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

3.1.2. Митофагия в AD

Натрупването на увредени митохондрии е отличителен белег на AD. Митохондриалната дисфункция и свързаните с нея биоенергийни дефицити и оксидативен стрес допринасят за А агрегация и хиперфосфорилиране на тау [154,155], които от своя страна са медиатори на митохондриални дефекти [156].

Митохондриите се считат за енергийни фабрики в клетките и повредените митохондрии могат да причинят редица здравословни проблеми, включително загуба на паметта. Но има и положителни страни. Стига да вземем правилните мерки, можем ефективно да подобрим състоянието на митохондриите и паметта си.

Основната функция на митохондриите е да произвеждат енергия, която може да задоволи различните нужди на клетките. Но в някои случаи митохондриите могат да бъдат увредени, което води до намалено производство на енергия, което може да доведе до здравословни проблеми като загуба на паметта. В допълнение, митохондриите също могат да причинят възпаление, което допълнително засяга физическото здраве.

Въпреки това, в контекста на развитието на съвременната медицина, можем да използваме някои методи, за да помогнем на митохондриите да възстановят здравето си. Например аеробните упражнения, балансираната диета и физическите упражнения могат да насърчат здравето на митохондриите, като по този начин подобрят нашата памет. В допълнение, някои естествени храни като естествени билки и ядки също имат добри възстановителни и защитни ефекти на митохондриите, за да поддържат нормалното състояние на тялото.

Накратко, въпреки че увреждането на митохондриите може да причини здравословни проблеми, ние трябва да продължим активно да изследваме различни начини за търсене на начини за подобряване на здравето на митохондриите, за да поддържаме по-добре физическото здраве и интелекта. Може да се види, че трябва да подобрим паметта и Cistanche може значително да подобри паметта, защото Cistanche е традиционен китайски лекарствен материал с много уникални ефекти, един от които е да подобри паметта. Ефектът на Cistanche идва от различните активни съставки, които съдържа, включително танинова киселина, полизахариди, флавоноидни гликозиди и др. Тези съставки могат да насърчат здравето на мозъка по различни начини.

Кликнете върху Познаване на краткосрочната памет как да се подобри

Съответно, А пептидите не са токсични за клетки без функционални митохондрии (клетки с изчерпана митохондриална ДНК) [157]. Излагането на първични кортикални неврони на A 1-42 пептиди индуцира отварянето на преходната пора на митохондриалната мембрана [156].

Освен това, съвместното излагане на кортикални неврони с A и NMDA-медиирано активиране на NMDAR допълнително индуцира митохондриална деполяризация и повишено митохондриално задържане на калций [158]. Освен това синаптичните терминали, изложени на А агрегати, показват митохондриална дисфункция, по-високи нива на оксидативен стрес и нарушен транспорт на глутамат и глюкоза [159].

Освен това, проби от мозъчната тъкан на тау мутантни мишки показват митохондриални респираторни дефекти и по-високо производство на ROS [160]. Натрупването на N-терминален тау фрагмент се свързва с намалена митохондриална цитохром с оксидазна активност в мозъци на човешки AD [161].

Освен това, изчерпването на АТФ, причинено от митохондриални дефекти, активира AMPK и следователно автофагия [162], свързвайки митохондриалната функция с регулирането на автофагията.

Изчистването на нездравословни митохондрии чрез митофагия е компрометирано при AD, въпреки че механизмът не е напълно характеризиран. Предишни проучвания, използващи постмортални хипокампални тъкани от пациенти с AD и неврони, получени от iPSC на AD, показват по-ниски нива на протеини, свързани с митофагията, по-ниски нива на PINK1 и BNIP3L/NIX и инактивиране на протеини за иницииране на митофагия, като фосфо-ULK1 [163].

Увреждането в митофагията също е описано в модели на свръхекспресия на АРР и тау [164]. Ролята на дефектната митофагия в патогенезата на AD беше допълнително подкрепена от подобрение на паметта в APP/PS1 миши модели след корекцията на невронната митофагия [163]. Проучвания с модели на AD показват вмъкване на тау в митохондриалната мембрана, което отменя медиираната от Parkin митофагия [165].

