Expozice výfukových plynů vznětových motorů mění vyjádření sítí zapojených do neurodegenerace v mozku zebrafish, část 3
Mar 04, 2024
Výsledky proteomického srovnání odhalily upregulaci (nadměrné zastoupení) ACTG2 (aktin,gama 2), CAT (kataláza), GSR (glutathion-disulfidereduktáza), GST (glutathion S-transferáza), HMOX1 (hemoxygenáza 1) a PRDX1 (peroxiredoxin 1), stejně jako downregulaci enzymu konjugujícího ubikvitin ubcM2, RAP1A (RAP1A, člen rodiny RASoncogene), UBE2E3 (enzym konjugující ubikvitin E2 E3) a ACTA1 (aktin, alfa 1).
Proteomika je rozsáhlá vědecká technologie, která studuje typy, struktury, množství a funkce proteinů v organismech. V posledních letech stále více studií ukazuje, že proteomika úzce souvisí s pamětí.
Vědci zjistili, že proteiny v mozku mohou ovlivnit signalizaci mezi neurony, a tím ovlivnit kognitivní aktivity, jako je učení a paměť. Například většina proteinových molekul potřebných pro procesy kódování paměti a ukládání je syntetizována na synapsích. Tyto proteinové molekuly se nejen přímo podílejí na vedení a transdukci nervových signálů, ale mohou také ovlivňovat synaptická spojení a jejich stabilitu mezi neurony, čímž ovlivňují tvorbu a konsolidaci paměti.
Výzkum také zjistil, že některé proteiny hrají klíčovou roli v procesu paměti. Například proteinkináza CaMKII v neuronech reguluje sílu a stabilitu synaptických spojení a hraje důležitou roli v učení a paměti. Dalším důležitým proteinem je BDNF, který může podporovat růst neuronů, synaptické posilování a přežití neuronů, čímž zvyšuje konsolidaci a udržování paměti.
Některé studie navíc zjistily, že fyzické zdraví a strava mají také významný vliv na proteomiku a paměť. Dostatečný spánek, vhodné cvičení a dieta s nízkým obsahem tuku a vysokým obsahem bílkovin mohou podpořit syntézu a opravu bílkovin, což je prospěšné pro zlepšení paměti a kognitivních schopností.
Stručně řečeno, proteomika a paměť spolu úzce souvisí. Vědci studující biologické vědy stále častěji objevují, jak modulovat proteom, aby se zlepšila paměť a zabránilo léčbě kognitivních poruch, jako je Alzheimerova choroba. Proto bychom měli věnovat pozornost výsledkům vědeckého výzkumu a udržovat správné stravovací, životní a pohybové návyky, abychom si udrželi zdravý, silný mozek a měli lepší paměť. Je vidět, že potřebujeme zlepšit paměť a Cistanche deserticola dokáže výrazně zlepšit paměť, protože Cistanche deserticola dokáže regulovat i rovnováhu neurotransmiterů, jako je zvýšení hladiny acetylcholinu a růstových faktorů. Tyto látky jsou velmi důležité pro paměť a učení. Kromě toho může Cistanche deserticola také zlepšit průtok krve a podporovat dodávku kyslíku, což může zajistit, že mozek dostává dostatek živin a energie, a tím zlepšuje mozkovou vitalitu a vytrvalost.
Klikněte na 10 způsobů, jak zlepšit paměť
Mezi nimi může downregulace ubcM2, inhibitoru Nrf2, vést k vyšší aktivitě této dráhy. Vzhledem k tomu, že různé složky cytoskeletu (ACTG2 aACTA1) se chovají odlišně a vzhledem k nedostatku signifikantní rozdílné exprese v Nrf2 nebo Keap1, lze dojít k závěru, že expozice DEPemu může indukovat přeuspořádání cytoskeletu (ve prospěch translokace Nrf2 do jádra) a aktivaci Dráha Nrf2 nepřímo prostřednictvím stimulů oxidativního stresu (obr. 4).
