Ciljanje na protein S100B kao surogat biomarkera i njegova uloga u raznim neurološkim poremećajima 1. dio

Sažetak:

Neurološki poremećaji (ND) su komplikacije povezane sa središnjim živčanim sustavom (CNS) koje potječu od pojačanog oksidativnog stresa, zatajenja mitohondrija i prekomjerne ekspresije proteina poput S100B.

Starenjem stanovništva zdravstveni problemi starijih osoba postaju sve važniji. Među njima, zatajenje mitohondrija jedan je od zdravstvenih problema koji starije osobe jako zabrinjavaju. Zatajenje mitohondrija ne samo da utječe na fizičke funkcije, već može naštetiti i pamćenju.

Mitohondriji su organska tvar u stanicama, a njihova je funkcija pretvaranje energije iz hrane u iskoristivu kemijsku energiju za životne aktivnosti stanice. Otkazivanje mitohondrija dovest će do nedovoljne energije i lako dovesti do pada fizičkih funkcija, poput motoričkih sposobnosti, imuniteta i pamćenja.

Međutim, treba napomenuti da kvar mitohondrija ne mora nužno štetiti pamćenju. Tek kada je stupanj oštećenja mitohondrija ozbiljniji, to će utjecati na pamćenje? Različite vrste pamćenja bit će pogođene u različitim stupnjevima. Na primjer, prostorno pamćenje i pamćenje situacije bit će značajnije pogođeni.

Međutim, čak i pred negativnim utjecajem kvara mitohondrija na pamćenje, ne bismo se trebali obeshrabriti. Budući da se moderna medicinska tehnologija razvila u određenoj mjeri, može nam učinkovito pomoći u rješavanju problema mitohondrijskog zatajenja. Na primjer, pravilna prehrana i tjelovježba mogu ublažiti učinke zatajenja mitohondrija; a električna stimulacija i terapija lijekovima također su učinkoviti tretmani.

Stoga bismo trebali zadržati pozitivan stav, slijediti zdrav stil života, ostati zdravi i učinkovito prevenirati i nositi se sa zdravstvenim problemima uzrokovanim mitohondrijskim zatajenjem, kako bismo održali dobro pamćenje i kvalitetu života. 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 na način da poboljšate svoje pamćenje

S100B je helix-loop-helix protein s domenom za vezanje kalcija povezanom s različitim neurološkim poremećajima putem aktivacije MAPK puta i povećane ekspresije NF-kB što rezultira preživljavanjem stanica, proliferacijom i regulacijom gena.

Protein S100B igra ključnu ulogu u Alzheimerovoj bolesti, Parkinsonovoj bolesti, multiploj sklerozi, shizofreniji i epilepsiji jer visoka ekspresija ovog proteina izravno cilja na astrocite i potiče neuroupalu. Pod stresnim uvjetima, S100B proizvodi toksične učinke posredovane preko receptora za vezanje naprednih krajnjih proizvoda glikacije (AGE).

S100B također posreduje u neuroprotekciji, minimizira mikrogliozu i smanjuje ekspresiju faktora nekroze tumora (TNF-alfa), ali to su mehanizmi ovisni o koncentraciji. Povećana razina S100B korisna je za procjenu otpuštanja upalnih markera, dušikovog oksida i gubitka neurona ovisnog o ekscitotoksičnosti.

Ovaj pregled sažima ulogu S100B u različitim neurološkim poremećajima i potencijalne terapijske mjere za smanjenje prevalencije neuroloških poremećaja.

Ključne riječi: S100B, neurološki poremećaji, astrociti, upalni citokini, mikroglioza, faktor nekroze tumora.

1. UVOD

Neurodegenerativne poremećaje karakterizira selektivna disfunkcija i postupni gubitak neuronskih populacija povezanih s patološki promijenjenim proteinom koji se uglavnom taloži u mozgu i leđnoj moždini [1].

