Pohledy do patogeneze neurodegenerativních chorob: Zaměření na mitochondriální dysfunkci a oxidační stres, část 1

Abstrakt: Se stárnutím populace se zvyšuje výskyt neurodegenerativních onemocnění. Díky intenzivnímu výzkumu byly učiněny důležité kroky v objasnění patogenetických kaskád, které významně ovlivňují mitochondriální dysfunkci a oxidační stres.

S neustálým zlepšováním moderní medicíny a životní úrovně se průměrná délka života lidí prodlužuje a prodlužuje, což také znamená, že stárnutí populace je stále vážnější. Přestože senioři musí čelit mnoha zdravotním a životním problémům, ztráta paměti nemusí být nutně jedním z těchto problémů.

Ve skutečnosti existuje mnoho starších lidí s vynikající pamětí. Mohou nejen udržovat svůj každodenní život, ale také využívat své životní zkušenosti k řešení problémů. Pokud jde o pokles paměti, mnoho lidí si myslí, že je to způsobeno věkem, ale ve skutečnosti je to jen mylná představa.

Studie ukázaly, že sh nemá přímou souvislost se ztrátou a stárnutím populace. Ať už jsme mladí nebo staří, náš mozek má schopnost se sám opravovat, pokud pravidelně trénujeme, můžeme zlepšit naši paměť. Pokles paměti starších lidí je způsoben spíše tím, že jejich mozek není plně procvičován, což vede k poklesu mozku.

Můžeme přijmout určitá opatření k posílení naší paměti, jako je procvičování mozku prostřednictvím různých činností, jako je čtení, psaní, malování, cestování a socializace. Kromě toho můžeme také věnovat pozornost stravovacím návykům a životnímu stylu, jako je udržování dobré kvality spánku, vyvážená strava a vyhýbání se nezdravému chování, jako je kouření nebo pití.

Proto bychom neměli zdůrazňovat pokles paměti kvůli stárnutí populace, ale měli bychom být aktivnější ve cvičení a udržování mozku. Zlepšením paměti můžeme chránit své zdraví a svobodný život. Je vidět, že potřebujeme zlepšit paměť a Cistanche dokáže výrazně zlepšit paměť, protože Cistanche je tradiční čínský léčivý materiál s mnoha unikátními účinky, jedním z nich je zlepšení paměti. Účinek Cistanche pochází z různých účinných látek, které obsahuje, včetně kyseliny tříslové, polysacharidů, flavonoidních glykosidů atd. Tyto složky mohou různými způsoby podporovat zdraví mozku.

Klikněte na 10 způsobů, jak zlepšit paměť

Dostupná léčba Alzheimerovy choroby, Parkinsonovy choroby a amyotrofické laterální sklerózy je však převážně symptomatická, poskytuje menší výhody a nanejvýš zpomaluje progresi onemocnění.

Ačkoli v preklinickém prostředí léky zaměřené na mitochondriální dysfunkci a oxidační stres přinesly povzbudivé výsledky, klinické studie selhaly nebo měly neprůkazné výsledky. Je pravděpodobné, že v době klinické diagnózy jsou patogenetické kaskády plně rozvinuté a významný počet neuronů již degeneroval, takže molekulám cíleným na mitochondrie nebo antioxidačním molekulám je nemožné tento proces zastavit nebo zvrátit.

Dokud nebudou další výzkumy poskytovat účinnější molekuly, může zdravý životní styl s dostatkem dietních antioxidantů a vyhýbání se exogenním oxidantům oddálit nástup neurodegenerace, zatímco rodinné případy mohou mít prospěch z genetického testování a agresivní terapie zahájené v preklinickém stadiu.

Klíčová slova: mitochondriální dysfunkce; oxidační stres; antioxidanty; Alzheimerova choroba; Parkinsonova nemoc; amyotrofická laterální skleróza.

