Přeslechy mezi různými cestami opravy DNA přispívají k neurodegenerativním onemocněním, část 3

5.1. DDR a autofagie

Neefektivní agregovaná clearance indikující defektní autofagii je jedním ze společných rysů NDD. Během patogeneze AD byla prokázána jak narušená syntéza autofagozomů, tak snížená clearance autofagických substrátů [152–154].

Autofagie je proces vlastního rozkladu a recyklace buněk, který nám může pomoci odstranit stárnoucí, poškozené a nepotřebné organely a proteiny. S přibývajícím věkem a špatnými životními návyky se však autofagická funkce lidského těla postupně snižuje, což může poškodit naše zdraví a paměť.

Studie ukázaly, že mezi autofagií a pamětí existuje úzký vztah. Pokles funkce autofagie povede k hromadění odpadků v mozkových buňkách, čímž dojde k ovlivnění normálního metabolismu a přenosu signálů v buňkách, což povede ke ztrátě paměti a kognitivnímu poškození. Normální proces autofagie může podporovat regeneraci a obnovu mozkových buněk, udržovat zdraví mozkových buněk, a tím napomáhat ke zlepšení paměti a kognitivních schopností.

Proto musíme aktivně udržovat autofagickou funkci a zlepšit naši úroveň autofagie pomocí dobrých životních návyků a dietních úprav. Například bychom se měli vyvarovat nadměrného příjmu nezdravých potravin, jako je vysoký obsah cukru a tuku, a jíst více ovoce a zeleniny, celozrnných výrobků a dalších potravin bohatých na antioxidanty a celulózu, které mohou pomoci snížit tvorbu volných radikálů a podpořit proces autofagie. Kromě toho bychom měli udržovat mírné cvičení, udržovat si veselou náladu, vyhýbat se nadměrnému stresu a úzkosti atd., což přispěje ke zlepšení autofagie a udržení zdravého mozku a dobré paměti.

Obecně platí, že mezi autofagií a pamětí skutečně existuje úzký vztah, ale svou úroveň autofagie si můžeme udržet správným životním stylem a úpravou stravy, chránit svůj mozek a paměť a přejít ke zdravějšímu a pozitivnějšímu životu. Je vidět, že potřebujeme zlepšit naši paměť a Cistanche může výrazně zlepšit paměť, protože Cistanche může také regulovat rovnováhu neurotransmiterů, jako je zvýšení hladiny acetylcholinu a růstových faktorů, které jsou velmi důležité pro paměť a učení. Kromě toho může Cistanche také zlepšit průtok krve a podpořit dodávku kyslíku, což může zajistit, že mozek získá dostatečnou výživu a energii, a tím zlepší mozkovou vitalitu a vytrvalost.

Klikněte na vědět doplňky pro zlepšení paměti

Akumulace -SYN v PD ukazuje na dysfunkční autofagii zprostředkovanou chaperony (CMA), která je hlavním přispěvatelem k autofagické degradaci -SYN [155].

Mutace v mnoha autofagyreceptorech, včetně SQSTM1/p62 [155], OPTN a UBQLN2, byly spojeny s patogenezí ALS [156–158]. Asociace mezi DDR a autofagií jako přímou příčinou NDD nejsou dosud dobře stanoveny, i když literatura naznačuje nepřímá spojení mezi mechanismem opravy DNA a autofagií prostřednictvím různých, nevýlučných cest [159–161].

Aktivace ATM může způsobit indukci autofagie prostřednictvím 50 AMP aktivované proteinkinázy (AMPK) v reakci na ROS [162,163]. Zatímco Atm−/− neurony vykazují abnormální autofagii, ATM samotná je zpracována autofagickou degradací [164]. Knokautované myši Parp1 vystavené akutnímu hladovění vykazovaly nedostatečnou autofagii jater, což naznačuje fyziologickou roli PARP1 v autofagii vyvolané hladověním [165].

