Role NEDD4 podrodiny ubikvitinových ligáz HECT E3 v neurovývoji a neurodegeneraci, část 3

Oxidační stres a aktivace apoptotických drah se účastní patofyziologie mnoha neurodegenerativních onemocnění.

Vztah mezi oxidačním stresem a pamětí přitáhl širokou pozornost vědců. Oxidační stres je nevyhnutelný fyziologický jev v živých organismech. Je způsobena nadměrnou produkcí volných radikálů, kyslíkových iontů a dalších oxidačních látek v těle, což vede k nerovnováze v redoxním stavu v těle, čímž dochází k oxidativnímu poškození biologických makromolekul, buněčných membrán atd. Může narušit různé fyziologické funkce, včetně paměti. Nejnovější výzkumy však ukazují, že vhodný oxidační stres má dobrý vliv na podporu paměti.

Za prvé, oxidační stres může aktivovat antioxidační obranný mechanismus v mozkových buňkách, podpořit jejich metabolismus a zvýšit životaschopnost a adaptabilitu nervových buněk.

Za druhé, mírný oxidační stres může také podpořit syntézu prospěšných látek v mozkových buňkách a zlepšit spojení a stabilitu nervových buněk. Například nepřetržitá syntéza prospěšných látek, jako jsou antioxidační enzymy a proteiny tepelného šoku, zlepší samoopravnou schopnost neuronů, a tím posílí funkce učení a paměti.

A konečně, oxidativní stres může také aktivovat některé geny související s přežitím a diferenciací buněk, podporovat regeneraci a obnovu buněk, a být tak velkým přínosem při podpoře kognitivních schopností a paměti.

Stručně řečeno, mírný oxidační stres může pomoci zlepšit kognitivní a paměťové schopnosti a měl by být brán vážně a používán racionálně. Je však potřeba zdůraznit, že nadměrný oxidační stres zdraví neprospívá. Proto byste měli v každodenní stravě konzumovat více antioxidantů a zároveň dbát na omezení výskytu chronických onemocnění a dodržování zdravého životního stylu. 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 vědět doplňky pro zlepšení paměti

Oxidační stres produkuje reaktivní radikály kyslíku (ROS), které spouštějí expresi proapoptotických faktorů. Alzheimerova choroba (AD), PD a ALS jsou spojovány s poruchou signalizace inzulínu/inzulinového růstového faktoru (IGF)-1 [105].

Degradace IGF-1 je zprostředkována systémem ubiquitin-proteasomesystem (UPS) a NEDD4-1 hraje v tomto procesu klíčovou roli. NEDD4-1 je upregulován řadou neurotoxinů, které vyvolávají oxidační stres v neuronech, což vede k degradaci IGF-1 ze strany UPS. Zvýšená exprese NEDD4-1 byla nalezena v mozkových tkáních pacientů s AD, PD a HD a také v tkáních míchy pacientů s ALS a mutantních myší SOD1.

Downregulace/inaktivace NEDD4-1 zachránila neurony před smrtí zprostředkovanou zinktoxicitou [106]. NEDD4-1 je také spojován s dalšími proteiny, které jsou zvláště důležité při regulaci buněčné stresové reakce (HSF-1) a apoptózy (NDFIP1).

Heat Shock Transscription Factor-1 (HSF-1) je hlavní stresový transkripční faktor, který aktivuje gen kódující chaperony a antiapoptotické proteiny. Předpokládá se, že jeho dysregulace se podílí na neurodegeneraci, zejména na synukleinopatii. Podproteotoxické stresové podmínky vyvolané -Synucleinem, NEDD4-1 je E3 ligáza v neuronech, která ubikvitinuje HSF-1 pro další degradaci proteazomem.

Aberantní degradace HSF-1 zahrnující NEDD4-1 by mohla být důležitým molekulárním klíčovým mechanismem, který je základem -synukleinopatie a rozsáhlé neurodegenerace [107]. NEDD4-1 také interaguje s NDFIP1 (NEDD4 family interacting protein), transmembránovým proteinem s ochrannou rolí v buněčném modelu PD, pomáhá snižovat apoptózu a zlepšuje míru přežití buněk. Tato vazba generuje zvýšenou expresi NDFIP1 [108].

Ztráta NEDD4-1 byla spojena se zvýšením RTP801, proapoptotického proteinu dostatečného a nezbytného k indukci neuronální smrti v buněčných a zvířecích modelech PD [109]. SMURF1 a SMURF2 jsou další ligázy HECT E3 s vazbami na apoptotické dráhy.

SMURF1 byl popsán jako protein asociovaný s Hirano Body (HB) [110]. HB byla nejprve pozorována u pacientů trpících ALS a PD a poté u AD. SMURF1 je upregulován prozánětlivými cytokiny, které hrají roli v apoptóze při poškození CNS [111].