Tato zjištění jsou dobře podpořena naší transkriptomickou analýzou, která ukazuje upregulaci PRDX, GSR a GST (downstream geny). Analýza transkriptomu však dále podrobně popsala, že c-Fos a FRA1 (dva inhibitory jaderného Nrf2) jsou významně downregulovány, a proto umožňují vyšší aktivitu Nrf2 během léčby DEPe.
Zrání fagosomů
Zrání fagosomů usnadňuje transport internalizovaných částic směrem k řadě stále více okyselených subcelulárních struktur vázaných na membránu, což vede k degradaci částic. Po utěsnění odštěpení z povrchové membrány fagozom fúzoval s ranými endozomy, pozdními endozomy a lysozomy doprovázenými významnými acidifikačními změnami v jeho složení, které jej převedly na oxidační a degradační prostředí.
K pohybu fagosomů dochází na základě vazby cytoskeletálního proteinu (mikrotubuly), což vede k fúzi endozomů a lysozomů postupně dynamickým způsobem (Gotthardt et al. 2002). Během zrání GTPáza Rab5 řídí fúzi časných endozomů prostřednictvím interakce s několika molekulami, včetně raného endozomového antigenu 1 (EEA1), komplexu VPSS34 a proteinů SNARE.
Navíc k okyselení dochází současně prostřednictvím vATPázy (vakuolární protonová pumpa), která přemisťuje H+ přes membránu a dále okyseluje lumen (Desjardins et al. 1994).
Ačkoli nebylo zjištěno žádné významné zapojení této dráhy na transkriptomické úrovni, naše proteomická analýza ukazuje downregulaci ATP6V1A (ATPáza H+transportující V1 podjednotka A), ATP6V1E1,ATP1B2B, ATP1B3A, ATP6V1F, DYNLRB1 (dynein typ 1 lehkého řetězce roadblock), TUBA1C (tubulin alfa 1c), TUBB2A, TUBB4A a VAMP2 (membránový protein asociovaný s vezikuly 2), které naznačují, že léčba DEPe může vést k aktivitě zrání nižších fagozomů nebo ke změně lysozomálního pH (obr. 4). To je v souladu s naší nedávnou zprávou, že expozice DEPe má za následek nižší neuronální autofagický fux a naznačuje mechanismus, který je základem neuronální toxicity znečištění ovzduší (Barnhill et al. 2020).
Zpracování amyloidu
Amyloidní plaky jsou charakteristickým znakem neuropatologických mozkových lézí u AD a PD s demencí. Tyto struktury jsou složeny z A-beta peptidu, který je zásadní pro patofyziologii AD (SadighEteghad et al. 2015).
Amyloid beta je zpracováván komplexem gama-sekretázy (Presenilin1/2) a beta-sekretázy (BACE1) z transmembránového proteinu typu 1-amyloidního proteinu (APP). Je známo, že abnormální přísun Ca2+ vede k aberantní aktivaci Calpainu, který hraje roli ve fosforylaci proteinu Tauvia spojeného s mikrotubuly v dráze CDK5.
Kromě toho oxidativní stres spojený s akumulací A-beta přispívá k aktivaci několika kináz, včetně MAP kináz, což vede k fosforylaci tau. Patologická hyperfosforylace tau má zásadní roli v destabilizaci mikrotubulů (Sadigh-Eteghad et al. 2015 ). Tyto změny jsou zvláště důležité pro patogenezi AD a PD a mohly by být faktorem přispívajícím k tomu, jak znečištění ovzduší zvyšuje riziko.
Naše expresní analýzy naznačují destabilizující dopad DEPe na regulátory zpracování amyloidu, protože tři regulátory včetně CAPNS1 (malá podjednotka 1 calpainu), MARK1 (kináza 1 regulující afinitu mikrotubulů) a PRKAR1B (regulační podjednotka beta typu I závislá na protein kinasecAMP) byly sníženy na hladina bílkovin (obr. 4).
