Diagnostický potenciál amyloidogenních proteinů, část 1

Abstraktní:

Neurodegenerativní poruchy jsou vysoce převládající třídou onemocnění, jejichž patologické mechanismy začínají dříve, než se objeví jakékoli jasné symptomy. Tato skutečnost přiměla vědce k hledání biomarkerů, které by mohly pomoci včasné léčbě.

Tyto v současnosti nevyléčitelné patologické stavy sdílejí přítomnost aberantních agregátů nazývaných amyloidy v nervovém systému, které se skládají ze specifických proteinů.

V tomto přehledu diskutujeme o tom, jak by tyto proteiny, jejich konformace a modifikace mohly být využity jako biomarkery pro diagnostické účely.

Protein je jednou z důležitých látek pro udržení dobrého zdraví a má také významný vliv na paměť. Protein se skládá z aminokyselin, které jsou surovinou pro mozkové buňky a neurotransmitery. Příjem bílkovin tedy úzce souvisí s pamětí.

Za prvé, bílkoviny jsou pro tělo nezbytnou látkou pro stavbu a opravu tkání. Mozkové buňky jsou bohaté na enzymy a regulační látky, které pro normální fungování vyžadují protein jako složku. Příliš nízký obsah bílkovin v těle způsobí, že mozkové buňky nebudou fungovat normálně, a tím ovlivní paměť. Udržování dostatečného příjmu bílkovin proto hraje důležitou roli ve vývoji mozku a udržování paměti.

Za druhé, protein má účinek na zvýšení aktivity mozkových buněk. Lidské tělo potřebuje velké množství mozkových neurotransmiterů k udržení normálního fungování funkcí, jako je myšlení, paměť a chování. Mozkové neurotransmitery jsou syntetizovány z aminokyselin v těle a zdrojem těchto aminokyselin jsou bílkoviny. Výběr potravin bohatých na vysoce kvalitní bílkoviny proto může zvýšit syntézu mozkových neurotransmiterů, a tím zvýšit aktivitu mozkových buněk a přispět ke zlepšení paměti.

Kromě toho bílkoviny také pomáhají udržovat stabilitu těla a zabraňují kolísání krevního cukru. Nízká hladina cukru v krvi může způsobit příznaky, jako je nepozornost, závratě a únava v těle, které často ovlivňují výkonnost paměti. Dodržováním střídmého příjmu bílkovin se lze účinně vyhnout výkyvům krevního cukru, což pomáhá udržovat stabilitu těla a zlepšuje paměť.

Bílkoviny zkrátka úzce souvisí s pamětí. Mírný příjem bílkovin dokáže udržet stabilitu těla, posílit činnost mozkových buněk a tím zlepšit paměť. Měli bychom se snažit jíst více kvalitních potravin bohatých na bílkoviny, jako jsou ryby, maso, fazole a mléčné výrobky, a vyhnout se úplnému odstranění bílkovin ze stravy. To nám pomůže zůstat zdraví, zlepšit naši paměť a užít si lepší život. Je vidět, že potřebujeme zlepšit naši paměť a Cistanche dokáže výrazně zlepšit paměť, protože Cistanche je tradiční čínská medicína s mnoha unikátními účinky, z nichž jedním je zlepšení paměti. Účinnost Cistanche pochází z různých účinných látek, které obsahuje, včetně kyseliny tříslové, polysacharidů, flavonoidních glykosidů atd., které mohou mnoha způsoby podporovat zdraví mozku.

Klikněte na 10 způsobů, jak zlepšit paměť

Zaměřujeme se na proteiny, které jsou spojeny s nejčastějšími neurodegenerativními poruchami, včetně Alzheimerovy a Parkinsonovy choroby, amyotrofické laterální sklerózy a frontotemporální demence.

Popisujeme také současné problémy v detekci, nejnovější techniky s diagnostickým potenciálem a možný budoucí vývoj v diagnostice.

Klíčová slova: neurodegenerativní onemocnění; biomarker; amyloid; oligomer; posttranslační modifikace.