Bylo také prokázáno, že inhibuje p53-zprostředkovanou apoptózu stabilizací MDM2-MDMX komplexu, který ubikvitinuje p53, což vede k jeho degradaci [51]. SMURF2 byl popsán jako negativní regulátor signalizace TGF, hlavní aktér v regulaci apoptózy.

Léčba karbamátovým pesticidem, karbofuranem, vede k neurodegeneraci zvýšenou signalizací TGF s významnou downregulací SMURF2 [112]. Signalizace TGF je zvýšená, zejména u pacientů s AD, PD a ALS [113].

Dalším hlavním faktorem apoptózy je protein p53. p53-zprostředkovaná apoptóza se přímo účastní procesů vedoucích k neurodegeneraci. Je zajímavé, že HECT E3 NEDL1 zvyšuje p53-zprostředkovanou apoptózu [114].

Glutamát je nejhojnější excitační neurotransmiter v centrálním nervovém systému. U AD je kognitivní pokles způsoben synaptickým poškozením způsobeným štěpením theamyloidního prekurzorového proteinu na patogenní peptid amyloid- (A) [115]. A snižuje podtyp ionotropního glutamátového receptoru AMPA-R na membráně.

Přesné molekulární mechanismy vedoucí k tomuto poklesu zůstávají nejasné; avšak u kultivovaných neuronů se synaptickou dysfunkcí indukovanou A byla identifikována role ubikvitinace zprostředkované NEDD4-1na AMPA-R.

Je známo, že NEDD4-1 cílí na AMPA-R a A podporuje jeho nábor, čímž zvyšuje ubikvitinaci a degradaci synaptických receptorů [116]. HECT E3 NEDD4-2 se podílí na ubikvitinaci a degradaci BEST1( bestrophin-1), kalciem aktivovaný chloridový kanál exprimovaný na povrchu neuronů a astrocytů [117].

BEST1 se podílí na uvolňování glutamátu a GABA, spojeném s modulací neuronální excitability a synaptickým přenosem za patologických podmínek, jako je neurozánět a neurodegenerace.

Mezi glutamátem a neurodegenerativními onemocněními byla rozsáhle popsána další souvislost: glutamátová excitotoxicita. Nadměrný glutamát v synapsích je toxický a je spojován s AD, ALS a HD. K této excitotoxicitě přispívají dysfunkční glutamátové transportéry [118].

HECT E3 NEDD4-2může zprostředkovat ubikvitinaci glutamátových transportérů in vitro a in vivo modelů PD [119]. V astrocytech ošetřených MPP+ (1-methyl-4-fenylpyridinium) jsou hladiny GLT-1 přenašečů ubikvitinovaného (Ub) glutamátu zvýšené, zatímco hladiny GLT-1 bez Ub jsou sníženy.

To je zvráceno knockdownem NEDD zprostředkovaným siRNA4-2. Podobné výsledky byly získány v MPTP myším modelu PD (1-methyl-4-fenyl-1,2,2,6-tetrahydropyridin). Knockdown NEDD4-2 v tomto myším modelu vedlo ke zlepšení pohybových poruch [120].

6. Závěry a výhledy do budoucna

Ubikvitinová dráha je hlavním faktorem v regulaci proteinové homeostázy a aktivity mnoha proteinů. Deregulace této dráhy, složené z mnoha enzymů a zejména E3 ligáz, vede k defektům ve vývoji a funkci neuronů, což způsobuje neurovývojová nebo neurodegenerativní onemocnění (obrázek 3).

V této práci jsme poskytli první přehled funkcí a regulace konkrétní podrodiny E3 ligáz vysoce exprimovaných v mozku, podrodiny NEDD4 E3 HECT ubikvitinligáz. Je to nejlépe charakterizovaná podskupina z 28 enzymů typu HECT [121].

9 členů této podrodiny NEDD4 bylo během evoluce vysoce konzervováno u savců, ale také u jiných než savců, jako je Caenorhabditis elegans nebo Drosophila. Proteiny sdílející stejné struktury a domény jako proteiny NEDD4 byly nalezeny v kvasinkách Saccharomyces cerevisiae a Schizosaccharomyces pombe [17].

Je známo, že E3 enzymy podrodiny NEDD4 jsou vysoce exprimovány v CNS.

Nedávné studie ukazují, že mají různé a důležité role ve vývoji a funkci neuronů. Účastní se také buněčných procesů zapojených do regulace přežití buněk a programované buněčné smrti (obrázek 3).

