Dijagnostički potencijal amiloidogenih proteina 1. dio

Sažetak:

Neurodegenerativni poremećaji vrlo su raširena klasa bolesti, čiji patološki mehanizmi počinju prije pojave bilo kakvih jasnih simptoma. Ova je činjenica potaknula znanstvenike na potragu za biomarkerima koji bi mogli pomoći u ranom liječenju.

Ove trenutno neizlječive patologije dijele prisutnost aberantnih nakupina zvanih amiloidi u živčanom sustavu, koji se sastoje od specifičnih proteina.

U ovom pregledu raspravljamo o tome kako se ti proteini, njihove konformacije i modifikacije mogu iskoristiti kao biomarkeri u dijagnostičke svrhe.

Proteini su jedna od važnih tvari za očuvanje zdravlja, a imaju i važan utjecaj na pamćenje. Protein se sastoji od aminokiselina koje su sirovina za moždane stanice i neurotransmitere. Stoga je unos proteina usko povezan s pamćenjem.

Prije svega, protein je bitna tvar za tijelo u izgradnji i obnavljanju tkiva. Moždane stanice su bogate enzimima i regulacijskim tvarima, koje za normalno funkcioniranje zahtijevaju proteine ​​kao sastavni dio. Prenizak sadržaj proteina u tijelu uzrokovat će nenormalno funkcioniranje moždanih stanica, što će utjecati na pamćenje. Stoga održavanje odgovarajućeg unosa proteina igra važnu ulogu u razvoju mozga i održavanju pamćenja.

Drugo, protein ima učinak pojačavanja aktivnosti moždanih stanica. Ljudsko tijelo treba veliku količinu moždanih neurotransmitera za održavanje normalnog rada funkcija kao što su razmišljanje, pamćenje i ponašanje. Moždani neurotransmiteri se sintetiziraju iz aminokiselina u tijelu, a izvor tih aminokiselina su proteini. Stoga odabir hrane bogate visokokvalitetnim proteinima može povećati sintezu moždanih neurotransmitera, čime se poboljšava aktivnost moždanih stanica i pomaže u poboljšanju pamćenja.

Osim toga, proteini također pomažu u održavanju stabilnosti tijela i sprječavaju fluktuacije šećera u krvi. Niska razina šećera u krvi može uzrokovati simptome kao što su nepažnja, vrtoglavica i umor u tijelu, koji često utječu na performanse pamćenja. Održavanjem umjerenog unosa proteina mogu se učinkovito izbjeći oscilacije šećera u krvi, što pomaže u održavanju stabilnosti organizma i poboljšanju pamćenja.

Ukratko, protein je usko povezan s pamćenjem. Umjerenim unosom proteina može se održati stabilnost organizma, pospješiti aktivnost moždanih stanica, a time i poboljšati pamćenje. Trebamo pokušati jesti više kvalitetne hrane bogate proteinima, kao što su riba, meso, grah i mliječni proizvodi, te izbjegavati potpuno uklanjanje proteina iz prehrane. To će nam pomoći da ostanemo zdravi, poboljšamo pamćenje i uživamo u boljem životu. Vidi se da moramo poboljšati pamćenje, a Cistanche može značajno poboljšati pamćenje jer je Cistanche tradicionalni kineski lijek s brojnim jedinstvenim učincima, a jedan od njih je i poboljšanje pamćenja. Djelotvornost Cistanche dolazi od raznih aktivnih sastojaka koje sadrži, uključujući taninsku kiselinu, polisaharide, flavonoidne glikozide itd., koji mogu na mnogo načina promicati zdravlje mozga.

Kliknite na 10 načina za poboljšanje pamćenja

Usredotočeni smo na proteine ​​koji su povezani s najčešćim neurodegenerativnim poremećajima, uključujući Alzheimerovu i Parkinsonovu bolest, amiotrofičnu lateralnu sklerozu i frontotemporalnu demenciju.

Također opisujemo trenutne izazove u otkrivanju, najnovije tehnike s dijagnostičkim potencijalom i mogući budući razvoj u dijagnostici.

Ključne riječi: neurodegenerativne bolesti; biomarker; amiloid; oligomer; posttranslacijska modifikacija.

