Strukturālie un funkcionālie ieskati sinukleīna fibrilu polimorfismā 4. daļa

7. Fāzu atdalīšana un kodēšana: fibrilu polimorfisma molekulārā bāze

Drīz pēc tam, kad tika atklāts, ka -Syn agregācija ir saistīta ne tikai ar PD, bet arī ar MSA un DLB, galvenā pētniecības joma galvenokārt bija vērsta uz izpratni par proteīna spēju izraisīt klīniski un patoloģiski daudzveidīgus neirodeģeneratīvus traucējumus.

Kļūstot vecākam, jūs varat atklāt, ka jūsu atmiņa nav tik laba kā bērnībā. Reizēm var pat likties, ka smadzenes ir “sarūsējušas” un ir grūti atcerēties jaunu informāciju. Bet ko darīt, lai šo situāciju uzlabotu? Pēdējos gados veiktie pētījumi liecina, ka pastāv cieša saikne starp MSA (dopamīna-saharīda kompleksu) un atmiņu.

MSA ir neironu ķēde, kas ietver neirotransmitera dopamīnu. Dopamīns ir svarīgs neirotransmiters smadzenēs un ir saistīts ar emocijām, motivāciju un kustībām. Saules akmeņi ir smadzeņu kodoli, kas kontrolē kustību un koordinē kustību. Attiecības ar dopamīnu ir tādas, ka, ja bazālo ķermeni stimulē dopamīns, tas palielinās savienojumus starp smadzeņu neironiem, tādējādi veicinot atmiņas veidošanos un nostiprināšanos.

Pētījumi liecina, ka MSA var aktivizēt un stimulēt, izmantojot digitālās spēles, mūzikas apmācību, fiziskos vingrinājumus un sociālo mijiedarbību. Šīs metodes var stiprināt savienojumu ar cerebrospinālo šķidrumu, palielinot dopamīna izdalīšanos. Piemēram, ir pierādīts, ka statiski smadzeņu vingrinājumi, piemēram, Sudoku un krustvārdu mīklas, uzlabo atmiņu. Ir pierādīts, ka muzikālā apmācība stimulē MSA shēmas un uzlabo atmiņas spējas. Turklāt ir pierādīts, ka fiziski vingrinājumi un sociālā mijiedarbība pozitīvi ietekmē MSA aktivāciju, tādējādi veicinot smadzeņu veselības un atmiņas uzlabošanos.

Rezumējot, tā kā MSA aktivitātēm ir pozitīva ietekme uz atmiņu, MSA stimulējošu aktivitāšu atrašana un piedalīšanās tajās ir svarīgs solis atmiņas uzlabošanā. Būt fiziski aktīvam, piedaloties sabiedriskās aktivitātēs un apgūstot jaunas prasmes, var aktivizēt un stimulēt MSA ķēdi, tādējādi veicinot smadzeņu veselības un atmiņas uzlabošanos. Sāksim no šī brīža un aktīvi piedalīsimies šajās aktivitātēs, lai iepludinātu smadzenēs jaunu enerģiju un vitalitāti. Var redzēt, ka mums ir jāuzlabo atmiņa, un Cistanche deserticola var ievērojami uzlabot atmiņu, jo Cistanche deserticola ir tradicionāls ķīniešu ārstniecības materiāls, kam ir daudz unikālu efektu, no kuriem viens ir atmiņas uzlabošana. Cistanche deserticola iedarbīgumu nodrošina daudzas tajā esošās aktīvās sastāvdaļas, tostarp miecskābe, polisaharīdi, flavonoīdu glikozīdi utt. Šīs sastāvdaļas var veicināt smadzeņu veselību dažādos veidos.

Noklikšķiniet uz zināt veidus, kā uzlabot smadzeņu darbību

Dažu pēdējo gadu laikā prionu celma hipotēze ir kļuvusi par galveno izskaidrojumu sinukleinopātijas novērotajai slimības mainīgumam. Lai gan virkne biofizikālo un bioloģisko datu apstiprina -Syn celmu pastāvēšanu [29, 30, 32–35, 53], joprojām nav skaidrs, kā šie celmi rodas, un faktori, kas veicina to veidošanos in vivo.

