Įvairių DNR atkūrimo būdų susikirtimas prisideda prie neurodegeneracinių ligų 3 dalis

5.1. DDR ir autofagija

Neefektyvus suminis klirensas, rodantis defektinę autofagiją, yra viena iš bendrų NDD savybių. AD patogenezės metu buvo parodyta tiek sutrikusi autofagosomų sintezė, tiek sumažėjęs autofaginių substratų klirensas [152–154].

Autofagija yra savaiminio ląstelių skilimo ir perdirbimo procesas, kuris gali padėti mums pašalinti senstančias, pažeistas ir nenaudingas organeles ir baltymus. Tačiau didėjant amžiui ir blogiems gyvenimo būdo įpročiams, žmogaus organizmo autofagijos funkcija palaipsniui silpnėja, o tai gali pakenkti mūsų sveikatai ir atminčiai.

Tyrimai parodė, kad tarp autofagijos ir atminties yra glaudus ryšys. Autofagijos funkcijos sumažėjimas lems šiukšlių kaupimąsi smegenų ląstelėse, o tai paveiks normalią medžiagų apykaitą ir signalų perdavimą ląstelėse, o tai sukels atminties praradimą ir pažinimo sutrikimus. Įprastas autofagijos procesas gali skatinti smegenų ląstelių regeneraciją ir atsinaujinimą, palaikyti smegenų ląstelių sveikatą ir taip padėti pagerinti atmintį bei pažinimo gebėjimus.

Todėl mes turime aktyviai palaikyti autofagijos funkciją ir pagerinti savo autofagijos lygį per gerus gyvenimo įpročius ir koreguodami mitybą. Pavyzdžiui, turėtume vengti per daug vartoti nesveiko maisto, pavyzdžiui, daug cukraus ir daug riebalų, ir valgyti daugiau vaisių ir daržovių, nesmulkintų grūdų ir kitų maisto produktų, kuriuose gausu antioksidantų ir celiuliozės, nes tai gali padėti sumažinti laisvųjų radikalų susidarymą ir skatinti. autofagijos procesas. Be to, turėtume saikingai mankštintis, palaikyti džiugią nuotaiką, vengti per didelio streso ir nerimo ir pan., o tai padės pagerinti autofagiją ir išlaikyti sveikas smegenis bei gerą atmintį.

Apskritai, tarp autofagijos ir atminties iš tiesų yra glaudus ryšys, tačiau mes galime išlaikyti savo autofagijos lygį tinkamai koreguodami gyvenimo būdą ir mitybą, apsaugoti savo smegenis ir atmintį bei pereiti prie sveikesnio ir pozityvesnio gyvenimo. Matyti, kad turime pagerinti savo atmintį, o Cistanche gali žymiai pagerinti atmintį, nes Cistanche taip pat gali reguliuoti neuromediatorių pusiausvyrą, pavyzdžiui, padidinti acetilcholino ir augimo faktorių kiekį, kurie yra labai svarbūs atminčiai ir mokymuisi. Be to, Cistanche taip pat gali pagerinti kraujotaką ir skatinti deguonies tiekimą, o tai gali užtikrinti, kad smegenys gautų pakankamai mitybos ir energijos, taip pagerinant smegenų gyvybingumą ir ištvermę.

Norėdami pagerinti atmintį, spustelėkite žinokite papildus

-SYN kaupimasis sergant PD rodo disfunkcinę chaperono sukeltą autofagiją (CMA), kuri yra pagrindinis autofaginio -SYN degradacijos veiksnys [155].

Daugelio autofagijos receptorių, įskaitant SQSTM1/p62 [155], OPTN ir UBQLN2, mutacijos buvo siejamos su ALS patogeneze [156–158]. Asociacijos tarp DDR ir autofagijos, kaip tiesioginės NDD priežasties, dar nėra gerai nustatytos, nors literatūroje teigiama, kad DNR taisymo mašinos ir autofagijos yra netiesioginės sąsajos įvairiais, neišskirtiniais būdais [159–161].

ATM aktyvinimas gali sukelti autofagijos indukciją per 50 AMP aktyvuotos baltymų kinazės (AMPK), reaguojant į ROS [162, 163]. Nors Atm−/− neuronai rodo nenormalią autofagiją, pats ATM yra apdorojamas autofaginio degradacijos būdu [164]. Parp1 išmuštoms pelėms, kurioms buvo atliktas ūminis badas, pasireiškė nepakankama kepenų autofagija, o tai reiškia, kad PARP1 vaidina fiziologinį vaidmenį bado sukeltame autofagijoje [165].