1. Potreba za novim dijagnostičkim pristupima za neurodegeneraciju

Neurodegenerativne bolesti su smrtonosni i neizlječivi poremećaji, karakterizirani progresivnim gubitkom neurona u određenim regijama živčanog sustava. Oni su vrlo heterogena skupina patologija, koja uključuje Alzheimerovu bolest (AD), Parkinsonovu bolest (PD), frontotemporalnu demenciju (FTD) i amiotrofičnu lateralnu sklerozu (ALS).

Trenutno u svijetu više od 50 milijuna ljudi pati od različitih oblika neurodegeneracije [1]. Klinički tijek neurodegenerativnih bolesti obično traje nekoliko godina i dovodi do progresivnih nedostataka u pamćenju, kogniciji i kretanju u različitoj mjeri, ovisno o specifičnoj patologiji [2] . Postojeći lijekovi usmjereni su na ublažavanje ovih simptoma [3].

Nadalje, neuropsihološka procjena još uvijek se smatra ključnom u dijagnostici neurodegeneracije povezane s demencijom [4]. Međutim, ključni molekularni mehanizmi bolesti javljaju se prije pojave bilo kakvih značajnih simptoma.

Razvoj točnih dijagnostičkih pristupa omogućio bi pravodobne terapijske intervencije za obnovu fiziologije neurona prije nego što dođe do nepovratnog oštećenja.

To bi također promicalo uspostavu novih terapija i revalorizaciju postojećih koje bi mogle biti učinkovitije ako se primjenjuju u ranijim fazama. Unatoč hitnoj potrebi za dijagnostičkim pristupima za neurodegeneraciju, njihov razvoj je još uvijek veliki izazov, zbog ograničene dostupnosti mozga za fizički pregled i složenosti kliničkih testova temeljenih na kognitivnim sposobnostima [2].

Nedavni tehnološki napredak omogućio je karakterizaciju novih puteva, biomolekula i struktura u živčanom sustavu i drugim dijelovima tijela koji bi se mogli koristiti kao markeri bolesti neurodegeneracije [5,6].

Iako različite neurodegenerativne bolesti imaju neke različite fenotipove, one također dijele neke ključne molekularne značajke. Konkretno, u mnogim od ovih poremećaja, specifični proteini i peptidi, koji bi inače bili topivi, prolaze kroz proces samosastavljanja koji dovodi do stvaranja velikih fibrilarnih nakupina, zvanih amiloidi [7,8].

Ovaj proces također uključuje stvaranje manjih oligomernih intermedijera, koji su vrlo toksični i trenutno se smatraju glavnim igračima u mehanizmima bolesti [8]. Agregacija amiloida također je povezana s drugim procesima agregacije, kao što je stvaranje kondenzata [9]. Međutim, to neće biti fokus ovog pregleda.

Ovdje opisujemo neke od najpoznatijih amiloidogenih proteina i njihovu dijagnostičku važnost.

Fokusiramo se na amiloid-beta (A) i tau za AD, -sinuklein (-syn) za PD, spojen u sarkomu (FUS), i TAR DNA-vezujući protein 43 (TDP-43) za ALS i FTD. Također raspravljamo o vrhunskom napretku u pristupima detekcije za praćenje agregacije ovih proteina.

2. Amiloidna agregacija kao potencijalni izvor biomarkera

Amiloidi su netopljivi fibrilarni agregati obogaćeni unakrsnom strukturom, a njihov nastanak opsežno je karakteriziran in vitro [7,8].

Amiloidna agregacija sastoji se od složene mreže događaja nukleacije. U početku, topljivi monomerni proteini međusobno djeluju i tvore oligomere primarnom nukleacijom. Primarna nukleacija također može biti potaknuta prisutnošću drugih biomolekula, kao što su drugi proteini [10], nukleinske kiseline [11,12,] i membrane [13].

Oligomeri se zatim pretvaraju u agregate višeg reda i, konačno, u amiloidne fibrile. Nakon što se formira kritična koncentracija fibrila, površina tih fibrila katalizira stvaranje dodatnih oligomera sekundarnom nukleacijom [7,8]. Fibrile se također mogu izdužiti dodatkom monomera na svojim krajevima i podvrgnuti se fragmentaciji [7,8]. Amiloidne fibrile su izuzetno stabilne vrste proteina zbog svog bogatog sadržaja poprečnih slojeva [8,14-16].