Iespējamā atbilde varētu būt agregācijas ceļu noteikšanā un celmu veidošanās pamatā esošo molekulāro virzītājspēku noskaidrošanā. Amiloīda veidošanos regulē ne tikai primārā nukleācija, bet tajā dominē sekundārie kodolu veidošanās notikumi lielākajā daļā agregācijas augšanas fāzes, kā tas tika apspriests iepriekš [189].

Šī sekundārā kodēšana ietver jaunu fibrilu pagarināšanu no esošajām sēklām, piesaistot monomērus no šķīduma. Jebkādas izmaiņas fibrilu šķīdināšanas apstākļos mēdz mainīt primāro un sekundāro nukleācijas notikumu ātrumu [188, 189]. Piemēram, skābs pH uzlabo -Syn monomēru saistīšanos ar fibrilu virsmu, tādējādi palielinot sekundāro kodolu veidošanās ātrumu [189,302].

Tā kā sēklu izraisītā agregātu pavairošana ir saistīta ar sēklu fragmentāciju un pagarinājumu, tas liek mums izvirzīt hipotēzi, ka deformācijas parādība vismaz daļēji ir sekundāras kodola veidošanās sekas. Turklāt dažādos agregācijas kinētikas posmos līdzās pastāv vairākas sugas [17,303,304], kas liecina par agregācijas starpproduktu iesaistīšanos polimorfisma diktēšanā.

-Syn monomēra konformācijas telpas kartēšana atklāj -Syn monomēra strukturālu apakšpopulāciju, kas veicina tā saistīšanos ar membrānām un izraisa dažādu oligomēru un fibrilu veidošanos [170].

Mūsu laboratorija nesen parādīja, ka neviendabīgā kodola veidošanās agregācijas ceļā veido polimorfisma izcelsmes pamatu [252]. Mēs izveidojām divus dažādus polimorfus, HMF (spirāles nogatavinātas fibrillas) un PMF (iepriekš nogatavinātas šķiedras), no agregācijas starpproduktiem, kas izveidoti tādos pašos montāžas apstākļos.

PMF nav stabila amiloīda kodola, un tajos ir nejaušs spoles saturs kopā ar lokšņu elementiem. Turklāt strukturētās loksnes no 74.–79. atlikumiem tās NAC domēnā (atlikumi 65.–80.) nav, kas liecina, ka PMF ir mazāk sakārtotas fibrila veidi. Gluži pretēji, morfoloģiski un strukturāli atšķirīgi HMF ir kompaktāki un sakārtotāki ar stabilu fibrilu kodolu [252].

Tie satur ļoti pakļautas hidrofobas virsmas un ir potenciāli toksiskākas nekā mazāk sakārtoti PMF. Šiem polimorfiem ir ne tikai strukturālas atšķirības, bet arī dažādas bioloģiskās aktivitātes [252].

Līdzīgs pētījums, kas ietvēra agregācijas starpproduktu identificēšanu fosfolipīdu membrānas klātbūtnē, atklāja, ka prefibrilārās sugas satur divus cilpas reģionus ar atlikumiem no 57 līdz 61 un no 71 līdz 80 [305]. Pēc tam šie starpprodukti pārkārtojas par fibrilārām sugām ar lielāko daļu NAC reģiona un N-gala (atlikumi 38–80), kas veido daļu no galīgās fibrilkonformācijas [305].

Ir ziņots arī par pētījumiem ar A, PrP un tau agregātiem, kur polimorfu strukturālo atšķirību dēļ rodas atšķirīgas bioloģiskās īpašības [28,306–309]. Piemēram, morfoloģiski un strukturāli atšķirīgās A fibrillas, kas veidojas mierīgos un satraucošos apstākļos, uzrāda būtiskas toksicitātes atšķirības primārajos neironos, un miera stāvoklī esošās fibrillas ir toksiskākas salīdzinājumā ar citām [28].

Strukturāli daudzveidīgu PrPSc konformāciju virkne uzrāda saimniekšūnu tropismu, ar noteiktu celmu kopumu, kas galvenokārt ir vērsts uz neironiem, astrocītiem vai pat abiem [307,308]. Tādējādi -Syn celmi, kas rodas no neviendabīgas kodola veidošanās agregācijas ceļā, var izraisīt klīniskas un patoloģiskas variācijas. uzrādot mainīgu citotoksicitāti un dažādas prioniem līdzīgas īpašības (5. attēls).

