Sinukleino fibrilo polimorfizmo struktūrinės ir funkcinės įžvalgos 4 dalis

7. Fazių atskyrimas ir branduolių susidarymas: fibrilių polimorfizmo molekulinis pagrindas

Netrukus po to, kai buvo nustatyta, kad -Syn agregacija yra susijusi ne tik su PD, bet ir su MSA ir DLB, pagrindinė mokslinių tyrimų sritis pirmiausia buvo skirta suprasti baltymo gebėjimą sukelti kliniškai ir patologiškai įvairius neurodegeneracinius sutrikimus.

Kai senstate, galite pastebėti, kad jūsų atmintis nėra tokia gera, kaip buvo vaikystėje. Kartais net gali jausti, kad smegenys „surūdijusios“ ir sunku įsiminti naują informaciją. Tačiau ką galima padaryti, kad ši situacija pagerėtų? Pastarųjų metų tyrimai parodė, kad tarp MSA (dopamino-sacharido komplekso) ir atminties yra glaudus ryšys.

MSA yra nervinė grandinė, kurioje dalyvauja neurotransmiteris dopaminas. Dopaminas yra svarbus neurotransmiteris smegenyse ir yra susijęs su emocijomis, motyvacija ir judėjimu. Saulės akmenys yra smegenų branduoliai, kurie kontroliuoja judėjimą ir koordinuoja judesius. Ryšys su dopaminu yra tas, kad kai bazinis kūnas yra stimuliuojamas dopaminu, jis padidins ryšius tarp smegenų neuronų, taip skatindamas atminties formavimąsi ir įtvirtinimą.

Tyrimai rodo, kad MSA galima suaktyvinti ir stimuliuoti per skaitmeninius žaidimus, muzikos treniruotes, fizinius pratimus ir socialinį bendravimą. Šie būdai gali sustiprinti ryšį su smegenų skysčiu, padidindami dopamino išsiskyrimą. Pavyzdžiui, buvo įrodyta, kad statiniai smegenų pratimai, tokie kaip Sudoku ir kryžiažodžiai, pagerina atminties įgūdžius. Taip pat įrodyta, kad muzikinis mokymas stimuliuoja MSA grandines ir pagerina atminties gebėjimus. Be to, buvo įrodyta, kad fiziniai pratimai ir socialinė sąveika taip pat turi teigiamą poveikį MSA aktyvacijai, taip skatinant smegenų sveikatą ir atminties gerinimą.

Apibendrinant, kadangi MSA veikla turi teigiamą poveikį atminčiai, MSA stimuliuojančių veiklų paieška ir dalyvavimas joje yra svarbus žingsnis gerinant atmintį. Fiziškai aktyvus, dalyvavimas socialinėje veikloje ir naujų įgūdžių mokymasis gali suaktyvinti ir stimuliuoti MSA grandinę, taip skatinant geresnę smegenų sveikatą ir atmintį. Pradėkime nuo šiol ir aktyviai dalyvaukime šiose veiklose, kad į savo smegenis įneštume naujos energijos ir gyvybingumo. Matyti, kad turime gerinti atmintį, o Cistanche deserticola gali žymiai pagerinti atmintį, nes Cistanche deserticola yra tradicinė kinų vaistinė medžiaga, turinti daug unikalių poveikių, vienas iš jų – gerinti atmintį. Cistanche deserticola veiksmingumą lemia daugybė joje esančių veikliųjų medžiagų, įskaitant tanino rūgštį, polisacharidus, flavonoidinius glikozidus ir kt. Šie ingredientai gali įvairiais būdais skatinti smegenų sveikatą.

Spustelėkite žinokite būdus, kaip pagerinti smegenų veiklą

Per pastaruosius kelerius metus prionų padermės hipotezė tapo pagrindiniu pastebėto sinukleinopatijų ligos kintamumo paaiškinimu. Nors daugybė biofizinių ir biologinių duomenų patvirtina -Syn padermių egzistavimą [29, 30, 32–35, 53], vis dar neaišku, kaip šios padermės atsiranda ir kokie veiksniai skatina jų susidarymą in vivo.