Spojení mezi DDR a autofagií se zdá být obousměrné, protože vyřazení BECLIN1, proteinu zapojeného do indukce autofagie, snížilo aktivitu a hladiny rozhodujících proteinů HR a NHEJ a také utlumilo tvorbu komplexů DNA-PK [166,167].

Ukázalo se, že SQSTM1/p62 reguluje poměr mezi HR a NHEJ tím, že podporuje NHEJ při ozáření [168]. CMA reguluje hladiny CHK1 a zabraňuje hyperfosforylaci a destabilizaci komplexu MRN [169]. Translační produkt genu spojeného s odolností proti ultrafialovému ozáření (UVRAG), důležitý hráč v iniciaci autofagie, hlídá reparační aktivitu DSB prostřednictvím přímé vazby na DNA-PK v NHEJ [170].

Je zajímavé, že poškození DNA by mohlo vyvolat mitofágii, která může hrát roli v ochraně buněk před buněčnou smrtí způsobenou poškozením DNA [171]. Ačkoli to nebylo prozkoumáno pro DDR, naše skupina nedávno ukázala indukci endoplazmatického stresu (ER stres) zprostředkovaného pro-přežití autofagie po indukci ROS indukované zářením [172].

5.2. DDR a neurozánět

Neurozánět je dalším běžným jevem zaznamenaným u různých NDD. Předpokládá se, že funguje začarovaný cyklus zahrnující neurozánět, oxidační stres a neurodegeneraci [173,174].

Zánět může sám o sobě vyvolat poškození DNA prostřednictvím tvorby ROS a reaktivních druhů dusíku (RNS). Zánět zvyšuje nejen mutagenní léze DNA, jako je 8-nitroguanidin a 8-oxoG, ale také negativně ovlivňuje kapacitu opravy DNA inhibicí mnoha důležitých enzymů opravy DNA [175,176].

Klíčový objev cyklické guanosinmonofosfát-adenosinmonofosfát (GMP-AMP) syntázy (cGAS) jako savčího cytosolického DNA senzoru od Sun et al. prokázala přímé spojení mezi poškozenou DNA a neurozánětem [177].

Po navázání na cytosolovou DNA převádí cGAS ATP a GTP na cyklický GMP-AMP (cGMP), který se váže a aktivuje proteinový stimulátor endoplazmatického retikula interferonových genů (STING), čímž nakonec indukuje produkci interferonů typu I prostřednictvím transkripčních faktorů NF-kB a IRF3 [178].

Aktivace cGAS-STING byla pozorována u několika NDD: u modelu potkanů ​​s deficitem Atm s neurozánětlivými a neurodegenerativními fenotypy byla u různých typů buněk pozorována akumulace cytosolové DNA vedoucí ke zvýšeným hladinám fosforylovaného TBK1 (indikující aktivaci STING), včetně mikroglií [179].

Xu a kol. prokázali, že cGAMP může potlačit AD zvýšením hladin TREM2 [180]. Motorické neurony pacientů s ALS odvozené od IniPSC, TDP-43 spustily uvolňování mtDNA, což vedlo k aktivaci cGAS-STING, a byl prokázán neurozánět [181].

Indukce IL6 v reakci na cirkulující bezbuněčnou mtDNA byla popsána v séru pacientů s Parkinsonovou chorobou [182]. Zánět zprostředkovaný cGAS-STING se tedy objevuje jako další společný znak NDD.

Stručně řečeno, jednotlivé proteiny DDR mohou být zapojeny do více než jedné NDD (obrázek 2) a mohou vyvolat neurodegenerativní rysy prostřednictvím jejich interakce s různými buněčnými procesy (obrázek 3).

6. Modelové systémy pro studium NDD a terapeutiky

Ačkoli je postmortální mozková tkáň užitečná pro mapování hlavních strukturálních nebo molekulárních rozdílů v markerech DDR v pozdních stádiích NDD, má omezenou schopnost vysvětlit mechanismy onemocnění.

