Strukturální a funkční pohledy na polymorfismus synukleinových vláken, část 4

7. Fázová separace a nukleace: Molekulární podstata fibrolního polymorfismu

Brzy po zjištění, že agregace -Syn není spojena pouze s PD, ale také s MSA a DLB, byla klíčová oblast výzkumu primárně zaměřena na pochopení schopnosti proteinu způsobovat klinicky a patologicky různé neurodegenerativní poruchy.

S přibývajícím věkem možná zjistíte, že vaše paměť už není tak dobrá jako v dětství. Někdy dokonce můžete mít pocit, že váš mozek je „rezavý“ a je těžké si zapamatovat nové informace. Co lze ale udělat pro zlepšení této situace? Výzkumy posledních let ukázaly, že existuje úzký vztah mezi MSA (dopamin-sacharidový komplex) a pamětí.

MSA je nervový okruh zahrnující neurotransmiter dopamin. Dopamin je důležitý neurotransmiter v mozku a souvisí s emocemi, motivací a pohybem. Sluneční kameny jsou jádra v mozku, která řídí pohyb a koordinují pohyb. Vztah s dopaminem spočívá v tom, že když je bazální tělo stimulováno dopaminem, zvýší se spojení mezi mozkovými neurony, čímž se podpoří tvorba a konsolidace paměti.

Výzkum ukazuje, že MSA lze aktivovat a stimulovat prostřednictvím digitálních her, hudebního tréninku, fyzického cvičení a sociální interakce. Tyto modality mohou posílit spojení s mozkomíšním mokem zvýšením uvolňování dopaminu. Bylo například prokázáno, že statická mozková cvičení, jako je sudoku a křížovky, zlepšují paměťové schopnosti. Bylo také prokázáno, že hudební trénink stimuluje obvody MSA a zlepšuje paměťové schopnosti. Kromě toho se také ukázalo, že fyzické cvičení a sociální interakce mají pozitivní vliv na aktivaci MSA, čímž podporují zdraví mozku a zlepšení paměti.

Stručně řečeno, protože aktivity MSA mají pozitivní dopad na paměť, nalezení a účast na aktivitách, které stimulují MSA, je důležitým krokem ke zlepšení paměti. Být fyzicky aktivní, účastnit se společenských aktivit a učit se novým dovednostem může aktivovat a stimulovat okruh MSA, a tím podporovat lepší zdraví mozku a paměť. Začněme od nynějška a aktivně se zapojme do těchto aktivit, abychom do našich mozků vlili novou energii a vitalitu. Je vidět, že potřebujeme zlepšit paměť a Cistanche deserticola může výrazně zlepšit paměť, protože Cistanche deserticola je tradiční čínský léčivý materiál, který má mnoho jedinečných účinků, jedním z nich je zlepšení paměti. Účinnost Cistanche deserticola vychází z mnoha účinných látek, které obsahuje, včetně kyseliny tříslové, polysacharidů, flavonoidních glykosidů atd. Tyto složky mohou podporovat zdraví mozku různými způsoby.

Klikněte na možnost poznat způsoby, jak zlepšit funkci mozku

Během několika posledních let se hypotéza prionového kmene objevila jako hlavní vysvětlení pozorované variability onemocnění u synukleinopatií. Ačkoli řada biofyzikálních a biologických dat podporuje existenci kmenů -Syn [29,30,32–35,53], stále není jasné, jak tyto kmeny pocházejí a jaké faktory řídí jejich tvorbu in vivo.

Pravděpodobná odpověď by mohla spočívat ve vymezení agregačních drah a rozeznání molekulárních faktorů, které jsou základem tvorby kmene. Tvorba amyloidu není řízena pouze primární nukleací, ale je ovládána sekundární nukleací během většiny agregační růstové fáze, jak bylo diskutováno dříve [189].

Tato sekundární nukleace zahrnuje prodloužení nových fibril ze stávajících semen získáváním monomerů z roztoku. Jakékoli změny v podmínkách rozpouštění fibril mají tendenci měnit rychlost primárních a sekundárních nukleačních událostí [188,189]. Například kyselé pH zvyšuje vazbu monomerů -Syn na povrch fibril, čímž se zvyšuje rychlost sekundární nukleace [189,302].