Tikėtinas atsakymas galėtų slypėti nubrėžus agregacijos kelius ir atskiriant molekulinius veiksnius, lemiančius padermių susidarymą. Amiloido susidarymą ne tik valdo pirminis branduolių susidarymas, bet ir dominuoja antriniai branduolių susidarymo įvykiai per daugumą agregacijos augimo fazės, kaip aptarta anksčiau [189].

Šis antrinis branduolių susidarymas apima naujų fibrilių pailgėjimą iš esamų sėklų, įdarbinant monomerus iš tirpalo. Bet kokie fibrilių tirpimo sąlygų pokyčiai linkę keisti pirminių ir antrinių branduolių susidarymo įvykių greitį [188, 189]. Pavyzdžiui, rūgštus pH padidina -Syn monomerų prisijungimą prie fibrilės paviršiaus, taip padidindamas antrinio branduolio susidarymo greitį [189,302].

Kadangi sėklų sukeltas agregatų plitimas yra priskiriamas skilimo ir pailgėjimo offibrilių sėkloms, tai leidžia daryti prielaidą, kad deformacijos reiškinys bent iš dalies yra antrinio branduolio susidarymo pasekmė. Be to, įvairiose agregacijos kinetikos stadijose egzistuoja kelios rūšys [17 303 304], o tai rodo, kad polimorfizmą lemia tarpiniai agregacijos produktai.

-Syn monomero konformacinės erdvės žemėlapis atskleidžia struktūrinę -Syn monomero subpopuliaciją, kuri skatina jo jungimąsi su membranomis ir skatina įvairių oligomerų ir fibrilių susidarymą [170].

Mūsų laboratorija neseniai parodė, kad heterogeninis branduolių susidarymas agregacijos kelyje yra polimorfizmo kilmės pagrindas [252]. Iš agregacijos tarpinių produktų, susidarančių tomis pačiomis surinkimo sąlygomis, sukūrėme du skirtingus polimorfus, HMF (Helix brandintas fibriles) ir PMF (iš anksto subrandintas fibriles).

PMF neturi stabilios amiloidinės šerdies ir turi atsitiktinį ritės turinį kartu su lakštiniais elementais. Be to, struktūrinio lapo iš 74–79 liekanų NAC domene (65–80 liekanos) nėra, o tai rodo, kad PMF yra mažiau tvarkingos fibrilės. tipai. Priešingai, morfologiškai ir struktūriškai skirtingi HMF yra kompaktiškesni ir tvarkingesni su stabilia fibrilo šerdimi [252].

Juose yra labai atvirų hidrofobinių paviršių ir jie yra potencialiai toksiškesni nei mažiau tvarkingi PMF. Šie polimorfai pasižymi ne tik struktūriniais skirtumais, bet ir turi skirtingą biologinį aktyvumą [252].

Panašus tyrimas, apimantis tarpinių agregacijos produktų identifikavimą esant fosfolipidinei membranai, atskleidė, kad priešfibrilinės rūšys turi dvi kilpos sritis su 57–61 ir 71–80 liekanomis [305]. Tada šie tarpiniai produktai persitvarko į fibrilines rūšis, kuriose didžioji dalis NAC srities ir N-galo (38–80 liekanos) sudaro galutinės fibrilinės konformacijos dalį [305].

Taip pat buvo pranešta apie tyrimus su A , PrP ir tau agregatais, kur skirtingos biologinės savybės kyla dėl struktūrinių polimorfų skirtumų [28,306–309]. Pavyzdžiui, morfologiškai ir struktūriškai skirtingos A fibrilės, susidarančios ramybės ir maišymo sąlygomis, rodo reikšmingus pirminių neuronų toksiškumo skirtumus, o ramybės būsenos fibrilės yra toksiškesnės nei kitos [28].

Įvairios struktūriškai įvairios PrPSc konformacijos pasižymi šeimininko ląstelių tropizmu, o tam tikras padermių rinkinys pirmiausia nukreiptas į neuronus, astrocitus ar net abu [307,308]. Taigi -Syn padermės, atsirandančios dėl nevienalytės branduolių susidarymo agregacijos kelyje, gali sukelti klinikinių ir patologinių PD variacijų. pasižymėdamas kintamu citotoksiškumu ir skirtingomis į prionus panašiomis savybėmis (5 pav.).

