Ponovna procjena metaboličke disfunkcije u neurodegeneraciji: Fokus na mitohondrijskoj funkciji i signalizaciji kalcija, 2. dio

kontrola, agregacija proteina, progresivna stanična disfunkcija i neurodegeneracija. Za nekoliko gore spomenutih mitohondrijskih dehidrogenaza (PDH, -KGDH i ICDH) poznato je da se reguliraju koncentracijom Ca2+ unutar mitohondrijskog matrica [63-65].

Protein je jedan od najvažnijih nutrijenata za ljudsko tijelo i usko je povezan s kognitivnom funkcijom i pamćenjem našeg mozga. Protein je makromolekula sastavljena od više aminokiselina. Ima mnoge važne uloge u tijelu, kao što je osnovna jedinica sastava stanica, sudjelovanje u metabolizmu, prijenos kisika i održavanje imunološke funkcije. U procesu kognicije i pamćenja važni procesi poput sinteze neurotransmitera i neurotransmitera, kao i regulacija ekspresije gena zahtijevaju sudjelovanje proteina.

Osim toga, znanstvena istraživanja također su pokazala da postoji neraskidiva veza između agregacije proteina i pamćenja. Važna studija otkrila je da će se neuronski protein nazvan tau u mozgu abnormalno nakupljati u mozgu pacijenata s neurodegenerativnim bolestima kao što su Alzheimerova bolest i Alzheimerova bolest, što je također jedna od glavnih manifestacija ovih bolesti. To pokazuje da je u smislu održavanja pamćenja i zdravlja mozga, pravilno savijanje i stabilna struktura proteina vrlo važna za normalno funkcioniranje stanica i rad mozga.

Kako osigurati unos dovoljno proteina za održavanje zdrave tjelesne i intelektualne razine? Vrlo je jednostavno. Samo trebamo unositi dovoljno proteina u svakodnevnoj prehrani. Hrana bogata proteinima, poput piletine, ribe, graha i mliječnih proizvoda, može biti glavni izvor naše dnevne prehrane. Razumna struktura prehrane i uravnotežen unos hranjivih tvari ne samo da mogu jamčiti naše zdravlje i funkcioniranje tijela, već imaju i određenu ulogu u održavanju zdravlja mozga i nadopunjavanju pamćenja.

Ukratko, bjelančevine su važan nutrijent koji je neophodan za ljudsko zdravlje i intelektualni razvoj. Pravilan unos i znanstvena struktura prehrane mogu osigurati da ljudsko tijelo apsorbira dovoljno proteina i osigurati normalan razvoj i funkciju mozga i tijela. Trebali bismo obratiti pozitivnu pozornost na unos proteina i njihov utjecaj na zdravlje mozga. Vidi se da moramo poboljšati pamćenje. 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.

Kliknite znajte dodatke za jačanje pamćenja

Reakcije katalizirane Ca2+-reguliranim mitohondrijskim dehidrogenazama su koraci koji ograničavaju brzinu u TCA ciklusu, pa je stoga sadržaj slobodnog Ca2+u mitohondrijskom matriksu glavni regulator metaboličkog izlaza.

Aktivnost PDH povećava se nakon defosforilacije njegove E1 podjedinice, koja je posredovana Ca2+-osjetljivom fosfatazom (PDP1) [64]. U neuronima, priljev Ca2+ kroz kanale Ca2+ ovisne o naponu potreban je za fuziju sinaptičkih vezikula s plazma membranom i oslobađanje neurotransmitera u sinaptičkoj pukotini [66, 67].

Neuronska komunikacija putem sinaptičkog prijenosa proces je koji zahtijeva energiju, a mitohondriji imaju ključnu ulogu u ovom procesu osiguravanjem ATP-a (preko OxPhos) i puferiranjem sinaptičkog Ca2+/iCa2+ za moduliranje oslobađanja neurotransmitera[68] .

