Makroautofagie a mitofagie u neurodegenerativních poruch: Zaměření na terapeutické intervence 2. část

2. Mitofágie

Mitochondrie obsahují dvojitou membránu, složenou z vnitřní mitochondriální membrány (IMM) a vnější mitochondriální membrány (OMM), oddělených intramembránovým prostorem.

Vnitřní mitochondriální membrána je důležitou součástí buňky. Jeho hlavní funkcí je generovat energii požadovanou buňkou a řídit metabolismus celé buňky. Moderní biologické výzkumy ukazují, že vnitřní mitochondriální membrána také úzce souvisí s lidskou kognitivní schopností, zejména s pamětí.

Molekuly vnitřní mitochondriální membrány obsahují také některé složky související s kognicí a nervovým systémem, jako jsou membránové proteiny a systémy oxidativní fosforylace. Tyto složky se přímo podílejí na metabolických procesech mozkových buněk a jejich stav aktivity ovlivní normální funkci neuronů, a tím ovlivní lidskou kognici a paměť.

Kromě toho molekula zvaná mitochondriální transportér ve vnitřní mitochondriální membráně také hraje důležitou roli při ukládání a vybavování paměti. Tato molekula může pomoci neuronům přenášet chemické signály mezi synapsemi a posílit konektivitu synapsí, čímž se dosáhne dlouhodobého uložení a přesného vyvolání paměti.

Souhrnně lze říci, že spojení mezi vnitřní mitochondriální membránou a kognitivní schopností a pamětí je již dlouho vědecky ověřeno. Optimalizace metabolického stavu vnitřní mitochondriální membrány pomáhá zlepšit pracovní výkonnost mozku a zlepšuje kognitivní a paměťové schopnosti lidí. Proto můžeme podpořit zdraví vnitřní mitochondriální membrány správnou úpravou našeho jídelníčku, cvičením a udržováním dobrého postoje, a tím zlepšit naši paměť a kognitivní schopnosti. Je vidět, že potřebujeme zlepšit paměť a Cistanche dokáže výrazně zlepšit paměť, protože dokáže 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

Tato konfigurace organel je nezbytná pro udržení elektrochemického gradientu, což mitochondriím umožňuje generovat potřebné množství ATP, které mohou buňky využít [77]. Eliminace defektních mitochondrií je nezbytným mechanismem kontroly kvality pro udržení zdravého fondu mitochondrií a udržení životaschopného stavu. sítě v neuronových buňkách [78].

Tyto buňky jsou citlivější k mitochondriálním defektům kvůli jejich vysokým metabolickým nárokům, proto je selektivní eliminace dysfunkčních organel životně důležitá pro spolehlivou neurotransmisi.

Mitochondrie, které jsou nevratně poškozeny nebo přestávají být účinné, jsou eliminovány mitofágií, selektivním mechanismem, kdy specializované receptory rozpoznávají vadné mitochondrie a zprostředkovávají autofagické váčky zacílené na náklad [79]. Buňky využívají různé metody k recyklaci defektních mitochondrií, jmenovitě ubikvitin-dependentní a nezávislé dráhy.

Neuronové buňky se většinou uchylují k systému mechanismu závislého na ubikvitinu, který je řízen PTEN-indukovanou kinázou 1 (PINK1)/Parkin, aby se zachoval aktivní a dynamický fond mitochondrií.

PINK1 je amitochondriální protein, jehož akumulace v OMM působí jako senzor pro udržení mitochondriální funkce, protože signalizuje degradaci poškozených mitochondrií [80].

PINK1 vykazuje mitochondriální cílovou sekvenci, a proto je systematicky importován do IMM komplexováním s translokázami vnější membrány 20 a 40 (TOM20 a TOM40) [81], kde je štěpen intramembránovou serinovou proteázou presenilin asociovanou kosočtvercem podobným (PARL) 82] a proto se za fyziologických podmínek udržují na nízkých hladinách.

Při daném poškození se molekulární interakce mezi TOM20/40 a PINK1 sníží a PINK1 se shlukuje v OMM poškozených mitochondrií, což podporuje Parkinovu fosforylaci a její následné získávání [83].

Parkin, cytosolická E3 ubikvitin ligáza, ubikvitinuje nesčetné množství proteinů OMM, které jsou rozpoznávány receptory, jako je p62, také označovaný jako sekvestozom 1 (SQSTM1). p62/SQSTM1 je receptor vázající ubikvitin, který je zodpovědný za řízení ubikvitinovaných mitochondrií do místa sestavení autofagozomů interakcí s LC3/GABARApreceptory rodiny ATG8 [84].