Ryšys tarp DDR ir autofagijos atrodo dvikryptis, nes BECLIN1, baltymo, dalyvaujančio autofagijos indukcijoje, pašalinimas sumažino svarbiausių HR ir NHEJ baltymų aktyvumą ir lygius, taip pat susilpnino DNR-PK kompleksų susidarymą [166, 167].

Įrodyta, kad SQSTM1/p62 reguliuoja santykį tarp HR ir NHEJ, skatindamas pastarąjį apšvitinimą [168]. CMA reguliuoja CHK1 lygį ir apsaugo nuo MRN komplekso hiperfosforilinimo ir destabilizacijos [169]. Su ultravioletinių spindulių atsparumu susieto geno (UVRAG), kuris yra svarbus autofagijos inicijavimo veikėjas, transliacijos produktas patruliuoja DSB atkūrimo aktyvumą tiesiogiai prisijungdamas prie DNR-PK NHEJ [170].

Įdomu tai, kad DNR pažeidimas gali sukelti mitofagiją, kuri gali atlikti svarbų vaidmenį apsaugant ląsteles nuo DNR pažeidimo sukeltos ląstelių mirties [171]. Nors DDR netyrinėta, mūsų grupė neseniai parodė endoplazminio streso (ER streso) sąlygojamą išgyvenamumą skatinančią autofagiją po radiacijos sukeltos ROS indukcijos [172].

5.2. DDR ir neurouždegimas

Neurouždegimas yra dar vienas dažnas reiškinys, pastebėtas įvairiose NDD. Manoma, kad veikia užburtas ciklas, apimantis neurouždegimą, oksidacinį stresą ir neurodegeneraciją [173, 174].

Pats uždegimas gali sukelti DNR pažeidimą, nes susidaro ROS ir reaktyviosios azoto rūšys (RNS). Uždegimas padidina ne tik mutageninius DNR pažeidimus, tokius kaip 8-nitroguanidinas ir 8-oksoG, bet ir neigiamai veikia DNR atkūrimo gebėjimą, nes slopina daugelį svarbių DNR atkūrimo fermentų [175, 176].

Sun ir kt., ciklinio guanozino monofosfato-adenozino monofosfato (GMP-AMP) sintazės (cGAS) atradimas kaip žinduolių citozolinis DNR jutiklis. nustatė tiesioginius ryšius tarp pažeistos DNR ir neurouždegimo [177].

Prisijungęs prie citozolinės DNR, cGAS paverčia ATP ir GTP į ciklinį GMP-AMP (cGMP), kuris jungiasi ir aktyvuoja interferono genų endoplazminio tinklinio baltymo stimuliatorių (STING), galiausiai sukeldamas I tipo interferonų gamybą per transkripcijos faktoriusNF-kB ir IRF3. [178].

cGAS-STING aktyvacija buvo pastebėta keliuose NDD: Atm trūkumo žiurkių modelyje su neurouždegiminiais ir neurodegeneraciniais fenotipais, citozolinės DNR kaupimasis, dėl kurio padidėja fosforilinto TBK1 lygis (tai rodo STING aktyvaciją), buvo pastebėtas įvairių tipų ląstelėse. įskaitant mikrogliją [179].

Xu ir kt. parodė, kad cGAMP gali slopinti AD, padidindamas TREM2 lygį [180]. IniPSC gauti ALS paciento motoriniai neuronai, TDP-43 sukėlė mtDNR išsiskyrimą, sukeldami cGAS-STING aktyvavimą, ir buvo parodytas neurouždegimas [181].

Buvo pranešta apie IL6 indukciją reaguojant į cirkuliuojančią be ląstelių mtDNR Parkinsono liga sergančių pacientų serume [182]. Taigi cGAS-STING sukeltas uždegimas pasirodo kaip dar vienas bendras NDD charakteristikas.

Apibendrinant galima pasakyti, kad atskiri DDR baltymai gali būti įtraukti į daugiau nei vieną NDD (2 pav.) ir gali sukelti neurodegeneracinius požymius, sąveikaudami su įvairiais ląstelių procesais (3 pav.).

6. Modelių sistemos, skirtos NDD ir terapijoms tirti

Nors pomirtinis smegenų audinys yra naudingas nustatant pagrindinius struktūrinius ar molekulinius DDR žymenų skirtumus vėlyvose NDD stadijose, jis turi ribotą galią paaiškinti ligos mechanizmus.