Učinkovita regulacija i puferiranje ICa2+ ključni su za sprječavanje neuronske ekscitotoksičnosti. I mitohondriji i endoplazmatski retikulum (ER) značajni su modulatori signalizacije ICa2+, a uloga ER-a u puferiranju neurona ICa2+ dobro je poznata [69, 70].

Međutim, naše razumijevanje puferiranja mCa2+ u neuronima ograničeno je i razvija se. Ca2+ ulazi u mitohondrijski matriks kroz mitohondrijski kalcijev uniporter kanal (mtCU) [71, 72] i istiskuje se preko mitohondrijskog Na+/Ca2+ izmjenjivača (NCLX) [73, 74].

Bilo kakva disfunkcija u razmjeni mCa2+ ili kapacitetu puferiranja matriksa može dovesti do oštećenja mitohondrijske homeostaze Ca2+ što rezultira preopterećenjem mCa2+, oksidativnim stresom, metaboličkom disfunkcijom i staničnim odumiranjem koje može uzrokovati ili prethoditi AD-u patologija [75-78].

Mi i drugi izvijestili smo da je mitohondrijska i metabolička disfunkcija primarni čimbenik u patogenezi AD, s disfunkcijom koja se može uočiti prije pojave A agregata i NFT-ova [18, 77, 79, 80].

Pronašli smo promjene u ekspresiji gena za rukovanje mCa2+ u uzorcima izoliranim iz mozgova pacijenata sa SAD-om post-mortem i u trostrukom transgenom mišjem modelu AD-a (3xTg-AD) prije vidljive AD patologije [77].

Naša opažanja sugeriraju da preopterećenje mCa2+ uzrokovano remodeliranjem strojeva za izmjenu mCa2+ ovisnim o dobi doprinosi napredovanju AD promicanjem metaboličke i mitohondrijske disfunkcije.

Također smo pronašli smanjenje OxPhoscapacity u APPswe staničnih linija (K670N, M671L švedska mutacija), pružajući daljnje dokaze o poremećenom metabolizmu mitohondrija u AD [77].

Važno je da je genetsko spašavanje kapaciteta efluksa neurona mCa2+ putem ekspresije NCLX u 3xTg-AD miševa bilo dovoljno za blokiranje patologije slične AD-u ovisne o dobi [77].

Korištenjem kvantitativnih komparativnih proteomskih strategija u AD miševa, druge su skupine izvijestile o značajnim promjenama u mitohondrijskom proteomu, uključujući ciklus limunske kiseline, OxPhos, metabolizam piruvata, glikolizu, oksidativni stres, transport iona, apoptozu i sintezu mitohondrijskih proteina puno prije početka fenotipa AD [79]. –81].

Daljnji dokaz disregulacije mCa2+ je iz metabolomike u A-transgenskom modelu C. elegans (GRU102), pri čemu su autori pokazali smanjenje protoka ciklusa TCA prije pojave značajnog taloženja A, s najvećim smanjenjem uočenim u aktivnosti -KGDH .

Obaranje -KGDH u kontrolnim crvima izazvalo je smanjenje i bazalne i maksimalne respiracije poput one opažene u AD modelu crva [18].

Ova zapažanja sugeriraju da je samo smanjena aktivnost -KGDH dovoljna za rekapitulaciju metaboličkih deficita uočenih kod AD i u skladu je sa studijom Yaoa i sur. [46]. pri čemu je utvrđeno da 3-mjesečni miševi 3xTg-AD imaju smanjeno mitohondrijsko disanje i PDH aktivnost, zajedno s povećanom generacijom ROS [46]. Sve u svemu, ovi podaci pokazuju da je disregulacija mCa2+ vjerojatno rani događaj u AD.

Mitohondriji su vrlo dinamični i pokazuju metabolizam specifičan za vrstu stanice u mozgu [37, 82]. Aksonalni mitohondriji izgledaju mali i rijetki, dok su dendritični mitohondriji izduženi i gušće zbijeni [82].

