Макроавтофагия и митофагия при невродегенеративни разстройства: фокус върху терапевтичните интервенции, част 2

2. Митофагия

Митохондриите притежават двойна мембрана, съставена от вътрешна митохондриална мембрана (IMM) и външна митохондриална мембрана (OMM), разделени от вътрешномембранното пространство.

Вътрешната митохондриална мембрана е важен компонент на клетката. Основната му функция е да генерира енергията, необходима на клетката и да контролира метаболизма на цялата клетка. Съвременните биологични изследвания показват, че вътрешната митохондриална мембрана също е тясно свързана с човешките когнитивни способности, особено с паметта.

Молекулите на вътрешната митохондриална мембрана също съдържат някои компоненти, свързани с познанието и нервната система, като мембранни протеини и системи за окислително фосфорилиране. Тези компоненти са пряко включени в метаболитния процес на мозъчните клетки и тяхното състояние на активност ще повлияе на нормалната функция на невроните, като по този начин ще повлияе на човешката когнитивност и памет.

В допълнение, молекула, наречена митохондриален транспортер във вътрешната митохондриална мембрана, също играе важна роля в съхранението и извикването на паметта. Тази молекула може да помогне на невроните да предават химически сигнали между синапсите и да засили свързаността на синапсите, като по този начин се постигне дългосрочно съхранение и точно извикване на паметта.

В обобщение, връзката между вътрешната митохондриална мембрана и когнитивните способности и паметта отдавна е научно потвърдена. Оптимизирането на метаболитното състояние на вътрешната митохондриална мембрана спомага за подобряване на работоспособността на мозъка и подобрява когнитивните и паметови способности на хората. Следователно, можем да насърчим здравето на вътрешната митохондриална мембрана, като коригираме правилно диетата си, спортуваме и поддържаме добро отношение, като по този начин подобряваме паметта и когнитивните си способности. Вижда се, че трябва да подобрим паметта и Cistanche може значително да подобри паметта, защото 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

Тази конфигурация на органели е от съществено значение за поддържане на електрохимичен градиент, позволяващ на митохондриите да генерират необходимото количество АТФ, което да се използва от клетките [77]. Елиминирането на дефектни митохондрии е основен механизъм за контрол на качеството за поддържане на здрав басейн от митохондрии и поддържане на жизнеспособни мрежа в невронни клетки [78].

Тези клетки са по-чувствителни към митохондриални дефекти поради високите си метаболитни изисквания; по този начин селективното елиминиране на дисфункционални органели е жизненоважно за надеждната невротрансмисия.

Митохондриите, които са необратимо увредени или вече не са ефективни, се елиминират чрез митофагия, селективен механизъм, при който специализирани рецептори разпознават дефектните митохондрии и посредничат товара, насочен към автофагичните везикули [79]. Клетките използват различни методи за рециклиране на дефектни митохондрии, а именно любиквитин-зависими и независими пътища.

Основно, невроналните клетки прибягват до убиквитин-зависимата механична система, контролирана от PTEN-индуцирана киназа 1 (PINK1)/Parkin, за да запазят активен и динамичен пул от митохондрии.

PINK1 е амитохондриален протеин, чието натрупване в OMM действа като сензор за поддържане на митохондриалната функция, тъй като маркира увредените митохондрии за разграждане [80].

PINK1 проявява митохондриална насочена последователност, като по този начин се внася систематично в IMM чрез комплексиране с транслокази на външната мембрана 20 и 40 (TOM20 и TOM40) [81], където се разцепва от интрамембранната серинова протеаза, свързана с пресенилин, подобна на ромб (PARL) [ 82] и следователно се поддържа на ниски нива при физиологични условия.

При дадено увреждане, молекулярните взаимодействия между TOM20/40 и PINK1 намаляват и PINK1 клъстери в OMM на увредени митохондрии, насърчавайки фосфорилирането на Parkin и последващото му набиране [83].

Parkin, цитозолна E3 убиквитин лигаза, убиквитинира безброй протеини на OMM, които се разпознават от рецептори като р62, също наречен секвестозома 1 (SQSTM1). p62/SQSTM1 е убиквитин-свързващият рецептор, отговорен за задвижването на убиквитинирани митохондрии към мястото на сглобяване на автофагозома чрез взаимодействие с ATG8 семейството LC3/GABARAпрецептори [84].