1. Úvod

Stárnutí je spojeno s řadou fyziologických deficitů a různého stupně kognitivních poruch a je také hlavním rizikovým faktorem pro neurodegenerativní onemocnění, jako je Alzheimerova choroba (AD), Parkinsonova choroba (PD) nebo amyotrofická laterální skleróza (ALS) [1].

Z obrovského množství výzkumů zaměřených na odhalení mechanismů stárnutí a neurodegenerace vzešlo několik kousků skládačky, ale k pochopení celého obrazu máme ještě dlouhou cestu. Zdá se však, že oxidativní poškození vyvolané volnými radikály a mitochondriální dysfunkce hrají hlavní roli v obou procesech.

2. Normální stárnutí

Ke stárnutí mozku dochází na molekulární, buněčné a histologické úrovni [2]. Spojuje pomalejší úrovně neuronální metabolické aktivity, jemné změny v neuronální struktuře v několika neuronových okruzích, stejně jako synaptickou atrofii, cytoskeletální abnormality, akumulaci fluorescenčních pigmentů a reaktivních astrocytů a mikroglií [3,4].

Výzkumy poukazují na hypotalamus jako na spouštění a řízení postupného poklesu energetického metabolismu celého těla [5,6]. Prostřednictvím sekrece neurohormonů, spojení s endokrinním systémem a projekcí orexinergního jádra do retikulárního aktivačního systému [5] reguluje hypotalamus hladinu stresu, metabolismus, spánek a ovlivňuje subjektivně vnímanou kvalitu života a navazování sociálních vztahů [5]. 7–9].

Degenerace suprachiasmatického jádra může navíc přispívat k poruchám cirkadianrytmu a poruchám spánku [10–12]. Omezení spánku může způsobit hromadění neuronálních toxických odpadních produktů a omezení neurogeneze ve stárnoucím mozku, čímž se zažehne začarovaný kruh, který zesílí neurodegenerativní proces [13].

Další faktory přispívají ke snížení metabolismu mozkových buněk. Cerebrální metabolismus se opírá především o stálý přísun glukózy a kyslíku krevním tokem a v omezené míře i o laktát [14].

Neuronální vychytávání glukózy je zprostředkováno glukózovými transportéry (GLUTs), načež je pomocí hexokinázy přeměněna na glukózo-6-fosfát (G6P). Dostupnost ATP jako taková, v závislosti na dodávce kyslíku a mitochondriální oxidativní fosforylaci (OXPHOS), interferuje s vychytáváním glukózy [5,15]. OXPHOS produkuje podstatně vyšší množství ATP ve srovnání s glykolýzou [16,17].

Ve stárnutí může být snížený metabolismus způsoben mitochondriální dysfunkcí a sníženou syntézou ATP, stejně jako vaskulárními změnami, které vedou k omezenému přísunu kyslíku.

Vysoký buněčný energetický výdej v nervovém systému používaný pro synaptický přenos (kolem 80 % energetické spotřeby mozku) [18,19], synaptogenezi a synaptické prořezávání [18,20] spojuje vysokou rychlost tvorby reaktivního kyslíku. druhů především elektrony uniklými z mitochondriálního elektronového transportního řetězce (ETC).

Nadměrná tvorba volných radikálů nemůže být neutralizována antioxidační obranou a vede k oxidativnímu stresu, který se podílí na stárnutí od 50. let 20. století, kdy Harman navrhl, že volnými radikály indukované poškození biomolekul, jako jsou proteiny, lipidy a DNA, způsobuje redukci jejich biochemických a fyziologické funkce při stárnutí [21].

Výzkum skutečně prokázal změněné složení fosfolipidů v mozcích starých lidí a zvířat spolu se zvýšenou tvorbou malondialdehydu (marker peroxidace lipidů), který tvoří depozita spojená s intraneuronálním lipofuscinem [22], a zvýšenými karbonylovými zbytky (marker oxidace proteinů) [ 23].