Kako bi se osigurala odgovarajuća opskrba energijom, posebno u distalnim područjima aksona, mitohondriji moraju biti pravilno postavljeni. Doista, mitohondriji prolaze kroz dvosmjerni aksonski transport uključujući anterogradni transport (od tijela stanice do aksona) i retrogradni transport (od aksona do tijela stanice) [83, 84].

Aksonski transport posredovan je ATP-hidrolizirajućim motornim proteinima (kinezin-I za anterogradno i dinein za retrogradno) za pomicanje tereta duž staza mikrotubula[85] i čini se da su nedostaci u transportu prisutni prije očitih znakova AD [86, 87].

Defekti u anterogradnom transportu rezultiraju nedovoljnom opskrbom ATP-a u sinapsi, što rezultira sinaptičkim izgladnjivanjem i disfunkcijom, ranom patološkom značajkom AD [36].

Slično tome, neispravan retrogradni transport može dovesti do nakupljanja oštećenih mitohondrija, što može ugroziti mehanizme kontrole kvalitete mitohondrija, što je također zabilježeno da se događa kod AD [88].

Nedavno su podaci iz mišjeg modela APP-PS1 pokazali smanjenje gustoće neuronskih mitohondrija oko amiloidnih plakova, što ukazuje na poremećeni mitohondrijski transport i/ili kontrolu kvalitete kod AD [37].

Nadalje, nekoliko studija ukazuje da aksonski transport proteina povezanih s AD-om postaje neispravan rano u progresiji bolesti, što rezultira nakupljanjem toksičnog tereta koji može izazvati agregaciju proteina, oticanje aksona i neuronsku disfunkciju [36, 87].

Mehanizmi koji reguliraju aksonski transport nisu u potpunosti shvaćeni, ali neke studije sugeriraju da je posredovan interakcijom motornog proteina kinezina s mitohondrijalnim adaptorskim proteinima, Miro i Milton (poznatim kao obitelj prometnih kinezinskih proteina (TRAK)) [89].

Miro je GTPaza s dvije Ca2+ vezne EF-ručne domene koja je lokalizirana na vanjskoj mitohondrijskoj membrani (OMM) i ima ključnu ulogu u Ca2+-ovisnoj regulaciji mitohondrijskog transporta. Intrigantno, Miro1 također može služiti kao citoplazmatski Ca2+ senzor i može povećati unos mCa2+ putem interakcije s MCU-ovom N-terminalnom domenom [90, 91].

Pokazalo se da povećanje mCa2+ inhibira aksonski transport mitohondrija i blokiranje priljeva mCa2+ u mitohondrije izravnom inhibicijom MCU pojačava mitohondrijski promet u aksonima [90].

Dok višestruki molekularni mehanizmi vjerojatno pridonose patogenezi AD-a, podaci sugeriraju da je preopterećenje neuronalmCa2+ primarni posrednik progresije AD-a, uzrokujući poremećeni metabolizam mitohondrija i proizvodnju ATP-a, transport mitohondrija i povećano otvaranje prijelaznih pora mitohondrijske propusnosti (mPTP) (Slika 1). To zauzvrat rezultira gubitkom sinaptičke funkcije, taloženjem amiloida, patologijom tau i staničnim odumiranjem.

Parkinsonova bolest (PD)

PD je drugi najčešći NDD koji pogađa % stanovništva starijeg od 60 godina [92]. Klinički je karakterizirana motoričkom disfunkcijom kao što su tremor (nevoljno drhtanje), bradikinezija (usporenost pokreta), rigidnost (otpor kretanju) i akinezija, kao i nemotoričke smetnje kao što su depresija, anksioznost, umor i demencija.

Ovi simptomi su uzrokovani smanjenjem neurotransmitera dopamina zbog degeneracije dopaminergičkih neurona u pars compacta substantia nigra u srednjem mozgu i taloženjem intraneuronskih proteinskih inkluzija poznatih kao Lewyjeva tjelešca koja se uglavnom sastoje od -sinukleina [93]. Većina slučajeva PD-a je sporadična bez poznatog pojedinačnog uzroka.