Taloženje izvanstaničnih i unutarstaničnih proteinskih fibrila, oksidativni stres i disfunkcija mitohondrija ključne su patološke značajke mnogih različitih neuroloških poremećaja.

Oksidativni stres je indiciran prekomjernom proizvodnjom reaktivnih kisikovih vrsta (ROS) koje mogu uzrokovati mutacije mitohondrijske DNA, uništiti dišni lanac, promijeniti propusnost membrane i utjecati na homeostazu kalcija i mitohondrijske zaštitne sustave [2].

Tijekom normalnih fizioloških uvjeta, 1-5% O2 transformira se u ROS, stoga većina procjena sugerira da se većina unutarstaničnih ROS proizvodi iz mitohondrija.

Mitohondrijski superoksidni radikali nastaju prvenstveno u lancu prijenosa elektrona (ETC), točnije u kompleksu I i II. Kompleks III glavno je mjesto proizvodnje ROS-a u normalnim metaboličkim uvjetima, a zbog toga slobodni radikali mogu izravno napasti dišni lanac mitohondrija [3]. Kada slobodni radikali napadnu mitohondrijsku DNA, mogu pojačati oksidativni stres smanjenjem ekspresije kritičnih proteina koji su važni za prijenos elektrona; to rezultira začaranim krugom ROS-a i disregulacije organa koji u konačnici pokreće apoptozu [4].

Nadalje, ETC je posebno sklon oštećenjima posredovanim i NO i ONOO. Oksidacija i nitracija proteina u ETC rezultira promijenjenom funkcijom mnogih metaboličkih enzima [5]. Kronična izloženost ROS-u može rezultirati oksidativnim oštećenjem mitohondrijskih i različitih staničnih proteina, nukleinskih kiselina i lipida, a akutna izloženost ROS-u može inaktivirati komplekse I, II i III, što dovodi do prekida proizvodnje mitohondrijske energije što dovodi do smrti neurona [6]. ].

Dušikov oksid (NO) ključni je sekundarni stanični transporter koji u nanomolarnoj koncentraciji inhibira aktivnost enzima citokromoksidaze (kompleks IV), oštećuje metabolizam mitohondrija i pridonosi stvaranju slobodnih radikala.

NO reagira s tim negativno nabijenim anionskim česticama i stvara peroksinitrit, koji je štetniji citotoksični agens od NO i posrednik je oštećenja vaskularnog tkiva i uzrokuje smrt neurona. Proteklih desetljeća te su slobodno nabijene čestice bile usko povezane s neurološkim poremećajima poput Alzheimerove bolesti (AD) [7].

Oko 90%-95% ukupne proizvodnje adenozin trifosfata (ATP) među aerobnim stanicama treba kisik. Sinteza ATP-a preko respiratornog lanca mitohondrija rezultat je transporta elektrona preko ETC spajanja oksidativne fosforilacije melatonina, mitohondrija i stanične bioenergetike [8].

Proizvedene superoksidne ione neutraliziraju intra-mitohondrijski redoks sustavi koji se odupiru oksidativnom oštećenju i poboljšavaju proizvodnju ATP-a. Oštećeni mitohondriji starenjem i neurodegenerativne bolesti nisu u stanju zadovoljiti potrebne potrebe za energijom i u konačnici uzrokuju smrt neuronskih stanica.

Velika količina NO koja se oslobađa iz glija stanica kroz ekspresiju iNOS nakon njihove stimulacije je neurotoksična jer izaziva oksidativni stres, ekscitotoksičnost i mitohondrijsku disfunkciju [9].

U jednoj od prijavljenih studija, kada su mitohondriji mozga starih štakora uspoređeni s onima mladih štakora, pronađeno je značajno endogeno smanjena aktivnost antioksidansa i superoksid dismutaze, zbog prekomjernog oksidativnog oštećenja proteina i lipida i nižih aktivnosti mitohondrijskog kompleksa I, IV i V .