Тези рецептори също разпознават LIR мотивите на много OMM протеини за специфично насочване към увредени митохондрии в мястото на сглобяване на автофагозома [85]. В невронните клетки, убиквитин-независима митофагия, оркестрирана от два бифункционални протеина, BCL2 и аденовирус E1B 19 kDa-взаимодействащ протеин 3 (BNIP3L) и BNIP3-като протеин X (NIX), също е отговорен за диференциацията на ганглийните клетки на ретината (RGC). BNIP3 и NIX съдържат BH3 домейн и се намират главно в OMM.

Тези протеини имат WXXL-подобен мотив с афинитет към LC3 и неговия хомолог GABARAP, задвижвайки митохондриите към автофагични везикули. По време на неврогенезата на ретината се извършва метаболитна промяна, придружена от увеличаване на експресията на двата протеина [86].

Активността на NIX може да бъде медиирана чрез повишаване на нивата на реактивни кислородни видове (ROS) в няколко клетъчни линии [87], добавяйки нов слой на сложност, освен функциите за развитие. Наистина производството на ROS се увеличава в резултат на увредени митохондрии [88] и може да предизвика митофагия [88]. NIX може също да регулира транслокацията на Parkin към митохондриите при деполяризиращ стимул, като CCCP [87].

В допълнение, BNIP3L и NIX-регулираната митофагия имат невропротективни функции. В модел на мозъчна исхемия, селективното разграждане на митохондриите, медиирано от тези протеини, е от решаващо значение за оцеляването и функцията на невроните [89]. Освен това, само свръхекспресията на NIX е достатъчна за възстановяване на митофагични дефекти, наблюдавани в клетъчни линии, получени от пациенти с PD [90].

Протеин 1, съдържащ домен Fun14 (FUNDC1) е OMM протеин, който взаимодейства с LC3 и GABARAP и медиира митофагията при хипоксични състояния. На хомеостатични нива, FUNDC1-зависимата митофагия се потиска от Src киназа-медиирано фосфорилиране в частта на LIR мотива при Tyr18.

В хипоксично състояние намалената активност на Src води до дефосфорилиране на FDUNC1 Tyr18, което улеснява взаимодействието му с LC3 и последваща митофагия [91]. Освен това, воденото от хипоксия фосфорилиране на ULK1 от AMPK при Ser555 благоприятства транслокацията на ULK1 към митохондриите, повишавайки активността на FUNDC1 [92]. Освен това, Optineurin (OPTN) е цитозолен рецептор, разположен в OMM, който насърчава митофагията чрез взаимодействието си с LC3 [93].

Интересното е, че дисфункцията на OPTN е свързана с невродегенеративни заболявания, както и с други патологии [94]. Като цяло митофагията представлява основен механизъм за контрол на качеството за поддържане на невронния метаболизъм и хомеостаза.

Транспортът на митохондриите в невроните разчита на антероградни и ретроградни движения и е от съществено значение за изпълнение на енергийните и метаболитни изисквания по протежение на невронната структура. Тези движения също са от съществено значение за възстановяването и разграждането на митохондриите и се подпомагат от транспортни адапторни протеини (Фигура 3).

3. Автофагия и невродегенеративни заболявания

3.1. Болест на Алцхаймер

AD е невродегенеративно разстройство и най-разпространената форма на деменция сред по-възрастното население, засягаща почти 50 милиона души по света [95]. Фамилната AD с ранно начало (EOAD, fAD) представлява по-малко от 5% от случаите и се развива преди 65-годишна възраст.

Автозомно доминантни мутации в три гена са свързани с EOAD: гена на амилоидния прекурсорен протеин (АРР) и гените на пресенилин-1 (PSEN1) и пресенилин-2(PSEN2), субединици на -секретазния комплекс [ 95]. Въпреки това, най-честата форма е спорадичната форма на AD с късно начало (LOAD, sAD) с разпространение над 95% и с неизвестна етиология.

Невропатологията на AD се характеризира с прогресивно когнитивно увреждане и влошаване на паметта, което е свързано с наличието на извънклетъчно отлагане на амилоидни плаки (A, агрегация на -амилоидни пептиди) и интраневронални неврофибриларни възли (NFTs, агрегация на хиперфосфорилиран тау протеин), които компрометират синаптичните цялост и хомеостаза, което води до необратими увреждания в специфични области на мозъка като хипокампуса и кората [96].