Tyto receptory také rozpoznávají motivy LIR mnoha proteinů OMM pro specifické cílení poškozených mitochondrií v místě sestavování autofagozomů [85]. V neuronových buňkách je mitofagie nezávislá na ubikvitinu řízená dvěma bifunkčními proteiny, BCL2 a adenovirem E1B 19 kDa-interagujícím proteinem 3 (BNIP3L) a BNIP3-jako protein X (NIX), je také zodpovědný za diferenciaci gangliových buněk sítnice (RGC). BNIP3 a NIX obsahují doménu BH3 a jsou umístěny hlavně v OMM.

Tyto proteiny mají motiv podobný WXXL s afinitou k LC3 a jeho homologu GABARAP, který pohání mitochondrie k autofagickým vezikulům. Během retinální neurogeneze dochází k metabolickému posunu doprovázenému zvýšením exprese obou proteinů [86].

Aktivita NIX může být zprostředkována zvýšením hladin reaktivních forem kyslíku (ROS) v několika buněčných liniích [87], čímž se kromě vývojových funkcí přidá nová vrstva složitosti. Produkce ROS se skutečně zvyšuje v důsledku poškozených mitochondrií [88] a může indukovatmitofágii [88]. NIX může také regulovat translokaci Parkina do mitochondrií po depolarizačním stimulu, jako je CCCP [87].

Navíc BNIP3L a mitofagie regulovaná NIX mají neuroprotektivní funkce. V modelu mozkové ischemie byla selektivní gradace mitochondrií zprostředkovaná těmito proteiny klíčová pro přežití a funkci neuronů [89]. Navíc samotná nadměrná exprese NIX je dostatečná k obnovení mitofágových defektů pozorovaných v buněčných liniích odvozených od pacientů s PD [90].

Protein 1 obsahující doménu Fun14 (FUNDC1) je protein OMM, který interaguje s LC3 a GABARAP a zprostředkovává mitofágii v hypoxických podmínkách. Na homeostatických úrovních je FUNDC1-závislá mitofagie potlačena fosforylací zprostředkovanou Src kinázou ve skupině motivu LIR na Tyr18.

V hypoxickém stavu vede snížená aktivita Src k defosforylaci FDUNC1 Tyr18, což usnadňuje jeho interakci s LC3 a následnou mitofágii [91]. Fosforylace ULK1 řízená hypoxií pomocí AMPK na Ser555 navíc podporuje translokaci ULK1 do mitochondrií, čímž se zvyšuje aktivita FUNDC1 [92]. Optineurin (OPTN) je navíc cytosolický receptor umístěný v OMM, který podporuje mitofágii prostřednictvím interakce s LC3 [93].

Je zajímavé, že dysfunkce OPTN je spojena s neurodegenerativními onemocněními a také s jinými patologiemi [94]. Celkově mitofagie představuje základní mechanismus kontroly kvality pro udržení metabolismu neuronů a homeostázy.

Transport mitochondrií v neuronech závisí na anterográdních a retrográdních pohybech a je nezbytný pro splnění energetických a metabolických požadavků podél neuronální struktury. Tyto pohyby jsou také nezbytné pro mitochondriální opravu a degradaci a jsou podporovány transportními adaptorovými proteiny (obrázek 3).

3. Autofagie a neurodegenerativní onemocnění

3.1. Alzheimerova choroba

AD je neurodegenerativní porucha a nejrozšířenější forma demence u starší populace, která postihuje téměř 50 milionů lidí na celém světě [95]. Familiární AD s časným nástupem (EOAD, fAD) představuje méně než 5 % případů a rozvíjí se před dosažením věku 65 let.

Autosomálně dominantní mutace ve třech genech byly spojeny s EOAD: gen pro amyloidní prekurzorový protein (APP) a geny presenilin-1 (PSEN1) a presenilin-2(PSEN2), podjednotky komplexu -sekretázy [ 95]. Nejčastější formou je však pozdní sporadická forma AD (LOAD, sAD) s prevalencí vyšší než 95 % as neznámou etiologií.

Neuropatologie AD je charakterizována progresivním kognitivním poškozením a poklesem paměti, což koreluje s přítomností extracelulárního ukládání amyloidních plaků (A, agregace -amyloidních peptidů) a intraneuronálních neurofibrilárních klubek (NFT, agregace hyperfosforylovaného tau proteinu), které kompromitují synaptické integritu a homeostázu, což vede k nevratnému poškození ve specifických oblastech mozku, jako je hipokampus a kortex [96].