Naprotiv, oligomeri se brzo pretvaraju u amiloidne agregate višeg reda (Slika 1). Prolazna priroda oligomera čini ih teškim za izolaciju i karakterizaciju na strukturnoj razini.

Tek nedavno, zahvaljujući novim pristupima kao što su fluorescencija jedne molekule i elektronska mikroskopija [14,17,18], pokazano je da su oligomeri vrlo heterogeni u svojim fizikalno-kemijskim svojstvima i strukturama, s različitim sadržajem sekundarne strukture [16,19,20] .

Oligomeri su toksični zbog mnoštva mehanizama uključujući nenormalne hidrofobne interakcije. Pokazalo se da u tkivu i izoliranim stanicama oligomeri mogu utjecati na propusnost membrane i homeostazu iona te izazvati oksidativni stres [16,21-23].

Slobodni radikali izazvani oligomerima mogu zatim potaknuti pogrešno savijanje proteina, disfunkciju mitohondrija i na kraju apoptozu [24]. Oligomeri A i -syn također su povezani s neuroinflamacijom [22] i gubitkom sinapse [25,26].

Nekoliko čimbenika može utjecati na stvaranje amiloidnih fibrila i oligomera. To uključuje genetske mutacije, stanični stres i prisutnost ili odsutnost specifičnih biomolekula.

Nadalje, amiloidi su opsežno post-translacijski modificirani in vivo [27-29], a post-translacijske modifikacije (PTM) značajno mijenjaju formiranje i toksičnost amiloidnih fibrila in vitro [27-31].

3. Amiloidogeni proteini uključeni u neurodegeneraciju

U kontekstu neurodegeneracije, markeri bolesti mogu se podijeliti na neuropsihološke, neuroimaging, genetske i biokemijske markere [2]. Konkretno, biokemijski markeri (ili biomarkeri) su mjerljive molekule u našem tijelu (npr. proteini, nukleinske kiseline, metaboliti), koje izvješćuju o stadiju bolesti [32].

Amiloidogeni proteini su obećavajući biomarkeri, budući da daju informacije o biokemijskom profilu disfunkcije živčanog sustava [2]. U nastavku ističemo relevantne amiloidogene proteine ​​i njihove patološke modifikacije koje mogu poslužiti kao biomarkeri za neurodegenerativna stanja.

3.1. A i Tau u AD

AD je najčešći oblik demencije. Karakteristične lezije u AD mozgu su izvanstanični senilni plakovi sastavljeni od amiloidnih nakupina A i intracelularnih neurofibrilarnih čvorova (NFT) formiranih od uparenih spiralnih amiloidnih filamenata (PHF) hiperfosforiliranog tau (p-tau) proteina [2,27].

A je kratki peptid nastao cijepanjem većeg transmembranskog prekursora, nazvanog amiloidni prekursorski protein (APP), sekvencijalnim cijepanjem - i -sekretaza i otpušten u izvanstanični prostor [2,33].

Ovaj proces može generirati izoforme A različitih duljina (Tablica 1), koje imaju različite stupnjeve toksičnosti u kontekstu AD [34]. Najčešći A izoformi su 40- i 42-ostatak longona, koji se općenito nazivaju A 40 odnosno A 42. A 40 je najzastupljenija varijanta u plakovima (~80% do 90%), a prisutna je i u mozgu zdravih ljudi.

A 42 ima mnogo veću sklonost agregaciji, a povećanje omjera A 42/A 40 povezuje se s AD-om i drugim oblicima demencije [30,34] (Tablica 2). Osim cijepanja, genetske mutacije (A692G, E693Q u APP genu [35,36], Tablica 2) i mnogi drugi PTM-ovi A povezani su s AD-om, uključujući oksidaciju, fosforilaciju, glikozilaciju i izomerizaciju [30].

Studije pokazuju pojavu acetilacije (npr. Lys16 i Lys28), fosforilacije (npr. Ser8 i Ser26), nitracije (npr. Tyr10), piroglutamata (npr. Glu3 i Glu11), izomerizacije (npr. Asp1 i Asp7) i racemizacije (npr. , Asp1, Asp23 iSer26) u kontekstu bolesti [30,37–39] (Tablica 1).