Navíc stárnutí snižuje antioxidační obranné systémy, jako je astrocytární glutathionový systém [24], který dále potencuje oxidační stres [2]. Mitochondrie procházejí řadou změn souvisejících s věkem, jako je fragmentace nebo zvětšení [25], zvýšená mitochondriální DNA (mtDNA ) oxidační poškození [26], dysfunkce dýchacího řetězce [27] a homeostázy vápníku [28].

Tyto změny sdružují snížení intracelulárních hladin NAD+, což narušuje funkci enzymů závislých na NA, jako jsou sirtuiny (SIRT) a histondeacetylázy [29,30]. Sirtuiny jsou vysoce evolučně konzervované enzymy, které se podílejí na regulaci délky života a stárnutí v různých organismech, od kvasinek po savce [31].

U savců jsou SIRT 3, 4 a 5 lokalizovány v mitochondriích, SIRT 2 v cytosolu a SIRT 1, 6 a 7 jsou lokalizovány v jádře [32]. Výzkum ukázal, že SIRT 1, hlavně v hypotalamu, je klíčovým hráčem při kontrole stárnutí a dlouhověkosti v savčích organismech [33,34].

Zkrácení telomer, které podporují stabilitu chromozomů během replikace buněk [35], bylo zpočátku přehlíženo jako důležité pro mozek, protože neurony jsou v podstatě postmitotické buňky, které se již nereplikují.

Tento názor však byl zpochybněn prokázáním aktivity buněčného cyklu u 10–20 % neuronů v kůře zdravých stárnoucích mozků a AD [36,37] a také přítomností nervových kmenových buněk v subventrikulárních a subgranulárních zónách. choroidální plexy a meningy [38]. Gliové buňky (zejména mikroglie) se navíc aktivně replikují, telomery se po každé buněčné replikaci postupně zkracují [39].

Stárnutí také indukuje zánětlivý fenotyp, během kterého v reakci na mutace a poškození DNA iniciuje nukleární faktor-κB (NF-κB) transkripci tumornecrosis faktoru- (TNF- ) a různých zánětlivých interleukinů (IL-1 , IL -6, IL-8) [40].

ROS mají v tomto procesu klíčovou roli, protože fosforylují a degradují IκB, který se váže a inaktivuje NF-κB [41]. Nízká množství ROS iniciují signální kaskády pro přežití, aktivovaný NF-κB potlačuje c-Jun N-terminální kinázy (JNK) a apoptózu a upreguluje antioxidační a antiapoptotické geny, jako je mangan superoxidedismutáza (MnSOD) [42].

Vysoké koncentrace ROS však aktivují NF-KB prostřednictvím proteinkináz a iniciují signální dráhy buněčného stresu. Poškozené neurony mění iontovou rovnováhu v intersticiálním prostoru a vedou k uvolňování cytokinů, čímž dochází k aktivaci mikroglie [43,44].

Ačkoli TNF- hraje důležitou roli v učení a synaptické plasticitě [45], nadměrná aktivace mikroglií způsobí degeneraci synapsí a funkční poruchy, charakteristické pro stárnutí a neurodegeneraci [46].

Kromě toho zánětlivé reakce indukují další transkripční faktory, jako je signální přenašeč a aktivátor transkripce (STAT-1) a receptor-gama aktivovaný peroxisomovým proliferátorem (PPAR), který hraje důležitou roli v mitochondriální biogenezi [47] .

Jako takový může sekreční fenotyp spojený se stárnutím (SASP), zejména v astrocytech, spustit neurodegenerativní onemocnění související s několika věkem [48].

3. Mitochondrie v mozku

Vysoká cerebrální metabolická aktivita závisí hlavně na oxidativní fosforylaci pro produkci ATP. Avšak mitochondrie vykonávají v mozku i další důležité funkce.

Konstantní signalizace vede k neustálým změnám v koncentracích cytosolického vápníku a mitochondrie ve spolupráci s endoplazmatickým retikulem mají klíčovou roli v regulaci neurotransmise pufrováním vápníku v presynaptických zakončeních a regulaci somato-dendritických hladin vápníku [49,50]. Mitochondrie navíc regulují buněčný cyklus a řídí buněčnou smrt [51].

