Amiloidogēno proteīnu diagnostikas potenciāls 1. daļa

Abstract:

Neirodeģeneratīvie traucējumi ir ļoti izplatīta slimību klase, kuras patoloģiskie mehānismi sākas pirms skaidru simptomu parādīšanās. Šis fakts ir mudinājis zinātniekus meklēt biomarķierus, kas varētu palīdzēt agrīnai ārstēšanai.

Šīm pašlaik neārstējamām patoloģijām nervu sistēmā ir kopīgi aberranti agregāti, ko sauc par amiloīdiem un kas sastāv no specifiskiem proteīniem.

Šajā pārskatā mēs apspriežam, kā šīs olbaltumvielas, to konformācijas un modifikācijas varētu izmantot kā biomarķierus diagnostikas nolūkos.

Olbaltumvielas ir viena no svarīgajām vielām labas veselības uzturēšanai, un tai ir arī būtiska ietekme uz atmiņu. Olbaltumvielas sastāv no aminoskābēm, kas ir smadzeņu šūnu un neirotransmiteru izejvielas. Tāpēc olbaltumvielu uzņemšana ir cieši saistīta ar atmiņu.

Pirmkārt, olbaltumvielas ir būtiska viela organismam audu veidošanai un atjaunošanai. Smadzeņu šūnas ir bagātas ar enzīmiem un regulējošām vielām, kuru normālai darbībai ir nepieciešamas olbaltumvielas. Pārāk zems olbaltumvielu saturs organismā izraisīs smadzeņu šūnu nefunkcionēšanu, tādējādi ietekmējot atmiņu. Tāpēc adekvāta olbaltumvielu uzņemšanas uzturēšanai ir svarīga loma smadzeņu attīstībā un atmiņas uzturēšanā.

Otrkārt, proteīns uzlabo smadzeņu šūnu darbību. Cilvēka ķermenim ir nepieciešams liels daudzums smadzeņu neirotransmiteru, lai uzturētu normālu tādu funkciju darbību kā domāšana, atmiņa un uzvedība. Smadzeņu neirotransmiteri organismā tiek sintezēti no aminoskābēm, un šo aminoskābju avots ir olbaltumvielas. Tāpēc, izvēloties pārtiku, kas bagāta ar augstas kvalitātes olbaltumvielām, var palielināt smadzeņu neirotransmiteru sintēzi, tādējādi uzlabojot smadzeņu šūnu darbību un palīdzot uzlabot atmiņu.

Turklāt olbaltumvielas arī palīdz uzturēt ķermeņa stabilitāti un novērst cukura līmeņa svārstības asinīs. Zems cukura līmenis asinīs var izraisīt tādus simptomus kā neuzmanība, reibonis un ķermeņa nogurums, kas bieži ietekmē atmiņas veiktspēju. Uzturot mērenu olbaltumvielu uzņemšanu, var efektīvi izvairīties no cukura līmeņa asinīs svārstībām, kas palīdz uzturēt organisma stabilitāti un uzlabo atmiņu.

Īsāk sakot, olbaltumvielas ir cieši saistītas ar atmiņu. Mērens olbaltumvielu patēriņš var uzturēt ķermeņa stabilitāti, uzlabot smadzeņu šūnu darbību un tādējādi uzlabot atmiņu. Mums jācenšas ēst vairāk augstas kvalitātes olbaltumvielām bagātu pārtiku, piemēram, zivis, gaļu, pupiņas un piena produktus, un jāizvairās no olbaltumvielu pilnīgas izņemšanas no uztura. Tas palīdzēs mums saglabāt veselību, uzlabot atmiņu un baudīt labāku dzīvi. Var redzēt, ka mums ir jāuzlabo atmiņa, un Cistanche var ievērojami uzlabot atmiņu, jo Cistanche ir tradicionālā ķīniešu medicīna ar daudziem unikāliem efektiem, no kuriem viens ir atmiņas uzlabošana. Cistanche iedarbīgumu nodrošina dažādas tajā esošās aktīvās sastāvdaļas, tostarp miecskābe, polisaharīdi, flavonoīdu glikozīdi utt., kas var veicināt smadzeņu veselību daudzos veidos.

