Загубата на активност на Park7 има диференциални ефекти върху експресията на генни набори от реагиращ на желязо елемент (IRE) в мозъчния транскриптом в Zebrafsh модел на болестта на Паркинсон

Резюме

Мутацията на гена PARK7 (DJ1) причинява моногенна автозомно-рецесивна болест на Паркинсон (PD) при хора. Последващите промени във функцията на протеин PARK7 водят до митохондриална дисфункция, основен елемент в патологията на PD. Хомозиготни мутанти за PARK7-ортологични гени в риба зебра, park7, показват промени в генната експресия в пътя на окислителното фосфорилиране, подкрепяйки, че прекъсването на производството на енергия е ключова характеристика на невродегенерацията при PD.

Рецесивно наследствената болест на Паркинсон е необратимо невродегенеративно заболяване. С ускоряването на застаряването на населението честотата на заболеваемостта нараства през последните години. Въпреки че проблемите на заболяването с движението на тялото са най-важни във фокуса на хората, то също е силно свързано с фактори като когнитивни способности, концентрация и памет.

Въпреки това, преди да можем да говорим за когнитивните проблеми и проблемите с паметта, свързани с болестта на Паркинсон, трябва да разберем неврологичното въздействие на болестта. Най-честата невропатологична промяна при рецесивно наследената болест на Паркинсон е увреждането на substantia nigra, което води до понижени нива на допамин, причинявайки двигателни нарушения. В допълнение, много свързани геоморфологични характеристики също се намират в региони като мозъчната кора, кората и провлака. Поради тези промени хората с болестта на Паркинсон могат да изпитат проблеми като загуба на памет и когнитивен спад.

Въпреки това, за хората с рецесивна форма на болестта на Паркинсон, където паметта е засегната, има няколко проактивни стратегии, които можем да приемем, за да ни помогнат да се справим с тези предизвикателства. Научаването на множество стратегии за подобряване на вниманието и паметта ще ни помогне да се справим по-добре с ефектите на болестта на Паркинсон в живота ни.

Една от най-важните стратегии е, че трябва да си поставим ограничения и да приемем помощ. Като пример, ако човек с болестта на Паркинсон посети супермаркет и открие, че има проблеми със задача, като например не може да намери хранителни стоки в супермаркета, той трябва да се чувства свободен да поиска помощ. Такова действие е чудесен когнитивен стимул и може да помогне за подобряване на познанието и паметта по много начини.

В ежедневието си можем да опитаме и някои други стратегии за подобряване на нашите познания и памет. Например, можем да създадем предизвикателна учебна среда, като четем книги или усвояваме нови умения. Освен това простите ежедневни упражнения като разпознаване на лицата на членовете на семейството и редовна проверка на календара ви могат да бъдат много ефективен начин за подобряване на вашите когнитивни и паметови умения.

Въпреки че болестта на Паркинсон засяга нашите когнитивни и паметови способности до известна степен, положителното отношение и простите упражнения могат да ни помогнат да поддържаме добри когнитивни и паметови способности. Затова трябва да посрещнем предизвикателството с увереност и да изпробваме различни стратегии за подобряване на познанието и паметта си. Така че мисля, че трябва да подобрим паметта си. Cistanche може значително да подобри паметта, тъй като месната паста е традиционен китайски лечебен материал с много уникални ефекти, един от които е подобряване на паметта. Ефикасността на мляното месо идва от различни активни съставки, които съдържа, включително карбоксилна киселина, полизахариди, флавоноиди и др. Тези съставки могат да насърчат здравето на мозъка по различни канали.

Щракнете върху добавки за подобряване на паметта

Желязото е критично за нормалната функция на митохондриите и преди това сме използвали биоинформационен анализ на IRE-носещи транскрипти в мозъчни транскриптоми, за да намерим доказателства, подкрепящи съществуването на желязна дисхомеостаза при болестта на Алцхаймер. Тук анализирахме IRE-носещи транскрипти в данните за транскриптоми от хомозиготен park7−/− мутантни мозъци на риба зебра. Ние открихме, че наборът от гени с „висококачествени“ IREs в техните 5′ нетранслирани региони (UTRs, HQ5′IRE генният набор) е значително променен в тези 4-месечни парк7−/− мозъци.