Mitochondriální dysfunkce
Jako hlavní spotřebitelé kyslíku v buňce obsahují mitochondrie množství redoxních přenašečů pro přenos elektronů na kyslík, což vede k tvorbě reaktivních forem kyslíku (ROS).
Tyto organely obsahují antioxidační obranný systém, který detoxikuje ROS a zabraňuje oxidativnímu poškození jiných buněčných složek. Expozice DEPe vedla ke změnám v expresi klíčových proteinů, které pravděpodobně vedly k mitochondriální dysfunkci. Jak je znázorněno na obr. 4, došlo k významnému poklesu proteinové hladiny ATP syntázy (ATP5F1D, ATP5mea), cytochrom c oxidázy (COX7A2), NADH dehydrogenázy (NDUFA10, NDUFS8), 2-oxoglutarátdehydrogenázy (OGDH), a cytochrom b-c1 komplexní podjednotka 2 (UQCRC2), které hrají klíčovou roli v transportu elektronů.
To by mohlo změnit produkci ATP a také přímo vést ke zvýšené produkci ROS a toxicitě. Bylo navrženo, že mitochondriální dysfunkce přispívá k patogenezi AD a PD a stejně jako u některých výše uvedených cest může znečištění ovzduší měnit riziko narušením funkce této kritické organely.
Signalizace axonálního vedení
Tvorba neuronových spojení vyžaduje prodloužení axonů, které migrují směrem k jejich synaptickým cílům. Na náběžné hraně axonu obsahuje axonální růstový kužel receptory se schopností snímat atraktivní a odpudivé vodicí podněty, které jsou nutné pro navigaci axonu.
Kromě BMP, Shh a Wnt (které byly nedávno zapojeny do axonálního vedení) existují alespoň čtyři hlavní skupiny vodících vodítek: (i) Netriny a DCC/UNC-5 receptory; (ii) plexinové, semaforinové a neuropilinové receptory; (iii) štěrbiny a Robo receptory; a (iv) Efriny a Eph receptory. Tyto proteiny mohou být buď secernovány a asociovány s extracelulární matricí (štěrbiny, netriny a některé semaforiny), nebo mohou být ukotveny na povrchu buňky (Efriny a některé další semaforiny) (Stoeckli 2018). Léčba pomocí DEPe ovlivňuje několik aspektů axonálního vedení.
Na úrovni proteinu bylo během léčby změněno několik důležitých faktorů a regulátorů. Nadměrné zastoupení PLXNB2 (plexin B2) a nedostatečné zastoupení několika proteinů včetně ARHGEF11 (Rho guanin nukleotidový výměnný faktor 11), CHMP1A (nabitý multivezikulární tělní protein 1A), COPS5 (COP9 signálosomová podjednotka 5), GNAT1 (podjednotka G proteinu 2 podjednotky GNAT2 (podjednotka G proteinu alfa transducin 2), GNB5 (podjednotka G proteinu beta 5), MYL1 (lehký řetězec myosinu 1), MYL2 (lehký řetězec myosinu2), NCK1 (adaptor protein 1), PLXNA1 (plexin A1), PRKAR1B (proteinkináza cAMP-dependentní regulační podjednotka typu I beta), RAC3 (Rac rodina malá GTPáza 3), RAP1A (člen onkogenové rodiny RAS), SHANK2 (SH3 a mnohočetné ankyrinové repetitivní domény 2), TUBA1C (tubulin alfa 1c), TUBB2A (tubulin beta 2A třída IIa ) a TUBB4A (tubulinbeta 4A třída Iva) naznačují významné zhoršení vedení axonů ve vyvíjejícím se embryu (doplňková tabulka 5).
Je zajímavé, že axonální naváděcí dráha nebyla významně ovlivněna na transkriptomické úrovni, což naznačuje, že zapojení této dráhy může být následným výsledkem, kterým byly degradovány některé efektorové/regulační proteiny.
