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

2. Mitofagija

Mitohondriji imaju dvostruku membranu, sastavljenu od unutarnje mitohondrijske membrane (IMM) i vanjske mitohondrijske membrane (OMM), odvojene intramembranskim prostorom.

Unutarnja mitohondrijska membrana važna je komponenta stanice. Njegova glavna funkcija je stvaranje energije potrebne stanici i kontrola metabolizma cijele stanice. Suvremena biološka istraživanja pokazuju da je unutarnja mitohondrijska membrana također usko povezana s ljudskim kognitivnim sposobnostima, posebice pamćenjem.

Molekule unutarnje mitohondrijske membrane također sadrže neke komponente povezane s kognicijom i živčanim sustavom, poput membranskih proteina i sustava oksidativne fosforilacije. Ove su komponente izravno uključene u metabolički proces moždanih stanica, a status njihove aktivnosti utjecat će na normalnu funkciju neurona, a time i na ljudsku kogniciju i pamćenje.

Osim toga, molekula koja se zove mitohondrijski transporter u unutarnjoj mitohondrijskoj membrani također igra važnu ulogu u pohrani i prisjećanju memorije. Ova molekula može pomoći neuronima u prijenosu kemijskih signala između sinapsi i ojačati povezanost sinapsi, čime se postiže dugoročna pohrana i točno prisjećanje memorije.

Ukratko, veza između unutarnje mitohondrijske membrane i kognitivnih sposobnosti i pamćenja odavno je znanstveno potvrđena. Optimiziranje metaboličkog stanja unutarnje mitohondrijske membrane pomaže u poboljšanju radne učinkovitosti mozga i poboljšava kognitivne i memorijske sposobnosti ljudi. Stoga možemo promicati zdravlje unutarnje mitohondrijske membrane pravilnom prilagodbom naše prehrane, vježbanjem i održavanjem dobrog stava, čime poboljšavamo svoje pamćenje i kognitivne sposobnosti. Vidi se da moramo poboljšati pamćenje, a Cistanche može značajno poboljšati pamćenje jer može regulirati i 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.

Kliknite znati suplemente za poboljšanje pamćenja

Ova konfiguracija organela ključna je za održavanje elektrokemijskog gradijenta, dopuštajući mitohondrijima da generiraju potrebnu količinu ATP-a koji će koristiti stanice [77]. Uklanjanje neispravnih mitohondrija bitan je mehanizam kontrole kvalitete za održavanje zdravog bazena mitohondrija i održavanje održivog mreže u neuronskim stanicama [78].

Ove su stanice osjetljivije na mitohondrijske defekte zbog svojih visokih metaboličkih zahtjeva; stoga je selektivna eliminacija disfunkcionalnih organela vitalna za pouzdanu neurotransmisiju.

Mitohondriji koji su nepovratno oštećeni ili više nisu učinkoviti eliminiraju se mitofagijom, selektivnim mehanizmom u kojem specijalizirani receptori prepoznaju neispravne mitohondrije i posreduju teret koji cilja autofagne vezikule [79]. Stanice koriste različite metode za recikliranje neispravnih mitohondrija, naime putove ovisne o ljubikvitinu i neovisne.

Uglavnom, neuronske stanice pribjegavaju sustavu mehanizma ovisnog o ubikvitinu kojeg kontrolira PTEN-inducirana kinaza 1 (PINK1)/Parkin kako bi očuvale aktivan i dinamičan skup mitohondrija.

PINK1 je amitohondrijski protein čije nakupljanje u OMM-u djeluje kao senzor za održavanje mitohondrijske funkcije budući da označava oštećene mitohondrije za razgradnju [80].

PINK1 pokazuje sekvencu koja cilja mitohondrije, te se stoga sustavno uvozi u IMM kompleksiranjem s translokazama vanjske membrane 20 i 40 (TOM20 i TOM40) [81], gdje ga cijepa intramembranska serin proteaza presenilin povezana s romboidom (PARL) [ 82] i stoga se održavaju na niskim razinama u fiziološkim uvjetima.