Vrijedno je napomenuti da kognitivni pad više korelira s topivim intermedijernim oblicima A nego sa stupnjem amiloidnih naslaga [16]. Tau je glavni protein povezan s mikrotubulima koji stabilizira mikrotubule u neuronima [2,40]. U ljudskom mozgu, tau postoji kao šest različitih izoformi koje nose ili tri ili četiri ponavljanja vezanja mikrotubula (R). Te se izoforme nazivaju 3R odnosno 4R.

Utvrđeno je da je prisutnost bilo 3R ili 4R ili oba 3R i 4R amiloida specifična za bolest. Na primjer, kod AD, ALS, FT, D i Parkinsonizma prisutni su i 3R i 4R amiloidi, dok su kod kortikobazalnih degeneracija i Pickove bolesti pronađeni samo 4R i 3R amiloidi [41,42]. Tau prolazi kroz PTM, osobito fosforilaciju [40].

Patološka hiperfosforilacija smanjuje afinitet tau za mikrotubule i uzrokuje njihovo odvajanje od mikrotubula, što rezultira stvaranjem PHF i NFT [2].

Do danas je identificirano 85 potencijalnih mjesta fosforilacije tau [40]. Nadalje, molekularne i stanične studije otkrile su da acetilacija (npr. Lys174, Lys274 i Lys280), oksidacija (npr. Cys322), nitracija (npr. Tyr29), glikacija (npr. Lys87, Lys132 i Lys150), skraćivanje (npr. na Asp13 i Asp421 i Glu391) i ubikvitinacija (npr. Lys48 i Lys63) također utječu na tau agregaciju [27] (Tablica 1).

3.2. -Sin u PD

Za razliku od AD, PD prvenstveno utječe na motorički sustav, uzrokujući drhtanje, rigiditet, bradikineziju i posturalnu nestabilnost [2]. Patološko obilježje PD-a je pojava citoplazmatskih amiloidnih inkluzija, poznatih kao Lewyjeva tjelešca (LB) i Lewyjevi neuriti (LN). LB i LN se sastoje od amiloidnih agregata, čija je glavna komponenta -syn [43].

-Syn sadrži 140 ostataka s pozitivno nabijenom N-terminalnom regijom, središnjom regijom neamiloidne komponente (NAC) sklonom agregaciji, n,n, i negativno nabijenom C-terminalnom regijom [44,45].

Duplikacije ili triplikacije na -syn kromosomskoj regiji (4q21-23) i mutacije uključujući A53T, G51D, H50Q, E46K i A30P u -syn sekvenci, područja povezana s ranim početkom PD-a [46-48] (Tablica 2 ). -Syn pripada obitelji proteina koja također uključuje - i -sinukleine s 55%–62% sličnosti. -Sinuklein ima smanjenu sklonost agregaciji i otkriveno je da potiskuje agregaciju -syn kao prirodni inhibitor, dok oksidirani -sinuklein može inicirati -syn agregaciju [49,50].

Poznato je da nekoliko PTM-ova utječe na agregaciju -syn, povezani su s PD [28,] i imaju dijagnostički potencijal [51] (tablica 1).

To uključuje N-terminalnu acetilaciju, nekoliko skraćivanja na N-terminusu (npr. -syn7-140, 14-140, 40-140 i 72-140 pronađeno in vitro, 5-140 i 68 –140 pronađeno in vivo i nekoliko u oba) i C-kraj (npr., -syn1-115, 1-119, 1-122, 1-124, 1-125, {{ 19}}, 1-133 i 1-135), fosforilacija Ser87 i Ser129, oksidacija Met1, Met5, Met116 i Met127, sumoliacija Lys96 i Lys102, nitracija Tyr39, Tyr125 i Tyr133 i ubikvitinacija Lys6 , Lys10, Lys12 Lys21, Lys23, Lys43 i Lys96 [28,52,53] (Tablica 1).

3.3. TDP-43 i FUS u ALS i FTD

ALS i FTD su neurodegenerativne bolesti s preklapajućim mehanizmima. ALS utječe na gornje i donje neurone, uzrokujući gubitak kontrole mišića. FTD je oblik demencija povezan s degeneracijom frontalnog i prednjeg temporalnog režnja [54].

Oko 97% slučajeva ALS-a i 45% slučajeva FTD-a povezano je s prisutnošću inkluzija agregata ubikvitiniranog, hiperfosforiliranog i C-terminalno skraćenog TDP-43 u citoplazmi neurona i glija stanica [29].