Pastaruoju metu baltymų agregacijos koncepcijos evoliucija iki fundamentalesnio reiškinio, būtent skysčio ir skysčio fazių atskyrimo (LLPS), reikšmingai paveikė sritį ir nukreipė tyrimus nauja linkme [310–314]. Baltymai inkubuojami įvairiomis sąlygomis, pavyzdžiui, pH, temperatūra ir druskos sąlygomis [315–317].

Fazių atskyrimo įvykiai skatinami, kai yra molekulinių susitraukimų, tokių kaip polietilenglikolis, dekstranas ar fikolis, kurie padeda padidinti vietinę baltymų koncentraciją ir palengvina lašelių susidarymą [315–318]. Vėliau dinamiškumo, brendimo ir agregacijos profilis tiriamas naudojant unikalų biofizinių, biocheminių ir spektroskopinių metodų derinį [315,317].

Įrodyta, kad įvairių amiloidogeninių baltymų fazių atskyrimo reiškiniai vyksta prieš agregaciją ir fibrilių susidarymą. Buvo pasiūlyta, kad vidinių sutrikimų regionų (IDR), prionų tipo domenų (PLD) ir mažo sudėtingumo domenų (LCD) buvimas skatina fazėmis atskirtų amiloidogeninių baltymų kondensatų susidarymą [310, 315, 316, 319 320].

Neseniai mūsų laboratorija parodė, kad -Syn LLPS yra kritinis įvykis ankstyvoje vėlavimo fazėje ir vyksta prieš jo agregaciją esant fazių atskyrimo sąlygoms (yra susikaupusių, stresorių, amiloido kofaktorių ir kt.) [315].

Šių fazėmis atskirtų lašelių atsiradimas agregacijos kinetikos vėlavimo fazėje rodo, kad LLP gali sustiprinti branduolių susidarymo įvykius, padidindami vietinę baltymų molekulių koncentraciją [315, 320]. Be to, fazėmis atskirti -Syn lašeliai laikui bėgant pereina iš skysčio į kietą medžiagą ir dėl to susidaro amiloido hidrogelis [315].

Anksčiau buvo įrodyta, kad šie amiloido hidrogeliai sulaiko citotoksinius oligomerus ir fibriles [321], o tai rodo galimybę, kad fibrilės, susidarančios per LLPS, gali būti toksiškos. Tačiau normaliomis surinkimo sąlygomis (be fazių atskyrimo) -Syn fibrilių citotoksiškumas yra labai mažas arba jo nėra [322,323]. Tai rodo, kad fibrilės, susidarančios fazių atskyrimo ir nefazių atskyrimo sąlygomis, gali būti skirtingos.

Be to, fibrilių susidarymas praskiestuose tirpaluose (žinoma, vyksta pirminio ir antrinio branduolio formavimosi būdu) [189] ir kondensatuose (per LLPS) nėra vienas kitą paneigiantys įvykiai [324], tačiau dėl skirtingų agregacijos būdų gali susidaryti skirtingos fibrilės (pav. 6).

Pavyzdžiui, TDP{0}}, baltymas, dalyvaujantis ALS/FTD, yra virpinamas su LLPS arba be jo. Vis dėlto virpėjimo kinetika abiem atvejais yra skirtinga, o tai rodo sudėtingų procesų įsitraukimą į virpėjimą esant LPS [329].

Todėl būtų labai svarbu užduoti keletą klausimų, pavyzdžiui, ar fibrilės, susidariusios be fazių atskyrimo, struktūriškai ir funkciškai skiriasi viena nuo kitos, arba, paprasčiau tariant, turi fibrilių polimorfizmą. Ar skirtingos LLPS sąlygos ar mutacijos turi kokį nors vaidmenį sprendžiant susidariusių -Syn fibrilių deformacijos elgesį?