Změny v axonálních vodicích drahách zde popsané mohou odrážet neurotoxické dráhy relevantní pro AD a PD nebo jednoduše odrážet interferenci neurálního vývoje ve vyvíjejících se embryích. Analýza profilů exprese u dospělých osob vystavených DEPe by pomohla vyřešit tuto otázku.
Jiné cesty
Naše proteomické a transkriptomické analýzy také prokázaly zapojení několika drah a metabolických cest včetně degradace melatoninu, cirkadiánního rytmu, signalizace spojení Sertoliho buňka-Sertoliho buňka, signalizace spojení epiteliálních adherentů, metabolismu hormonů štítné žlázy II (prostřednictvím konjugace a/nebo degradace), signalizace RhoA, inosinu -5′-biosyntéza fosfátu II, signální dráha GP6, signální dráha RhoGDI, dráha aktivace vnějšího protrombinu a koagulační systém. Mnohé z těchto změn by mohly odrážet změny způsobené přerušením vývoje.
Například proteomické i transkriptomické analýzy odhalily, že fototransdukční dráha má největší změny v expresi po léčbě DEPe. Jak je uvedeno v doplňkové tabulce 5, několik genů, včetně Opsin, GRK, S-arestin, Transducin-, Transducin-, PDC a GUCA, má oslabenou úroveň transkripce v důsledku expozice DEPe. Vzhledem k nedostatku důkazů o indukci jakéhokoli prvku v této dráze se zdá, že léčba DEPe poškozuje vývoj zrakového systému. To je v souladu s naším pozorováním, že oči se po ošetření nikdy plně nevyvinuly a jsou malé.
Funkční hodnocení
V této zprávě byla významná upregulace cytochromu P450 (Cyp1A) nejvýznamnějším účinkem expozice DEPe. Cyp1A metabolizuje mnoho endogenních a exogenních sloučenin a zvýšená exprese v mozku může chránit před toxicitou nebo k ní přispívat. Abychom lépe porozuměli úloze Cyp1A v toxicitě DEPe, použili jsme CRISPR/Cas9 k vytvoření modelu knockdown Cyp1A. Vzhledem k tomu, že postup úpravy genu u zebřičky je pravděpodobně částečným procesem, jehož výsledkem jsou mozaiková embrya, používáme termín „knockdown“ (KD) místo „knockout“. Pomocí sekvenčně specifické vodicí RNA jsme převedli první místo CCA PAM na TGA (stop) kodonin prvního exonu Cyp1A. Necílová vodicí RNA byla alternativně použita jako řízení scramble (SC).
Celková RNA byla poté izolována z hlav až 20 KD a SC embryí (5 pdf) a účinnost knockdownu byla ověřena analýzou qPCR. Podobně jako to, co bylo pozorováno ve studii RNA-Seq s vysokou propustností, tento experiment prokázal ostrou indukci (30,{4}}násobek základní linie) Cyp1A po léčbě DEP v SC embryích, zatímco KD embryo takové zvýšení exprese zpomalilo ( Obr. 5a).
Přežití šesti skupin embryí během 7-denního kurzu (n Větší nebo rovno 40) je znázorněno na Obr. 5b. Stručně řečeno, u 7pdf bylo průměrné přežití 89,1 %, 74,4 %, 79,4 %, 68,5 %, 48,8 % a 7,6 % pro WT/DMSO, WT/DEPe, SC/DMSO, SC/DEPe, KD/DMSO a KD/DEPe, resp. KD Cyp1A tedy vedla ke snížení přežití, ale byla dramaticky snížena u ryb ošetřených DEPe ve srovnání s kontrolami.
Kromě toho KD také vedla k významně vyšší míře morfologických malformací (obr. 5c). Zdá se tedy, že indukce exprese Cyp1A pomocí DEPe je ochranným kompenzačním mechanismem. Významným omezením našich zjištění je, že jsme měřili indukci exprese Cyp1A v mozcích zebrafish, ale KDexperiments snížily expresi v celém embryu.