1. Potřeba nových diagnostických přístupů pro neurodegeneraci

Neurodegenerativní onemocnění jsou fatální a nevyléčitelné poruchy, charakterizované progresivní ztrátou neuronů ve specifických oblastech nervového systému. Jedná se o vysoce heterogenní skupinu patologií, která zahrnuje Alzheimerovu chorobu (AD), Parkinsonovu chorobu (PD), frontotemporální demenci (FTD) a amyotrofickou laterální sklerózu (ALS).

V současnosti celosvětově více než 50 milionů lidí trpí různými formami neurodegenerace [1]. Klinický průběh neurodegenerativních onemocnění obvykle trvá několik let a vede k progresivním deficitům paměti, kognice a pohybu v různé míře v závislosti na konkrétní patologii [2]. . Stávající medikamentózní léčba se zaměřuje na úlevu od těchto symptomů [3].

Kromě toho je neuropsychologické vyšetření stále považováno za klíčové v diagnostice neurodegenerace spojené s demencí [4]. Klíčové molekulární mechanismy onemocnění se však objevují dříve, než se objeví jakékoli významné symptomy.

Vývoj přesných diagnostických přístupů by usnadnil včasné terapeutické zásahy k obnovení fyziologie neuronů dříve, než dojde k nevratnému poškození.

Také by to podpořilo zavedení nových terapeutik a přehodnocení těch současných, které by mohly být efektivnější, pokud by byly podávány v dřívějších fázích. Navzdory naléhavé potřebě diagnostických přístupů pro neurodegeneraci je jejich vývoj stále skličující výzvou kvůli omezené dostupnosti mozku pro fyzikální vyšetření a složitosti klinických testů založených na kognitivních schopnostech [2].

Nedávný technologický pokrok umožnil charakterizaci nových drah, biomolekul a struktur v nervovém systému a dalších oblastech těla, které by mohly být použity jako markery neurodegenerace [5,6].

Ačkoli různá neurodegenerativní onemocnění mají některé odlišné fenotypy, sdílejí také některé klíčové molekulární rysy. Konkrétně u mnoha těchto poruch specifické proteiny a peptidy, které by byly normálně rozpustné, podléhají procesu samoskládání, který vede k tvorbě velkých fibrilárních agregátů, nazývaných amyloidy [7,8].

Tento proces také zahrnuje tvorbu menších oligomerních meziproduktů, které jsou vysoce toxické a v současnosti jsou považovány za hlavní hráče v mechanismech onemocnění [8]. Agregace amyloidu je také spojena s dalšími agregačními procesy, jako je tvorba kondenzátů [9]. Ty však nebudou předmětem tohoto přehledu.

Zde popisujeme některé z nejznámějších amyloidogenních proteinů a jejich diagnostický význam.

Zaměřujeme se na amyloid-beta (A ) a tau pro AD, -synuklein ( -syn) pro PD, fúzovaný v sarkomu (FUS) a TAR DNA-binding protein 43 (TDP-43) pro ALS a FTD. Diskutujeme také nejmodernější pokroky v přístupech detekce pro monitorování agregace těchto proteinů.

2. Agregace amyloidu jako potenciální zdroj biomarkerů

Amyloidy jsou nerozpustné fibrilární agregáty obohacené o zkříženou strukturu a jejich tvorba byla rozsáhle charakterizována in vitro [7,8].

Agregace amyloidu se skládá z komplexní sítě nukleačních událostí. Zpočátku rozpustné monomerní proteiny interagují a tvoří oligomery primární nukleací. Primární nukleace může být také spuštěna přítomností jiných biomolekul, jako jsou jiné proteiny [10], nukleové kyseliny [11,12,] a membrány [13].

Oligomery se pak převádějí na agregáty vyššího řádu a nakonec na amyloidní fibrily. Jakmile se vytvoří kritická koncentrace fibril, povrch těchto fibril katalyzuje tvorbu dalších oligomerů sekundární nukleací [7,8]. Fibrila se také mohou prodlužovat přidáním monomerů na svých koncích a podléhají fragmentaci [7,8]. Amyloidní fibrily jsou extrémně stabilní proteinové druhy díky svému bohatému obsahu křížových vrstev [8,14–16].