Pavyzdžiui, buvo įrodyta, kad patogeninės FUS mutacijos turi skirtingas biofizines savybes, palyginti su laukinio tipo baltymu [327]. Šie radiniai rodo, kad, kaip ir nefazių atskyrimo sąlygomis, kai skirtingos tirpalo sąlygos lemia polimorfus [29], skirtingomis fazių atskyrimo sąlygomis susidarančios fibrilės taip pat gali skirtis (7 pav.).

Pavyzdžiui, -Syn fazė, atsiskirianti esant skirtingoms sąlygoms, tokioms kaip PTM, šeimyninės mutacijos, mažos molekulės ar metalo jonai, gali rodyti polimorfizmą ir sudaryti skirtingų tipų fibriles (7 pav.).

Tačiau šis reiškinys dar turi būti nustatytas, nes reikėtų išsamiai apibūdinti lašelių viduje susidariusias fibriles. Manome, kad konformaciniu požiūriu skirtingų tarpinių rūšių sambūvis ir daugybė agregacijos būdų, stebimų su LLPS arba be jo, galėtų būti polimorfizmo kilmės pagrindas. .

Tačiau reikia atlikti daugiau šios srities tyrimų, kad būtų galima apibūdinti nevienalyčių branduolių susidarymo ir daugelio agregacijos būdų indėlį į fibrilinį polimorfizmą. Įvairių biofizinių metodų kūrimas ir taikymas gali padėti mums įgyti įžvalgios informacijos apie molekulinius įvykius, vykstančius LLPS ir vėlesnio lašelių brendimo metu.

8. Klinikinės ir terapinės polimorfizmo pasekmės

Apžvalgoje aptarti tyrimai pateikia įtikinamų įrodymų, kad -Syn gali sudaryti įvairius polimorfus, turinčius skirtingas struktūrines ir biologines savybes. Panašiai kaip ir prionai, kur kiekvieną prionų ligą koduoja skirtinga netinkamai sulankstyto baltymo konformacija, kiekviena sinukleinopatija taip pat gali būti susijusi su unikalia -Syn struktūra.

Tačiau įvairios to paties baltymo fibrilių struktūros kelia keletą iššūkių kuriant vaistus nuo neurodegeneracinių sutrikimų. Gydymas, pvz., imunoterapija, būtų labai specifinis tam tikrai padermei, tačiau gali neatpažinti kitos. Panašiai, kuriant mažas terapines molekules ar vaistus, skirtus blokuoti arba sulėtinti baltymų agregacijos procesą, reikia patikrinti, ar nėra daug konformacijų. Atsižvelgiant į fibrilių sudėtingumą ir jų polimorfizmą, gali būti taikoma monomerinė -Syn.

Tačiau tai taip pat yra sudėtinga dėl iš esmės netvarkingo baltymo pobūdžio. Nepaisant šių iššūkių, pacientų gautų -Syn padermių aptikimas ir apibūdinimas atvers galimybes giliau suprasti ir apibūdinti sinukleinopatijas. Tai palengvins naujų gydymo būdų ir patikimesnių sinukleinopatijų klasifikavimo sistemų kūrimą.

Šiame kontekste labai jautrūs metodai, tokie kaip PMCA [330], realaus laiko drebėjimo sukeltos konversijos tyrimas (RT-QuIC) [331] ir HANDaiamiloido sprogimo induktorius (HANABI) [332], labai prisidėjo prie pacientų likvoro sinaggregatų stiprinimo. smegenys. PMCA ir RT-QuIC buvo naudojami atitinkamai PD/MSA ir PD/DLB pacientų kilmės -Syn padermėms atskirti [52 333].

Šių metodų taikymas padėtų stebėti ligos progresavimą laikui bėgant ir padėti anksti ir konkrečiai diagnozuoti sinukleinopatijas. Be to, klinikiniai ir patologiniai skirtumai bei pacientų skirtumai, pastebėti sergant PD ir susijusiais sutrikimais, gali turėti įtakos sinukleinopatijos pacientų gydymui. Šiuo metu visi PD pacientai gauna vienodo tipo gydymą, o pacientai skiriasi priklausomai nuo to, kaip jie įgijo ligą ir kokius simptomus jie turi.