NO je višeciljani inhibitor mitohondrijske oksidativne fosforilacije i izraženije inhibira kompleks I i II [10]. Protein S100B pripada mutagenoj obitelji s 25 članova (poput kalmodulina/parvalbumina/troponina C) i nazvan je zbog svoje topljivosti u 100% zasićena otopina amonijevog sulfata na neutralnom pH.

Prvi član ove obitelji bila je nefrakcionirana mješavina dva proteina S100A1 i S100B [11-13]. Strukturno, protein S100B sastoji se od dva alfa spirala-petlja-heliks proteina koji vežu kalcij koji su uključeni u formiranje citoskeleta i staničnu proliferaciju [14].

Ostali članovi proteina S100B poput S100A1 i S100A8 pomažu u kontroli višestaničnih funkcija kao što su komunikacija između stanica, rast stanica i kontrakcija srčanog mišića pomoću kaskade otpuštanja kalcija izazvane kalcijem (CICR) [15]. Intracelularno signaliziranje ovih proteina pokreću izvanstanični podražaji putem interakcije s različitim staničnim proteinima poznatim kao ciljni proteini [16].

Postojani receptor za aktivaciju krajnjeg produkta napredne glikacije (RAGE) pomoću S100B u mikromolarnoj koncentraciji proizvodi kisikove radikale u velikim količinama koji dovode do mitohondrijske disfunkcije i apoptoze. Štoviše, navedena je koncentracija za pojačanu regulaciju iNOS-a kako bi inducirala otpuštanje NO i smrt neurona i glije ovisne o NO, olakšavajući smrt neurona posredovanu glutamatom, pojačanu ekspresiju COX-II u mikrogliji, povećanje proizvodnje ROS u neuronima i zaustavljanje staničnog ciklusa [17].

U štakora, iNOS je stimuliran sa S100B prvenstveno u kortikalnim astrocitima putem puta prijenosa signala koji uključuje aktivaciju transkripcijskog faktora NF-kB. Aktivacija NF-kB potvrđena je translokacijom podjedinice p65 NF-kB i stimulacijom transkripcijske aktivnosti NF-kB [18]. Nadalje, oksidacijski stres zbog proizvodnje ROS-a izaziva mutacije mitohondrijske DNA, disfunkciju dišnog sustava mitohondrija, promjene propusnosti membrane te utječe na ravnotežu kalcija i obrambeni sustav mitohondrija.

Sve navedene promjene dovode do razvoja neurodegenerativnih bolesti, kao što su AD, PD i ALS [5]. Znanstvenici su izvijestili da protein S100B kontrolira aktivaciju Glialnog fibrilarnog kiselog proteina (GFAP), polimerizaciju tubulina i popravak DNA [19] .

GFAP je karakterističan protein intermedijarnog filamenta (IF) u astrocitima koji su vrsta makroglijalnih stanica u CNS-u koje kontroliraju homeostazu mozga u zdravom i bolesnom stanju. Pretpostavlja se da su astrociti reaktivni fenotip u akutnoj CNS traumi, ishemiji i neurodegenerativnim poremećajima. Ovi astrociti aktiviraju staničnu zaštitu koja inducira kemotaksiju, oslobađanje proupalnih citokina putem NF-k i p38MAPK signalizacije [20].

Brandt i sur. u 2017. pokazao je da je disfunkcija mikrotubula povezana s nekim od degenerativnih događaja kao što je sinaptičko oštećenje povezano s gubitkom bodlji dendrita, pojednostavljenje dendrita koje je povezano s razmjerom stabilnosti mikrotubula i staničnom smrću koja predstavlja korisnu metu za sprječavanje nekoliko procesa degeneracije u AD [21 ].