Naopak, oligomery se rychle přeměňují na amyloidagregáty vyššího řádu (obrázek 1). Přechodná povaha oligomerů ztěžuje jejich izolaci a charakterizaci na strukturální úrovni.

Teprve nedávno, díky novým přístupům, jako je fluorescence s jednou molekulou a elektronová mikroskopie [14,17,18], se ukázalo, že oligomery jsou vysoce heterogenní ve svých fyzikálně-chemických vlastnostech a strukturách s různým obsahem sekundární struktury [16,19,20]. .

Oligomery jsou toxické mnoha mechanismy včetně aberantních hydrofobních interakcí. Bylo prokázáno, že ve tkáni a izolovaných buňkách mohou oligomery ovlivnit permeabilitu membrán a homeostázu iontů a vyvolat oxidační stres [16,21–23].

Volné radikály indukované oligomery pak mohou vyvolat nesprávné skládání proteinů, mitochondriální dysfunkci a případně apoptózu [24]. Oligomery A a -syn byly také spojovány s neurozánětem [22] a ztrátou synapse [25,26].

Tvorbu amyloidních fibril a oligomerů může ovlivnit několik faktorů. Patří mezi ně genetické mutace, buněčný stres a přítomnost nebo nepřítomnost specifických biomolekul.

Kromě toho jsou amyloidy značně posttranslačně modifikovány in vivo [27–29] a posttranslační modifikace (PTM) významně mění tvorbu a toxicitu amyloidních fibril in vitro [27–31].

3. Amyloidogenní proteiny podílející se na neurodegeneraci

V souvislosti s neurodegenerací lze markery onemocnění rozdělit na neuropsychologické, neurozobrazovací, genetické,c a biochemické [2]. Zejména biochemické markery (neboli biomarkery) jsou měřitelné molekuly v našem těle (např. proteiny, nukleové kyseliny, metabolity), které udávají stadium onemocnění [32].

Amyloidogenní proteiny jsou perspektivními biomarkery, neboť informují o biochemickém profilu dysfunkce nervového systému [2]. Níže uvádíme relevantní amyloidogenní proteiny a jejich patologické modifikace, které mohou sloužit jako biomarkery pro neurodegenerativní stavy.

3.1. A a Tau v AD

AD je nejrozšířenější formou demence. Charakteristickými lézemi v mozku AD jsou extracelulární senilní plaky složené z amyloidních agregátů A a intracelulárních neurofibrilárních klubek (NFT) tvořených párovými helikálními amyloidními vlákny (PHF) hyperfosforylovaného proteinu tau (p-tau) [2,27].

A je krátký peptid vytvořený štěpením většího transmembránového prekurzoru, nazývaného amyloidní prekurzorový protein (APP), postupným štěpením - a -sekretáz a uvolněn do extracelulárního prostoru [2,33].

Tento proces může generovat izoformy A různých délek (tabulka 1), které mají různé stupně toxicity v kontextu AD [34]. Nejběžnější izoformy A jsou 40- a 42-zbytkové longoney, obecně označované jako A 40 a A 42, v tomto pořadí. A 40 je nejhojnější variantou v plakech (~ 80 % až 90 %) a je přítomna také v mozcích zdravých lidí.

A 42 má mnohem vyšší sklon k agregaci a zvýšení poměru A 42/A 40 je spojeno s AD a jinými formami demence [30,34] (tabulka 2). Kromě štěpení jsou s AD spojeny genetické mutace (A692G, E693Q v genu APP [35,36], tabulka 2) a mnoho dalších PTM A, včetně oxidace, fosforylace, glykosylace a izomerizace [30].

Studie ukazují výskyt acetylace (např. Lys16 a Lys28), fosforylace (např. Ser8 a Ser26), nitrace (např. Tyr10), pyroglutamátu (např. Glu3 a Glu11), izomerizace (např. Asp1 a Asp7) a racemizace (např. Asp1, Asp23 a Ser26) v kontextu onemocnění [30,37–39] (tabulka 1).