Protože množení agregátů vyvolané semeny je připisováno fragmentaci a prodlužování semen fibril, vede nás to k hypotéze, že jev kmene je alespoň částečně důsledkem sekundární nukleace. Navíc více druhů koexistuje v různých fázích kinetiky agregace [17,303,304], což naznačuje zapojení meziproduktů agregace do diktování polymorfismu.

Mapování konformačního prostoru monomeru -Syn odhaluje strukturní subpopulaci monomeru -Syn, která podporuje jeho vazbu s membránami a indukuje tvorbu různých oligomerů a fibril [170].

Naše laboratoř nedávno prokázala, že heterogenní nukleace během agregační dráhy tvoří základ vzniku polymorfismu [252]. Vytvořili jsme dva různé polymorfy, HMF (helixové zralé fibrily) a PMF (předem zralé fibrily), z agregačních meziproduktů vytvořených za stejných montážních podmínek.

PMF nemají stabilní amyloidní jádro a mají obsah náhodného klubka spolu s prvky -sheet. Navíc strukturovaný -sheet ze zbytků 74–79 chybí v jeho doméně NAC (zbytky 65–80), což naznačuje, že PMF jsou méně uspořádané fibrily. typy. Naopak, morfologicky a strukturně odlišné HMF jsou kompaktnější a dobře uspořádané se stabilním fibrilovým jádrem [252].

Ty obsahují vysoce exponované hydrofobní povrchy a jsou potenciálně toxičtější než méně uspořádané PMF. Tyto polymorfy vykazují nejen strukturální rozdíly, ale také vykazují různé biologické aktivity [252].

Podobná studie zahrnující identifikaci agregačních meziproduktů v přítomnosti fosfolipidové membrány odhalila, že prefibrilární druhy obsahují dvě smyčkové oblasti se zbytky 57 až 61 a 71 až 80 [305]. Tyto meziprodukty se pak přeskupují na fibrilární druhy, přičemž většina oblasti NAC a N-konce (zbytky 38–80) tvoří součást konečné fibrilární konformace [305].

Byly také hlášeny studie s agregáty A, PrP a tau, kde vycházejí odlišné biologické vlastnosti v důsledku strukturálních rozdílů mezi polymorfy [28,306–309]. Například morfologicky a strukturně odlišné fibrily A vzniklé za podmínek klidu a míchání vykazují významné rozdíly v toxicitě primárních neuronů, přičemž klidové fibrily jsou ve srovnání s jinými toxičtějšími [28].

Řada strukturně odlišných konformací PrPSc vykazuje tropismus hostitelské buňky se specifickou sadou kmenů přednostně zacílených na neurony, astrocyty nebo dokonce na obojí [307,308]. Kmeny -Syn, které jsou výsledkem heterogenní nukleace v agregační dráze, tedy mohou způsobit klinické a patologické variace u PD tím, že vykazuje variabilní cytotoxicitu a různé vlastnosti podobné prionům (obrázek 5).

V poslední době evoluce konceptu proteinové agregace k zásadnějšímu fenoménu, konkrétně separaci kapaliny a kapaliny (LLPS), významně ovlivnila oblast a nasměrovala výzkum novým směrem [310–314]. Proteiny jsou inkubovány za různých podmínek, například pH, teploty a solí [315–317].

Děje fázové separace jsou podporovány v přítomnosti molekulárních kompenzátorů, jako je polyethylenglykol, dextran nebo ficoll, které pomáhají zvyšovat lokální koncentraci proteinu a usnadňují tvorbu kapiček [315–318]. Poté se zkoumá profil dynamiky, zrání a agregace pomocí jedinečné kombinace biofyzikálních, biochemických a spektroskopických metod [315,317].

Ukázalo se, že jev fázové separace různých amyloidogenních proteinů předchází agregaci a tvorbě fibril. Bylo navrženo, že přítomnost oblastí vnitřní poruchy (IDR), domén podobných prionům (PLD) a domén s nízkou komplexitou (LCD) podporuje tvorbu fázově oddělených kondenzátů amyloidogenních proteinů [310,315,316,319,320].

Naše laboratoř nedávno prokázala, že LLPS of -Syn je kritickou událostí ve fázi časného zpoždění a předchází jeho agregaci za podmínek separace fází (přítomnost davů, stresorů, amyloidových kofaktorů atd.) [315].