Nakon određenog oštećenja, molekularne interakcije između TOM20/40 i PINK1 se smanjuju, a PINK1 se klasterira u OMM oštećenih mitohondrija, potičući fosforilaciju Parkina i njegovo naknadno regrutiranje [83].

Parkin, citosolna E3 ubikvitin ligaza, ubikvitinira mnoštvo proteina OMM-a, koje prepoznaju receptori kao što je p62, također nazvan sekvestosom 1 (SQSTM1). p62/SQSTM1 je receptor za vezanje ubikvitina odgovoran za usmjeravanje ubikvitiniranih mitohondrija do mjesta sastavljanja autofagosoma interakcijom s LC3/GABARApreceptorima ATG8 obitelji [84].

Ovi receptori također prepoznaju LIR motive mnogih OMM proteina za specifično ciljanje oštećenih mitohondrija na mjestu sastavljanja autofagosoma [85]. U neuronskim stanicama, mitofagija neovisna o ubikvitinu koju dirigiraju dva bifunkcionalna proteina, BCL2 i protein 3 u interakciji s adenovirusom E1B 19 kDa. (BNIP3L) i BNIP3-kao protein X (NIX), također je odgovoran za diferencijaciju ganglijskih stanica retine (RGC). BNIP3 i NIX sadrže BH3 domenu i uglavnom se nalaze na OMM-u.

Ovi proteini imaju motiv sličan WXXL s afinitetom za LC3 i njegov homolog GABARAP, tjerajući mitohondrije u autofagne vezikule. Tijekom retinalne neurogeneze dolazi do metaboličke promjene, praćene povećanjem ekspresije obaju proteina [86].

Aktivnost NIX-a može biti posredovana povećanjem razina reaktivnih kisikovih vrsta (ROS) u nekoliko staničnih linija [87], dodajući novi sloj složenosti osim razvojnih funkcija. Doista, proizvodnja ROS-a se povećava kao posljedica oštećenih mitohondrija [88] i može izazvati mitofagiju [88]. NIX također može regulirati translokaciju Parkina u mitohondrije nakon depolarizirajućeg podražaja, kao što je CCCP [87].

Osim toga, BNIP3L i NIX-regulirana mitofagija imaju neuroprotektivne funkcije. U modelu ishemije mozga, selektivna razgradnja mitohondrija posredovana ovim proteinima bila je ključna za preživljavanje i funkciju neurona [89]. Dodatno, sama prekomjerna ekspresija NIX-a dovoljna je za obnavljanje mitofagnih defekata opaženih u staničnoj liniji dobivenoj od pacijenata s PD [90].

Protein 1 koji sadrži Fun14 domenu (FUNDC1) je OMM protein koji je u interakciji s LC3 i GABARAP i posreduje u mitofagiji u hipoksičnim uvjetima. Na homeostatskim razinama, mitofagija ovisna o FUNDC1-je potisnuta fosforilacijom posredovanom Src kinazom u dijelu LIR motiva na Tyr18.

U hipoksičnom stanju, smanjena aktivnost Src rezultira defosforilacijom FDUNC1 Tyr18, olakšavajući njegovu interakciju s LC3 i naknadnu mitofagiju [91]. Štoviše, fosforilacija ULK1 uzrokovana hipoksijom pomoću AMPK na Ser555 pogoduje translokaciji ULK1 u mitohondrije, pojačavajući aktivnost FUNDC1 [92]. Dodatno, Optineurin (OPTN) je citosolni receptor smješten na OMM-u koji potiče mitofagiju kroz interakciju s LC3 [93].

Zanimljivo je da je disfunkcija OPTN povezana s neurodegenerativnim bolestima, kao i drugim patologijama [94]. Sveukupno, mitofagija predstavlja bitan mehanizam kontrole kvalitete za održavanje neuronskog metabolizma i homeostaze.