Pro splnění těchto různých funkcí je zásadní udržení mitochondriální zdatnosti, což vyžaduje účinné mechanismy kontroly kvality [52], dosahované mitochondriální biogenezí a štěpením (separace jedné organely na dvě nebo více dceřiných organel, které jsou nezbytné pro osídlení dělících se nebo rostoucích buněk dostatečný počet mitochondrií), fúze (proces, při kterém mitochondrie sdílejí esenciální složky) a mitofágie (eliminace poškozených mitochondrií předtím, než vedou k apoptóze celé buňky) [53,54].

Kromě toho se mitochondrie musí pohybovat podél axonů, aby poskytovaly energii v celém axonu [2].

3.1. Mitochondriální respirační řetězec a produkce ROS

Mitochondrie má houbovitou vnější mitochondriální membránu (OMM), která umožňuje volný pohyb malých iontů a nenabitých molekul, a nepropustnou vnitřní mitochondriální membránu (IMM), která obaluje mitochondriální matrix.

Mezi IMM a OMM leží mezimembránový prostor [55]. Mitochondriální elektronový transportní řetězec (ETC) se skládá z několika proteinových komplexů umístěných v IMM, které využívají elektrony odstraněné redukovaným nikotinamidadenindinukleotidem (NADH) a flavinadenindinukleotidem (FADH2) z Krebsova cyklu k pumpování protonů z matrice do mezimembránového prostoru. generování potenciálního gradientu napříč IMM, který bude použit v posledním kroku OXPHOS k syntéze ATP [56].

Aby tyto komplexy správně fungovaly, musí být sestaveny pomocí složeného IMM (mitochondriální cristae) do specificky konfigurovaných struktur [57]. I za normálních podmínek uniká 1–2 % z celkového spotřebovaného kyslíku a vytváří ROS [58].

Nejméně osm mitochondriálních míst je schopno generovat ROS, přičemž hlavními přispěvateli jsou komplexy I, II a III [55,59]. Prostřednictvím peroxidace lipidů, oxidace proteinů a poškození DNA může generovaný ROS způsobit změnu mitochondriální funkce a zvýšit rychlost produkce ROS, vrcholící indegenerací neuronů [60,61].

3.2. Mitochondrie a buněčná homeostáza vápníku

Vápník se podílí na mnoha neuronálních funkcích, jako je diferenciace, uvolňování vezikul a synaptický přenos nebo buněčná smrt a přežití [62,63]. Přechodné fluktuace v cytosolickém Ca2+ působí jako druzí poslové.

Hladiny volného cytosolického Ca2+ jsou v nanomolárních rozsazích, zatímco extracelulární hladiny jsou milimolární. K influxu vápníku dochází prostřednictvím ligandem řízených nebo napěťově řízených vápníkových kanálů (VGCC), ale Ca2+ může být také uvolněn z intracelulárních zásob Ca2+, mezi nimiž má klíčovou roli endoplazmatické retikulum (ER) [64]. Vazba agonisty na inositol 1,4,5-trifosfátové (IP3) receptory nebo na ryanodinereceptory (RyRs) způsobuje uvolňování Ca2+ z ER [65].

Aby však zvýšení cytosolického Ca2+ bylo krátké, musí být vápník rychle odstraněn prostřednictvím kalciového efluxu, navázáním na Ca2+-pufrující proteiny [66] nebo vstřebáním do ER nebo mitochondrií [62]. .

Odtok Ca2+ je dosahován plazmatickou membránou Ca2+-ATPázou, která pumpuje Ca2+proti koncentračnímu gradientu při hydrolýze ATP, a výměníkem Na+/Ca2+ (NCX ), který spoléhá na gradient sodíku k vytlačování Ca2+ [67].

