Преслушването между различни пътища за възстановяване на ДНК допринася за невродегенеративните заболявания, част 3

5.1. DDR и автофагия

Неефективният агрегатен клирънс, показващ дефектна аутофагия, е една от общите характеристики на NDD. По време на патогенезата на AD са показани както нарушен автофагозомен синтез, така и намален клирънс на автофагични субстрати [152–154].

Автофагията е процес на саморазграждане и рециклиране на клетки, което може да ни помогне да премахнем стареещите, повредени и безполезни органели и протеини. Въпреки това, с напредването на възрастта и лошите навици на живот, автофагичната функция на човешкото тяло постепенно намалява, което може да навреди на здравето и паметта ни.

Проучванията показват, че има тясна връзка между автофагията и паметта. Намаляването на функцията на автофагията ще доведе до натрупване на боклук в мозъчните клетки, като по този начин ще повлияе на нормалния метаболизъм и предаването на сигнала в клетките, което ще доведе до загуба на памет и когнитивно увреждане. Нормалният процес на автофагия може да насърчи регенерацията и обновяването на мозъчните клетки, да поддържа здравето на мозъчните клетки и по този начин да помогне за подобряване на паметта и когнитивните способности.

Следователно трябва активно да поддържаме функцията на автофагия и да подобрим нивото си на автофагия чрез добри жизнени навици и диетични корекции. Например трябва да избягваме прекомерния прием на нездравословни храни като високо съдържание на захар и мазнини и да ядем повече плодове и зеленчуци, пълнозърнести храни и други храни, богати на антиоксиданти и целулоза, които могат да помогнат за намаляване на генерирането на свободни радикали и насърчаване на процес на автофагия. Освен това трябва да поддържаме умерени упражнения, да поддържаме весело настроение, да избягваме прекомерен стрес и безпокойство и т.н., което ще помогне за подобряване на автофагията и поддържане на здрав мозък и добра памет.

Като цяло наистина има тясна връзка между автофагията и паметта, но можем да поддържаме нивото си на автофагия чрез правилен начин на живот и корекция на диетата, да защитим мозъка и паметта си и да се придвижим към по-здравословен и по-положителен живот. Вижда се, че трябва да подобрим паметта си и Cistanche може значително да подобри паметта, тъй като Cistanche може също да регулира баланса на невротрансмитерите, като например повишаване на нивата на ацетилхолин и растежни фактори, които са много важни за паметта и ученето. В допълнение, Cistanche може също така да подобри притока на кръв и да насърчи доставянето на кислород, което може да гарантира, че мозъкът получава достатъчно храна и енергия, като по този начин подобрява жизнеността и издръжливостта на мозъка.

Щракнете върху познайте добавките за подобряване на паметта

Натрупването на -SYN в PD показва дисфункционална аутофагия, медиирана от шаперон (CMA), основен фактор за автофагичното разграждане на -SYN [155].

Мутации в много автофагични рецептори, включително SQSTM1/p62 [155], OPTN и UBQLN2, са свързани с патогенезата на ALS [156–158]. Асоциациите между DDR ​​и аутофагията като пряка причина за NDD все още не са добре установени, въпреки че литературата предполага косвени връзки между машините за възстановяване на ДНК и аутофагията чрез различни, неизключителни пътища [159–161].

Активирането на ATM може да причини индукция на автофагия чрез 50 AMP активирана протеин киназа (AMPK) в отговор на ROS [162,163]. Докато Atm−/− невроните показват анормална аутофагия, самият ATM се обработва чрез автофагично разграждане [164]. Мишки с нокаут на Parp1, подложени на остро гладуване, показват недостатъчна чернодробна аутофагия, което предполага физиологична роля на PARP1 в индуцираната от глад автофагия [165].

Връзката между DDR ​​и аутофагията изглежда двупосочна, тъй като нокаутирането на BECLIN1, протеин, участващ в индукцията на аутофагия, намалява активността и нивата на важни HR и NHEJ протеини и също така намалява образуването на ДНК-PK комплекси [166,167].

Доказано е, че SQSTM1/p62 регулира съотношението между HR и NHEJ чрез насърчаване на последното при облъчване [168]. CMA регулира нивата на CHK1 и предотвратява хиперфосфорилирането и дестабилизирането на MRN комплекса [169]. Транслационният продукт на гена, свързан с резистентност към ултравиолетово облъчване (UVRAG), важен играч в инициирането на автофагия, патрулира възстановителната активност на DSB чрез директно свързване с ДНК-PK в NHEJ [170].