Nesen proteīnu agregācijas koncepcijas evolūcija uz fundamentālāku parādību, proti, šķidruma un šķidruma fāzes atdalīšanu (LLPS), ir būtiski ietekmējusi jomu un virzījusi pētījumus jaunā virzienā [310–314]. Olbaltumvielas tiek inkubētas dažādos apstākļos, piemēram, pH, temperatūras un sāls apstākļos [315–317].

Fāzu atdalīšanas notikumi tiek veicināti molekulāro drūzmētāju, piemēram, polietilēnglikola, dekstrāna vai fikola, klātbūtnē, kas palīdz palielināt vietējo olbaltumvielu koncentrāciju un atvieglo pilienu veidošanos [315–318]. Pēc tam tiek pētīta dinamika, nobriešana un agregācijas profils, izmantojot unikālu biofizikālo, bioķīmisko un spektroskopisko metožu kombināciju [315,317].

Ir pierādīts, ka dažādu amiloidogēno proteīnu fāzu atdalīšanas parādības notiek pirms agregācijas un fibrilu veidošanās. Ir ierosināts, ka iekšējo traucējumu reģionu (IDR), prioniem līdzīgu domēnu (PLD) un zemas sarežģītības domēnu (LCD) klātbūtne veicina amiloidogēno proteīnu fāzē atdalītu kondensātu veidošanos [310, 315, 316, 319 320].

Mūsu laboratorija nesen pierādīja, ka -Syn LLPS ir kritisks notikums agrīnā nobīdes fāzē un notiek pirms tā agregācijas fāzu atdalīšanas apstākļos (pūlētāju, stresa faktoru, amiloīda kofaktoru klātbūtne utt.) [315].

Šo fāzē atdalīto pilienu parādīšanās agregācijas kinētikas aizkavēšanās fāzē liecina, ka LLP var uzlabot kodola veidošanās notikumus, palielinot olbaltumvielu molekulu vietējo koncentrāciju [315, 320]. Turklāt ar fāzēm atdalītajiem -Syn pilieniem laika gaitā notiek pāreja no šķidruma uz cietu vielu, un rezultātā veidojas amiloidhidrogēls [315].

Iepriekš ir pierādīts, ka šie amiloīda hidrogēli iesprosto citotoksiskus oligomērus un fibrillas [321], norādot uz iespēju, ka fibrillas, kas veidojas, izmantojot LLPS, var būt toksiskas. Tomēr normālos montāžas apstākļos (bez fāzu atdalīšanas) -Syn fibrillām ir ļoti neliela citotoksicitāte vai tās nav vispār [322,323]. Tas liek domāt, ka fibrillas, kas veidojas fāzu atdalīšanas un bezfāzu atdalīšanas apstākļos, varētu būt atšķirīgas.

Turklāt fibrilu veidošanās atšķaidītos šķīdumos (zināms, ka tā notiek primārās un sekundārās kodēšanas ceļā) [189] un kondensātos (izmantojot LLPS) nav savstarpēji izslēdzoši notikumi [324], bet dažādi agregācijas ceļi var izraisīt dažādu fibrilu veidošanos (attēls). 6).

Piemēram, TDP-43, proteīns, kas iesaistīts ALS/FTD, tiek pakļauts fibrilācijai ar vai bez LLPS. Tomēr fibrilācijas kinētika abos gadījumos ir atšķirīga, kas liecina par sarežģītu procesu iesaistīšanos fibrilācijā LPS klātbūtnē [329].

Tāpēc būtu ļoti svarīgi uzdot dažus jautājumus, piemēram, vai fibrillas, kas izveidotas ar fāzu atdalīšanu vai bez tās, ir strukturāli un funkcionāli atšķirīgas viena no otras vai, vienkārši sakot, uzrāda fibrilu polimorfismu. Vai dažādiem LLPS apstākļiem vai mutācijām ir kāda nozīme, izlemjot izveidoto -Syn fibrilu deformācijas uzvedību?