Objevení se těchto fázově oddělených kapiček v lag fázi agregační kinetiky naznačuje, že LLP by mohly zvýšit nukleační jevy zvýšením lokální koncentrace proteinových molekul [315,320]. Kromě toho, fázově oddělené kapičky -Syn procházejí časem přechodu z kapaliny na pevnou látku a vedou k tvorbě amyloidního hydrogelu [315].

Již dříve bylo prokázáno, že tyto amyloidní hydrogely zachycují cytotoxické oligomery a fibrily [321], což naznačuje možnost, že fibrily vytvořené prostřednictvím LLPS mohou být toxické. Za normálních podmínek sestavování (bez separace fází) však fibrily -Syn vykazují velmi malou nebo žádnou cytotoxicitu [322,323]. To naznačuje, že fibrily vytvořené za podmínek separace fází a podmínek bez separace fází by se mohly lišit.

Navíc tvorba fibril ve zředěných roztocích (o kterých je známo, že k nim dochází prostřednictvím primární a sekundární nukleace) [189] a že v kondenzátech (prostřednictvím LLPS) se vzájemně nevylučují [324], ale různé agregační cesty mohou vést ke vzniku různých fibril (obr. 6).

Například TDP-43, protein účastnící se ALS/FTD, podléhá fibrilaci s LLPS nebo bez ní. Kinetika fibrilace je však v obou případech odlišná, což naznačuje zapojení komplexních procesů do fibrilace v přítomnosti LPS [329].

Proto by bylo vysoce relevantní položit si několik otázek, jako je, zda fibrily vytvořené s fázovou separací nebo bez ní jsou od sebe strukturálně a funkčně odlišné, nebo, jednoduše řečeno, vykazují polymorfismus fibril. Mají různé podmínky nebo mutace LLPS nějakou roli při rozhodování o kmenovém chování vytvořených -Syn fibril?

Například se ukázalo, že patogenní mutace ve FUS vykazují odlišné biofyzikální vlastnosti ve srovnání s proteinem divokého typu [327]. Tato zjištění naznačují, že podobně jako u podmínek bez separace fází, kde různé podmínky roztoku dávají polymorfům [29], mohou být fibrily vytvořené za různých podmínek separace fází také odlišné (obrázek 7).

Například fáze -Syn oddělující se za různých podmínek, jako je přítomnost PTM, familiárních mutací, malých molekul nebo kovových iontů, může vykazovat polymorfismus a vytvářet různé typy fibril (obrázek 7).

Tento jev však ještě není určen, protože by vyžadoval rozsáhlou charakterizaci fibril vytvořených uvnitř kapiček. Věříme, že koexistence konformačně odlišných intermediárních druhů a množství agregačních drah pozorovaných s nebo bez LLPS by mohly tvořit základ původu polymorfismu. .

Je však zapotřebí více výzkumu v této oblasti, aby bylo možné vymezit příspěvek heterogenní nukleace a mnohočetných agregačních drah k polymorfismu fibril. Vývoj a aplikace různých biofyzikálních technik by nám mohly pomoci získat pronikavé informace o molekulárních událostech, ke kterým dochází během LLPS a následného zrání kapek.

8. Klinické a terapeutické důsledky polymorfismu

Studie diskutované v přehledu poskytují nezvratný důkaz, že -Syn může tvořit různé polymorfy s odlišnými strukturními a biologickými vlastnostmi. Podobně jako u prionů, kde je každé prionové onemocnění kódováno odlišnou konformací chybně složeného proteinu, je každá synukleinopatie také pravděpodobně spojena s jedinečnou strukturou -Syn.

Různé vláknité struktury pro stejný protein však představují několik problémů při vývoji léků proti neurodegenerativním poruchám. Terapie jako imunoterapie by byly vysoce specifické pro konkrétní kmen, ale nemusí rozpoznat jiný. Podobně vývoj malých terapeutických molekul nebo léků pro blokování nebo zpomalení procesu agregace proteinů musí být testován na více konformací. S ohledem na složitost fibril a jejich polymorfismus by mohlo být zacílení na monomerní -Syn možností.

To je však také náročné kvůli vnitřně neuspořádané povaze proteinu. Navzdory těmto problémům detekce a charakterizace kmenů -Syn odvozených od pacientů otevře okno příležitostí pro hlubší pochopení a charakterizaci synukleinopatií. Usnadní vývoj nových terapií a robustnějších klasifikačních systémů synukleinopatií.