Peptidy A jsou vytvářeny sekvenčním proteolytickým zpracováním amyloidního prekurzorového proteinu (APP) enzymem štěpícím APP 1/-sekretázou (BACE1) a -sekretázou prostřednictvím amyloidogenní dráhy. Štěpení APP pomocí BACE1, jehož aktivita je zvýšena v mozku sporadických pacientů s AD [97], se vyskytuje hlavně v endozomech, které poskytují kyselé prostředí pro optimální aktivitu enzymů [98].

Intracelulární transport APP se vyskytuje sekrečními a endocytárními cestami. APP je vylučován do plazmatické membrány a je pak internalizován endocytózou zprostředkovanou klatrinem nebo kaveolinem [99].

Inendosomy, APP může být štěpen BACE1 za vzniku N-koncového APP fragmentu (sAPP) a C-koncového fragmentu; ten může podléhat dalšímu štěpení -sekretázou, což vede k vytvoření A a intracelulární domény APP. V neamyloidogenní dráze je APP štěpen -sekretázou uprostřed domény A, což zabraňuje tvorbě A peptidů.

Ke štěpení -sekretázou dochází v různých polohách C-koncového fragmentu, což vede k tvorbě A peptidů s různými délkami. Nejběžnějšími tvořenými rozpustnými peptidy jsou A 1-38 a A 1-40, následované A 1-42, přičemž ten druhý je hydrofobnější a náchylnější k tvorbě trimerních a tetramerních oligomerů, takže představuje nejtoxičtější izoformu [100].

Oligomerní stenóza tvoří fibrily A s plisovanými listy, které se extracelulárně skládají do amyloidních plaků [101]. A je také spojován s hyperfosforylací a agregací tau, proteinu asociovaného s mikrotubuly, který normálně napomáhá polymeraci a sestavování axonálních mikrotubulů a transportu vezikul.

Stav fosforylace tauis je regulován odlišnými kinázami a fosfatázami, které jsou modulovány v přítomnosti oligomerů A; například glykogensyntáza kináza-3 (GSK3) a proteinová fosfatáza 2A(PP2A) přímo regulují stav fosforylace tau [102]. Hyperfosforylovaný stav tau inhibuje jeho spojení s mikrotubuly, což ovlivňuje jeho stabilizaci a vede k rozpadu sítě tomikrotubulů [103,104].

Proteolytické štěpení hyperfosforylovaného tau spouští tvorbu tau oligomerů [105], které jsou toxičtější než agregáty, což vede k progresivní smrti neuronů [106].

3.1.1. Poškození autofagie u AD

U AD byly popsány odlišné molekulární patogenní mechanismy vyplývající z akumulace oligomerů A a hyperfosforylace tau, jmenovitě mitochondriální dysfunkce [107,108] a narušení proteostázových systémů, jako je rozložená proteinová odpověď a autofagie [109].

Ačkoli peptidy A vykazují motiv související s KFERQ, který je důležitý pro normální zpracování a degradaci APP, tyto fragmenty nejsou substráty pro degradaci CMA [110] a makroautofagie napomáhá při jejich odstraňování [111].

Makroautofagie skutečně hraje důležitou roli v metabolismu A, protože se účastní degradace a clearance APP [112] a produktů jeho štěpení, včetně A [113] a APP-CTF (amyloidový prekurzorový protein štěpený C-terminální fragment) [114].

Autofagická dysfunkce byla prokázána jak u pacientů s AD, tak u zvířecích modelů. V mozcích pacientů s AD byla u dystrofických neuritů pozorována akumulace nezralých autofagických vezikul obsahujících vláknité tau [115].

Tyto autofagické vezikuly se často nacházejí v proximálních oblastech amyloidních plaků v mozcích pacientů a modelů hlodavců [116]. Kupodivu byla akumulace autofagozomů také pozorována v dendritech a somách APP/PS1 transgenních myších neuronů ještě před objevením se A plaků [117]. Kromě toho byla pozorována akumulace nezralých autofagických vezikul před ztrátou neuronů v hipokampu na myším modelu PS1M146L/APP751SL [118].

Abnormální akumulace autofagozomů v neuronech naznačuje, že defektní autofagicko-lysozomální dráha přispívá k akumulaci A a tau oligomerů u AD [117]. APP a PSEN1 se lokalizují v autofagosomech; akumulace těchto organel je tedy spojena se zvýšením generace A, která zase narušuje membrány autofagozomů [115].