Tau protein povezan s mikrotubulima igra važnu ulogu u stabilizaciji sklopa mikrotubula i stanične morfologije. U AD-u se hiperfosforilirani tau proteini agregiraju u uparene spiralne filamente i nakupljaju u neuronima uz stvaranje neurofibrilarnih čvorova. Svaka neravnoteža u regulaciji proteina S100B, kinaza i proteinskih fosfataza izravni je uzrok tau hiperfosforilacije [22]. Dakle, inhibitor proteina S100B ili njegova smanjena regulacija mogu biti korisni za sprječavanje tauopatije kod AD.

Otpuštanje proteina S100B u tijelu kontrolira metabolički stres poput hipoksije ili nedostatka glukoze tijekom razvojne faze astrocita. Oslobađanje je stimulirano kao odgovor na vanjske podražaje kao što su 5HT, glutamat, proupalni citokini (IL-1 beta i TNF-alfa), -amiloidni peptidi, lizofosfatidna kiselina, prirodni biljni antioksidansi (epikatehin i resveratrol) i povećanjem koncentracija kalcija [23].

U PD-u, povećanje ekspresije kaspaze-3 i aktivacija iNOS-a rezultira smrću dopaminergičke stanice i proizvodnjom apoptotičkih tijela [24, 25]. Slično tome, dušikov oksid koji oslobađa S100B uzrokuje apoptotičku smrt astrocita [26].

Tijekom bolesti, S100B, alfa-beta, AGEs i RAGE ligandi poput TRR, HMGB1, S100A6, S100A8/A9 i S100A12 počinju se nakupljati u neuronskim stanicama, prevladavajući u dopaminergičkim stanicama.

Izlučivanje S100B i kronična aktivacija RAGE povezana s neuropatološkim markerima poput aktivacije mikroglije ROS, formiranje NFT, degeneracija neurita i neuronska apoptoza dovode do kognitivnog oštećenja [27].

U shizofreniji, naknadno otpuštanje S100B iz glijalnih stanica, NK stanica i CD8+ limfocita povećava razinu citokina i predloženi je marker disfunkcioniranja glijalnih stanica. Nadalje, S100B također pokazuje svojstva slična sadipokinu i može postati neuravnotežen u shizofreniji zbog poremećene inzulinske signalizacije koja također oslobađa slobodne masne kiseline iz masnog tkiva [28].

Na ekspresiju S100B utječe starenje. U dostupnoj literaturi, istraživač je pronašao promjene ekspresije S100 povezane sa starošću kod različitih vrsta.

Neki autori sugeriraju povećanje ekspresije S100 u moždanoj kori i hipokampusu aktiviranjem astrocita s godinama [29]. Post mortem studija je pokazala da se broj S100B-pozitivnih stanica i tkiva koje se sastoji od S100B mRNA i S100B proteina povećava s odmakom u dobi. U slučaju prekomjerne ekspresije S100, protein pojačava proizvodnju proupalnih citokina, što ima štetan učinak i doprinosi apoptozi neurona i glija stanica [30].

Osim toga, hipokampus je posebno osjetljiv na starenje, što može pridonijeti poremećaju prostornog učenja, dok druge regije mozga, poput PAG-a, mogu pravilno funkcionirati. Ovi su neurološki poremećaji vjerojatno izazvani procesima ovisnim o Ca2+-, koji utječu na dugotrajnu depresiju (LTD) i dugotrajnu potencijaciju (LTP) [31].

U pacijenata s AD-om, uočena je prisutnost visoko reaktivnih astrocita koji okružuju neuritične plakove u temporalnom režnju. Ovaj protein također je imao povećanu reaktivnost kod pacijenata s Downovim sindromom[32]. U korteksu i hipokampusu u dijelovima mozga uočene su promjene ekspresije S100 vezane uz dob i spol.

Istraživanja su pokazala da je kod ženki štakora na početku faze mirovanja regularnog procesa uočena maksimalna ekspresija S100, dok je u mužjaka uočena na početku faze motoričke aktivnosti [33].