Piemēram, ir pierādīts, ka FUS patogēnajām mutācijām ir atšķirīgas biofizikālās īpašības salīdzinājumā ar savvaļas tipa proteīnu [327]. Šie atklājumi liecina, ka līdzīgi kā bezfāzu atdalīšanas apstākļos, kad dažādi šķīduma apstākļi rada polimorfus [29], arī fibrillas, kas veidojas dažādos fāzu atdalīšanas apstākļos, var būt atšķirīgas (7. attēls).

Piemēram, -Syn fāze, kas atdalās dažādos apstākļos, piemēram, PTM klātbūtne, ģimenes mutācijas, mazas molekulas vai metāla joni, var parādīt polimorfismu un veidot dažāda veida fibrilus (7. attēls).

Tomēr šī parādība vēl ir jānosaka, jo tai būtu nepieciešams plašs pilienu iekšpusē izveidoto fibrilu raksturojums. Mēs uzskatām, ka konformācijas ziņā atšķirīgu starpposma sugu līdzāspastāvēšana un daudzi agregācijas ceļi, kas novēroti ar vai bez LLPS, varētu būt polimorfisma izcelsmes pamats. .

Tomēr šajā jomā ir jāveic vairāk pētījumu, lai noteiktu neviendabīgas kodolu veidošanās un vairāku agregācijas ceļu ieguldījumu fibrilpolimorfismā. Dažādu biofizikālo metožu izstrāde un pielietošana varētu palīdzēt mums iegūt ieskatu informāciju par molekulārajiem notikumiem, kas notiek LLPS laikā un sekojošo pilienu nobriešanu.

8. Polimorfisma klīniskās un terapeitiskās sekas

Pārskatā apspriestie pētījumi sniedz pārliecinošus pierādījumus tam, ka -Syn var veidot dažādus polimorfus ar atšķirīgām strukturālām un bioloģiskām īpašībām. Līdzīgi kā prioniem, kur katru prionu slimību kodē atšķirīga nepareizi salocīta proteīna konformācija, katra sinukleinopātija, iespējams, ir saistīta arī ar unikālu -Syn struktūru.

Tomēr viena un tā paša proteīna daudzveidīgās fibrilu struktūras rada vairākas problēmas zāļu izstrādē pret neirodeģeneratīviem traucējumiem. Tādas terapijas kā imūnterapija būtu ļoti specifiskas konkrētam celmam, taču tās var neatpazīt citu. Līdzīgi, izstrādājot nelielas terapeitiskās molekulas vai zāles, lai bloķētu vai palēninātu proteīnu agregācijas procesu, ir jāpārbauda vairākas konformācijas. Ņemot vērā fibrilu sarežģītību un to polimorfismu, monomēru -Syn mērķauditorijas atlase varētu būt iespēja.

Tomēr tas ir arī izaicinājums proteīna būtībā nesakārtotā rakstura dēļ. Neskatoties uz šīm problēmām, pacientu atvasināto -Syn celmu noteikšana un raksturošana pavērs iespēju dziļāk izprast un raksturot sinukleinopātijas. Tas atvieglos jaunu terapiju izstrādi un stingrākas sinukleinopātijas klasifikācijas sistēmas.

Šajā kontekstā ļoti jutīgas metodes, piemēram, PMCA [330], reāllaika zemestrīces izraisītas konversijas tests (RT-QuIC) [331] un HANDaiamiloīda pārrāvuma inducētājs (HANABI) [332], ir būtiski veicinājuši pacientu cerebrospinālajā šķidrumā iegūto sinaggregātu pastiprināšanu. smadzenes. PMCA un RT-QuIC ir izmantoti, lai atšķirtu attiecīgi no PD/MSA un PD/DLB pacientu iegūtos -Syn celmus [52,333].

Šo metožu izmantošana palīdzētu uzraudzīt slimības progresēšanu laika gaitā un palīdzētu agrīni un specifiski diagnosticēt sinukleinopātijas. Turklāt klīniskās un patoloģiskās atšķirības un pacientu neviendabīgums, kas novērots PD un saistīto traucējumu gadījumā, var ietekmēt sinukleinopātijas pacientu ārstēšanu. Šobrīd visi PD pacienti saņem viena veida ārstēšanu, un pacienti tiek atšķirti atkarībā no tā, kā viņi ir ieguvuši slimību un kādi simptomi viņiem ir.