ER vychytávání Ca2+ je prováděno ATP-dependentním sarko-endoplazmatickým retikulem Ca2+-ATPázou (SERCA) [68], zatímco mitochondriální příjem Ca2+ je zprostředkován napěťově závislým aniontově selektivním kanálové proteiny (VDCA), které zprostředkovávají přenos Ca2+ do mezimembránového prostoru, odkud mitochondriální Ca{10}} uniporter (MCU) umístěný v IMM dále přenáší vápník do mitochondriální matrix.

Zvýšení mitochondriálního vápníku aktivuje ETC dehydrogenázy a produkci ATP [69]. Přetížení vápníkem však může změnit potenciál mitochondriální membrány, otevřít pór přechodu mitochondriální permeability (MPTP) a vést k uvolnění cytochromu c [70].

Mitochondriální koncentrace Ca2+ proto musí být jemně vyladěny.

Mitochondriální Na+/Ca{1}} výměník umístěný v IMM a nazvaný NCLX, protože je také schopen vyměnit Li+ za Ca2+, vytlačuje Ca2+ z mitochondriální matrice pomocí elektrochemického gradientu Na+[71], zatímco z mezimembránového prostoru je Ca2+ vytlačován Na+/Ca2+ výměníkem 3 a VDAC [72]. Obrázek 1 ilustruje mechanismy zahrnuté v buněčné homeostáze vápníku.

Obrázek 1. Intracelulární homeostáza vápníku. Buněčný příliv Ca2+ je zprostředkován napěťově řízenými kalciovými kanály (VGCC), ligandově řízenými kalciovými kanály (LGCC) a za výjimečných okolností reverzním fungováním výměníku sodík/vápník (NCX).

Kromě toho může být Ca2+ uvolněn z ER po vazbě inositol-1,4,5-trifosfátu (IP3) na specifické receptory (IP3R) nebo ryanodinové receptory (RyR).

IP3 je generován vazbou ligandů na plasmalemální receptory spřažené s Gproteinem, což aktivuje fosfolipázu C ke štěpení fosfatidylinositol 4,5-bifosfátu, což vede k druhému messengeru IP3.

Přebytek cytosolového vápníku je odstraněn efluxem přes NCX a plazmatickou membránu Ca2+ ATPázou (PMCA) a vychytáváním do ER Ca2+-ATPázou sarkoendoplazmatického retikula (SERCA).

Mitochondrie pufrují cytosolový vápník přes mitochondriální kalciový uniporter (MCU) a vytlačují přebytečný Ca2+ přes Na+/Ca{2}}výměnník (NCLX). Kromě toho cytosolové proteiny vázající Ca2+ (CBP) fungují jako přenašeče signálu.

Při kontrole intracelulárních koncentrací Ca{0}} interagují mitochondrie s ER prostřednictvím membrán ER spojených s mitochondriemi (MAM) [73], mikrodomény, kde je OMM jen 10–100 nanometrů od ER [74,75].

Tyto oblasti jsou obohacené ininositol 1,4,5-trifosfátovými receptory (IP3R) [76], které tvoří funkční komplexy s VDAC prostřednictvím chaperonu Grp75 (glukózou regulovaný protein 75), který patří do rodiny heatshock protein 70 [77 ].

Komplexy IP3R-Grp75-VDAC regulují přenos Ca2+ z ER do mitochondrií [74]. Apozice ER k mitochondriím je řízena fosfofurinovým acidickým cluster sorting proteinem 2 (PACS2) [78]. Snížení kontaktních míst mezi ER a mitochondriemi způsobené delecí PACS2 vede k mitochondriální fragmentaci a apoptóze [79].