Stariji štakori imaju povećanu ekspresiju proteina u usporedbi s mladim štakorima. Štoviše, uočene su značajne razlike u S100 unutar razlika u regiji mozga kod štakora. Neki izvještaji su otkrili da SAMP miševi imaju povećan S100B u hipokampusu i cerebralnom korteksu u usporedbi s kontrolnim miševima [34]. Zaključak dostupnih podataka objasnio je da na ekspresiju S100B utječe starenje.

Osim S100B, drugi proteini koji vežu kalcij (CaBPs) članovi obitelji EF-ruke su parvalbumin, kalretinin i kalbindin, čije su funkcije u neuronima nepoznate. Ali ovi proteini imaju veliki interes za neuroanatomiju i neuropatologiju jer se pokazalo da imunocitokemija za parvalbumin, kalretinin i kalbindin pomaže karakterizirati kemijski i morfološki sub-populacije neurona u živčanom sustavu [35].

Različita izvješća objašnjavaju da su CaBP uključeni u brojne aktivnosti, uključujući staničnu signalizaciju, unos i transport kalcija, pokretljivost stanica i unutarstanično prihvaćanje. Nedavni eksperimenti su pokazali da su unutarstanični CaBP važni metodi u središnjem i perifernom živčanom sustavu za istraživanje tipologije neurona [36].

Ovi proteini sadrže različite EF-hand domene u kojima parvalbumin sadrži 3 domene, a kalretinin i kalbindin oba sadrže 6 domena s vezanjem 3, 5 odnosno 4 iona kalcija [37].

Sva tri ova CaBP-a imaju jaku sposobnost vezanja kalcija, iako se čini da njihova kinetika varira, na primjer, kinetika sporog vezanja zabilježena je u stanjima parvalbumina. Zabilježene su različite neuronske subpopulacije koje izražavaju ove CaBP.

Uglavnom, imunoreaktivne stanice ovih proteina su glatki nepiramidalni interneuroni i sudjeluju u različitim višestrukim kortikalnim krugovima koji mogu varirati ovisno o kortikalnom području, vrsti ili sloju u kojem se nalaze [38]. U neokortikalnim interneuronima, inhibitorni neurotransmiter GABA je lokaliziran zajedno s ova tri CaBP zajedno sa sintazom dušikovog oksida i neuropeptidima[39].

Među GABAergičkim interneuronima su parvalbumin ekspresiran hipokampalnim stanicama i stanicama korteksa, Purkinjeovim stanicama malog mozga, kalbindin eksprimiranim Purkinjeovim stanicama cerebelara, subpopulacijom hipokampusa [35, 40] i vanjskim CA1 piramidalnim neuronima [41], također kortikalne populacije. Tekalretinin je u početku pronađen u retini, interneuronima korteksa [42], a također i u hipokampusu zajedno sa granulocelijama u malom mozgu [33].

Uočeno je da neuroni koji izražavaju specifične CaBP mogu biti osjetljiviji na neurodegeneraciju. Učinak ekspresije CaBP na neuronalnu osjetljivost uvelike ovisi o bolesti ili eksperimentalnom modelu bolesti, gdje ozbiljnost ozljede mozga, kao i specifični put povećanja kalcija, mogu igrati važnu ulogu [35, 43].

Postoje i mnogi drugi čimbenici uključeni u procjenu osjetljivosti različitih neurona na degeneraciju, uključujući njihovu komunikaciju u krugu, trofičku potpornu mrežu, relativne sinaptičke ulaze u ekstrasinaptičke NMDA receptore, kao i njihove energetske potrebe [40].

Visoka ekspresija CaBP-a povezana je s visokim stopama priljeva kalcija i intracelularnim otpuštanjem. Ti bi isti neuroni također mogli biti izloženi najvećem riziku od degeneracije zbog zahtjeva za visokom energijom.

Nadalje, razumijevanje čimbenika koji reguliraju ekspresiju CaBP i kako neuroni to reguliraju u patofiziološkim uvjetima moglo bi omogućiti razvoj neuroprotektivnih strategija[40].

For more information:1950477648nn@gmail.com