Освен това, свръхекспресия на клетки, третирани с митофагиин А, възстановени от Паркин, и подобрена митохондриална функция [166]. Въпреки повишената транслокация на Parkin към митохондриите, наличието на несмлени митохондрии вътре в лизозомите показва недостатъчна лизозомна ефективност при AD в ранните етапи [167].

Нивата на протеини, участващи в деленето на митохондриите, стъпка, която е от съществено значение за изолирани увредени митохондрии преди поглъщането им от автофагозомата, са повишени в ADbrains [168].

Последователно, променена митохондриална морфология към фрагментация се наблюдава при AD, което се влошава, когато нивата на A и p-tau се повишат и тези протеини взаимодействат с протеин, свързан с делене на Drp1 [169].

Нарушаването на антероградното движение допринася за митохондриална дисфункция, показана в неврони от трансгенни AD модели [170]. Дефектното антероградно движение уврежда сливането на стари митохондрии с новообразуваните органели в сома, като по този начин инхибира тяхното медиирано от сливане възстановяване. Освен това, дефектното ретроградно движение, описано в AD [129], намалява отстраняването на дефектни митохондрии в сома чрез автофагия.

Намалените нива на SIRT1, описани в AD, също компрометират активирането на протеини на автофагия, стабилизирането на PINK1 в митохондриите и регулирането на рецепторите на митофагията Nix/BNIP3L и LC3 [171].

Освен това митохондриалните нива на SIRT3 са намалени при AD, което води до по-ниско FOXO3-медиирано активиране на p62 [172]. Съобщава се за намалени вътреклетъчни нива на NAD+ при AD [173], а изчерпването на нивата на NAD+ може също да намали активността на сиртуините.

По този начин, намалените нива и активност на SIRT могат да компрометират митофагията, което води до натрупване на увредени митохондрии в AD.

3.2. Болест на Паркинсон

PD е невродегенеративно заболяване, което е резултат от дегенеративна загуба на допаминергични неврони в substantia nigra pars compacta (SNpc), което води до дефицит на допамин [174].

Постурална нестабилност, брадикинезия и походка са типичните черти на заболяването, често придружени от хипосмия и изразени стомашно-чревни усложнения под формата на гастропареза и запек [175].

Хистопатологичният отличителен белег на PD е наличието на фибриларни агрегати, наричани телца на Lewy (LB), в които -синуклеин (aSyn) е основна съставна част [176]. aSyn е естествено разгънат протеин с много приписани функции в развитието на невроните и синаптичното сигнализиране [177].

Въпреки това, някои проучвания показват, че липсата на див тип (WT) aSyn не е от значение за базалната невронална функция [178], което предполага, че загубата на функция на aSyn не причинява PD. Въпреки интензивния дебат, aSyn олигомерите са токсични за невронните клетки [179].

3.2.1. Автофагия при PD

Аутофагията за първи път е свързана с PD, когато Anglade и колеги откриха, че смъртта на допаминергични неврони в SNpc в мозъци след смъртта на пациенти с PD е свързана с автофагична дерегулация [180].

Мономерният aSyn е краткотраен протеин и по този начин неговите физиологични нива се поддържат главно от убиквитин-протеазомната система (UPS) [181]. Въпреки това, в случай на вътреклетъчно претоварване на aSyn, клирънсът на nativeaSyn от UPS става недостатъчен, като по този начин измества елиминирането на мономерите на aSyn към автофагозомно-лизозомния път (ALP) [182].

Интересно е, че проучване, използващо мишки, инжектирани с човешки aSyn аденовирус в substantia nigra, демонстрира, че много автофагични протеини се регулират нагоре в началната фаза на заболяването, което предполага увеличаване на аутофагията в този етап [183]. Въпреки това, постморталните изследвания показват повишаване на нивата на LC3 II и намаляване на катепсин D, което сочи към нарушена функция в ALP-пътя [121].

Нещо повече, хистологичните находки показват, че LC3 II често е локализиран в aSyn включвания [184], което предполага не само дефектен автофагичен процес, но и че макроавтофагията е отговорна за изчистването на aSyn агрегати [185].