Prijenos mitohondrija unutar neurona oslanja se na anterogradne i retrogradne pokrete i neophodan je za ispunjavanje energetskih i metaboličkih zahtjeva duž neuronske strukture. Ti su pokreti također bitni za popravak i razgradnju mitohondrija, a potpomognuti su transportnim adapterskim proteinima (Slika 3).

3. Autofagija i neurodegenerativne bolesti

3.1. Alzheimerova bolest

AD je neurodegenerativni poremećaj i najrašireniji oblik demencije u starijoj populaciji, koji pogađa gotovo 50 milijuna ljudi diljem svijeta [95]. Obiteljski AD s ranim početkom (EOAD, fAD) čini manje od 5% slučajeva i razvija se prije dobi od 65 godina.

Autosomno dominantne mutacije u tri gena povezane su s EOAD: genom za amiloidni prekursorski protein (APP) i genima za presenilin-1 (PSEN1) i presenilin-2(PSEN2), podjedinice kompleksa -sekretaze [ 95]. Međutim, najčešći oblik je sporadični oblik AD s kasnim početkom (LOAD, sAD) s prevalencijom većom od 95% i nepoznate etiologije.

Neuropatologiju AD karakterizira progresivno kognitivno oštećenje i pad pamćenja, što je povezano s prisutnošću izvanstaničnog taloženja amiloidnih plakova (A, agregacija -amiloidnih peptida) i intraneuronskih neurofibrilarnih čvorova (NFT, agregacija hiperfosforiliranog tau proteina) koji ugrožavaju sinaptičku cjelovitosti i homeostaze, što dovodi do ireverzibilnog oštećenja u određenim regijama mozga kao što su hipokampus i korteks [96].

Peptidi A nastaju sekvencijalnim proteolitičkim procesiranjem proteina prekursora amiloida (APP) pomoću enzima 1/-sekretaze (BACE1) i -sekretaze na mjestu cijepanja APP-a kroz amiloidogeni put. Cijepanje APP pomoću BACE1, čija je aktivnost povećana u mozgu sporadičnih bolesnika s AD-om [97], događa se uglavnom u endosomima, osiguravajući kiselo okruženje za optimalnu aktivnost enzima [98].

Unutarstanični promet APP-a odvija se sekretornim i endocitnim putovima. APP se izlučuje u plazmatsku membranu, zatim se internalizira endocitozom posredovanom klatrinom ili kaveolinom [99].

U endosomima, APP se može cijepati s BACE1 čime nastaje N-terminalni APP fragment (sAPP) i C-terminalni fragment; potonji se može podvrgnuti daljnjem cijepanju pomoću -sekretaze, što rezultira stvaranjem A i APP unutarstanične domene. U ne-amiloidogenom putu, APP se cijepa pomoću -sekretaze u sredini A domene, sprječavajući stvaranje A peptida.

Cijepanje pomoću -sekretaze događa se na različitim položajima C-terminalnog fragmenta, što rezultira stvaranjem A peptida različitih duljina. Najčešći topljivi peptidi koji se formiraju su A 1-38 i A 1-40, a zatim A 1-42, pri čemu je potonji hidrofobniji i skloniji stvaranju trimeričkih i tetramernih oligomera, stoga predstavlja najotrovniji izoform [100].

A oligomerstend stvara A fibrile s nabranim listovima koji se izvanstanično okupljaju u amiloidne plakove [101]. A je također povezan s hiperfosforilacijom i agregacijom tau, proteina povezanog s mikrotubulima koji normalno pomaže u polimerizaciji i sastavljanju aksonskih mikrotubula i transportu vezikula.

Status fosforilacije tauisa reguliran različitim kinazama i fosfatazama koje su modulirane u prisutnosti A oligomera; na primjer, glikogen sintaza kinaza -3 (GSK3 ) i protein fosfataza 2A (PP2A) izravno reguliraju status tau fosforilacije [102]. Hiperfosforilirano stanje tau inhibira njegovu povezanost s mikrotubulima, utječući na njegovu stabilizaciju i dovodeći do rastavljanja mreže mikrotubula [103,104].