Stojí za zmínku, že kognitivní pokles koreluje spíše s rozpustnými intermediárními formami A než se stupněm depozit amyloidu [16]. Tau je hlavní protein asociovaný s mikrotubuly, který stabilizuje mikrotubuly v neuronech [2,40]. V lidských mozcích tau existuje jako šest různých izoforem, které nesou buď tři nebo čtyři repetice vázající mikrotubuly (R). Tyto izoformy se nazývají 3R a 4R.

Bylo zjištěno, že přítomnost buď 3R nebo 4R nebo obou 3R a 4R amyloidů je specifická pro onemocnění. Například u AD, ALS, FT, D a parkinsonismu jsou přítomny jak 3R, tak 4R amyloidy, zatímco u kortikobazálních degenerací a Pickovy choroby se nacházejí pouze 4R a 3R amyloidy [41,42]. Tau podléhá PTM, zejména fosforylaci [40].

Patologická hyperfosforylace snižuje afinitu tau k mikrotubulům a způsobuje jejich oddělení od mikrotubulů, což má za následek tvorbu PHF a NFT [2].

Dosud bylo identifikováno 85 potenciálních fosforylačních míst tau [40]. Kromě toho molekulární a buněčné studie odhalily, že acetylace (např. Lys174, Lys274 a Lys280), oxidace (např. Cys322), nitrace (např. Tyr29), glykace (např. Lys87, Lys132 a Lys150), zkrácení (např. na Asp13 a Asp421 a Glu391) a ubikvitinace (např. Lys48 a Lys63) také ovlivňují agregaci tau [27] (tabulka 1).

3.2. -Syn v PD

Na rozdíl od AD postihuje PD primárně motorický systém, způsobuje třes, rigiditu, bradykinezi a posturální nestabilitu [2]. Patologickým znakem PD je výskyt cytoplazmatických amyloidních inkluzí, známých jako Lewyho tělíska (LB) a Lewyho neurity (LN). LB a LN se skládají z amyloidních agregátů, jejichž hlavní složkou je -syn [43].

-Syn obsahuje 140 zbytků s kladně nabitou N-koncovou oblastí, centrální oblastí bez amyloidní složky (NAC) se sklonem k agregaci n, n a záporně nabitou C-koncovou oblastí [44,45].

Duplikace nebo triplikace v oblasti chromozomu -syn (4q21-23) a mutace včetně A53T, G51D, H50Q, E46K a A30P v sekvenci -syn jsou spojeny s PD s časným nástupem [46–48] (tabulka 2 ). -Syn patří do rodiny proteinů, která také zahrnuje - a -synukleiny s 55%–62% podobností. -Synuklein má snížený sklon k agregaci a bylo objeveno, že potlačuje agregaci -syn jako přirozený inhibitor, zatímco oxidovaný -synuklein může iniciovat agregaci -syn [49,50].

O několika PTM je známo, že ovlivňují agregaci -syn, jsou spojeny s PD [28,] a mají diagnostický potenciál [51] (tabulka 1).

Patří mezi ně N-terminální acetylace, několik zkrácení na N-konci (např. -syn7-140, 14-140, 40-140 a 72–140 nalezené in vitro, 5–140 a 68 –140 nalezených in vivo a několik v obou) a C-konec (např. -syn1-115, 1-119, 1-122, 1-124, 1-125, {{ 19}}, 1-133 a 1-135), fosforylace Ser87 a Ser129, oxidace Met1, Met5, Met116 a Met127, sumolyace Lys96 a Lys102, nitrace Tyr39, Tyr125 a Tyr133 a Lys6kvitinace Lys10, Lys12 Lys21, Lys23, Lys43 a Lys96 [28,52,53] (tabulka 1).

3.3. TDP-43 a FUS v ALS a FTD

ALS a FTD jsou neurodegenerativní onemocnění s překrývajícími se mechanismy. ALS postihuje horní a dolní neurony, což způsobuje ztrátu svalové kontroly. FTD je forma demence spojená s degenerací frontálního a předního temporálního laloku [54].

Přibližně 97 % případů ALS a 45 % případů FTD je spojeno s přítomností inkluzí agregátů ubikvitinovaného, ​​hyperfosforylovaného a C-terminálně zkráceného TDP-43 v cytoplazmě neuronů a gliových buněk [29].