Obiteljski PD povezan je s mutacijama u mnogim genima uključujući SNCA (-sinuklein) [94], PRKN (parkin) [95], PARK7 (DJ-1) [96], LRRK2 (leucinom bogata ponovljena kinaza 2) [97 ], i PINK1 (kinaza 1 inducirana fosfatazom i tenzinskim homologom (PTEN))[98].

Studije sugeriraju da su homozigotne mutacije u Parkinu najčešći uzrok juvenilne PD, ali njihova uloga u idiopatskoj PD nije jasna.

Mutacije u Parkinu nisu pouzdano povezane s patologijom Lewyjevih tjelešaca. Postmortem pregled pacijenata s Parkin mutacijama pokazuje klinički fenotip gubitka dopaminergičkih neurona i glioze, ali bez patologije Lewyjevih tjelešaca.

Međutim, ovo ostaje kontroverzno jer nekoliko izvješća o slučajevima pokazuje prisutnost Lewyjeve patologije u pacijenata s Parkinovim mutacijama. Potrebne su daljnje studije kako bi se definiralo jesu li patologija Parkinovih i Lewyjevih tjelešaca u linearnim stazama (pregled u [99]).

Terapija lijekovima za PB je ograničena i primarno je usmjerena na povećanje razine dopamina primjenom l-3,4-dihidroksifenilalanina (L-DOPA ili Levodopa), koji se metabolizira u dopamin nakon što prođe krvno-moždanu barijeru [100 , 101].

Međutim, ova je terapija učinkovita samo u ranim stadijima bolesti, pruža simptomatsko olakšanje s mnogim neželjenim nuspojavama i nedostatna je za blokiranje progresije PD [15, 102], što ukazuje na ključnu potrebu za novim, učinkovitim terapijama [103, 104] .

Iako točni mehanizmi patogeneze PD-a nisu jasni, predloženo je da mnogi mogući molekularni događaji pridonose ovom procesu. Mitohondrijska disfunkcija i oslabljena stanična bioenergetika pojavili su se kao vjerojatni mehanizmi koji pokreću patogenezu PD-a u nekoliko studija [105, 106]. Dopaminergički neuroni troše 20 puta više energije u usporedbi s drugim neuronima zbog svoje anatomske strukture (prostrani dugi i razgranati aksoni), većeg broja mjesta otpuštanja transmitera i njihove aktivnosti pokretanja ritma [107].

Visoka energetska potražnja dopaminergičkih neurona čini ih osjetljivijima na tomitohondrijsku disfunkciju i konačno na staničnu smrt u usporedbi s drugim neuronskim stanicama [108, 109]. Defekti mitohondrijske respiracije potkrijepljeni su nalazima smanjene upotrebe glukoze u bolesnika s PD-om [110], kao i smanjenom oksidacijom piruvata u fibroblastima dobivenim od pacijenata s PD-om [111], što ukazuje na smanjeni ulazak acetil-CoA u TCA ciklus. Prva studija koja je pokazala da defekti u mitohondrijskom disanju mogu biti uzrok PD-a pojavila se ranih 1980-ih. U ovoj studiji, eksperimentalna inhibicija kompleksa I (NADH-ubikinon reduktaza) ETC-a bila je dovoljna da izazove parkinsonizam[112, 113].

Ovo je dosljedno potkrijepljeno opažanjima dubokog smanjenja aktivnosti ETC-a, uglavnom kompleksa I, u supstanci nigra, trombocitima i skeletnim mišićima bolesnika s PD-om [114]. Nadalje, inhibitori kompleksa I, kao što je MPP+ (1-metil-4-fenilpiridinij), 6-hidroksidopamin, rotenon i anonacin izazivaju fenotipove slične PD-u, što sugerira da je mitohondrijska disfunkcija dovoljna za promicanje neuronske disfunkcije u PD [115–117].

Kompleks I ključna je ulazna točka za elektrone u dišni lanac i odgovoran je za 40% mitohondrijske proizvodnje ATP-a [118, 119]. Osim kompleksa I, smanjenje aktivnosti kompleksa II i III i faktora transkripcije mitohondrijske DNA (mtDNA), TFAM, također je zabilježeno u bolesnika s PD-om[120-122].