Genetické studie ukázaly, že některé z genů kódujících tyto enzymy jsou mutovány zejména u neurovývojových a neurodegenerativních onemocnění. Je velmi pravděpodobné, že další genetické studie využívající sekvenování nové generace na velkých kohortách pacientů prokážou zapojení této rodiny E3 do jiných patologií CNS. Je známo, že neurodegenerativní onemocnění jsou onemocnění související s věkem.

Věk může vést k modifikacím koncentrace a aktivity enzymů ubikvitinové dráhy. Změny aktivity mohou být způsobeny posttranslačními modifikacemi (PTM), jako je deamidace.

Deamidace je skutečně považována za molekulární hodiny pro přeměnu bílkovin a může vést k denaturaci nebo agregaci bílkovin [122]. Vliv deamidace ubikvitinligáz rodiny NEDD4 by měl být, stejně jako fosforylace, vážně studován.

Modifikace jejich koncentrace nebo aktivity by mohla ovlivnit buněčné procesy a vést k neurodegeneraci. Jak bylo vidět dříve, regulační mechanismy NEDD4 jsou značně diverzifikované. To otevírá zajímavé příležitosti k vývoji terapeutik, která by umožnila modulaci (blokování, snížení nebo zvýšení) jejich působení.

Mohli bychom se zaměřit na proteinové domény regulace enzymatické aktivity, jako je enzymatická doména HECT a doména interakce s ligandy. Některé molekuly již byly vyvinuty pro působení na proteiny NEDD4, jako je protirakovinný lék Bortezomib, který interaguje s několika proteiny podrodiny NEDD4 [123].

Klomipramin, lék používaný k léčbě deprese, specificky blokuje katalytickou aktivitu HECT svědění NEDD4 [124]. Podrodina NEDD4 se stala předmětem velkého zájmu zájemců o fyziologické a patofyziologické procesy v CNS.

Vzhledem k rozmanitosti a důležitosti funkcí, které hrají proteiny této podrodiny v neuronech, a možnosti vývoje terapeutik specificky zaměřených na ně, je zapotřebí další výzkum těchto konkrétních ligáz.

Autorské příspěvky: Konceptualizace, SH, PV a CRA; metodologie, SH, PV a CRA; validace, SH, PV a CRA; psaní - příprava původního návrhu, SH, PV, SM, CV-D., DL, FL, PC, HB a CRA; psaní-recenze a editace, SH, PV, MJ, SM, CV-D., DL, FL, PC, HBand CRA; dohled, PV a CRA; administrace projektů, PV a CRA; finanční akvizice, PV a CRA Všichni autoři si přečetli publikovanou verzi rukopisu a souhlasili s ní.

Financování: Tento výzkum neobdržel žádné externí financování.

Prohlášení institucionální revizní komise: Neuplatňuje se.

Prohlášení o informovaném souhlasu: Neuplatňuje se.

Prohlášení o dostupnosti dat: Nelze použít.

Poděkování: Tento výzkum podpořila Inserm University of Tours a nadace ARSLA, Francie. SH oceňuje finanční podporu od Region Centre Val deLoire (Společenství).

Střet zájmů: Autoři neprohlašují žádný střet zájmů.

Reference

1. Gilbert, SL; Dobyn, WB; Lahn, BT Genetické vazby mezi vývojem mozku a evolucí mozku. Nat. Genet. 2005,6, 581–590. [CrossRef] [PubMed]

2. Upadhyay, A.; Joshi, V.; Amanullah, A.; Mishra, R.; Arora, N.; Prasad, A.; Mishra, A. E3 Ubiquitin Ligases Neurobiological Mechanisms: Development to Degeneration. Přední. Mol. Neurosci. 2017, 10, 151. [CrossRef] [PubMed]

3. Hipp, MS; Kasturi, P.; Hartl, FU Síť proteostázy a její pokles ve stárnutí. Nat. Mol. Cell Biol. 2019, 20, 421–435.[CrossRef] [PubMed]

4. Ramocki, MB; Zoghbi, HY Selhání neuronální homeostázy má za následek běžné neuropsychiatrické fenotypy. Příroda 2008,455, 912–918. [CrossRef] [PubMed]

5. Wang, C.; Dong, K.; Wang, Y.; Peng, G.; Píseň, X.; Yu, Y.; Shen, P.; Cui, X. Integrace exprese HECW1 do klinických ukazatelů vykazuje vysokou přesnost při hodnocení prognózy pacientů se světlobuněčným renálním karcinomem. BMC Cancer 2021, 21, 890.[CrossRef]

6. Swatek, KN; Komander, D. Modifikace ubikvitinu. Cell Res. 2016, 26, 399–422. [CrossRef]

7. Kwon, YT; Ciechanover, A. Kód ubikvitinu v systému ubikvitin-proteazom a autofagie. Trends Biochem. Sci. 2017,42, 873–886. [CrossRef]

For more information:1950477648nn@gmail.com