TDP-43 je ribonukleoprotein dug 414 ostataka koji je sposoban formirati agregate slične amiloidu in vitro i kondenzate (tj. stresne granule) [9] u patološkim uvjetima. Sastoji se od N-terminalnog trakta s jezgrinim lokalizacijskim signalom, dva motiva za prepoznavanje RNA, jezgrinog izvoznog signala i neuređene C-terminalne regije [29].

Prijavljeno je da sve te regije igraju ključnu ulogu u agregaciji proteina [55-57]. Nekoliko mutacija TDP-43 identificirano je u sporadičnim i obiteljskim slučajevima ALS-a i FTD-a, uključujući G294A, Q331K, M337V [58] i K181E [59] (Tablica 2). Kao i kod A i -syn, PTM-ovi TDP-43 također igraju ključnu ulogu u agregaciji proteina i napredovanju bolesti.

Vrijedno je napomenuti da se skraćeni C-terminalni fragmenti od 25 kDa i 35 kDa često nalaze u patološkim nakupinama u bolesnika s ALS-om [29,31,54]. Ubikvitinacija je također tipična modifikacija inkluzija TDP-43 [31]. Konačno, nenormalna fosforilacija, acetilacija i oksidacija TDP-43 često su povezane s pogrešnom lokalizacijom i nenormalnom agregacijom proteina [29] (Tablica 1).

ALS i FTD također su povezani s drugim proteinom koji veže RNA/DNA, FUS. FUS je protein dugačak 526 ostataka napravljen od N-terminalne transkripcijske aktivacijske domene i C-terminalne domene, koja je u interakciji s transkripcijskim čimbenicima i također uključuje nuklearni lokalizacijski signal [60,61].

Obje domene sadrže regije niske složenosti i igraju ulogu u stvaranju kondenzata i hidrogelova [62]. Više od 50 mutacija (npr. R521C, R521H [63]) FUS-a prijavljeno je u slučajevima ALS/FTD.

Za razliku od TDP-43, FUS se općenito nalazi kao protein pune duljine u agregatima [61]. Fosforilacija se događa u domenama sličnim prionima FUS-a i pokazalo se da utječe na njegovu faznu separaciju i obrazac agregacije, dok je utvrđeno da mutacije i PTM-ovi (uglavnom metilacija i fosforilacija) na njegovoj C-terminalnoj domeni reguliraju lokalizaciju jezgre/citoplazme [61,64].

Unatoč jasnoj patološkoj ulozi FUS-a, fenotipovi ALS/FTD rjeđe su povezani s FUS-om nego s disfunkcijama TDP-43 [61,65]. Stoga, ulogu FUS-a kao biomarkera tek treba odrediti.

4. Dijagnostički potencijal genetskih, strukturnih i kemijskih značajki amiloidogenih proteina

Korišteno je nekoliko pristupa detekciji za kvantificiranje amiloidogenih proteina u biološkim uzorcima i za određivanje veze između tih proteina i neurodegenerativnih bolesti.

Neke od ovih strategija imaju za cilj kvantificirati promjene u razinama ekspresije/koncentraciji amiloidogenih proteina bez obzira na njihovu konformaciju ili modifikaciju (Tablica 2). Neki drugi pristupi, umjesto toga, fokusiraju se na ispitivanje specifičnih strukturnih (npr. agregiranih stanja) ili kemijskih (npr. PTM) svojstava amiloidogenih proteina (tablica 1).

Svi ovi pristupi analiziraju različite regije tijela. Tehnike, kao što je pozitronska emisijska tomografija (PET), mogu ispitati proteine ​​izravno unutar središnjeg živčanog sustava (CNS), na primjer, u mozgu [2,44,66].

Međutim, amiloidogene bjelančevine mogu se otkriti iu drugim pristupačnijim dijelovima tijela. U ovom odjeljku raspravljamo o nalazima dobivenim analizom moždanog tkiva i dostupnih tjelesnih tekućina, uglavnom korištenjem imunoloških testova, kao što su imunobloting i enzimski imunotestovi (ELISA).

Tekućine koje se razmatraju uključuju cerebrospinalnu tekućinu (CSF), koja je u izravnom kontaktu s izvanstaničnim dijelom mozga i kao takva je optimalna tekućina za mjerenje moždanog metabolizma [44].

For more information:1950477648nn@gmail.com