Интересно е, че увреждането на ДНК може да предизвика митофагия, която може да играе роля в защитата на клетките срещу клетъчна смърт, предизвикана от увреждане на ДНК [171]. Въпреки че не е изследвана за DDR, нашата група наскоро показа индукцията на ендоплазмен стрес (ER стрес), медиирана за оцеляване, автофагия след индуцирана от радиация ROS индукция [172].+

5.2. DDR и невровъзпаление

Невровъзпалението е друго често срещано явление, забелязано при различни NDD. Смята се, че действа злонамерен цикъл, включващ невровъзпаление, оксидативен стрес и невродегенерация [173,174].

Възпалението може само по себе си да предизвика увреждане на ДНК чрез генериране на ROS и реактивни азотни видове (RNS). Възпалението увеличава не само мутагенните ДНК лезии, като 8-нитрогуанидин и 8-oxoG, но също така влияе отрицателно на капацитета за възстановяване на ДНК чрез инхибиране на много важни ензими за възстановяване на ДНК [175,176].

Основното откритие на цикличната гуанозин монофосфат-аденозин монофосфат (GMP-AMP) синтаза (cGAS) като сензор за цитозолна ДНК на бозайници от Sun et al. установи директни връзки между увредената ДНК и невровъзпалението [177].

При свързване с цитозолната ДНК, cGAS преобразува ATP и GTP в цикличен GMP-AMP (cGMP), който се свързва и активира протеиновия стимулатор на ендоплазмения ретикулум на интерферонови гени (STING), като накрая индуцира производството на тип I интерферони чрез транскрипционните фактори NF-kB и IRF3 [178].

Активирането на cGAS-STING е наблюдавано при няколко NDDs: в Atm-дефицитен модел на плъх с невровъзпалителни и невродегенеративни фенотипове, натрупване на цитозолна ДНК, водещо до повишени нива на фосфорилиран TBK1 (показателно за активиране на STING) е наблюдавано в различни типове клетки, включително микроглия [179].

Xu и др. демонстрира, че cGAMP може да потисне AD чрез повишаване на нивата на TREM2 [180]. IniPSC-получени моторни неврони на пациент с ALS, TDP-43 задейства освобождаването на mtDNA, което води до активиране на cGAS-STING и е показано невровъзпаление [181].

Индукцията на IL6 в отговор на циркулираща безклетъчна mtDNA е докладвана в серума на пациенти с Паркинсон [182]. Следователно медиираното от cGAS-STING възпаление се появява като друга обща характеристика на NDD.

В обобщение, отделните DDR протеини могат да бъдат включени в повече от един NDD (Фигура 2) и могат да индуцират невродегенеративни характеристики чрез тяхното взаимодействие с различни клетъчни процеси (Фигура 3).

6. Модел на системи за изследване на NDD и терапевтични средства

Въпреки че постморталната мозъчна тъкан е полезна за картографиране на големи структурни или молекулярни разлики в DDR маркерите в късните стадии на NDD, тя има ограничена сила за обяснение на механизмите на заболяването.

По този начин животинските модели остават основни инструменти за изследване на механизмите, водещи до невродегенерация в перспектива на целия живот. Селекция от проучвания, свързващи DDR с NDD, използвайки различни моделни системи, обсъдени по-горе, или предлагащи подходящи модели за изследване на това кръстосано смущаване, е обобщено в таблица 1.

Както е видно от горната дискусия, гризачите остават най-широко използваните моделни животни. За AD, например, има повече от двеста различни модела на гризачи (https://www.alzforum.org/research-models/search (достъп на 19 февруари 2021 г.)).

Въпреки това нито един модел не обобщава всички кардинални фенотипове, наблюдавани при човешки заболявания, илюстрирайки необходимостта от по-добри модели за моделиране на човешки NDD.

Безгръбначните животни са сравнително евтини за поддръжка и имат кратък живот и цикъл на размножаване. Тези свойства правят негръбначните модели податливи на лекарствен и генетичен скрининг.

Нематодът Caenorhabditis elegans (C. elegans) е пример за животно, чието прозрачно тяло позволява наблюдение на невродегенерацията in vivo. Налични са хуманизирани животински модели, при които трансгенни животни експресират човешки -SYN [187,188], A 1–42, TAU [189,190 ], TDP-43 и SOD1 [191–193].

Наличието на поведенчески анализи прави възможно изследването на жизнеспособността и функционалността на отделните неврони по време на естествения жизнен цикъл. Следователно, простите животни предлагат отлични възможности за изследване на комбинираните ефекти на генетични и екологични рискови фактори във връзка със стареенето, най-важният рисков фактор за NDD.

Що се отнася до приноса на DDR, C. elegans има по-малко излишък от гени за възстановяване на ДНК, което го прави чудесен инструмент за определяне дали и как протеините за възстановяване на ДНК влияят върху невродегенерацията. Ограничение на C. elegans е, че няма мозък. Следователно са необходими модели на гръбначни животни. От тях Danio rerio (D. rerio) става все по-популярен, тъй като има васкулатура и мозък, разделени от кръвно-мозъчна бариера [194–196].