Proteolitičko cijepanje hiperfosforiliranog taua pokreće stvaranje tau oligomera [105] koji su toksičniji od agregata, što dovodi do progresivne smrti neurona [106].

3.1.1. Oštećenje autofagije u AD

U AD-u su prijavljeni različiti molekularni patogeni mehanizmi koji proizlaze iz nakupljanja A oligomera i tau hiperfosforilacije, naime mitohondrijska disfunkcija [107,108] i poremećaj sustava proteostaze, kao što je nesmotani proteinski odgovor i autofagija [109].

Iako A peptidi pokazuju motiv povezan s KFERQ, koji je važan za normalnu obradu i razgradnju APP-a, ti fragmenti nisu supstrati za razgradnju CMA [110], a makroautofagija pomaže u njihovom uklanjanju [111].

Doista, makroautofagija igra važnu ulogu u metabolizmu A jer je uključena u razgradnju i čišćenje APP-a [112] i produkata njegovog cijepanja, uključujući A [113] i APP-CTF (amiloidni prekursorski protein odcijepljen C-terminalni fragment) [114].

Disfunkcija autofagije dokazana je i kod pacijenata s AD-om i kod životinjskih modela. U mozgu pacijenata s AD-om, uočeno je nakupljanje nezrelih autofagnih vezikula koje sadrže filamentni tau u distrofičnim neuritima [115].

Ove autofagne vezikule često se nalaze u proksimalnim regijama amiloidnih plakova u mozgovima pacijenata i modela glodavaca [116]. Zanimljivo je da je nakupljanje autofagosoma također primijećeno u dendritima i somama APP/PS1 transgenih mišjih neurona čak i prije pojave A plakova [117]. Dodatno, uočeno je nakupljanje nezrelih autofagnih vezikula prije gubitka neurona u hipokampusu mišjeg modela PS1M146L/APP751SL [118].

Abnormalno nakupljanje autofagosoma u neuronima sugerira da defektni autofagno-lizosomski put doprinosi nakupljanju A i tau oligomera u AD [117]. APP i PSEN1 lokaliziraju se u autofagosomima; stoga je nakupljanje ovih organela povezano s povećanjem generacije A, što zauzvrat remeti membrane autofagosoma [115].

Posljedično, nezreli autofagosomi opisani u AD mozgovima i APP/PS1 transgenim miševima mogu predstavljati još jedan izvor za A generaciju. Mozgovi pacijenata s PSEN1-EOAD pokazuju lizosomsko oštećenje povezano s amiloidnom patologijom i neurodegeneracijom [119].

Pretpostavlja se da bi nakupljanje autofagosoma moglo biti posljedica oštećenja fuzije autofagosoma i lizosoma ili neispravne probave lizosoma [120]. Studije su pokazale promjenu inicijacije autofagije, posebno smanjenje ekspresije Beclin 1 u korteksu bolesnika s AD-om i mišjih modela [121] . Povećana aktivnost kaspaze 3 u bolesnika s AD-om mogla bi objasniti prekomjerno cijepanje Beclina 1 [122].

Genetska redukcija Beclina 1 u transgenom mišjem modelu AD koji eksprimira humani APP povećala je nakupljanje A, dok je prekomjerna ekspresija Beclina 1 značajno smanjila razine A [113]. Osim Beclina-1, drugi ATG proteini bili su regulirani naniže u dobi- ovisan način, što rezultira nakupljanjem A [123]. ATG7, ključni protein u regulaciji autofagije, bio je uključen u patologiju AD.

Utvrđeno je da su razine ATG7 smanjene u cerebralnom korteksu i hipokampusu AD mišjeg modela, ali nisu otkrivene nikakve promjene u temporalnom korteksu bolesnika s AD [124]; Miševi s nokdaunom ATG7 pokazali su redukciju izlučivanja A popraćenu povećanjem intracelularnog A [125], što dalje podupire ulogu ATG7 u transportu peptida A do multivezikularnih tijela koja se izlučuju.