Noklikšķiniet uz zināt 10 veidus, kā uzlabot atmiņu

Mēs koncentrējamies uz proteīniem, kas ir saistīti ar visizplatītākajiem neirodeģeneratīvajiem traucējumiem, tostarp Alcheimera un Parkinsona slimībām, amiotrofisko laterālo sklerozi un frontotemporālo demenci.

Mēs arī aprakstām pašreizējās problēmas noteikšanā, jaunākās metodes ar diagnostikas potenciālu un iespējamo turpmāko attīstību diagnostikā.

Atslēgvārdi: neirodeģeneratīvas slimības; biomarķieris; amiloīds; oligomērs; pēctulkošanas modifikācija.

1. Nepieciešamība pēc jaunām neirodeģenerācijas diagnostikas metodēm

Neirodeģeneratīvās slimības ir letāli un neārstējami traucējumi, kam raksturīgs progresējošs neironu zudums noteiktos nervu sistēmas reģionos. Tās ir ļoti neviendabīga patoloģiju grupa, kas ietver Alcheimera slimību (AD), Parkinsona slimību (PD), frontotemporālo demenci (FTD) un amiotrofisko laterālo sklerozi (ALS).

Pašlaik visā pasaulē vairāk nekā 50 miljoni cilvēku cieš no dažādām neirodeģenerācijas formām [1]. Neirodeģeneratīvo slimību klīniskā gaita parasti ilgst vairākus gadus un izraisa progresējošus atmiņas, izziņas un kustību traucējumus dažādos apmēros atkarībā no konkrētās patoloģijas [2]. . Esošās narkotiku ārstēšanas metodes ir vērstas uz šo simptomu mazināšanu [3].

Turklāt neiropsiholoģiskais novērtējums joprojām tiek uzskatīts par izšķirošu ar demenci saistītās neirodeģenerācijas diagnostikā [4]. Tomēr galvenie slimības molekulārie mehānismi rodas pirms jebkādu nozīmīgu simptomu parādīšanās.

Precīzu diagnostikas metožu izstrāde atvieglotu savlaicīgu terapeitisku iejaukšanos, lai atjaunotu neironu fizioloģiju pirms neatgriezenisku bojājumu rašanās.

Tas arī veicinātu jaunu ārstniecības līdzekļu izveidi un esošo pārvērtēšanu, kas varētu būt efektīvāki, ja tos lietotu agrākos posmos. Neskatoties uz steidzamo vajadzību pēc neirodeģenerācijas diagnostikas metodēm, to attīstība joprojām ir grūts izaicinājums, jo smadzenes ir ierobežotas fiziskai pārbaudei un ir sarežģīti klīniskie testi, kuru pamatā ir kognitīvās spējas [2].

Jaunākie tehnoloģiskie sasniegumi ir ļāvuši raksturot jaunus ceļus, biomolekulas un struktūras nervu sistēmā un citos ķermeņa reģionos, ko varētu izmantot kā neirodeģenerācijas slimību marķierus [5, 6].

Lai gan dažādām neirodeģeneratīvajām slimībām ir daži atšķirīgi fenotipi, tām ir arī dažas galvenās molekulārās iezīmes. Jo īpaši daudzos no šiem traucējumiem specifiski proteīni un peptīdi, kas parasti būtu šķīstoši, tiek pakļauti pašsavienošanās procesam, kas izraisa lielu fibrilāru agregātu veidošanos, ko sauc par amiloīdiem [7,8].

Šis process ietver arī mazāku oligomēru starpproduktu veidošanos, kas ir ļoti toksiski un pašlaik tiek uzskatīti par galvenajiem dalībniekiem slimības mehānismos [8]. Amiloīda agregācija ir saistīta arī ar citiem agregācijas procesiem, piemēram, kondensātu veidošanos [9]. Tomēr tie nebūs šī pārskata uzmanības centrā.