V této souvislosti vysoce citlivé techniky jako PMCA [330], test konverze vyvolaný třesením v reálném čase (RT-QuIC) [331] a induktor HANdaiamyloid burst (HANABI) [332] významně přispěly k amplifikaci -synagregátů z CSF pacientů mozky. PMCA a RT-QuIC byly použity k rozlišení mezi kmeny PD/MSA a PD/DLB odvozenými od pacientů - Syn [52,333].

Využití těchto technik by pomohlo při monitorování progrese onemocnění v průběhu času a pomohlo by při časné a specifické diagnóze synukleinopatií. Kromě toho mohou klinické a patologické rozdíly a heterogenita mezi pacienty pozorované u PD a souvisejících poruch ovlivnit, jak by pacienti se synukleinopatií měli být léčeni. Od nynějška dostávají všichni pacienti s PD stejný typ léčby a mezi pacienty se rozlišuje podle toho, jak nemoc získali a jaké symptomy mají.

Proto předpokládáme, že léky a terapeutická činidla navržená tak, aby cílila na patogenní druhy -Syn, mohou zahrnovat použití buď jediného léku na bázi konformace, nebo koktejlu léků proti různým polymorfům nebo kmenům, které jsou osídleny v nemocném lidském mozku. Kromě toho by mělo být případ od případu zváženo několik klíčových parametrů, jako je profil onemocnění, patologické a klinické příznaky, typy a povaha zahrnutých proteinových kmenů a míra progrese onemocnění při léčbě pacientů se synukleinopatií.

Identifikace potenciálních terapeutických cílů a navržení léků založených na konformaci je proto dalším velkým krokem k vývoji léků proti PD a souvisejícím poruchám. Stanovení spojení mezi šířením astrain a fenotypem onemocnění poskytne cenné poznatky o vývoji účinných strategií pro boj s neurodegenerativními poruchami.

Další výzvou je dodávání léků do mozku k léčbě neurodegenerativních poruch, které se potýkají především s neúspěchy v důsledku restriktivních hematoencefalických bariér [32]. Bylo učiněno mnoho pokusů dodávat léky prostřednictvím nanonosičů, metod přímého podávání léků, přechodného narušení hematoencefalické bariéry a terapií kmenovými buňkami [33–37]. Žádná z léčebných metod však nedokázala plně překonat současné problémy [32].

9. Závěrečné poznámky a otevřené otázky

Chování prionového napětí -Syn je stále záhadným jevem. Je překvapivé, jak se jeden protein bez jakékoli správné struktury může skládat mnoha různými způsoby a přijímat konformace, které vedou k různým patologiím.

Mnoho nezodpovězených otázek vyžaduje další zkoumání, dokonce i po působivém množství práce na polymorfech a kmenech -Syn. Co například řídí tvorbu kmene -Syn za daných buněčných a environmentálních podmínek? Jak se tyto kmeny zaměřují na různé typy buněk a mozkové oblasti? Vyvíjejí se, mění nebo přizpůsobují se kmeny -Syn v závislosti na hostitelských faktorech?

Jak přítomnost jiných proteinů, ligandů, membrán nebo kofaktorů ovlivňuje tvorbu kmenů? Mají kmeny -Syn schopnost vzájemně se křížit a vést ke smíšeným patologiím? Narušují se kmeny -Syn a blokují vzájemné šíření, podobně jako priony?

Je to možné, nebo máme techniky dostatečně citlivé na to, abychom rozlišili mezi kmeny PD a MSA v rané fázi diagnózy? Vzhledem k rozšíření fenoménu prionového kmene na několik dalších amyloidogenních proteinů může být také nutné porozumět klíčovým molekulárním událostem v biologii kmenů a navrhnout efektivní strategie.

Autorské příspěvky: Konceptualizace, SM a SKM šetření (přehled literatury); SM;LG; RB a ASS; psaní-originální příprava návrhu, SM; LG; RB a ASS; psaní-recenze a editace, SM; LG; RB; ASS a SKM; vizualizace, SM; administrace projektů, SM a SKM; dohled, SM a SKM; získávání finančních prostředků, SKM, SM a SKM jsou rovnocenně přispívajícími odpovídajícími autory. Všichni autoři si přečetli publikovanou verzi rukopisu a souhlasí s ní.