Въпреки това, набори от гени с IRE в техните 3′ UTR изглеждат незасегнати. Ефектите върху HQ5′IRE гените вероятно се дължат на желязна дисхомеостаза и/или оксидативен стрес, но осветяват съществуването на неизвестни в момента механизми с диференцирани общи ефекти върху 5′ и 3′ IRE.

Ключови думи:

DJ-1, PARK7, болест на Паркинсон, риба зебра, RNA-seq, анализ на обогатяване, желязна дисхомеостаза.

Въведение

Болестта на Паркинсон (PD) е второто най-разпространено невродегенеративно заболяване, засягащо приблизително 1% от населението на възраст над 60 години. Повечето случаи на PD са идиопатични, но ясна генетична връзка е установена при приблизително 5–10% от случаите на PD [1]. Един ген, PARK7, замесен в автозомно рецесивен PD с ранно начало, кодира протеин 7 на болестта на Паркинсон (PARK7).

Предполага се, че протеинът PARK7 действа като GSH-независима глиоксалаза за детоксикация на метилглиоксал и като протеинова глюкоза, отговорна за възстановяването на функцията на протеини, увредени от оксидативен стрес. Тези дейности обаче се оспорват в PD (прегледани и анализирани в [2]). PARK7 също има критична роля в поддържането на митохондриалната функция, усещането и реагирането на реактивни кислородни видове (ROS) и в крайна сметка действа в невропротекция (прегледано в [3]).

PD се характеризира със специфично изчерпване на substantia nigra pars compacta допаминергични (SNc DA) неврони. Тези неврони образуват голям брой синапси в базалните ганглии. Следователно, техните високи енергийни изисквания могат да направят SNc DA невроните чувствителни към енергиен дефицит [4]. Много фактори могат да повлияят на производството на енергия чрез процеса на окислително фосфорилиране.

По-специално, двувалентното желязо (Fe2+) е включено в Fe-S клъстери, които са централни за функцията на веригата за пренос на електрони (ETC) при окислителното фосфорилиране [5]. Дисфункцията на ETC причинява оксидативен стрес, който може да доведе до (предимно) цитозолния протеин PARK7, който се премества в митохондриите, за да регулира ефектите на реактивните кислородни видове (ROS) [5].

Този процес вероятно е променен при индивиди с мутация на PARK7, което води до дисфункция на ETC и дисхомеостаза на желязото (чрез ефекти върху регулаторните протеини на желязото, IRP1 & IRP2) и увреждащи допаминергични неврони.

IRP1 и IRP2 свързват IRE в иРНК на гени, участващи в хомеостазата на желязото, за да регулират транслацията и стабилността им (прегледано в [6]). IRPs се регулират както от клетъчния статус на двувалентно желязо, така и от оксидативния стрес [6]. Преди това дефинирахме набори от гени, носещи IRE в 5' или 3'UTRs на техните транскрипти (при по-ниско или по-високо сходство с IRE консенсусна последователност) при хора, мишки и риба зебра [7]. Използвайки ги, открихме доказателства в подкрепа на желязната дисхомеостаза в мозъка на болестта на Алцхаймер (AD) и животински модели на AD [7].

Ортолози на PD гени преди това са били идентифицирани и манипулирани в риба зебра. Например, Hughes et al. [8] разработи нов модел на риба зебра, за да изследва функцията на PARK7. Рибки зебра, които нямат ортологичния ген PARK7-: park7 (park7−/−) показват фенотип на движение на тримесечна възраст и показват промени в генната експресия в техния мозъчен транскриптом, предполагащи нарушен митохондриален метаболизъм (т.е. регулиране нагоре на гени, свързани с окислително фосфорилиране) на четиримесечна възраст [8].

