijenjajući njihovu brzinu kretanja mitohondrija u neuritima diferenciranih SH-SY5Y stanica [246]. Budući da mitofagija jako ovisi o transportu ovisnom o mikrotubulima [247], očekuje se da će mitofagija biti oštećena nakon izlaganja rotenonu.

For more information:1950477648nn@gmail.com