Развитието на човешката iPSC технология отвори вратите за моделиране на сложни мозъчни заболявания. Налични са установени протоколи за генериране на различни типове мозъчни клетки от получени от пациента iPSC в двуизмерни (2D) монослойни култури и използването им за моделиране на AD [197,198], ALS [199–201] и PD [202,203].

Възможността за въвеждане на редактиране на геном в iPSC (напр. чрез CRISPR/CAS9) допълнително увеличава потенциала на тези клетки да изучават специфичните роли на отделните гени. В допълнение, ролята на други видове мозъчни клетки (включително глиални клетки, също получени от iPSCs) може да бъде изследвана в наскоро разработени системи за съвместно култивиране [204].

Все пак системите за 2D култури не обобщават сложността на мозъка и фенотипове като агрегация на извънклетъчен протеин са трудни за наблюдение. По този начин 2D iPSC не са най-предпочитаният избор за моделиране на NDD.

Самоорганизирането на ембриоидни тела от iPSCs, така наречените 3D-органоидни модели, може да ни позволи да изучаваме клетъчното развитие и междуклетъчните взаимодействия в рамките на 3D микросреда на човешкия мозък [205].

Напредъкът в системите за 3D-култури доведе до образуването на множество типове мозъчни клетки и специфични мозъчни региони в тези органоиди (мини-мозъци) [206]. Кортикални органоиди на предния мозък, органоиди на средния мозък и сфероиди на моторни неврони, получени от AD и HD, PD , и iPSC на пациенти с ALS, съответно, могат да покажат фенотипове на кардиналната тъкан и по този начин могат да бъдат много полезни за разбирането на тези сложни NDD (Фигура 4) [207–213].

Фигура 4. Потенциалът на 2D iPSC и 3D-органоиди за моделиране на NDD. Кожните фибробласти, получени от пациенти с NDD, могат да бъдат програмирани в iPSC. Тези iPSC могат да бъдат диференцирани в различни типове мозъчни клетки, включително различни типове неврони, микроглия и др.

Произведените от iPSC 3D-органоиди съдържат повечето типове мозъчни клетки (с изключение на микроглия и васкулатура, които могат да се култивират съвместно с 3D-органоиди) и могат да показват основни фенотипове на заболяването. Различни приложения на тези моделни системи също са показани. Създаден с BioRender.com.

7. Изводи

За да обобщим, както антиоксидантната защита, така и възстановяването на ДНК предотвратяват натрупването на увреждане на ДНК и по този начин противодействат на развитието на NDD. Един пример за антиоксидантна защита е чистачът супероксид дисмутаза1 (SOD1), който защитава невроните срещу медиирана от амилоид (A) невротоксичност [214]. Както свръхекспресията на див тип SOD1, така и мутациите в SOD1 са свързани с няколко свързани с възрастта NDD [11,215,216].

Няколко клинични изпитвания са насочени към див тип SOD1 или мутантен SOD1 за предотвратяване на агрегация и неправилно нагъване в NDD, а антисенс олигонуклеотид сега е във фаза III клинично изпитване (NCT02623699).

Малка молекула, Arimoclomol, която насърчава правилното нагъване на SOD1 в ендоплазмения ретикулум (ER) [11], е във фаза III проучване (NCT03491462). Остава да се разбере дали насочването към възстановяване на ДНК или DDR може да се развие в терапевтични опции срещу NDDs изяснен.

Въпреки това, появата на активиране на PARP1 от SSB като често срещана находка в NDDs и наличието на PARP1 инхибитори предполагат, че това може да е път, който трябва да се следва. Въпреки това, директното насочване към PARP1 носи рискове от вредни ефекти върху други клетки и тъканни системи. Една последица от свръхактивирането на PARP1 е изчерпването на клетъчния NAD+, който е субстрат на PARP1.

В нашата предишна работа ние показахме, че повишаването на нивата на NAD+ е обещаваща стратегия за стимулиране на възстановяването на ДНК и предотвратяване на невродегенерация при редки заболявания на възстановяването на ДНК [140,146,184]. За по-нататъшно изследване на терапевтичния потенциал на DDR могат да се използват междувидови проучвания, при които се комбинират различни моделни системи, за да се обобщят различни аспекти на тези сложни заболявания.

Произведените от iPSC 3D-органоидни модели се появяват като обещаващи моделни системи, които могат да уловят сложността на DDR и неговото взаимодействие с други клетъчни процеси, важни за поддържане на здравето на невроните.