А пептидите се генерират чрез последователно протеолитично обработване на амилоидния прекурсорен протеин (АРР) от АРР-разцепващ ензим 1/-секретаза (BACE1) и -секретаза през амилоидогенния път. Разцепването на АРР от BACE1, чиято активност е повишена в мозъка на спорадични пациенти с AD [97], се случва главно в ендозоми, осигурявайки кисела среда за оптимална ензимна активност [98].

Вътреклетъчният трафик на АРР се извършва по секреторни и ендоцитни пътища. АРР се секретира към плазмената мембрана, след което се интернализира чрез клатрин-медиирана или кавеолин-медиирана ендоцитоза [99].

В ендозоми, АРР може да бъде разцепен от BACE1, което води до N-терминален АРР фрагмент. (sAPP) и С-терминален фрагмент; последният може да претърпи допълнително разцепване от -секретаза, което води до образуването на А и АРР вътреклетъчния домен. При този неамилоидогенен път, АРР се разцепва от -секретаза в средата на А домейна, предотвратявайки образуването на А пептиди.

Разцепването от -секретаза се извършва в различни позиции на С-крайния фрагмент, което води до образуването на А пептиди с различни дължини. Най-често образуваните разтворими пептиди са A 1-38 и A 1-40, следвани от A 1-42, като последният е по-хидрофобен и по-склонен да образува тримерни и тетрамерни олигомери, като по този начин представлява най-токсичната изоформа [100].

Олигомерстенд за образуване на А фибрили с нагънати листове, които се събират извънклетъчно в амилоидни плаки [101]. А също така се свързва с хиперфосфорилирането и агрегацията на tau, протеин, свързан с микротубули, който обикновено подпомага полимеризацията и сглобяването на аксонални микротубули и транспорт на везикули.

Статусът на фосфорилиране на tauis се регулира от различни кинази и фосфатази, които се модулират в присъствието на А олигомери; например, гликоген синтаза киназа -3 (GSK3 ) и протеин фосфатаза 2A (PP2A) директно регулират статуса на фосфорилиране на тау [102]. Хиперфосфорилираното състояние на tau инхибира свързването му с микротубулите, засягайки неговата стабилизация и водещо до разглобяване на мрежата на микротубулите [103,104].

Протеолитичното разцепване на хиперфосфорилиран тау задейства образуването на тау олигомери [105], които са по-токсични от агрегатите, което води до прогресивна невронална смърт [106].

3.1.1. Нарушение на автофагията при AD

При AD се съобщава за различни молекулярни патогенни механизми, произтичащи от натрупването на А олигомери и тау хиперфосфорилиране, а именно митохондриална дисфункция [107,108] и разрушаване на системите за протеостаза, като разгънат протеинов отговор и автофагия [109].

Въпреки че А пептидите проявяват KFERQ-свързан мотив, който е важен за нормалната обработка и разграждането на АРР, тези фрагменти не са субстрати за разграждане на CMA [110] и макроавтофагията подпомага тяхното изчистване [111].

Наистина, макроавтофагията играе важна роля в метаболизма на А, тъй като участва в разграждането и изчистването на АРР [112] и неговите продукти на разцепване, включително А [113] и АРР-CTFs (разцепен С-терминален фрагмент на амилоиден прекурсорен протеин) [114].

Дисфункцията на автофагията е демонстрирана както при пациенти с AD, така и при животински модели. В мозъка на пациент с AD се наблюдава натрупване на незрели автофагични везикули, съдържащи нишковиден тау при дистрофични неврити [115].

Тези автофагични везикули често се откриват в проксималните области на амилоидните плаки в мозъците на модели на пациенти и гризачи [116]. Любопитно е, че натрупването на автофагозоми също се наблюдава в дендрити и сома на APP/PS1 трансгенни миши неврони дори преди появата на А плаки [117]. Освен това се наблюдава натрупване на незрели автофагични везикули преди загуба на неврони в хипокампуса на модела на мишка PS1M146L/APP751SL [118].

Анормалното натрупване на автофагозоми в невроните предполага, че дефектният автофагично-лизозомален път допринася за натрупването на А и тау олигомери при AD [117]. APP и PSEN1 се локализират в автофагозоми; по този начин, натрупването на тези органели е свързано с увеличаване на A поколението, което от своя страна нарушава автофагозомните мембрани [115].