Zvířecí modely tak zůstávají základními nástroji pro studium mechanismů, které řídí neurodegeneraci v perspektivě životního běhu. Výběr studií spojujících DDR s NDD pomocí různých modelových systémů diskutovaných výše nebo navrhujících vhodné modely pro studium tohoto přeslechu je shrnut v tabulce 1.

Jak je zřejmé z výše uvedené diskuse, hlodavci zůstávají nejrozšířenějším modelovým zvířetem. Například pro AD existuje více než dvě stě různých modelů hlodavců (https://www.alzforum.org/research-models/search (přístup 19. února 2021)).

Žádný model však nerekapituluje všechny kardinální fenotypy pozorované u lidských onemocnění, což ilustruje potřebu lepších modelů pro modelování lidských NDD.

Bezobratlí živočichové jsou relativně levní na údržbu a mají krátkou životnost a reprodukční cyklus. Tyto vlastnosti činí modely bez obratlovců přístupnými drogovému a genetickému screeningu.

Nematoda Caenorhabditis elegans (C. elegans) je příkladem zvířete, jehož průhledné tělo umožňuje sledování neurodegenerace in vivo. K dispozici jsou humanizované zvířecí modely, ve kterých transgenní zvířata exprimují lidský -SYN [187,188], A 1–42, TAU [189,190 ], TDP-43 a SOD1 [191–193].

Existence behaviorálních testů umožňuje studovat životaschopnost a funkčnost jednotlivých neuronů během přirozeného životního běhu. Jednoduchá zvířata tedy nabízejí vynikající příležitosti ke studiu kombinovaných účinků genetických a environmentálních rizikových faktorů ve spojení se stárnutím, což je nejdůležitější rizikový faktor pro NDD.

Pokud jde o příspěvek DDR, C. elegans má menší redundanci DNA opravných genů, což z ní činí skvělý nástroj k definování, zda a jak DNA opravné proteiny ovlivňují neurodegeneraci. Omezení C. elegans je, že nemá mozek. Proto jsou potřeba modely obratlovců. Z nich je stále oblíbenější Danio rerio (D. rerio), protože má vaskulaturu a mozek oddělený hematoencefalickou bariérou [194–196].

Vývoj lidské technologie iPSC otevřel dveře k modelování komplexních mozkových chorob. K dispozici jsou zavedené protokoly pro generování různých typů mozkových buněk z iPSC pocházejících od pacienta ve dvourozměrných (2D) jednovrstvých kulturách a využívají je k modelování AD [197,198], ALS [199–201] a PD [202,203].

Možnost zavedení editace genomu v iPSC (např. prostřednictvím CRISPR/CAS9) dále zvyšuje potenciál těchto buněk studovat specifické role jednotlivých genů. Kromě toho lze úlohu jiných typů mozkových buněk (včetně gliových buněk, rovněž odvozených z iPSC) studovat v nedávno vyvinutých systémech kokultivace [204].

Přesto 2D kultivační systémy nerekapitulují složitost mozku a fenotypy, jako je agregace extracelulárních proteinů, je obtížné pozorovat. 2D iPSC tedy nejsou nejvýhodnější volbou pro modelování NDD.

Samoorganizace embryoidních těl z iPSC, takzvané 3D-organoidní modely, nám může umožnit studovat buněčný vývoj a mezibuněčné interakce v rámci 3D mikroprostředí lidského mozku [205].

Pokroky v systémech 3D kultury vedly k vytvoření více typů mozkových buněk a specifických oblastí mozku v těchto organoidech (minimozcích) [206]. Kortikální organoidy předního mozku, organoidy středního mozku a sféroidy motorických neuronů odvozené z AD a HD, PD a iPSC pacientů s ALS, v tomto pořadí, mohou ukázat fenotypy kardinálních tkání, a mohou tak být velmi užitečné pro pochopení těchto komplexních NDD (obrázek 4) [207–213].