PACS2 je funkčně spojen s fosfatidylserinsyntázou-1 (PSS1), enzymem umístěným v MAM, který zprostředkovává přenos lipidů mezi ER a mitochondriemi [80]. Bylo zjištěno, že PACS2 a PSS1 jsou upregulovány u AD transgenních myší, stejně jako u pacientů s AD s pozdním nástupem [74,81]. Bylo popsáno několik dalších složek MAM zapojených do vápníkové homeostázy a signálních kaskád, jako například:

- Bap31 (B buněčný receptor asociovaný protein 31), který interaguje s OMM proteinem Fis1 [82];

- VAPB (vesicle-associated membrán protein-associated protein B), který interaguje s proteinem OMM proteinem interagujícím s tyrosin fosfatázou 51 [83];

- Sig-1R (Sigma neopioidní intracelulární 1-receptor 1), chaperon, který váže Grp78; za stresových podmínek ER se Grp78 disociuje z ER lipidových raftů a aktivuje rozloženou proteinovou odpověď (UPR) [ 84,85];

- Endoplazmatická retikulum kináza podobná protein kináze (PERK), která po aktivaci snižuje syntézu proteinů, dokud se nahromaděný nesbalený protein odstraní [86].

3.3. Mitochondriální dynamika

Mitochondrie jsou dynamické organely, které jsou schopny modulovat svůj počet, tvar, velikost a polohu v cytoplazmě pečlivým vyvážením dvou opačných procesů: mitochondriální fúze a štěpení [87].

Štěpení je regulováno dvěma proteiny: Drp1 (dynamin-příbuzný/podobný protein 1) a Dnm2 (dynamin 2) [88]. Prvním krokem je obalení endoplazmatického retikula kolem mitochondrií a zmenšení jejich průměru z 300–500 nm na přibližně 150 nm [89]. Prostorová asociace replikující se mtDNA s kontaktními místy ER-mitochondrie vysvětluje distribuci mtDNA v replikujících se organelách [90].

Po tomto kroku je cytosolový protein Drp1 rekrutován do již označeného konstrikčního místa na OMM a vázán na fosfolipidovou membránu adaptorovými proteiny, jako je MFF (mitochondriální štěpný faktor) a proteiny mitochondriální dynamiky 49 a 51 (MiD49 a MiD51) [91].

Po náboru Drp1 se kolem mitochondrií vytvoří prstencová struktura [92], po níž hydrolýza GTP potencuje konstrikci mitochondriální membrány [87].

Posledním krokem je nábor Dnm2, GTPázy, která se sestaví na označeném místě a dokončí proces štěpení [93]. Konstrikce a dělení IMM je závislé na vápníku a vyskytuje se v kontaktních místech ER-mitochondrie, možná ještě před náborem Drp1 [94].

Mitochondriální fúze je opačný proces, při kterém se membrány dvou mitochondrií spojí, čímž vznikne jedna jediná mitochondrie a umožní sdílení základních složek mezi dvěma organelami.

Proces je regulován dvěma dalšími proteiny s aktivitou GTPázy, Mfn1 a Mfn2 (mitofusiny 1 a 2) pro fúzi OMM, zatímco fúze IMM je pod kontrolou jiné GTPázy, OPA1 (optická atrofie 1) [95].

Po uvázání dvou mitochondrií (zprostředkované doménami GTP) dvě sousední OMM zvětší plochu svého kontaktního povrchu a následuje jejich fúze v důsledku hydrolýzy GTP, následných konformačních změn a oligomerizace Mfns [96].

Po OMMfusion je fúze IMM zprostředkována OPA1 vloženým do IMM, který může být štěpen metaloproteázami vázanými na dvě membrány, OMA1 a YME1L, což vede ke dvěma fragmentům s vysokou molekulovou hmotností (L-OPA1) a třem kratším fragmentům (S-OPA1) [97] .

Interakce L-OPA1 s kardiolipinem vloženým do IMM je klíčová pro řízení membránové fúze [98]. Rovnováha mezi OMA1 nebo YME1L štěpením OPA1 reguluje mitochondriální štěpení [99].

Stimulace OXPHOS indukuje YME1L štěpení OPA1 a mitochondriální fúzi, zatímco štěpení OPA1 pomocí OMA1 je stresová reakce a může také vyvolat mitochondriální fragmentaci [87].

For more information:1950477648nn@gmail.com