Význam a důsledky pro neurodegenerativní onemocnění
Je známo, že znečištění ovzduší negativně ovlivňuje kvalitu života a hraje důležitou roli při rozvoji nemocí lidí a zvířat. Použitím vysoce výkonných expresních analýz jsme ukázali, že ošetření DEPe změnilo několik biologických procesů a signálních drah v hlavách embryí zebřiček. Změny ve tvorbě fagozomů, zpracování amyloidu a mitochondriální funkce jsou zvláště důležité pro neurodegeneraci.
Naše výsledky překvapivě nenaznačily žádné jasné zapojení zánětu, o kterém se předpokládá, že hraje důležitou roli v toxicitě znečištění ovzduší. Je to pravděpodobně proto, že jsme měřili výraz pouze v hlavách 5-denních zebřiček, nikoli v celém těle. Tyto studie měly za cíl určit, jak je mozek ovlivněn vystavením DEPe.
Mozek sice obsahuje mikroglie, které jsou pravděpodobně aktivovány DEPe, ale tvoří tak malý zlomek buněk v mozku, že jakékoli změny mohou být nedetekovatelné. Kromě toho mikroglie nejsou přítomny a fungují v mozku vyvíjejících se larev až do 3–5 pdf. Z tohoto důvodu nemusí být časná expozice tím nejdůležitějším pro studium zánětlivých reakcí. Indukce metabolismu xenobiotik je také pravděpodobně relevantní jako kompenzační nebo ochranná reakce na znečištění ovzduší.
Náš model Cyp1AKD potvrdil ochrannou roli této cesty a představuje vynikající příklad toho, jak mohou studie exprese poskytnout důležitá vodítka k určení mechanismů toxických látek, jako je znečištění ovzduší. Není známo, zda polymorfismy v genu Cyp1A mění riziko AD nebo PD u lidí vystavených znečištění ovzduší, ale tyto výsledky naznačují potenciální interakci gen-prostředí a zaslouží si další zkoumání.
Jednou z důležitých otázek, které je třeba řešit, je význam vystavení DEPe znečištění ovzduší. DEPe je nejběžnější směs používaná ve výzkumu znečištění ovzduší pro buněčnou kulturu a další modely, které nejsou přístupné inhalačním komorám. Dichlormethanové extrakty DEP obsahují hydrofobní části, jako jsou PAH, které s největší pravděpodobností vstoupí do krevního řečiště a bioakumulují se v mozku. Nedávná studie stanovila koncentraci několika PAH v lidských pitevních mozcích a zjistila, že obsahují koncentrace PAH velmi podobné těm, které byly použity ve studiích zde prezentovaných (Pastor-Beldaet al. 2019). Expozice mozkům zebřiček je tedy velmi relevantní, protože obsahují PAH a další části, u kterých bylo pozorováno, že se bioakumulují v lidském mozku.
Poděkování Děkujeme následujícím agenturám za financování této práce: The Levine Foundation (JMB), granty od National Institute of Environmental Health Sciences, NIEHST32ES015457 (LMB, SK) a The Parkinson's Alliance (JMB).
Autorský příspěvek Koncepce a design studie (MSJ, LMB, JMB); Získávání dat (MSJ, HM, LMB, SL): Analýza a interpretace dat (MSJ, LMB, JMB); Návrh článku nebo jeho kritická revize pro důležitý intelektuální obsah (MSJ, HM, LMB, JMB).
Financování Tyto studie byly podpořeny nadací The Levine Foundation (JMB), granty od National Institute of Environmental Health Sciences, NIEHS T32ES015457 (LMB, SK) a The Parkinson's Alliance (JMB).
Dostupnost dat Všechna data jsou dostupná v našich doplňkových souborech.
Prohlášení
Etické schválení Všechny pokusy na zvířatech byly schváleny Výborem pro výzkum zvířat UCLA.
Souhlas se zveřejněním Všichni autoři schvalují tento příspěvek k publikaci.
Konkurenční zájmy Autoři neuvádějí žádné konkurenční zájmy.