Šeit mēs aprakstām dažus no pazīstamākajiem amiloidogēnajiem proteīniem un to diagnostisko nozīmi.

Mēs koncentrējamies uz beta amiloīdu (A) un tau AD gadījumā, -sinukleīnu (-syn) PD gadījumā, kas ir sapludināts sarkomā (FUS), un TAR DNS saistošo proteīnu 43 (TDP{5}}) ALS un FTD gadījumā. Mēs arī apspriežam jaunākos sasniegumus noteikšanas pieejās, lai uzraudzītu šo proteīnu agregāciju.

2. Amiloīdu agregācija kā potenciāls biomarķieru avots

Amiloīdi ir nešķīstoši fibrilāri agregāti, kas bagātināti ar krustenisko struktūru, un to veidošanās ir plaši raksturota in vitro [7, 8].

Amiloīda agregācija sastāv no sarežģīta kodolu veidošanās notikumu tīkla. Sākotnēji šķīstošie monomēru proteīni mijiedarbojas un veido oligomērus primārās kodolēšanas ceļā. Primāro kodolu veidošanos var izraisīt arī citu biomolekulu klātbūtne, piemēram, citi proteīni [10], nukleīnskābes [11, 12] un membrānas [13].

Pēc tam oligomēri pārvēršas augstākās kārtas agregātos un, visbeidzot, paramiloīdās fibrilās. Kad ir izveidojusies fibrilu kritiskā koncentrācija, šo fibrilu virsma katalizē papildu oligomēru veidošanos ar sekundāro kodolu veidošanos [7,8]. Fibrillas arī pagarinās, to galos pievienojot monomērus, un tiek sadrumstalotas [7,8]. Amiloīdās fibrillas ir ārkārtīgi stabilas proteīnu sugas to bagātīgā šķērslokšņu satura dēļ [8,14–16].

Gluži pretēji, oligomēri ātri pārvēršas augstākās kārtas amiloido agregātos (1. attēls). Oligomēru pārejošais raksturs apgrūtina to izolēšanu un raksturošanu strukturālā līmenī.

Tikai nesen, pateicoties jaunām pieejām, piemēram, vienas molekulas fluorescencei un elektronu mikroskopijai [14, 17, 18], ir pierādīts, ka oligomēri ir ļoti neviendabīgi pēc to fizikāli ķīmiskajām īpašībām un struktūrām ar atšķirīgu sekundāro struktūru saturu [16, 19, 20]. .

Oligomēri ir toksiski ar daudziem mehānismiem, ieskaitot novirzes no hidrofobām mijiedarbībām. Ir pierādīts, ka audos un izolētās šūnās oligomēri var ietekmēt membrānas caurlaidību un jonu homeostāzi un izraisīt oksidatīvo stresu [16,21–23].

Oligomēru izraisītie brīvie radikāļi var izraisīt olbaltumvielu nepareizu salocīšanu, mitohondriju disfunkciju un galu galā apoptozi [24]. A un -syn oligomēri ir saistīti arī ar neiroiekaisumiem [22] un sinapses zudumu [25, 26].

Vairāki faktori var ietekmēt amiloīda fibrilu un oligomēru veidošanos. Tie ietver ģenētiskas mutācijas, šūnu stresu un specifisku biomolekulu esamību vai neesamību.

Turklāt amiloīdi tiek plaši pēctranslācijas modificēti in vivo [27–29], un pēctranslācijas modifikācijas (PTM) būtiski maina amiloido fibrilu veidošanos un toksicitāti in vitro [27–31].

3. Amiloidogēnie proteīni, kas iesaistīti neirodeģenerācijā

Neirodeģenerācijas kontekstā slimību marķierus var iedalīt neiropsiholoģiskajos, neiroattēlveidošanas, ģenētiskajos, c un bioķīmiskos marķieros [2]. Jo īpaši bioķīmiskie marķieri (vai biomarķieri) ir mūsu ķermeņa izmērāmas molekulas (piemēram, olbaltumvielas, nukleicīdi, metabolīti), kas ziņo par slimības stadiju [32].