Следователно, незрелите автофагозоми, описани в AD мозъци и APP/PS1 трансгенни мишки, могат да представляват друг източник за A поколение. Мозъци от пациенти с PSEN1-EOAD показват лизозомно увреждане, свързано с амилоидна патология и невродегенерация [119].

Предполага се, че натрупването на автофагозома може да е резултат от увреждане на сливането на автофагозома-лизозома или дефектно храносмилане на лизозома [120]. Проучванията показват промяна в началото на аутофагията, по-специално намаляване на експресията на Beclin 1 в кората на пациенти с AD и миши модели [121] . Повишената активност на каспаза 3 при пациенти с AD може да обясни прекомерното разцепване на Beclin 1 [122].

Генетичната редукция на Beclin 1 в трансгенен миши модел на AD, експресиращ човешки АРР, увеличава натрупването на A, докато свръхекспресията на Beclin 1 значително намалява нивата на A [113]. В допълнение към Beclin-1, други ATG протеини са регулирани надолу във възрастта зависим начин, което води до натрупване на А [123]. ATG7, ключов протеин в регулирането на автофагията, е замесен в патологията на AD.

Установено е, че нивата на ATG7 са намалени в мозъчната кора и хипокампуса на модел на мишка с AD, но не са открити промени в темпоралните кори на пациенти с AD [124]; ATG7 нокдаун мишки показват редукция на A секреция, придружена от увеличаване на вътреклетъчния A [125], което допълнително подкрепя ролята на ATG7 в транспортирането на A пептиди до мултивезикуларни тела, които трябва да бъдат секретирани.

Показано е, че експресията на p62 е намалена в модел на тройна трансгенна мишка, което компрометира началните стъпки на селективна аутофагия при AD [126]. Въпреки това, анализът на целия геном разкрива транскрипционна регулация нагоре на положителните регулатори на автофагията при AD.

В съответствие с активирането на аутофагията, повишена регулация на нивата на ATG протеин и по-висока скорост на образуване на автофагозоми и лизозомна биогенеза са наблюдавани в ранните етапи на AD [127]. Това противоречие предполага диференцирана автофагия в ранните и късните стадии на AD, която трябва да се има предвид при оценката на механизма в различни модели и при търсенето на терапевтични стратегии.

Наличието на незрели автофагозоми в дистрофични неврити предполага, че ретроградният транспорт на свързаните с автофагия везикули и тяхното съзряване са нарушени при AD [128]. В подкрепа на това, инхибирането на доставката на автофагозоми към лизозомите води до тяхното натрупване в неврити с подобна морфология, както е описано в AD [64].

Олигомерите могат да нарушат комплекса динеин-снапин, нарушавайки транспорта на аксонални везикули, което може да допринесе за дефектно доставяне на автофагозоми към лизозомезин AD [129]. Разграждането на тау, което се намира предимно в аксоните и по-рядко срещаните неврити и сома, става чрез протеазома или чрез макроавтофагия, в зависимост от неговото състояние на олигомеризация.

Свързаните с AD модификации на тау стимулират неговото разграждане чрез макроавтофагия, когато медиираната от протеазома протеолиза се увреди от прогресията на заболяването [130]. От значение е, че разграждането на тау може да произведе различни фрагменти, които се свързват с Hsc70 и са насочени към LAMP-2A от CMA [131,132].

Все пак, натрупването на тези фрагменти в лизозомната мембрана причинява агрегация на тау, което нарушава целостта на лизозомата и блокира CMA [132]. Увреждането на автофагично-лизозомния път води до агрегация на тау олигомери, които от своя страна се разграждат, когато макроавтофагията се индуцира с рапамицин [132,133].

Тау е от съществено значение за ретроградното движение на автофагозомите към лизозомите чрез стабилизиране на микротубулите, роля, която е компрометирана при AD [134]. Хиперфосфорилирането на тау и неговата олигомеризация води до изместване на механизма на микротубулите и следователно до нарушаване на движението и узряването на автофагозомите, което също допринася за дисфункция на автофагията.

Освен дефекти в автофагозомния транспорт, увреждане на лизозомната функция също е описано в AD. PSEN1 е регулатор на лизозомната функция, действащ като шаперон за вакуоларната АТФ-аза, която подкиселява лизозомния лумен. Мутациите в PSEN1 нарушават лизозомното подкисляване и сливането на автофагозома-лизозома, което води до натрупване на A-натоварени автофагозоми [135].