Pokazalo se da je ekspresija p62 smanjena u modelu trostrukog transgenog miša, ugrožavajući početne korake selektivne autofagije u AD [126]. Međutim, analiza cijelog genoma otkrila je transkripcijsku regulaciju pozitivnih regulatora autofagije u AD-u.

U skladu s aktivacijom autofagije, u ranim fazama AD uočeno je povećanje razine proteina ATG i veća stopa stvaranja autofagosoma i lizosomske biogeneze [127]. Ova kontroverza sugerira različitu regulaciju autofagije u ranim i kasnim stadijima AD, što bi trebalo uzeti u obzir kada se procjenjuje mehanizam u različitim modelima i kada se traže terapijske strategije.

Prisutnost nezrelih autofagosoma u distrofičnim neuritima sugerira da su retrogradni transport vezikula povezanih s autofagijom i njihovo sazrijevanje poremećeni u AD [128]. U prilog tome, inhibicija dostave autofagosoma u lizosome dovodi do njihove akumulacije u neuritima slične morfologije, kao što je opisano u AD [64].

Oligomeri mogu poremetiti kompleks dinein-snapin, oštećujući aksonalni transport vezikula, što bi moglo pridonijeti neispravnoj isporuci autofagosoma lizosomesinu AD [129]. Razgradnja taua, koji se primarno nalazi u aksonima, a rjeđe u neuritima i somama, događa se putem proteasoma ili makroautofagijom, ovisno o stanju njegove oligomerizacije.

Modifikacije tau povezane s AD-om pokreću njegovu degradaciju kroz makroautofagiju kada proteoliza posredovana proteasomima postane oslabljena napredovanjem bolesti [130]. Važno je da degradacija tau može proizvesti različite fragmente koji se vežu na Hsc70 koji CMA cilja na LAMP-2A [131,132].

Ipak, nakupljanje ovih fragmenata u lizosomskoj membrani uzrokuje agregaciju tau, što remeti lizosomski integritet i blokira CMA [132]. Oštećenje autofagijsko-lizosomalnog puta rezultira agregacijom tau oligomera, koji se pak razgrađuju kada se makroautofagija inducira rapamicinom [132,133].

Tau je bitan za retrogradno kretanje autofagosoma prema lizosomima kroz stabilizaciju mikrotubula, uloga koja je ugrožena u AD [134]. Hiperfosforilacija tau i njegova oligomerizacija rezultiraju pomicanjem mehanizma mikrotubula i posljedično oštećenjem kretanja i sazrijevanja autofagosoma, što također doprinosi disfunkciji autofagije.

Osim defekata u transportu autofagosoma, u AD je također opisano oštećenje lizosomske funkcije. PSEN1 je regulator funkcije lizosoma koji djeluje kao šaperon za vakuolarnu ATPazu koja zakiseljuje lumen lizosoma. Mutacije u PSEN1 poremetile su zakiseljavanje lizosoma i fuziju autofagosoma i lizosoma, što je rezultiralo nakupljanjem autofagosoma opterećenih A [135].

Dodatno, sugerirano je da je lizosomska proteoliza pogođena AD-om; visoke razine A, LC3-II i ubikvitiniranih proteina bile su prisutne iu frakcijama lizosoma i autofagosoma izoliranih iz AD transgenog modela miša [136]. U skladu s tim, poremećaj lizosomske proteolize inhibicijom lizosomalnih katepsina u zdravim neuronima rezultira nakupljanjem autofagičnih vezikula slične morfologije onima prisutnima u bolesnika s AD-om i transgenih mišjih modela [64].