Amiloidogēnie proteīni ir daudzsološi biomarķieri, jo tie informē par nervu sistēmas disfunkcijas bioķīmisko profilu [2]. Zemāk mēs izceļam atbilstošos amiloidogēnos proteīnus un to patoloģiskās modifikācijas, kas var kalpot par neirodeģeneratīvo stāvokļu biomarķieriem.

3.1. A un Tau mūsu ērā

AD ir visizplatītākā demences forma. Raksturīgie AD smadzeņu bojājumi ir ārpusšūnu senils plankumi, kas sastāv no A amiloīdiem agregātiem un intracelulāriem neirofibrilāriem mudžekļiem (NFT), ko veido pārī savienoti hiperfosforilētā tau (p-tau) proteīna spirālveida amiloīda pavedieni (PHF) [2,27].

A ir īss peptīds, ko rada lielāka transmembrānas prekursora šķelšanās, ko sauc par amiloīda prekursoru proteīnu (APP), secīgi sadalot - un -sekretāzes, un izdalās ekstracelulārajā telpā [2,33].

Šis process var radīt dažāda garuma izoformas (1. tabula), kurām ir dažādas toksicitātes pakāpes AD kontekstā [34]. Visizplatītākās A izoformas ir 40- un 42-atlikuma longoni, ko parasti apzīmē attiecīgi kā A 40 un A 42. 40 ir visizplatītākais variants plāksnēs (~80% līdz 90%), un tas ir arī veselu cilvēku smadzenēs.

A 42 ir daudz lielāka tieksme uz agregāciju, un A 42/A 40 attiecību pieaugums ir saistīts ar AD un citiem demences veidiem [30, 34] (2. tabula). Papildus šķelšanai ar AD ir saistītas ģenētiskās mutācijas (A692G, E693Q APP gēnā [35,36], 2. tabula) un daudzi citi A PTM, tostarp oksidēšana, fosforilēšana, glikozilācija un izomerizācija [30].

Pētījumi liecina par acetilēšanu (piemēram, Lys16 un Lys28), fosforilēšanos (piemēram, Ser8 un Ser26), nitrēšanu (piemēram, Tyr10), piroglutamātu (piemēram, Glu3 un Glu11), izomerizāciju (piemēram, Asp1 un Asp7) un racemizāciju (piemēram, , Asp1, Asp23 un Ser26) slimības kontekstā [30,37–39] (1. tabula).

Ir vērts atzīmēt, ka kognitīvā pasliktināšanās vairāk korelē ar šķīstošām A starpformām, nevis amiloīda nogulsnēšanās pakāpi [16]. Tau ir galvenais ar mikrotubuliem saistītais proteīns, kas stabilizē mikrotubulu inneuronus [2,40]. Cilvēka smadzenēs tau pastāv kā sešas dažādas izoformas, kurām ir trīs vai četri mikrotubulus saistoši atkārtojumi (R). Šīs izoformas sauc attiecīgi par 3R un 4R.

Ir konstatēts, ka 3R vai 4R, vai abu 3R un 4R amiloīdu klātbūtne ir specifiska slimībai. Piemēram, AD, ALS, FT, D un parkinsonisma gadījumā ir gan 3R, gan 4R amiloīdi, savukārt kortikobazālo deģenerāciju un Pika slimības gadījumā tiek konstatēti tikai attiecīgi 4R un 3R amiloīdi [41,42]. Tau tiek pakļauts PTM, jo īpaši fosforilācijai [40].

Patoloģiskā hiperfosforilācija samazina tau afinitāti pret mikrotubulām un izraisa to atdalīšanos no mikrotubulām, kā rezultātā veidojas PHF un NFT [2].