Todėl tikimės, kad vaistams ir terapinėms medžiagoms, skirtoms patogeninėms -Syn rūšims nukreipti, gali būti naudojamas vienas konformacinis vaistas arba vaistų nuo įvairių polimorfų ar kamienų, kurie yra apgyvendinti sergančiose žmogaus smegenyse, naudojimas. Be to, kiekvienu konkrečiu atveju reikėtų atsižvelgti į kelis pagrindinius parametrus, pvz., ligos profilį, patologinius ir klinikinius simptomus, susijusių baltymų padermių tipus ir pobūdį bei ligos progresavimo greitį gydant pacientus, sergančius sinukleinopatija.

Todėl galimų terapinių taikinių nustatymas ir konformacinių vaistų kūrimas yra kitas didelis žingsnis kuriant vaistus nuo PD ir susijusių sutrikimų. Ryšio tarp astraino plitimo ir ligos fenotipo nustatymas suteiks vertingų įžvalgų kuriant veiksmingas kovos su neurodegeneraciniais sutrikimais strategijas.

Kitas iššūkis yra vaistų tiekimas į smegenis neurodegeneraciniams sutrikimams gydyti, kurie dažniausiai susiduria su nesėkmėmis dėl ribojančių kraujo ir smegenų barjerų [32]. Buvo atlikta daugybė bandymų tiekti vaistus per nanonešiklius, tiesioginius vaistų tiekimo būdus, trumpalaikį kraujo ir smegenų barjero sutrikimą ir kamieninių ląstelių terapiją [33–37]. Tačiau nė vienas iš gydymo būdų nepadėjo visiškai įveikti dabartinių iššūkių [32].

9. Baigiamosios pastabos ir atviri klausimai

Į prionus panašus įtempimo elgesys -Syn vis dar yra mįslingas reiškinys. Nuostabu, kaip vienas baltymas be jokios tinkamos struktūros gali susilankstyti įvairiais būdais ir įgyti konformacijas, dėl kurių atsiranda įvairių patologijų.

Daug neatsakytų klausimų reikia toliau tirti, net ir po įspūdingo darbo su -Syn polimorfais ir padermėmis. Pavyzdžiui, kas skatina -Syn padermės susidarymą tam tikromis ląstelės ir aplinkos sąlygomis? Kaip šios padermės nukreiptos į skirtingus ląstelių tipus ir smegenų regionus? Ar -Syn padermės vystosi, keičiasi ar prisitaiko laikui bėgant, priklausomai nuo šeimininko veiksnių?

Kaip kitų baltymų, ligandų, membranų ar kofaktorių buvimas įtakoja padermės formavimąsi? Ar -Syn padermės gali matyti viena kitą ir sukelti mišrias patologijas? Ar -Syn padermės trukdo ir blokuoja vienas kito plitimą, panašiai kaip prionai?

Ar tai įmanoma, ar turime pakankamai jautrių metodų, kad būtų galima atskirti PD ir MSA padermes ankstyvoje diagnozės stadijoje? Atsižvelgiant į priono padermės reiškinio išplitimą į keletą kitų amiloidogeninių baltymų, taip pat gali prireikti suprasti pagrindinius molekulinius įvykius padermės biologijoje ir sukurti veiksmingas strategijas.

Autoriaus indėlis: Konceptualizacija, SM ir SKM tyrimas (literatūros apžvalga); SM;LG; RB ir ASS; raštas-originalo juodraščio rengimas, SM; LG; RB ir ASS; rašymas-recenzavimas ir redagavimas, SM; LG; RB; ASS ir SKM; vizualizacija, SM; projektų administravimas, SM ir SKM; priežiūra, SM ir SKM; finansavimo įsigijimo, SKM, SM ir SKM yra vienodai prisidedantys atitinkami autoriai. Visi autoriai perskaitė ir sutiko su paskelbta rankraščio versija.

Finansavimas: šį tyrimą finansavo Biotechnologijos departamentas (DBT) [BT/PR22749/BRB/10/1576/2016], Indijos vyriausybė.

Institucinės peržiūros tarybos pareiškimas: Netaikoma.

Informuoto sutikimo pareiškimas: Netaikoma.

Duomenų prieinamumo pareiškimas: Netaikoma.