Taigi gyvūnų modeliai išlieka esminėmis priemonėmis tiriant neurodegeneraciją skatinančius mechanizmus viso gyvenimo perspektyvoje. Tyrimų, susiejančių DDR su NDD, naudojant įvairias pirmiau aptartas modelių sistemas arba siūlančių tinkamus modelius šiam perkalbėjimui tirti, pasirinkimas yra apibendrintas 1 lentelėje.

Kaip matyti iš pirmiau pateiktos diskusijos, graužikai išlieka plačiausiai naudojami gyvūnų modeliai. Pavyzdžiui, AD yra daugiau nei du šimtai skirtingų graužikų modelių (https://www.alzforum.org/research-models/search (prieiga 2021 m. vasario 19 d.)).

Tačiau joks modelis neapibendrina visų kardinalfenotipų, pastebėtų sergant žmonių ligomis, o tai rodo, kad reikia geresnių modelių, skirtų žmogaus NDD modeliavimui.

Bestuburių gyvūnų priežiūra yra gana nebrangi, jų gyvenimo trukmė ir dauginimosi ciklas yra trumpas. Dėl šių savybių nestuburinių gyvūnų modeliai gali būti pritaikyti vaistų ir genetinei atrankai.

Nematodas Caenorhabditis elegans (C. elegans) yra gyvūno, kurio skaidrus kūnas leidžia stebėti neurodegeneraciją in vivo, pavyzdys. Yra humanizuoti gyvūnų modeliai, kuriuose transgeniniai gyvūnai ekspresuoja žmogaus -SYN [187,188], A 1–42, TAU [189,190]. ], TDP-43 ir SOD1 [191–193].

Elgesio tyrimų buvimas leidžia ištirti atskirų neuronų gyvybingumą ir funkcionalumą natūralaus gyvenimo eigoje. Taigi paprasti gyvūnai suteikia puikių galimybių ištirti bendrą genetinių ir aplinkos rizikos veiksnių poveikį kartu su senėjimu, svarbiausiu NDD rizikos veiksniu.

Kalbant apie DDR indėlį, C. elegans turi mažiau DNR atkūrimo genų pertekliaus, todėl tai yra puiki priemonė nustatyti, ar ir kaip DNR atkūrimo baltymai veikia neurodegeneraciją. C apribojimas. elegans yra ta, kad ji neturi smegenų. Taigi reikalingi stuburinių modeliai. Iš jų Danio rerio (D. rerio) tampa vis populiaresnis, nes turi kraujagysles ir smegenis, atskirtas kraujo ir smegenų barjeru [194–196].

Žmogaus iPSC technologijos plėtra atvėrė duris sudėtingų smegenų ligų modeliavimui. Yra nustatyti protokolai, skirti generuoti įvairių tipų smegenų ląsteles iš pacientų gautų iPSC dvimatėse (2D) vienasluoksnėse kultūrose ir naudoti juos AD modeliui [197, 198], ALS [199–201] ir PD [202, 203].

Galimybė įvesti genomo redagavimą iPSC (pvz., per CRISPR / CAS9) dar labiau padidina šių ląstelių potencialą tirti specifinius atskirų genų vaidmenis. Be to, neseniai sukurtose bendros kultūros sistemose galima ištirti kitų smegenų ląstelių tipų (įskaitant glijos ląsteles, taip pat gautas iš iPSC) vaidmenį [204].

Vis dėlto 2D kultūros sistemos neapibendrina smegenų sudėtingumo, o tokius fenotipus kaip ekstraląstelinių baltymų agregacija yra sunku stebėti. Taigi 2D iPSC nėra pats tinkamiausias pasirinkimas modeliuojant NDD.

Embrioidinių kūnų savaiminis organizavimas iš iPSC, vadinamieji 3D organoidiniai modeliai, gali leisti mums ištirti ląstelių vystymąsi ir tarpląstelinę sąveiką 3D žmogaus smegenų mikroaplinkoje [205].

Dėl 3D kultūros sistemų pažangos šiuose organoiduose (minismegenyse) susiformavo daugybė smegenų ląstelių tipų ir specifinių smegenų regionų [206]. Priekinės smegenų žievės organoidai, smegenų vidurio organoidai ir motorinių neuronų sferoidai, gauti iš AD ir HD, PD , ir ALS pacientų iPSC, atitinkamai, gali parodyti kardinalinio audinio fenotipus ir todėl gali būti labai naudingi norint suprasti šiuos sudėtingus NDD (4 pav.) [207–213].