Otevřený přístup Tento článek je licencován podle Creative Commons Attribution 4.0 Mezinárodní licence, která povoluje použití, sdílení, adaptaci, distribuci a reprodukci v jakémkoli médiu nebo formátu, pokud uvedete příslušné jméno původního autora (autorů) a zdroj, uveďte odkaz na licenci Creative Commons a uveďte, zda byly provedeny změny.
Obrázky nebo jiný materiál třetích stran v tomto článku jsou zahrnuty do licence Creative Commons k článku, pokud není v kreditním limitu k materiálu uvedeno jinak. Pokud materiál není zahrnut v držiteli licence Creative Commons k článku a vaše zamýšlené použití není povoleno zákonnými předpisy nebo překračuje povolené použití, budete muset získat povolení přímo od držitele autorských práv. Chcete-li zobrazit kopii této licence.
Reference
Ahmadinejad F, Møller, SG Hashemzadeh-Chaleshtori M, BidkhoriG, Jami MS. Molekulární mechanismy za lapači volných radikálů fungují proti oxidativnímu stresu Antioxidanty 2017;6https://doi.org/10.3390/antiox6030051
Barnhill LM, Khuansuwan S, Juarez D, Murata H, AraujoJA, Bronstein JM. 2020. Expozice extraktu z naftových výfukových plynů vyvolává neuronální toxicitu narušením autofagie. Toxicol Sci; https://doi.org/10.1093/toxsci/kfaa055. Dostupné: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/32298450 [Přístup 1. května 2020].
Bostancıklıoğlu M. Aktualizace interakcí mezi Alzheimerovou chorobou, autofagií a zánětem. Gen.2019;705:157–66. https://doi.org/10.1016/j.gene.2019.04.040.
Calderón-Garcidueñas L, Maronpot RR, Torres-Jardon R, Henriquez-Roldán C, Schoonhoven R, Acuña-Ayala H a kol. Poškození DNA v nosních a mozkových tkáních psů vystavených látkám znečišťujícím ovzduší je spojeno s projevy chronického zánětu mozku a neurodegenerace. Toxicol Pathol. 2003;31:524–38. https://doi.org/10.1080/01926230390226645.
Calderón-Garcidueñas L, Mora-Tiscareño A, Ontiveros E, Gómez-Garza G, Barragán-Mejía G, Broadway J a kol. Znečištění ovzduší, kognitivní deficity a mozkové abnormality: pilotní studie s dětmi a psy. Brain Cogn.2008a;68:117–27. https://doi.org/10.1016/j.bandc.2008.04.008.
Calderón-Garcidueñas L, Reed W, Maronpot RR, HenríquezRoldán C, Delgado-Chavez R, Calderón-Garcidueñas A a kol. Zánět mozku a patologie podobná Alzheimerově chorobě u jedinců vystavených silnému znečištění ovzduší. Toxicol Pathol. 2004;32:650–8. https://doi.org/10.1080/01926230490520232.
Calderón-Garcidueñas L, Solt AC, Henríquez-Roldán C, TorresJardón R, Nuse B, Herritt L a kol. Dlouhodobá expozice znečištěnému ovzduší je spojena se zánětem nervů, změněnou imunitní reakcí, narušením hematoencefalické bariéry, ukládáním ultrajemných částic a akumulací amyloidu -42 a -synukleinu u dětí a mladých dospělých. Toxicol Pathol. 2008b;36:289–310. https://doi.org/10.1177/0192623307313011.
Calderón-Garcidueñas L, Villarreal-Calderon R, ValenciaSalazar G, Henríquez-Roldán C, Gutiérrez-Castrellón P, Coria-Jiménez R a kol. Systémový zánět, endoteliální dysfunkce a aktivace u klinicky zdravých dětí vystavených látkám znečišťujícím ovzduší. Inhal Toxicol. 2008c;20:499–506. https://doi.org/10.1080/08958370701864797.
For more information:1950477648nn@gmail.com