Padėka: Autoriai pripažįsta Indijos vyriausybės Biotechnologijos departamentą (DBT) už finansinę paramą. Dėkojame Pradeep Kadu už pagalbą kuriant figūras. SM dėkoja Indijos universiteto stipendijų komisijai už stipendiją.

Interesų konfliktai: autoriai pareiškia, kad nėra interesų konflikto.

Santrumpos

-sinukleinas (-Syn), Parkinsono liga (PD), dauginė sistema atrofija (MSA), demencija su Lewy kūnu (DLB), Parkinsono ligos demencija (PDD), Lewy kūnai (LB), Lewy neuritai (LN), Alcheimerio liga (AD). ), glialiniai citoplazminiai intarpai (GCI), potransliacinės modifikacijos (PTM), laukinio tipo (WT), krioelektroninė mikroskopija (krio-EM), kietojo kūno BMR (ssNMR) spektroskopija; perdavimo elektronų mikroskopija (TEM), atominės jėgos mikroskopija (AFM), žiedinis dichroizmas (CD), klajoklio nervo nugarinis motorinis branduolys (DMV), enterinė nervų sistema (ENS); -Sinukleinas (sin); -sinukleinas (-Syn); Baltymų klaidingo lankstymo ciklinė amplifikacija (PMCA); Skysčio ir skysčio fazės atskyrimas (LLPS).

Nuorodos

1. Spillantini, MG; Goedert, M. Alfa-sinukleinopatijos: Parkinsono liga, demencija su Lewy kūnais ir daugiasisteminė atrofija. Ann. NY Akad. Sci. 2000, 920, 16–27. [CrossRef] [PubMed]

2. Spillantini, MG; Crowther, RA; Džeikas, R.; Hasegawa, M.; Goedert, M. - Sinukleinas gijiniuose Lewy kūnų inkliuzuose nuo Parkinsono ligos ir demencijos su Lewy kūnais. Proc. Natl. Akad. Sci. JAV, 1998, 95, 6469–6473. [CrossRef] [PubMed]

3. Spillantini, MG; Schmidt, ML; Lee, VM; Trojanovskis, JQ; Džeikas, R.; Goedert, M. A-sinukleinas Lewy kūnuose. Gamta 1997,388, 839–840. [CrossRef]

4. Galvinas, JE; Lee, VM; Trojanowski, JQ Sinukleinopatijos: klinikinės ir patologinės pasekmės. Arch. Neurol. 2001, 58, 186–190 [CrossRef]

5. Mahul-Mellier, AL; Burtscher, J.; Maharjanas, N.; Weerens, L.; Croisier, M.; Kuttleris, F.; Leleu, M.; Knott, GW; Lashuel, HA Lewy kūno formavimosi procesas, o ne tiesiog alfa-sinukleino virpėjimas, yra vienas iš pagrindinių neurodegeneracijos veiksnių. Proc. Natl. Akad. Sci. JAV, 2020, 117, 4971–4982. [CrossRef] [PubMed]

6. Shahmoradianas, SH; Lewisas, AJ; Genoud, C.; Henčas, J.; Maurai, TE; Navarro, PP; Castano-Diezas, D.; Schweighauser, G.; GraffMeyer, A.; Goldie, KN; ir kt. Lewy patologija sergant Parkinsono liga susideda iš susikaupusių organelių ir lipidų membranų. NatNeurosci. 2019, 22, 1099–1109. [CrossRef] [PubMed]

7. Bilietų kainos, MB; Jagannath, S.; Lashuel, HA Atvirkštinė inžinerija Lewy kūnai: kiek mes nuėjome ir kiek galime nueiti? Nat.Rev. Neurosci. 2021, 22, 111–131. [CrossRef] [PubMed]

8. Serpell, LC; Berriman, J.; Džeikas, R.; Goedert, M.; Crowther, RA Sintetinių alfa-sinukleino gijų skaidulų difrakcija rodo į amiloidą panašią kryžminę beta konformaciją. Proc. Natl. Akad. Sci. JAV, 2000, 97, 4897–4902. [CrossRef] [PubMed]

For more information:1950477648nn@gmail.com