TDP-43 je ribonukleoprotein o délce 414 zbytků schopný za patologických podmínek tvořit agregáty podobné amyloidu a kondenzáty (tj. stresové granule) [9]. Skládá se z N-terminálního traktu s jaderným lokalizačním signálem, dvěma RNA rozpoznávacími motivy, jaderným exportním signálem a neuspořádanou C-terminální oblastí [29].

Uvádí se, že všechny tyto oblasti hrají klíčovou roli v agregaci proteinu [55–57]. Několik mutací TDP-43 bylo identifikováno jak u sporadických, tak u rodinných případů ALS a FTD, včetně G294A, Q331K, M337V [58] a K181E [59] (tabulka 2). Stejně jako u A a -syn hrají PTM TDP-43 také klíčovou roli v agregaci proteinu a progresi onemocnění.

Stojí za zmínku, že zkrácené 25 kDa a 35 kDa C-terminální fragmenty se běžně nacházejí v patologických agregátech u pacientů s ALS [29,31,54]. Typickou modifikací TDP-43 inkluzí je také ubikvitinace [31]. Konečně aberantní fosforylace, acetylace a oxidace TDP-43 jsou často spojeny s chybnou lokalizací a aberantní agregací proteinu [29] (tabulka 1).

ALS a FTD jsou také spojeny s dalším proteinem vázajícím RNA/DNA, FUS. FUS je protein o délce 526 zbytků tvořený N-terminální transkripční aktivační doménou a C-terminální doménou, která interaguje s transkripčními faktory a zahrnuje také nukleární lokalizační signál [60,61].

Obě domény obsahují oblasti s nízkou složitostí a hrají roli při tvorbě kondenzátů a hydrogelů [62]. V případech ALS/FTD je hlášeno více než 50 mutací (např. R521C,R521H [63]) FUS.

Na rozdíl od TDP-43 se FUS obecně nachází jako protein plné délky v agregátech [61]. Fosforylace se vyskytuje v prionových doménách FUS a bylo prokázáno, že ovlivňuje jeho fázovou separaci a agregační vzor, ​​zatímco mutace a PTM (hlavně methylace a fosforylace) na jeho C-terminální doméně regulují jeho jadernou/cytoplazmatickou lokalizaci [61,64].

Navzdory jasné patologické roli FUS jsou fenotypy ALS/FTD méně často spojovány s FUS než s dysfunkcemi TDP-43 [61,65]. Role FUS jako biomarkeru je tedy třeba určit.

4. Diagnostický potenciál genetických, strukturních a chemických vlastností amyloidogenních proteinů

Ke kvantifikaci amyloidogenních proteinů v inbiologických vzorcích a ke stanovení vazby mezi těmito proteiny a neurodegenerativními onemocněními bylo použito několik detekčních přístupů.

Některé z těchto strategií se zaměřují na kvantifikaci změn v hladinách exprese/koncentraci amyloidogenních proteinů bez ohledu na jejich konformaci nebo modifikaci (tabulka 2). Některé další přístupy se místo toho zaměřují na zkoumání specifických strukturních (např. agregovaných stavů) nebo chemických (tj. PTM) vlastností amyloidogenních proteinů (Tabulka 1).

Všechny tyto přístupy analyzují různé oblasti těla. Techniky, jako je aspozitronová emisní tomografie (PET), mohou sondovat proteiny přímo v centrálním nervovém systému (CNS), například v mozku [2,44,66].

Amyloidogenní proteiny však mohou být detekovány i v jiných dostupnějších oblastech těla. V této části diskutujeme poznatky, které byly získány z analýzy mozkových tkání a přístupných tělesných tekutin, zejména pomocí imunotestů, jako je imunoblotování a enzymatické imunoanalýzy (ELISA).

Mezi uvažované tekutiny patří cerebrospinální mok (CSF), který je v přímém kontaktu s extracelulární částí mozku a jako takový je optimální tekutinou pro měření metabolismu mozku [44].

For more information:1950477648nn@gmail.com