4 pav. 2D iPSC ir 3D organoidų potencialas modeliuoti NDD. Odos fibroblastai, gauti iš NDD pacientų, gali būti perprogramuoti į iPSC. Šie iPSC gali būti suskirstyti į įvairius smegenų ląstelių tipus, įskaitant skirtingus neuronų tipus, mikroglijas ir kt.

Iš iPSC gauti 3D organoidai turi daugumą smegenų ląstelių tipų (išskyrus mikroglijas ir kraujagysles, kurios gali būti auginamos kartu su 3D organoidais) ir gali parodyti pagrindinius ligos fenotipus. Taip pat buvo parodyti įvairūs šių modelių sistemų pritaikymai. Sukurta naudojant BioRender.com.

7. Išvados

Apibendrinant galima pasakyti, kad tiek antioksidantų apsauga, tiek DNR atstatymas neleidžia kauptis DNR pažeidimams ir taip neutralizuoja NDD vystymąsi. Vienas iš antioksidacinės gynybos pavyzdžių yra superoksido dismutazė1 (SOD1), apsauganti neuronus nuo amiloido (A) sukeliamo neurotoksiškumo [214]. Tiek per didelis laukinio tipo SOD1 ekspresija, tiek SOD1 mutacijos yra susijusios su keletu su amžiumi susijusių NDD [11 215 216].

Keletas klinikinių tyrimų yra nukreipti į laukinio tipo SOD1 arba mutantinį SOD1, kad būtų išvengta NDD agregacijos ir klaidingo lankstymo, o antisensinis oligonukleotidas dabar yra III fazės klinikiniame tyrime (NCT02623699).

Maža molekulė, arimoklomolis, skatinantis tinkamą SOD1 susilankstymą endoplazminiame tinkle (ER) [11], yra III fazės bandyme (NCT03491462). Dar reikia išsiaiškinti, ar taikymas DNR atstatymui, ar DDR gali tapti terapinėmis priemonėmis prieš NDD. išsiaiškinta.

Tačiau PARP1 aktyvinimas naudojant SSB, dažnas NDD atradimas ir PARP1 inhibitorių prieinamumas rodo, kad tai gali būti kelias. Tačiau tiesiogiai nukreipus į PARP1, kyla žalingo poveikio kitoms ląstelėms ir audinių sistemoms rizika. Viena iš PARP1 peraktyvinimo pasekmių yra ląstelių NAD+, kuris yra PARP1 substratas, išeikvojimas.

Ankstesniame darbe parodėme, kad NAD + lygio didinimas yra perspektyvi strategija, skatinanti DNR atstatymą ir užkirsti kelią neurodegeneracijai sergant retomis DNR atkūrimo ligomis [140,146,184]. Norint toliau tirti terapinį DDR potencialą, gali būti naudojami įvairių rūšių tyrimai, kuriuose derinamos skirtingos modelių sistemos, siekiant apibendrinti skirtingus šių sudėtingų ligų aspektus.

Iš iPSC sukurti 3D organoidiniai modeliai pasirodo kaip perspektyvios modelių sistemos, galinčios užfiksuoti DDR sudėtingumą ir jo ryšį su kitais ląstelių procesais, svarbiais neuronų sveikatai palaikyti.

Autoriaus indėlis: Konceptualizacija, HN ir KS; metodika, SG; programinė įranga, PY, TS ir K.S.; patvirtinimas, SG, PY, TS, HN ir KS; formali analizė, SG; tyrimas, SG; ištekliai,HN ir KS; duomenų tvarkymas, SG, PY, TS ir KS; raštu-originalo juodraščio paruošimas, SG, PY, TS, HN ir KS; rašymas-recenzas ir redagavimas, SG, PY, TS, HN ir KS; vizualizacija, SG, HN ir KS; priežiūra, HN ir KS; projektų administravimas, SG, HN ir KS; finansavimo įsigijimas, HN Visi autoriai perskaitė ir sutiko su paskelbta rankraščio versija.

Finansavimas: Šį tyrimą finansavo Pietryčių regioninė sveikatos tarnyba (projekto Nr. 279922 ir 2017029) ir Norvegijos mokslinių tyrimų taryba (subsidijos Nr. 302483).

Institucinės peržiūros tarybos pareiškimas: Netaikoma.

Informuoto sutikimo pareiškimas: Netaikoma.