Следователно, ние предположихме, че оксидативният стрес и/или желязната дисхомеостаза в мозъците на парк7−/− риба зебра биха променили свързването на IRPs към транскрипти, съдържащи IREs, като по този начин променят стабилността на транскрипта. За да проучим това, ние анализирахме отново данните за мозъчен транскриптом на риба зебра от Hughes et al. за тестване за промени в представянето на IRE-съдържащи генни набори в мозъците на парк7−/− риба зебра. Ние открихме, че HQ5′IRE генният набор е значително променен в 4-месечни мозъци park7−/−, докато HQ3′IRE генният набор не е.

Методи

За да тестваме доказателства за възможна дисхомеостаза на желязо в мозъци на рибки зебра park7−/−, ние извършихме анализ на обогатяване, използвайки малки [9] върху наборите от гени IRE [7]. За подробна информация относно този повторен анализ на Hughes et al. [8] данни, вижте Допълнителен файл 1.
Резултати

По-рано дефинирахме набори от гени на рибка зебра според това дали те притежават IRE-подобни мотиви в 5' или 3' UTRs на техните иРНК и дали техните IRE съвпадат с канонична (високо качество, HQ) или неканонична IRE последователност (всички) [ 7]. Ние открихме, че само транскриптите на HQ5'IRE генния набор показват статистически значими промени в генната експресия като група (Фиг. 1а) в 4-месечни мозъци park7−/−. Интересното е, че най-регулираният ген от генния набор HQ5'IRE е alas2.

Дискусия

Използвайки нашия метод за откриване на доказателства за желязна дисхомеостаза в RNA-seq данни, открихме силно значима промяна на експресията на гени с IREs в 5'UTRs на техните иРНК в 4-месечни мозъци park7−/−.

Хомеостазата на желязото се поддържа чрез регулиране на генната експресия на няколко нива, включително чрез транскрипция, стабилност на иРНК и транслация на иРНК (прегледано в [10]). Последните два феномена се модулират от регулаторните протеини за желязо IRP1 и IRP2, когато те се свързват с IRE. Силно значимата промяна на експресията на HQ5′IRE генния набор в 4-месечни мозъци park7−/− вероятно се дължи на промени в свързването на IRP1 и/или IRP2 към IREs в транскриптите на тези гени.

Въпреки това, тъй като е известно, че мутацията на PARK7 причинява оксидативен стрес [11] и оксидативният стрес може също да повлияе на образуването на IRP (прегледано в [6]), е трудно да се направи разлика между оксидативния стрес и желязната дисхомеостаза като допринасящи за промените в HQ5′IRE изобилие на генни транскрипти. Всъщност, тъй като желязото е толкова важно за митохондриалната функция, желязната дисхомеостаза и оксидативният стрес често се появяват едновременно [12].

Интересното е, че генният набор HQ3′IRE изглеждаше незасегнат в мозъците на park7−/− и в момента нямаме обяснение защо това трябва да е така. Въпреки това, ако ефектите върху изобилието на HQ5'IRE транскрипти наистина се дължат на свързването на IRPs, това сочи към съществуването на механизми, които могат да дискриминират свързването на IRPs към IREs (или да причинят разлики в ефектите на такова свързване) , в зависимост от това дали IRE се намира в 5' или 3' UTR на транскрипта.

Сред членовете на HQ5'IRE генния набор се наблюдава повишение на нивата на транскрипт на alas2 в park7−/− мозъци. Връзката между активността на alas2 и IRPs се обсъжда в Допълнителен файл 1.

Взети заедно, нашият анализ на данни за транскриптоми от мозъци на рибки зебра park7−/− подкрепя възможността за желязна дисхомеостаза и/или оксидативен стрес като ранни предклинични събития при PD. В бъдещи проучвания ще изследваме естеството на ефектите на PD-свързаните гени върху хомеостазата на желязото и митохондриалната функция при рибките зебра. Разбирането на тези ефекти може да осигури механистична представа за PD за разработването на терапевтични средства.

Благодарности

Бихме искали да благодарим на Mary Elizabeth Pownall и Katherine Newling за предоставянето на суровия преброен брой на [8] и Nhi Hin за предоставянето на набори от гени на риба зебра, съдържащи реагиращи на желязо елементи.