Tāpēc mēs paredzam, ka zāles un terapeitiskie līdzekļi, kas paredzēti, lai mērķētu uz patogēnām -Syn sugām, var ietvert vai nu vienas konformācijas zāles, vai zāļu kokteili pret dažādiem polimorfiem vai celmiem, kas ir apdzīvoti slimā cilvēka smadzenēs. Turklāt, ārstējot pacientus ar sinukleinopātijām, katrā atsevišķā gadījumā ir jāapsver vairāki galvenie parametri, piemēram, slimības profils, patoloģiskie un klīniskie simptomi, iesaistīto olbaltumvielu celmu veidi un raksturs, kā arī slimības progresēšanas ātrums.

Tāpēc potenciālo terapeitisko mērķu identificēšana un uz konformāciju balstītu zāļu izstrāde ir nākamais lielais solis pretī PD un ar to saistītiem traucējumiem medikamentu izstrādei. Saiknes noteikšana starp astraīna izplatīšanos un slimības fenotipu sniegs vērtīgu ieskatu efektīvu stratēģiju izstrādē neirodeģeneratīvo traucējumu apkarošanai.

Vēl viens izaicinājums ir narkotiku ievadīšana smadzenēs, lai ārstētu neirodeģeneratīvus traucējumus, kas galvenokārt saskaras ar neveiksmēm ierobežojošo hematoencefālisko barjeru dēļ [32]. Ir veikti daudzi mēģinājumi piegādāt zāles, izmantojot nanonesējus, tiešas zāļu ievadīšanas metodes, pārejošus asins-smadzeņu barjeras traucējumus un cilmes šūnu terapiju [33–37]. Tomēr neviena no ārstēšanas metodēm nav spējusi pilnībā pārvarēt pašreizējās problēmas [32].

9. Nobeiguma piezīmes un atklātie jautājumi

-Syn prioniem līdzīgā deformācijas uzvedība joprojām ir mīklaina parādība. Tas ir pārsteidzoši, kā viens proteīns bez pareizas struktūras var salocīt dažādos veidos un pieņemt konformācijas, kas izraisa dažādas patoloģijas.

Daudzi neatbildēti jautājumi ir jāturpina izmeklēt pat pēc iespaidīga darba apjoma ar -Syn polimorfiem un celmiem. Piemēram, kas nosaka -Syn celma veidošanos noteiktos šūnu un vides apstākļos? Kā šie celmi ir vērsti uz dažādiem šūnu tipiem un smadzeņu reģioniem? Vai -Syn celmi attīstās, mainās vai pielāgojas laika gaitā atkarībā no saimniekfaktoriem?

Kā citu proteīnu, ligandu, membrānu vai kofaktoru klātbūtne ietekmē celmu veidošanos? Vai -Syn celmiem ir iespēja saskatīt viens otru un izraisīt jauktas patoloģijas? Vai -Syn celmi traucē un bloķē viens otra izplatīšanos, līdzīgi kā prioni?

Vai tas ir iespējams, vai mums ir pietiekami jutīgas metodes, lai agrīnā diagnozes stadijā atšķirtu PD un MSA celmus? Ņemot vērā prionu celma fenomena paplašināšanos uz vairākiem citiem amiloidogēniem proteīniem, var būt nepieciešams arī saprast galvenos molekulāros notikumus celmu bioloģijā un izstrādāt efektīvas stratēģijas.

Autora ieguldījums: konceptualizācija, SM un SKM izpēte (literatūras apskats); SM;LG; RB un ASS; rakstīšanas-oriģināla uzmetuma sagatavošana, SM; LG; RB un ASS; rakstīšana-recenzēšana un rediģēšana, SM; LG; RB; ASS un SKM; vizualizācija, SM; projektu administrēšana, SM un SKM; uzraudzība, SM un SKM; finansējuma iegūšana, SKM, SM un SKM ir vienlīdz ieguldījuši attiecīgie autori. Visi autori ir izlasījuši un piekrituši publicētajai manuskripta versijai.

Finansējums: šo pētījumu finansēja Indijas valdības Biotehnoloģijas departaments (DBT) [BT/PR22749/BRB/10/1576/2016].

Institucionālās pārbaudes padomes paziņojums: nav piemērojams.

Paziņojums par informētu piekrišanu: Nav piemērojams.