V důsledku toho mohou nezralé autofagozomy popsané v mozcích AD a APP/PS1 transgenních myších představovat další zdroj pro generaci A. Mozky pacientů s PSEN1-EOAD vykazují lysozomální poškození spojené s amyloidní patologií a neurodegenerací [119].

Bylo navrženo, že akumulace autofagosomů může být důsledkem poruchy fúze autofagozom-lysozom nebo defektního lysozomového trávení [120]. Studie ukázaly změnu iniciace autofagie, konkrétně snížení exprese Beclin 1 v kůře pacientů s AD a myších modelů [121]. . Zvýšená aktivita kaspázy 3 u pacientů s AD by mohla vysvětlit nadměrné štěpení Beclin 1 [122].

Genetická redukce Beclin 1 v transgenním myším modelu AD exprimující lidský APP zvýšila akumulaci A, zatímco nadměrná exprese Beclin 1 významně snížila hladiny A [113]. Kromě Beclin-1 byly downregulovány další proteiny ATG ve věku závislým způsobem, což vede k akumulaci A [123]. ATG7, klíčový protein v regulaci autofagie, se podílel na patologii AD.

Bylo zjištěno, že hladiny ATG7 byly sníženy v mozkové kůře a hipokampu u AD myšího modelu, ale u pacientů s AD nebyly detekovány žádné změny ve spánkové kůře [124]; ATG7 knockdown myši vykazovaly redukci sekrece A doprovázenou zvýšením intracelulárního A [125], což dále podporuje roli ATG7 při transportu peptidů A do multivezikulárních tělísek, která mají být sekretována.

Ukázalo se, že exprese p62 je snížena v modelu trojité transgenní myši, což ohrožuje počáteční kroky selektivní autofagie u AD [126]. Analýza celého genomu však odhalila transkripční up-regulaci pozitivních regulátorů autofagie u AD.

V souladu s aktivací autofagie byla v časných stádiích AD pozorována upregulace hladin ATG proteinu a vyšší rychlost tvorby autofagozomů a lysozomální biogeneze [127]. Tato kontroverze naznačuje rozdílnou autofagyregulaci v časných a pozdních fázích AD, což by mělo být zváženo při hodnocení mechanismu v různých modelech a při hledání terapeutických strategií.

Přítomnost nezralých autofagozomů v dystrofických neuritech naznačuje, že retrográdní transport vezikul souvisejících s autofagií a jejich zrání jsou u AD narušeny [128]. Na podporu toho inhibice dodávání autofagozomů do lysozomů vede k jejich akumulaci v neuritech s podobnou morfologií, jak je popsáno v AD [64].

Oligomery mohou narušit komplex dynein-snapin, a tím narušit transport axonálních vezikulů, což by mohlo přispívat k defektnímu dodávání autofagozomů do lysozomesinu AD [129]. Degradace tau, který je primárně lokalizován v axonech a méně nalezených inneuritech a soma, nastává prostřednictvím proteazomu nebo makroautofagie v závislosti na stavu jeho oligomerizace.

Modifikace tau spojené s AD řídí jeho degradaci prostřednictvím makroautofagie, když se proteolýza zprostředkovaná proteazomem zhorší progresí onemocnění [130]. Relevantní je, že degradace tau může produkovat různé fragmenty, které se vážou na Hsc70, které CMA zaměří na LAMP-2A [131,132].

Přesto akumulace těchto fragmentů v lysozomální membráně způsobuje agregaci tau, která narušuje lysozomální integritu a blokuje CMA [132]. Poškození autofagicko-lysozomální dráhy vede k agregaci tau oligomerů, které jsou naopak degradovány, když je makroautofagie indukována rapamycinem [132,133].

Tau je nezbytný pro retrográdní pohyb autofagozomů směrem k lysozomům prostřednictvím stabilizace mikrotubulů, což je role, která je u AD ohrožena [134]. Hyperfosforylace tau a jeho oligomerizace vede k vytěsnění mikrotubulového aparátu a následně k narušení pohybu a zrání autofagozomů, což také přispívá k autofagické dysfunkci.

Kromě defektů v autofagozomovém transportu bylo u AD popsáno i poškození lysozomální funkce. PSEN1 je regulátor lysozomální funkce působící jako chaperon pro vakuolární ATPázu, která okyseluje lysozomální lumen. Mutace v PSEN1 narušily lysozomální acidifikaci a fúzi autofagozom-lysozom, což mělo za následek akumulaci A-naložených autofagozomů [135].