A također ugrožava integritet lizosomske membrane, što rezultira otpuštanjem katepsina u citoplazmu [137,138]. Prisutnost katepsina D u egzosomima izoliranim iz krvi pretkliničkih bolesnika s AD-om [139] podupire hipotezu o neučinkovitoj lizosomskoj funkciji. Zanimljivo je da su genetske varijacije u genu koji kodira katepsin D također opisane kao faktori rizika za AD [140].

Analiza procesa autofagije u neuronima od rane do posljednje dobi AD pokazala je povećanu ekspresiju gena autofagije u ranim fazama, ali defekt lizosomskog čišćenja rezultirao je nakupljanjem autolizosomalnih struktura s progresijom bolesti [141]. Sirtuini (SIRT) obuhvaćaju skupinu proteina ovisnih o nikotinamid adenin dinukleotidu (NAD+) koji su regulatori višestrukih staničnih putova.

Među njima, Sirt1 je povezan s regulacijom autofagije. Niže razine SIRT1 ugrožavaju deacetilacijom posredovanu aktivaciju nizvodno autofagnih proteina (npr. ATG5, ATG7 i LC3) [142], što također može doprinijeti oštećenju autofagije kod AD. Razine SIRT1 smanjene su u parijetalnom korteksu bolesnika s AD mozgom i koreliraju s nakupljanjem A i tau zapleta [143].

Aktivacija mTOR-a, središnjeg koordinatora autofagije, opisana je u AD kao odgovor na nakupljanje A [144]. A povećava aktivnost mTOR-a, što također rezultira većom ekspresijom tau-a i fosforilacijom posredovanom GSK3 - [145], podupirući ulogu mTOR-a u patogenezi posredovanoj tau-om. Dodatno, izlučivanje fosfo-tau kroz egzocitotičke vezikule putem mTOR signalizacije primijećeno je u mozgovima bolesnika s AD-om [146].

Disregulacija puta PI3K/Akt/mTOR također je uključena u patogenezu AD [147]. Aktivacija PI3K faktorima rasta (npr. inzulinu sličan faktor rasta -1, IGF1) potiče fosforilaciju Akt i neizravnu aktivaciju mTORC1, promicanje autofagije. U AD-u, A stupa u interakciju i inhibira put PI3K/Akt/mTOR [148], što dovodi do aktivacije GSK3 i povećane tau hiperfosforilacije.

Štoviše, faktor transkripcije EB (TFEB), glavni regulator biogeneze lizosoma, nizvodna je meta mTORC1. Smanjenje aktivnosti mTORC1 inducira defosforilaciju TFEB-a i njegovu translokaciju u jezgru kako bi se aktivirala ekspresija autofagije i gena povezanih s lizosomskom biogenezom [149].

Utvrđeno je da su razine TFEB-a smanjene u uzorcima mozga (hipokampus) pacijenata s AD-om, posebno snižene nuklearne razine TFEB-a u uznapredovalim stadijima bolesti [150].

Dodatno, translokacija TFEB u jezgru bila je oslabljena u fibroblastima s nedostatkom presenilina i induciranim pluripotentnim neuronima AD dobivenim iz matičnih stanica, što je rezultiralo smanjenom aktivacijom mreže CLEAR [151].

Međutim, u dvostrukom transgeničnom APP/PS1 životinjskom modelu, otkrivene su povećane razine ukupnog i nuklearnog TFEB-a u hipokampusu 8--mjesečnih AD miševa s istodobnim povećanjem njegovih nizvodnih ciljeva, što sugerira da je TFEB uključen u lizosomske posredovana progresija AD [152]. Povišena regulacija ciljnih gena TFEB također je zabilježena u PS1 uvjetno nokautiranih miševa i 5xFAD miševa [153].

Aktivacija mreže TFEB mogla bi odražavati pokušaj kompenzacije za oslabljenu autofagiju u životinjskim modelima AD. Točna uloga TFEB-a kao glavnog regulatora lizosomske funkcije u patogenezi AD još je daleko od potpunog razumijevanja i zahtijeva daljnje istraživanje.

For more information:1950477648nn@gmail.com