Освен това се предполага, че лизозомната протеолиза е засегната при AD; високи нива на A, LC3-II и убиквитинирани протеини присъстваха както в лизозомните, така и в автофагозомните фракции, изолирани от AD трансгенния миши модел [136]. В съответствие с това, нарушаването на лизозомната протеолиза чрез инхибиране на лизозомни катепсини в здрави неврони води до натрупване на автофагични везикули с подобна морфология на тези, присъстващи при пациенти с AD и трансгенни миши модели [64].

А също компрометира целостта на лизозомната мембрана, което води до освобождаване на катепсин в цитоплазмата [137,138]. Наличието на катепсин D в екзозоми, изолирани от кръвта на предклинични пациенти с AD [139] подкрепя хипотезата за неефективна лизозомна функция. Любопитно е, че генетичните вариации в гена, кодиращ катепсин D, също са описани като рискови фактори за AD [140].

Анализът на процеса на автофагия в невроните от ранните до най-късните етапи на AD показва повишена експресия на гени за автофагия в ранните етапи, но дефектът на лизозомния клирънс води до натрупване на автолизозомни структури с прогресирането на заболяването [141]. Сиртуините (SIRTs) обхващат група на никотинамид аденин динуклеотид (NAD+)-зависими протеини, които са регулатори на множество клетъчни пътища.

Сред тях Sirt1 е свързан с регулирането на автофагията. По-ниските нива на SIRT1 компрометират медиираното от деацетилиране активиране на протеини за автофагия надолу по веригата (напр. ATG5, ATG7 и LC3) [142], което също може да допринесе за увреждане на автофагията при AD. Нивата на SIRT1 са понижени в париеталната кора на мозъчни пациенти с AD и корелират с натрупването на A и tau възли [143].

Активирането на mTOR, централния координатор на аутофагията, е описано в AD в отговор на натрупване на A [144]. A повишава активността на mTOR, което също води до по-висока експресия на тау и GSK3 -медиирано фосфорилиране [145], подкрепяйки ролята на mTOR в медиираната от тау патогенеза. Освен това се наблюдава секреция на фосфо-тау чрез екзоцитозни везикули чрез mTOR сигнализиране в мозъците на пациенти с AD [146].

Дисрегулацията на пътя PI3K/Akt/mTOR също е замесена в патогенезата на AD [147]. Активирането на PI3K от растежни фактори (напр. инсулиноподобен растежен фактор -1, IGF1) насърчава фосфорилирането на Akt и индиректното активиране на mTORC1, насърчаване на автофагията. При AD, A взаимодейства и инхибира пътя PI3K/Akt/mTOR [148], което води до активиране на GSK3 и повишено tau хиперфосфорилиране.

Освен това, транскрипционният фактор EB (TFEB), главният регулатор на лизозомната биогенеза, е цел надолу по веригата на mTORC1. Намаляването на активността на mTORC1 индуцира дефосфорилиране на TFEB и неговото преместване в ядрото, за да активира експресията на аутофагия и гени, свързани с лизозомна биогенеза [149].

Установено е, че нивата на TFEB са намалени в мозъчните проби (хипокампус) на пациенти с AD, особено намаляващите ядрени нива на TFEB в напредналите стадии на заболяването [150].

Освен това, транслокацията на TFEB към ядрото е отслабена във фибробласти с дефицит на пресенилин и индуцирани плурипотентни човешки AD неврони, получени от стволови клетки, което води до намалено активиране на мрежата CLEAR [151].

Въпреки това, в двойно трансгенен APP/PS1 животински модел, бяха открити повишени нива на общ и ядрен TFEB в хипокампуса на 8--месечни AD мишки със съпътстващо увеличение на неговите цели надолу по веригата, което предполага, че TFEB участва в лизозомни- медиирана прогресия на AD [152]. Повишаването на целевите гени на TFEB също се съобщава при PS1 условно нокаут мишки и 5xFAD мишки [153].

Активирането на мрежата TFEB може да отразява опит за компенсиране на нарушената автофагия в животински модели на AD. Точната роля на TFEB като главен регулатор на лизозомната функция в патогенезата на AD далеч не е напълно разбрана и изисква допълнително изследване.

For more information:1950477648nn@gmail.com