Navíc bylo navrženo, že u AD je ovlivněna lysozomální proteolýza; vysoké hladiny A, LC{0}}II a ubikvitinovaných proteinů byly přítomny jak v lysozomových, tak autofagozomových frakcích izolovaných z AD transgenního myšího modelu [136]. V souladu s tím vede narušení lysozomální proteolýzy inhibicí lysozomálních katepsinů ve zdravých neuronech k akumulaci autofagických vezikul s podobnou morfologií, jakou mají pacienti s AD a modely transgenních myší [64].

A také narušuje integritu lysozomální membrány, což vede k uvolňování katepsinů do cytoplazmy [137,138]. Přítomnost kathepsinu D v exozomech izolovaných z krve preklinických pacientů s AD [139] podporuje hypotézu o neúčinné lysozomální funkci. Je zvláštní, že genetické variace v genu kodifikujícím kathepsin D byly také popsány jako rizikové faktory pro AD [140].

Analýza procesu autofagie v neuronech od raného do posledního stadia AD ukázala zvýšenou expresi autofagických genů v raných stádiích, ale defekt lysozomální clearance vedl k akumulaci autolysozomálních struktur s progresí onemocnění [141]. Sirtuiny (SIRT) zahrnují skupinu nikotinamidadenindinukleotidových (NAD+)-dependentních proteinů, které jsou regulátory mnoha buněčných drah.

Mezi nimi byl Sirt1 spojován s regulací autofagie. Nižší hladiny SIRT1 ohrožují aktivaci downstream autofagických proteinů (např. ATG5, ATG7 a LC3) zprostředkovanou deacetylací [142], což může také přispívat k poškození autofagie u AD. Hladiny SIRT1 jsou sníženy v parietálním kortexu pacientů s AD mozku a korelují s akumulací A a tau tangles [143].

Aktivace mTOR, centrálního koordinátora autofagie, byla popsána u AD v reakci na akumulaci A [144]. A zvyšuje aktivitu mTOR, což také vede k expresi vyššího tau a fosforylaci zprostředkovanou GSK3 - [145], což podporuje roli v patogenezi zprostředkované mTORin tau. Kromě toho byla v mozcích pacientů s AD pozorována sekrece fosfo-tau prostřednictvím exocytotických vezikul prostřednictvím signalizace mTOR [146].

Dysregulace dráhy PI3K/Akt/mTOR se také podílí na patogenezi AD [147]. Aktivace PI3K růstovými faktory (např. insulin-like growth factor-1, IGF1) podporuje fosforylaci Akt a nepřímou aktivaci mTORC1, podporující autofagii. U AD interaguje A s dráhou PI3K/Akt/mTOR a inhibuje ji [148], což vede k aktivaci GSK3 a zvýšené hyperfosforylaci tau.

Navíc transkripční faktor EB (TFEB), hlavní regulátor biogeneze lysozomů, je následným cílem mTORC1. Snížení aktivity mTORC1 indukuje defosforylaci TFEB a jeho translokaci do jádra, aby se aktivovala exprese autofagie a genů souvisejících s lysozomální biogenezí [149].

Bylo zjištěno, že hladiny TFEB byly sníženy ve vzorcích mozku (hippokampus) pacientů s AD, zejména snížení jaderných hladin TFEB v pokročilých stádiích onemocnění [150].

Kromě toho byla translokace TFEB do jádra oslabena u fibroblastů s deficitem presenilin a indukovaných pluripotentních lidských AD neuronů odvozených z kmenových buněk, což vedlo ke snížené aktivaci sítě CLEAR [151].

Avšak v dvojitě transgenním zvířecím modelu APP/PS1 byly zjištěny zvýšené hladiny celkového a jaderného TFEB v hipokampu 8-měsíců starých myší AD se současným zvýšením jeho downstream cílů, což naznačuje, že TFEB se účastní lysozomálních zprostředkovaná progrese AD [152]. Upregulace cílových genů TFEB byla také hlášena u PS1 podmíněně knockoutovaných myší a 5xFAD myší [153].

Aktivace sítě TFEB by mohla odrážet pokus o kompenzaci zhoršené autofagie na zvířecích modelech AD. Přesná role TFEB jako hlavního regulátoru lysozomální funkce v patogenezi AD není zdaleka plně pochopena a vyžaduje další zkoumání.

For more information:1950477648nn@gmail.com