Financování: Tento výzkum byl financován ministerstvem biotechnologie (DBT) [BT/PR22749/BRB/10/1576/2016], indická vláda.

Prohlášení institucionální revizní komise: Neuplatňuje se.

Prohlášení o informovaném souhlasu: Neuplatňuje se.

Prohlášení o dostupnosti dat: Nelze použít.

Poděkování: Autoři děkují ministerstvu biotechnologie (DBT), indické vládě za finanční podporu. Děkujeme Pradeepu Kaduovi za jeho pomoc při výrobě figurek. SM je vděčná indické univerzitní grantové komisi za její přátelství.

Střet zájmů: Autoři neprohlašují žádný střet zájmů.

Zkratky

-synuklein (-Syn), Parkinsonova choroba (PD), mnohočetná systémová atrofie (MSA), demence s Lewyho tělísky (DLB), Parkinsonova choroba, demence (PDD), Lewyho tělíska (LB), Lewyho neurity (LNs), Alzheimerova choroba (AD ), gliové cytoplazmatické inkluze (GCI), posttranslační modifikace (PTM), divoký typ (WT), kryo-elektronová mikroskopie (kryo-EM), spektroskopie NMR v pevné fázi (ssNMR); transmisní elektronová mikroskopie (TEM), mikroskopie atomárních sil (AFM), cirkulární dichroismus (CD), dorzální motorické jádro bloudivého nervu (DMV), enterický nervový systém (ENS); -synuklein (syn); -synuklein (-Syn); cyklická amplifikace proteinu misfolding (PMCA); Fázová separace kapalina-kapalina (LLPS).

Reference

1. Spillantini, MG; Goedert, M. Alfa-synukleinopatie: Parkinsonova nemoc, demence s Lewyho tělísky a multisystémová atrofie. Ann. NY Acad. Sci. 2000, 920, 16–27. [CrossRef] [PubMed]

2. Spillantini, MG; Crowther, RA; Jakeš, R.; Hasegawa, M.; Goedert, M. - Synuklein ve vláknitých inkluzích Lewyho tělísek z Parkinsonovy choroby a demence s Lewyho tělísky. Proč. Natl. Akad. Sci. USA 1998, 95, 6469–6473. [CrossRef] [PubMed]

3. Spillantini, MG; Schmidt, ML; Lee, VM; Trojanowski, JQ; Jakeš, R.; Goedert, M. A-synuklein v Lewyho tělíscích. Příroda 1997, 388, 839–840. [CrossRef]

4. Galvin, JE; Lee, VM; Trojanowski, JQ Synukleinopatie: Klinické a patologické důsledky. Oblouk. Neurol. 2001, 58, 186–190.[CrossRef]

5. Mahul-Mellier, AL; Burtscher, J.; Maharjan, N.; Weerens, L.; Croisier, M.; Kuttler, F.; Leleu, M.; Knott, GW; Lashuel, HA Proces tvorby Lewyho tělíska, spíše než pouhá fibrilace alfa-synukleinu, je jednou z hlavních hnacích sil neurodegenerace.Proc. Natl. Akad. Sci. USA 2020, 117, 4971–4982. [CrossRef] [PubMed]

6. Shahmoradian, SH; Lewis, AJ; Genoud, C.; Hench, J.; Moors, TE; Navarro, PP; Castano-Diez, D.; Schweighauser, G.; GraffMeyer, A.; Goldie, KN; a kol. Lewyho patologie u Parkinsonovy choroby sestává z přeplněných organel a lipidových membrán. NatNeurosci. 2019, 22, 1099–1109. [CrossRef] [PubMed]

7. Jízdné, MB; Jagannath, S.; Lashuel, HA Reverzní inženýrství Lewyho tělíska: Jak daleko jsme se dostali a jak daleko můžeme zajít? Nat.Rev. Neurosci. 2021, 22, 111–131. [CrossRef] [PubMed]

8. Serpell, LC; Berriman, J.; Jakeš, R.; Goedert, M.; Crowther, RA Vláknová difrakce syntetických alfa-synukleinových filamentů ukazuje zkříženou beta konformaci podobnou amyloidům. Proč. Natl. Akad. Sci. USA 2000, 97, 4897–4902. [CrossRef] [PubMed]

For more information:1950477648nn@gmail.com