Duomenų prieinamumo pareiškimas: šiame tyrime nebuvo sukurta ar analizuojama naujų duomenų. Dalijimasis duomenimis netaikomas šiam straipsniui.

Padėka: Dėkojame Ellen Tenstad @ScienceShaped, Carina Knudson ir FranciscoJosé Naranjo Galindo už pagalbą kuriant grafines iliustracijas ir Evandro Fei Fang, Diana L. Bordin ir Lisa Lirussi už kritišką rankraščio skaitymą.

SG ir PY buvo finansuojami iš Pietryčių regioninės sveikatos tarnybos dotacijos (projekto Nr. 279922 ir 2017029), o TSG finansavo Norvegijos mokslinių tyrimų tarybos dotacija (dotacijos Nr. 302483).

Interesų konfliktai: patvirtiname, kad visi autoriai neturi interesų konfliktų dėl šio rankraščio.

Nuorodos

1. Delaney, S.; Jaremas, DA; Volle, CB; Yennie, CJ Oksidaciniu būdu pažeisto guanino cheminės ir biologinės pasekmės DNR.Free Radic. Res. 2012, 46, 420–441. [CrossRef]

2. Sheng, Z.; Gerai, S.; Tsuchimoto, D.; Abolhassani, N.; Nomaru, H.; Šakumi, K.; Yamada, H.; Nakabeppu, Y. 8-Oksoguaninas sukelia neurodegeneraciją MUTYH sukeltos DNR bazės ekscizijos taisymo metu. J. Clin. Ištirti. 2012, 122, 4344–4361. [CrossRef]

3. Krokanas, HE; Drablos, F.; Slupphaug, G. Uracil in DNR atsiradimas, pasekmės ir taisymas. Oncogene 2002, 21, 8935–8948.[CrossRef]

4. Lindahl, T.; Nyberg, B. Natūralios dezoksiribonukleino rūgšties depurinacijos greitis. Biochemija 1972, 11, 3610–3618. [CrossRef]

5. Chin-Chan, M.; Navarro-Yepes, J.; Quintanilla-Vega, B. Aplinkos teršalai kaip neurodegeneracinių sutrikimų rizikos veiksniai: Alzheimerio ir Parkinsono ligos. Priekyje. Ląstelių neurozės. 2015, 9, 124. [CrossRef]

6. Ramachandiranas, S.; Hansenas, JM; Jonesas, DP; Richardsonas, JR; Miller, GW Skirtingi parakvato, MPP+ ir androtenono toksiškumo mechanizmai: tioredoksino oksidacija ir kaspazės -3 aktyvinimas. Toksikolis. Sci. 2007, 95, 163–171. [CrossRef]

7. Hou, Y.; Danas, X.; Babbaras, M.; Wei, Y.; Hasselbalchas, SG; Croteau, DL; Bohr, VA Senėjimas kaip neurodegeneracinės ligos rizikos veiksnys. Nat. Kunigas Neurol. 2019, 15, 565–581. [CrossRef] [PubMed]

8. Wyss-Coray, T. Senėjimas, neurodegeneracija ir smegenų atjauninimas. Gamta 2016, 539, 180–186. [CrossRef] [PubMed]

9. Lopez-Otin, C.; Blasco, MA; Kurapka, L.; Serrano, M.; Kroemer, G. Senėjimo požymiai. Ląstelė 2013, 153, 1194–1217. [CrossRef][PubMed]

10. Iltis, EF; Scheibye-Knudsen, M.; Chua, KF; Mattsonas, parlamento narys; Croteau, DL; Bohr, VA Branduolinės DNR pažeidimai, signalizuojantys apie tomitochondrijas senstant. Nat. kun. Mol. Cell Biol. 2016, 17, 308–321. [CrossRef]

11. Tristas, BG; Daviesas, KM; Cottam, V.; Genoudas, S.; Ortega, R.; Roudeau, S.; Karmona, A.; De Silva, K.; Vasingeris, V.; Lewis, SJG ir kt. Į amiotrofinę šoninę sklerozę panaši superoksido dismutazės 1 proteinopatija yra susijusi su neuronų praradimu Parkinsono ligos smegenyse. Acta Neuropathol. 2017, 134, 113–127. [CrossRef]

12. Rultenas, SL; Caldecott, KW DNR grandinės pertrūkių taisymas ir neurodegeneracija. DNA Repair 2013, 12, 558–567. [CrossRef]

For more information:1950477648nn@gmail.com