Авторски принос: Концептуализация, HN и KS; методика, ДВ; софтуер, PY, TS и K.S.; валидиране, SG, PY, TS, HN и KS; формален анализ, ДВ; разследване, ДВ; ресурси, HN и KS; обработка на данни, SG, PY, TS и KS; подготовка на писмена оригинална чернова, SG, PY, TS, HN и KS; писане-преглед и редактиране, SG, PY, TS, HN и KS; визуализация, SG,HN и KS; надзор, HN и KS; администрация на проекта, SG, HN и KS; fundingacquisition, HN Всички автори са прочели и са съгласни с публикуваната версия на ръкописа.

Финансиране: Това изследване е финансирано от Югоизточния регионален здравен орган (Проект № 279922 и 2017029) и Норвежкия изследователски съвет (Грант № 302483).

Изявление на институционалния съвет за преглед: Не е приложимо.

Изявление за информирано съгласие: Не е приложимо.

Изявление за наличност на данни: В това проучване не са създадени или анализирани нови данни. Споделянето на данни не се отнася за тази статия.

Благодарности: Изказваме благодарност на Ellen Tenstad @ScienceShaped, Carina Knudson и FranciscoJosé Naranjo Galindo за помощта с графичните илюстрации и Evandro Fei Fang, Diana L. Bordin и Lisa Lirussi за критичното четене на ръкописа.

SG и PY бяха финансирани от грант от Югоизточния регионален здравен орган (проект № 279922 и 2017029), а TSG беше финансиран от грант от Норвежкия изследователски съвет (грант № 302483).

Конфликти на интереси: Потвърждаваме, че всички автори нямат конфликт на интереси спрямо този ръкопис.

Референции

1. Дилейни, С.; Jarem, DA; Volle, CB; Yennie, CJ Химични и биологични последици от окислително увреден гуанин в ДНК. Без радикал. Рез. 2012, 46, 420–441. [CrossRef]

2. Шенг, З.; Ока, С.; Tsuchimoto, D.; Abolhassani, N.; Nomaru, H.; Сакуми, К.; Ямада, Х.; Nakabeppu, Y. 8-Оксогуанинът причинява невродегенерация по време на MUTYH-медиирано възстановяване на ексцизия на ДНК база. J. Clin. разследване. 2012, 122, 4344–4361. [CrossRef]

3. Крокан, Н.Пр.; Драблос, Ф.; Slupphaug, G. Uracil в ДНК-възникване, последствия и ремонт. Oncogene 2002, 21, 8935–8948 [CrossRef]

4. Линдал, Т.; Nyberg, B. Скорост на депуринация на естествена дезоксирибонуклеинова киселина. Биохимия 1972, 11, 3610–3618. [CrossRef]

5. Чин-Чан, М.; Navarro-Yepes, J.; Quintanilla-Vega, B. Замърсителите на околната среда като рискови фактори за невродегенеративни заболявания: болести на Алцхаймер и Паркинсон. Отпред. Клетъчни неврони. 2015, 9, 124. [CrossRef]

6. Рамачандиран, С.; Hansen, JM; Джоунс, DP; Ричардсън, JR; Miller, GW Различни механизми на токсичност на паракват, MPP+, андротенон: Окисляване на тиоредоксин и активиране на каспаза-3. Токсикол. Sci. 2007, 95, 163–171. [CrossRef]

7. Hou, Y.; Дан, X.; Бабар, М.; Wei, Y.; Hasselbalch, SG; Croteau, DL; Bohr, VA Стареенето като рисков фактор за невродегенеративни заболявания. Нац. Rev. Neurol. 2019, 15, 565–581. [CrossRef] [PubMed]

8. Wyss-Coray, T. Стареене, невродегенерация и подмладяване на мозъка. Nature 2016, 539, 180–186. [CrossRef] [PubMed]

9. Lopez-Otin, C.; Blasco, MA; Партридж, Л.; Серано, М.; Kroemer, G. Отличителните белези на стареенето. Cell 2013, 153, 1194–1217. [CrossRef][PubMed]

10. Fang, EF; Scheibye-Knudsen, M.; Chua, KF; Матсън, MP; Croteau, DL; Bohr, VA Ядрено увреждане на ДНК, сигнализиращо за томитохондриите при стареене. Нац. Rev. Mol. Cell Biol. 2016, 17, 308–321. [CrossRef]

11. Трист, БГ; Davies, KM; Котам, В.; Genoud, S.; Ортега, Р.; Roudeau, S.; Кармона, А.; Де Силва, К.; Wasinger, V.; Lewis, SJG; et al. Подобната на амиотрофична латерална склероза протеинопатия на супероксид дисмутаза 1 е свързана със загуба на неврони в мозъка на болестта на Паркинсон. Acta Neuropathol. 2017, 134, 113–127. [CrossRef]

12. Rulten, SL; Caldecott, KW възстановяване на прекъсване на ДНК верига и невродегенерация. Ремонт на ДНК 2013, 12, 558–567. [CrossRef]

For more information:1950477648nn@gmail.com