Obrázek 4. Potenciál 2D iPSC a 3D-organoidů pro modelování NDD. Kožní fibroblasty odvozené od pacientů s NDD lze naprogramovat do iPSC. Tyto iPSC lze diferencovat na různé typy mozkových buněk včetně různých typů neuronů, mikroglií atd.

3D organoidy odvozené od iPSC obsahují většinu typů mozkových buněk (kromě mikroglií a vaskulatury, které lze kultivovat společně s 3D organoidy) a mohou vykazovat hlavní fenotypy onemocnění. Byly také ukázány různé aplikace těchto modelových systémů. Vytvořeno pomocí BioRender.com.

7. Závěry

Abychom to shrnuli, jak antioxidační obrana, tak oprava DNA zabraňují hromadění poškození DNA, a tím působí proti rozvoji NDD. Jedním příkladem antioxidační obrany je scavenger superoxiddismutáza1 (SOD1), který chrání neurony před neurotoxicitou zprostředkovanou amyloidem (A ) [214]. Nadměrná exprese SOD1 divokého typu i mutace v SOD1 jsou spojeny s několika NDD souvisejícími s věkem [11,215,216].

Několik klinických studií se zaměřuje na SOD1 divokého typu nebo mutantní SOD1, aby se zabránilo agregaci a chybnému skládání v NDD, a antisense oligonukleotid je nyní ve fázi III klinické studie (NCT02623699).

Malá molekula, Arimoclomol, která podporuje správné skládání SOD1 v endoplazmatickém retikulu (ER) [11], je ve fázi III studie (NCT03491462). Zda cílení opravy DNA nebo DDR mohou být vyvinuty do terapeutických možností proti NDD, zůstává otázkou. objasněno.

Avšak vznik aktivace PARP1 pomocí SSBas, což je běžný nález u NDD, a dostupnost inhibitorů PARP1 naznačují, že by to mohla být cesta, kterou by se mělo pokračovat. Přímé zacílení PARP1 však přináší rizika škodlivých účinků na jiné buňky a tkáňové systémy. Jedním z důsledků nadměrné aktivace PARP1 je vyčerpání buněčného NAD+, který je substrátem PARP1.

V naší předchozí práci jsme ukázali, že zvýšení hladin NAD+ je slibnou strategií ke stimulaci opravy DNA a prevenci neurodegenerace u vzácných onemocnění souvisejících s opravou DNA [140,146,184]. K dalšímu prozkoumání terapeutického potenciálu DDR lze použít mezidruhové studie, kde jsou různé modelové systémy kombinovány za účelem rekapitulace různých aspektů těchto komplexních onemocnění.

3D-organoidní modely odvozené od iPSC se objevují jako slibné modelové systémy, které dokážou zachytit složitost DDR a její přeslechy s jinými buněčnými procesy důležitými pro udržení zdraví neuronů.

Autorské příspěvky: Konceptualizace, HN a KS; metodika, SG; software, PY, TS a K.S.; validace, SG, PY, TS, HN a KS; formální analýza, SG; vyšetřování, SG; zdroje,HN a KS; zpracování dat, SG, PY, TS a KS; psaní - příprava původního návrhu, SG, PY, TS, HN a KS; psaní-recenze a editace, SG, PY, TS, HN a KS; vizualizace, SG, HN a KS; supervize, HN a KS; administrace projektů, SG, HN a KS; financeacquisition, HN Všichni autoři si přečetli a souhlasí s publikovanou verzí rukopisu.

Financování: Tento výzkum byl financován Jihovýchodním regionálním zdravotním úřadem (Projekt č. 279922 a 2017029) a Norskou výzkumnou radou (Grant č. 302483).

Prohlášení institucionální revizní komise: Neuplatňuje se.

Prohlášení o informovaném souhlasu: Neuplatňuje se.

Prohlášení o dostupnosti dat: V této studii nebyla vytvořena ani analyzována žádná nová data. Sdílení dat se na tento článek nevztahuje.