Līdz šim ir identificētas 85 potenciālās tau fosforilācijas vietas [40]. Turklāt molekulārie un šūnu pētījumi atklāja, ka acetilēšana (piemēram, Lys174, Lys274 un Lys280), oksidēšana (piemēram, Cys322), nitrēšana (piemēram, Tyr29), glikācija (piemēram, Lys87, Lys132 un Lys150), saīsināšana (piemēram, pie Asp13 un Asp421 un Glu391) un ubikvitinācija (piemēram, Lys48 un Lys63) arī ietekmē tau agregāciju [27] (1. tabula).

3.2. -Sin PD

Atšķirībā no AD, PD galvenokārt ietekmē motoro sistēmu, izraisot trīci, stīvumu, bradikinēziju un stājas nestabilitāti [2]. PD patoloģiskā pazīme ir citoplazmas amiloīda ieslēgumi, kas pazīstami kā Lewy ķermeņi (LB) un Lewy neirīti (LN). LB un LN sastāv no amiloīda agregātiem, kuru galvenā sastāvdaļa ir -syn [43].

-Syn satur 140 atlikumus ar pozitīvi lādētu N-gala reģionu, agregācijai pakļautu non-amiloidkomponentu (NAC) centrālo reģionu n, n un negatīvi lādētu C-termināla reģionu [44,45].

Dublēšanās vai trīskāršošanās -syn hromosomu reģionā (4q21-23) un mutācijas, tostarp A53T, G51D, H50Q, E46K un A30P secībā -syn, apgabals, kas saistīts ar agrīnu PD [46–48] (2. tabula ). -Syn pieder proteīnu saimei, kurā ietilpst arī - un -sinukleīni ar 55–62% līdzību. -Sinukleīnam ir samazināta tieksme uz agregāciju, un ir atklāts, ka tas nomāc -syn agregāciju kā dabisku inhibitoru, savukārt oksidēts -sinukleīns var ierosināt -syn agregāciju [49,50].

Ir zināms, ka vairāki PTM ietekmē -syn agregāciju, ir saistīti ar PD [28,] un tiem piemīt diagnostikas potenciāls [51] (1. tabula).

Tie ietver N-gala acetilēšanu, vairākus saīsinājumus N-galā (piemēram, -syn7-140, 14-140, 40-140 un 72-140, kas atrasti in vitro, 5-140 un 68 –140 atrasti in vivo un vairāki abos) un C-galā (piemēram, -syn1-115, 1-119, 1-122, 1-124, 1-125, {{ 19}}, 1-133 un 1-135), Ser87 un Ser129 fosforilēšana, Met1, Met5, Met116 un Met127 oksidēšana, Lys96 un Lys102 sumolēšana, Tyr39, Tyr125 un Tyr133 nitrēšana un Lys6biquitination , Lys10, Lys12 Lys21, Lys23, Lys43 un Lys96 [28,52,53] (1. tabula).

3.3. TDP-43 un FUS ALS un FTD

ALS un FTD ir neirodeģeneratīvas slimības, kuru mehānismi pārklājas. ALSietekmē augšējos un apakšējos neironus, izraisot muskuļu kontroles zudumu. FTD ir demences forma, kas saistīta ar frontālās un priekšējās temporālās daivas deģenerāciju [54].

Apmēram 97% ALS un 45% FTD gadījumu ir saistīti ar ubikvitinēta, hiperfosforilēta un C-galā saīsināta TDP-43 agregātu ieslēgumu klātbūtni neironu un glia šūnu citoplazmā [29].

TDP-43 ir 414 atlieku garš ribonukleoproteīns, kas patoloģiskos apstākļos spēj veidot amiloīdiem līdzīgus agregātus in vitro un kondensātus (ti, stresa granulas) [9]. Tas sastāv no N-gala trakta ar kodola lokalizācijas signālu, diviem RNS atpazīšanas motīviem, kodola eksporta signāla un nesakārtota C-termināla reģiona [29].

Ir ziņots, ka visiem šiem reģioniem ir izšķiroša loma proteīna agregācijā [55–57]. Vairākas TDP-43 mutācijas ir identificētas gan sporādiskos, gan ģimenes ALS un FTD gadījumos, tostarp G294A, Q331K, M337V [58] un K181E [59] (2. tabula). Tāpat kā A un -syn gadījumā, arī TDP{11}} PTM ir galvenā loma proteīna agregācijā un slimības progresēšanā.