CMA е силно нарушена при PD, тъй като се наблюдава намалена експресия на LAMP2a и Hsc70 в мозъците след смъртта на пациенти с PD [121,186]. Интересното е, че останалите LAMP2a-положителни везикули са локализирани съвместно с an. Тези наблюдения са в съответствие с факта, че aSyn носи KFERQ-подобен пентапептид, 95VKKDQ99, със силна специфичност към лизозомни везикули [187,188].

В aSyn олигомерите този пентапептид все още е наличен и позволява на агрегатите да се свързват с лизозомните рецептори, блокирайки вноса на aSyn в лизозомата, което частично обяснява дефектите, наблюдавани в CMA на невронни клетки при PD [185]. Допълнителни проучвания показват, че пост-транслационните модификации в aSyn също възпрепятстват пътя на CMA и допринасят за общата клетъчна токсичност [189].

Наистина, специфичното инхибиране на CMA, постигнато чрез понижаване на LAMP2a, изглежда е отговорно за повишените нива на нативен aSyn в кортикалните неврони на плъх [190]. В допълнение, намаляването на експресията на LAMP2a в нигростриаталната верига на плъхове води до допаминергична клетъчна смърт, придружена от повишаване на нивата на aSyn протеин и повишаване на експресията на LC3 [191].

Следователно, CMA изглежда като изключително подходящ път за разграждането на WT aSyn. Глюкоцереброзидазата (GBA) е лизозомален протеин, отговорен за разцепването на глюкоцереброзид и глюкозил сфингозин в лумена на тези везикули.

Дефицитът на GBA води до натрупване на субстрат в лизозомата, с вредни ефекти в ендолизозомния път. Интересно е, че хетерозиготните мутации в GBA локуса се считат за основен рисков фактор за развитието на PD [192]. Хомозиготни GBA мутантни индивиди развиват болест на Гоше, в резултат на което голяма част от тях развиват паркинсонизъм [193].

Връзката между патологиите на GBA и aSyn е открита при пациенти с нарушения на тялото на Lewy, спектър от заболявания с алтернативни форми на паркинсонизъм. При тези пациенти наличието на aSyn включвания е силно свързано с наличието на мутант GBA в SNpc на мозъци след смъртта [194].

Забележително е, че в допаминергични неврони, получени от iPSC на хетерозиготни GBA пациенти с PD, показващи намалена активност на GBA, беше установено увеличаване на броя и уголемяване на лизозомите [195], придружено от повишени нива на aSyn олигомери в неврони, получени от PD, в сравнение с контролните клетки .

Освен това, нокдаунът на GBA в стриатума на плъх води до натрупване на олигомерен aSyn, предшествано от прекъсване на автофагичния път. Beclin-1 може да медиира ефектите на GBA, тъй като неговата активност се регулира надолу при намаляване на активността на GBA, със съпътстващо намаляване на LC3 II [196].

Богатата на левцин повторна киназа 2 (LRRK2) е свързана с форма на автозомно доминантна форма на PD, като също така е основен рисков фактор за идиопатична PD. Освен много клетъчни функции, LRRK2 има важна роля в автофагията, участвайки в няколко различни фази на процеса [197].

Проучване, използващо зависим от възрастта модел на мишка с LRRK2, показва, че невроните на средния мозък имат по-голям брой LAMP2a-позитивни везикули в сравнение с WT мишки [197], което предполага натрупване на лизозомни везикули. Това увеличение е свързано с по-слаба ефективност на CMA, тъй като клирънсът на лизозомно-специфични субстрати с KFERQ мотив е по-нисък при LRRK2 клетки на средния мозък.

Това е в съответствие с доказателства, които демонстрират, че LRRK2 регулира активността на подгрупа от Rab GTPases, които са отговорни за мембранната мобилизация, сглобяването на везикулите и транспортирането [198,199]. G2019S е най-често срещаната мутация в LRRK2-свързаната PD, и Смята се, че мутиралият LRRK2 спира автофагичния процес.

Например, диференцирани SH-SY5Y невронни клетки, експресиращи тази мутантна форма на LRRK2, представят много по-малки неврити и аберантно натрупване на LC3 везикули [200]. Нещо повече, при мишки, носещи мутант G2019S LRRK2, има нарастване на ранни и късни автофагични везикули, с вредни ефекти върху броя на невроните, носещи тирозин хидроксилаза (TH) и върху невронната морфология на кората на мозъка [201].