Smanjeni ETC kapacitet kod PD-a može uzrokovati značajno smanjenje ATP-a [123] što rezultira krizom stanične energije koja može utjecati na različite procese uključujući (1) protonske pumpe ovisne o ATP-u koje pokreću vezikularnu akumulaciju dopamina [124, 125]; (2) aksonski transport tereta [126]; (3) mitohondrijska dinamika (fuzija, fisija, promet, biogeneza i transport) [127, 128]; i (4) ATP-ovisni sustavi razgradnje proteina (npr. ubikvitin-proteasom i autofagija) [129, 130].

Osim toga, nedostatak kompleksa I i III u PD-u povezan je s povećanom proizvodnjom slobodnih radikala koji dodatno oštećuju funkciju mitohondrija, pokreću agregaciju proteina i kulminiraju smrću stanice [131-133].

Dopamin je vrlo nestabilan i sekvestrira unutar sinaptičkih vezikula preko ATP-ovisnog vezikularnog monoaminskog transportera.

Ako se ne odvoji, metabolizira ga monoaminooksidaza u toksični dopaminski metabolit 3,4 dihidroksifenilacetaldehid, koji pridonosi oksidativnom stresu, otvaranju mPT i smrti dopaminergičkih neurona [134].

Tijekom proteklih desetljeća, otkriveno je da mnoge genetske mutacije povezane s PD-om izazivaju promjene u mitohondrijskoj funkciji i metabolizmu, podupirući ideju da je mitohondrijska disfunkcija implicirana u gubitku neuronskih stanica povezanih s obiteljskom PD-om i obrnuto [98]. Mutant -sinuklein lokalizira se na unutarnjem mitohondrijska membrana [135] inhibira aktivnost kompleksa I i potiče oksidativni stres [136].

Interakcija -sinukleina s mitohondrijima može rezultirati oslobađanjem citokroma, povećanim razinama mCa2+, promjenama u morfologiji mitohondrija i smanjenjem disanja mitohondrija.

Međusobno djelovanje sinukleina i mitohondrija također može inhibirati autofagni klirens i povećati njegovu sklonost agregaciji (pregledano u [137]). Nedavna studija je pokazala da se oštećenje mitohondrija javlja kod formiranja Lewyjevih tjelešaca [138].

Nadalje, gubitak funkcionalnih mutacija u DJ-1 uzrokovao je oštećenje u OxPhosu i sklapanju kompleksa I što je rezultiralo smanjenom proizvodnjom ATP-a, oksidativnim stresom i povećanom glikolizom [139, 140].

Ova otkrića povećavaju mogućnost da je mitohondrijska disfunkcija uzročna u neadaptivnoj agregaciji proteina. Nadalje, Parkin, kao E3 ubikvitin ligaza, izravno je uključen u proteasomsku razgradnju proteinskih agregata.

Lokalizira tomitohondrije i sprječava otpuštanje citokroma c, oticanje mitohondrija i nakupljanje -sinukleina, što može zaštititi dopaminergičke neurone od mitohondrijske i neuronske disfunkcije [141-143].

Parkin i PINK1 potrebni su za kontrolu kvalitete mitohondrija [144, 145]; stoga se pretpostavlja da gubitak funkcije Parkin/PINK1 uzrokuje nakupljanje disfunkcionalnih mitohondrija koji oštećuju funkciju neurona.

Prethodni rad otkrio je da neuroni s nedostatkom PINK1 pokazuju smanjeni refluks mCa2+ ovisan o NCLX-u, što dovodi do preopterećenja matriksa Ca2+ i naknadnog otvaranja mPT, mitohondrijskog oksidativnog stresa, nižeg Δψm i smanjenog OxPhos [146].

Nadalje, fibroblasti dobiveni od pacijenata s PINK1 mutacijama također su pokazali oslabljen metabolizam mitohondrija, nizak Δψm i slabo disanje, što je bilo povezano sa smanjenom dostupnošću supstrata [147].