Ir vērts atzīmēt, ka saīsinātie 25 kDa un 35 kDa C-gala fragmenti parasti ir atrodami ALS pacientu patoloģiskos agregātos [29, 31, 54]. Ubiquitination ir arī tipiska TDP-43 ieslēgumu modifikācija [31]. Visbeidzot, novirze no TDP-43 fosforilēšanas, acetilēšanas un oksidēšanās bieži ir saistīta ar nepareizu proteīna lokalizāciju un aberrantu agregāciju [29] (1. tabula).

ALS un FTD ir saistīti arī ar citu RNS/DNS saistošu proteīnu FUS. FUS ir 526 atlieku garš proteīns, ko veido N-gala transkripcijas aktivācijas domēns un C-termināls domēns, kas mijiedarbojas ar transkripcijas faktoriem un ietver arī kodollokalizācijas signālu [60,61].

Abi domēni satur zemas sarežģītības reģionus, un tiem ir nozīme kondensātu un hidrogēlu veidošanā [62]. ALS/FTD gadījumos ziņots par vairāk nekā 50 FUS mutācijām (piemēram, R521C, R521H [63]).

Atšķirībā no TDP-43, FUS agregātos parasti tiek atrasts kā pilna garuma proteīns [61]. Fosforilācija notiek FUS prioniem līdzīgos domēnos, un ir pierādīts, ka tā ietekmē tā fāzu atdalīšanas un agregācijas modeli, savukārt mutācijas un PTM (galvenokārt metilēšana un fosforilēšana) tā C-gala domēnā regulē tā kodola/citoplazmas lokalizāciju [61, 64].

Neskatoties uz FUS nepārprotamo patoloģisko lomu, ALS/FTD fenotipi ir retāk saistīti ar FUS nekā ar TDP{0}} disfunkcijām [61,65]. Tādējādi FUS kā biomarķiera loma joprojām ir jānosaka.

4. Amiloidogēno proteīnu ģenētisko, strukturālo un ķīmisko īpašību diagnostikas potenciāls

Ir izmantotas vairākas noteikšanas pieejas, lai kvantitatīvi noteiktu amiloidogēno proteīnu inbioloģiskos paraugus un noteiktu saikni starp šiem proteīniem un neirodeģeneratīvām slimībām.

Dažu no šīm stratēģijām mērķis ir kvantitatīvi noteikt amiloidogēno proteīnu ekspresijas līmeņu/koncentrācijas izmaiņas neatkarīgi no to konformācijas vai modifikācijas (2. tabula). Dažas citas pieejas tā vietā koncentrējas uz amiloidogēno proteīnu specifisku strukturālo (piemēram, agregēto stāvokļu) vai ķīmisko (ti, PTM) īpašību pārbaudi (1. tabula).

Visas šīs pieejas analizē dažādus ķermeņa reģionus. Metodes, piemēram, aspozitronu emisijas tomogrāfija (PET), var zondēt proteīnus tieši centrālajā nervu sistēmā (CNS), piemēram, smadzenēs [2, 44, 66].

Tomēr amiloidogēnos proteīnus var noteikt arī citos pieejamākos ķermeņa reģionos. Šajā sadaļā mēs apspriežam konstatējumus, kas iegūti, analizējot gan smadzeņu audus, gan pieejamos ķermeņa šķidrumus, galvenokārt izmantojot imūntestus, piemēram, imūnblotēšanu un ar enzīmu saistītos imūnsorbcijas testus (ELISA).

Apskatāmie šķidrumi ietver cerebrospinālo šķidrumu (CSF), kas ir tiešā saskarē ar smadzeņu ekstracelulāro daļu un tādējādi ir optimāls šķidrums smadzeņu metabolisma mērījumiem [44].

For more information:1950477648nn@gmail.com