Авторски принос

HYC състави ръкописа. KB написа методологията, генерира диаграмите и извърши биоинформационния анализ. ML, LCP и KB контролираха и предоставяха съвети относно анализа на този документ. ML, KB, LCP и HYC редактираха ръкописа. Всички автори прочетоха и одобриха окончателния ръкопис.

Финансиране
KB се подкрепя от стипендия за програма за изследователско обучение на австралийското правителство и от средства от Carthew Family Charity Trust. ML е академичен служител на университета в Аделаида. LCP е академичен служител на университета в Аделаида и е допълнително подкрепен от стипендия на Барбара Кидман.

Наличие на данни и материали

Кодът R, използван за повторен анализ на броя на необработените преписи на Hughes et al. можете да намерите на https://github.com/karissa-b/dj1KO-RNAseq-IRE. Суровите данни от Hughes et al. е достъпен от базата данни Gene Expression Omnibus(GEO) GSE135271 (https://www.ncbi.nlm.nih.gov/geo/query/acc.cgi?acc=GSE135271). Списъкът с гени, които съдържат реагиращ на желязо елемент (IRE) в нетранслираните региони на техните иРНК в риба зебра, може да бъде намерен на https://github.com/nhihin/ire.

Декларации

Етично одобрение и съгласие за участие

Не е приложимо.

Съгласие за публикуване

Не е приложимо.

Конкуриращи се интереси

Авторите декларират, че нямат конкурентни интереси.

Препратки

Lee JH, Han Jh, Kim H, Park SM, Joe Eh, Jou I. Мутантът LRRK2-G2019S, свързан с болестта на Паркинсон, действа чрез регулиране на активността на SERCA, за да контролира ER стреса в астроцитите. Acta Neuropathol Commun. 2019; 7 (1): 68.

2. Андреева А, Бекхожин З, Омертасова Н, Байжуманов Т, Йелтай Г, Ахметали М и др. Видимата деликатна активност на DJ-1 е резултат от превръщането на свободния метилглиоксал, присъстващ в бързо равновесие с хемитиоацетали и хемиаминали. J Biol Chem. 2019; 294 (49): 18863–72.

3. Долгачева LP, Бережнов AV, Fedotova EI, Zinchenko VP, Абрамов AY. Роля на DJ-1 в механизма на патогенезата на болестта на Паркинсон. J Bioenerg Biomembr. 2019; 51 (3): 175–88.

4. Pacelli C, Giguère N, Bourque MJ, Lévesque M, Slack RS, Trudeau L. Повишената митохондриална биоенергетика и размерът на аксоналната арборизация са ключови фактори, допринасящи за уязвимостта на допаминовите неврони. Curr Biol. 2015; 25 (18): 2349–60.

5. Junn E, Jang WH, Zhao X, Jeong BS, Mouradian MM. Митохондриалната локализация на DJ-1 води до подобрена невропротекция. J Neurosci Res. 2009; 87 (1): 123–9. 6. Urrutia PJ, Bórquez DA, Núñez MT. Поразяване на мозъка с желязо. Антиоксидантност. 2021; 10 (1).

7. Hin N, Newman M, Pederson S, Lardelli M. Реакции, медиирани от желязо-отзивчив елемент (IRE) на желязна дисхомеостаза при болестта на Алцхаймер. bioRxiv. 2021 г.; 2020.05.01.071498 г.

8. Hughes GL, Lones MA, Bedder M, Currie PD, Smith SL, Pownall ME. Машинното обучение разграничава двигателно разстройство в модел на болестта на Паркинсон с риба зебра. Dis Модели Механ. 2020;13(10):d045815.

9. Wu D, Lim E, Vaillant F, Asselin-Labat ML, Visvader JE, Smyth GK. ROAST: тестове за набор от ротационни гени за сложни експерименти с микрочипове. Биоинформатика. 2010; 26 (17): 2176–82.

For more information:1950477648nn@gmail.com