Osim toga, aktivacija NCLX putem fosforilacije serina 258 ovisne o protein kinazi A (PKA), navodnog regulatornog mjesta NCLX, povećava refluks mCa2+ i štiti neurone s nedostatkom PINK-1 od mitohondrijske disfunkcije i stanične smrti [148] .

Ova paradigma odgovara prethodnim izvješćima gdje je preopterećenje mCa2+ uzrokovano povećanim unosom mCa2+ (preko ERK1/2-ovisne regulacije MCU) uzrokovalo degeneraciju dendrita u obiteljskom modelu PD-a s kasnim početkom (mutacija u LeucineRich Repeat Kinase 2) [149] i izvješće o prekomjernoj ekspresiji MCU koja izaziva ekscitotoksičnu staničnu smrt [78].

U istoj liniji, inhibicija MCU je zaštitna u modelima PD-a zebrica [150, 151]. Ovi nalazi sugeriraju da preopterećenje mCa2+ doprinosi progresiji PD-a.

Ukratko, sve više dokaza podupire središnju ulogu oslabljene mitohondrijske funkcije i metabolizma u sporadičnom i obiteljskom PD-u, što rezultira oksidativnim stresom, ETC disfunkcijom, manjkavom kontrolom kvalitete mitohondrija, agregacijom proteina, progresivnom staničnom disfunkcijom i neurodegeneracijom.

Huntingtonova bolest (HD)

HD is an autosomal-dominant neurodegenerative disease resulting from an expansion of cytosine–adenine–guanine (CAG) repeats (>35 bp) unutar kodirajuće sekvence Huntingtin gena (HTT).

Mutantni huntingtin protein (mHtt) sklon je proteolitičkom cijepanju, pogrešnom savijanju i agregaciji. Klinički, HD je karakteriziran progresivnom motoričkom, kognitivnom i bihevioralnom disfunkcijom uglavnom zbog gubitka -aminomaslačne kiseline (GABAergičke) srednje trnastih neurona u striatumu [152].

Hipoteza o smanjenju energije kod HD-a prvi je put predložena ranih 1980-ih iz kliničkih promatranja, koja su otkrila nedostatke u korištenju glukoze u mozgu i gubitku tjelesne težine kod pacijenata s HD-om [153, 154].

Dosljedno, uvjerljivi dokazi iz PET studija upućuju na smanjenu iskorištenost glukoze u HD mozgovima [155, 156], što ukazuje na kvar u metabolizmu. Osim toga, u usporedbi s kontrolnom populacijom, presimptomatska HD djeca, bez izraženih simptoma, pokazala su niži indeks tjelesne mase što ukazuje na energetsku disregulaciju i poremećaje u anaboličkom rastu [157].

U bolesnika s HD-om, mnogi ključni enzimi TCA ciklusa, ETC pokazuju smanjenu ekspresiju, uključujući PDH, SDH, kompleks II, III i IV [158]. Osim toga, pacijenti s HD-om povećavaju proizvodnju laktata u predsimptomatskoj fazi HD-a, što ukazuje na moguće smanjenje inoksidativnog metabolizma mitohondrija i metabolički pomak s OxPhos-a na glikolizu [159-162].

Ireverzibilna inhibicija SDH kroničnom primjenom 3-nitropropionske kiseline kod glodavaca i primata izazvala je regionalne lezije u striatumu praćene patologijom sličnom HD [163-165].

Ovi rezultati sugeriraju da su nedostaci u ključnim enzimima TCA ciklusa dovoljni za pokretanje HD patologije.

Nadalje, liječenje HD modela miša s koenzimom Q i kreatinom za nadopunu energije rezultiralo je produljenom dugovječnošću i poboljšanom motoričkom funkcijom [166, 167], što sugerira da je poboljšanje mitohondrijske funkcije i stanične bioenergetike dostupan terapijski pristup liječenju HD-a.

For more information:1950477648nn@gmail.com