Paziņojums par datu pieejamību: Nav piemērojams.

Pateicības: autori atzīst Indijas valdības Biotehnoloģijas departamentu (DBT) par finansiālo atbalstu. Mēs pateicamies Pradeep Kadu par palīdzību figūru veidošanā. SM ir pateicīga Indijas Universitātes Grantu komisijai par viņas stipendiju.

Interešu konflikti: autori paziņo, ka nav interešu konflikta.

Saīsinājumi

-sinukleīns (-Syn), Parkinsona slimība (PD), multiplās sistēmas atrofija (MSA), demence ar Lūija ķermeni (DLB), Parkinsona slimības demence (PDD), Lewy ķermeņi (LB), Lewy neirīti (LN), Alcheimera slimība (AD). ), Glia citoplazmas ieslēgumi (GCI), pēctranslācijas modifikācijas (PTM), savvaļas tipa (WT), krioelektronu mikroskopija (krio-EM), cietvielu KMR (ssNMR) spektroskopija; transmisijas elektronu mikroskopija (TEM), atomu spēka mikroskopija (AFM), cirkulārais dihroisms (CD), klejotājnerva dorsālais motora kodols (DMV), enterālā nervu sistēma (ENS); -Sinukleīns (sin); -sinukleīns (-Syn); Olbaltumvielu nepareizas locīšanas cikliskā amplifikācija (PMCA); Šķidruma-šķidruma fāzes atdalīšana (LLPS).

Atsauces

1. Spillantini, MG; Gērts, M. Alfa-sinukleinopātijas: Parkinsona slimība, demence ar Lūija ķermeņiem un daudzsistēmu atrofija. Ann. NY Akad. Sci. 2000, 920, 16.–27. [CrossRef] [PubMed]

2. Spillantini, MG; Crowther, RA; Džeikss, R.; Hasegava, M.; Gērts, M. -Sinukleīns Lūija ķermeņu pavedienveida ieslēgumos no Parkinsona slimības un demences ar Lūija ķermeņiem. Proc. Natl. Akad. Sci. ASV 1998, 95, 6469–6473. [CrossRef] [PubMed]

3. Spillantini, MG; Šmits, ML; Lī, VM; Trojanovskis, JQ; Džeikss, R.; Goedert, M. A-sinukleīns Lewy ķermeņos. Daba 1997, 388, 839–840. [CrossRef]

4. Galvins, JE; Lī, VM; Trojanowski, JQ Synucleinopathies: Klīniskās un patoloģiskās sekas. Arch. Neirol. 2001, 58, 186–190.[CrossRef]

5. Mahul-Mellier, AL; Bērčers, Dž.; Maharjans, N.; Vērenss, L.; Kruzjē, M.; Katlers, F.; Leleu, M.; Knott, GW; Lashuel, HA Lewy ķermeņa veidošanās process, nevis vienkārši alfa-sinukleīna fibrilizācija, ir viens no galvenajiem neirodeģenerācijas virzītājiem.Proc. Natl. Akad. Sci. ASV 2020, 117, 4971–4982. [CrossRef] [PubMed]

6. Shahmoradian, SH; Lūiss, AJ; Dženūds, C.; Henčs, J.; Moors, TE; Navarro, PP; Kastano-Dīzes, D.; Šveihauzers, G.; GrafMeijers, A.; Goldijs, KN; et al. Lewy patoloģija Parkinsona slimības gadījumā sastāv no pārpildītām organellām un lipīdu membrānām. NatNeurosci. 2019, 22, 1099–1109. [CrossRef] [PubMed]

7. Biļešu cenas, MB; Jagannath, S.; Lashuel, HA Reversā inženierija Lewy ķermeņi: cik tālu mēs esam nonākuši un cik tālu mēs varam iet? Nat.Rev. Neirosci. 2021, 22, 111–131. [CrossRef] [PubMed]

8. Serpell, LC; Berimans, Dž.; Džeikss, R.; Gērts, M.; Crowther, RA Sintētisko alfa-sinukleīna pavedienu šķiedru difrakcija parāda amiloīdiem līdzīgu krustenisko beta konformāciju. Proc. Natl. Akad. Sci. ASV 2000, 97, 4897–4902. [CrossRef] [PubMed]

For more information:1950477648nn@gmail.com