Poděkování: Děkujeme Ellen Tenstad @ScienceShaped, Carině Knudson a FranciscoJosé Naranjo Galindo za pomoc s grafickými ilustracemi a Evandro Fei Fang, Diana L. Bordin a Lisa Lirussi za kritické čtení rukopisu.

SG a PY byly financovány z grantu Jihovýchodního regionálního zdravotního úřadu (Projekt č. 279922 a 2017029) a TSG bylo financováno grantem Norské výzkumné rady (Grant č. 302483).

Střet zájmů: Potvrzujeme, že všichni autoři nejsou ve střetu zájmů ohledně tohoto rukopisu.

Reference

1. Delaney, S.; Jarem, DA; Volle, CB; Yennie, CJ Chemické a biologické důsledky oxidativně poškozeného guaninu v DNA. Volné radikály. Res. 2012, 46, 420–441. [CrossRef]

2. Sheng, Z.; Oka, S.; Tsuchimoto, D.; Abolhassani, N.; Nomaru, H.; Sakumi, K.; Yamada, H.; Nakabeppu, Y. 8-Oxoguanin způsobuje neurodegeneraci během opravy excizí DNA zprostředkované MUTYH. J. Clin. Vyšetřování. 2012, 122, 4344–4361. [CrossRef]

3. Krokan, HE; Drablos, F.; Slupphaug, G. Uracil v DNA-výskyt, důsledky a opravy. Oncogene 2002, 21, 8935–8948.[CrossRef]

4. Lindahl, T.; Nyberg, B. Rychlost depurinace nativní deoxyribonukleové kyseliny. Biochemistry 1972, 11, 3610–3618. [CrossRef]

5. Chin-Chan, M.; Navarro-Yepes, J.; Quintanilla-Vega, B. Environmentální polutanty jako rizikové faktory neurodegenerativních poruch: Alzheimerova a Parkinsonova choroba. Přední. Cell Neurosci. 2015, 9, 124. [CrossRef]

6. Ramachandiran, S.; Hansen, JM; Jones, DP; Richardson, JR; Miller, GW Divergentní mechanismy toxicity paraquatu, MPP+ a androtenonu: Oxidace thioredoxinu a aktivace kaspázy-3. Toxicol. Sci. 2007, 95, 163–171. [CrossRef]

7. Hou, Y.; Dan, X.; Babbar, M.; Wei, Y.; Hasselbalch, SG; Croteau, DL; Bohr, VA Stárnutí jako rizikový faktor pro neurodegenerativní onemocnění. Nat. Rev. Neurol. 2019, 15, 565–581. [CrossRef] [PubMed]

8. Wyss-Coray, T. Stárnutí, neurodegenerace a omlazení mozku. Příroda 2016, 539, 180–186. [CrossRef] [PubMed]

9. Lopez-Otin, C.; Blasco, MA; Partridge, L.; Serrano, M.; Kroemer, G. Charakteristické znaky stárnutí. Cell 2013, 153, 1194–1217. [CrossRef][PubMed]

10. Tesák, EF; Scheibye-Knudsen, M.; Chua, KF; Mattson, poslanec; Croteau, DL; Bohr, VA Poškození jaderné DNA signalizující tomitochondrie při stárnutí. Nat. Mol. Cell Biol. 2016, 17, 308–321. [CrossRef]

11. Trist, BG; Davies, KM; Cottam, V.; Genoud, S.; Ortega, R.; Roudeau, S.; Carmona, A.; De Silva, K.; Wasinger, V.; Lewis, SJG; a kol. Proteinopatie superoxiddismutázy 1 podobná amyotrofické laterální skleróze je spojena se ztrátou neuronů v mozku s Parkinsonovou chorobou. Acta Neuropathol. 2017, 134, 113–127. [CrossRef]

12. Rulten, SL; Caldecott, KW oprava přerušení řetězce DNA a neurodegenerace. Oprava DNA 2013, 12, 558–567. [CrossRef]

For more information:1950477648nn@gmail.com