Тези наблюдения могат да бъдат потвърдени от факта, че се смята, че активността на LRRK2 засяга макроавтофагията чрез Beclin-1 в mTOR-независим път [202]. Тъй като по-високата експресия на нативен aSyn се счита за рисков фактор за развитието на идиопатична PD [203 ], макроавтофагията поема решаваща роля в поддържането на всяко клетъчно изобилие.

Интересно е, че констатациите показват, че експресията на мутантни форми на aSyn или свръхекспресията на WT aSyn блокират аутофагията [204], придавайки ключова роля в този процес при прогресирането на заболяването. Потвърждавайки тези наблюдения, Vogiatzi и колегите откриха, че WT aSyn увеличава 1.5- до 3.8-пъти в PC12 клетките след прилагането на 3-methyladenine (3-MA), a инхибитор на макроавтофагията [190].

Освен това, това посяване на aSyn фибрили води до устойчиви на разграждане aSyn включвания, с отрицателен резултат при макроавтофагия. Клетките, съдържащи aSyn агрегати, показват натрупване на автофагозома [205], което може да се обясни с факта, че включванията на aSyn насърчават неправилната локализация на mATG9, протеин, който улеснява мембранния трафик за фагофореформиране [204].

Наскоро беше наблюдавано, че експресията на A30P aSyn в допаминергични невронни първични култури на средния мозък спира автофагичния поток, наблюдаван чрез намаляване на асоциирания с автофагозома LC3 протеин със съпътстващо повишаване на нивата на SQSTM1/p62 [206].

Освен това, в мононуклеарни клетки от периферна кръв, получени от пациенти с ПД, е установено, че автофагичните протеини като ULK1 и Beclin1 са нерегулирани, което корелира с натрупване [207]. Самообновяващата се природа на аутофагията е от съществено значение за патофизиологията на ПД и неспособността за рециклиране на неправилно нагънати или агрегираните протеини имат дълбок ефект върху невронните клетки [61].

Следователно проучванията предполагат, че нарушената аутофагия може да бъде етиологичният фактор в патогенезата на PD. Например, специфична аблация на ATG7, съществена за удължаване на автофагозома в допаминергични неврони от стари мишки, индуцира характерни характеристики на PD, като двигателна слабост, загуба на TH-позитивни неврони и отлагане на aSyn [208].

Освен това изчерпването на ATG7 води до наличието на p62-съдържащи aSyn включвания в SNpc допаминергични неврони и силно увеличение на полиубиквитинираните субстрати [209]. Въпреки че дефектите в аутофагията са напречни към PD моделите, връзката на причинно-следствената връзка трябва да бъде допълнително изследвана.

3.2.2. Митофагия при PD

Митохондриите играят централна роля в патогенезата на PD [210]. Митохондриална недостатъчност, включително намалена активност на комплекс I, добре описана в мозъци след смъртта на пациенти с идиопатична ПБ [211,212], заедно с повишен оксидативен стрес в нигростриатални неврони [213] и по-нисък митохондриален капацитет за буфериране на Ca2+ [214] , са добре известни характеристики на невродегенеративния процес на PD, което подчертава първостепенното значение на изчистването на увредените митохондрии в болните неврони. Описано е, че aSyn олигомерите предизвикват митохондриално увреждане.

Наистина, както WT, така и мутантният aSyn се внасят в митохондриите в клетъчни линии [215], култивирани допаминергични неврони и мозъци на пациенти с PD [216]. Въпреки това, A53T aSyn има по-бързи скорости на натрупване в митохондриите, нарушавайки активността на комплекс I и причиняване на изострено производство на ROS [217]. Освен това, проучване, използващо допаминергични невронни култури, показа, че aSyn агрегатите, задържащи pSer129 aSyn, се свързват преференциално с митохондриите, отколкото с WT aSyn, което води до нарушено окислително фосфорилиране [218].

Наистина, мутантният aSyn стимулира митохондриалната фрагментация и насърчава присъствието на кардиолипин на повърхността на митохондриите [219]. Кардиолипинът е опасен сигнал, предизвикан от митохондриите, които се свързват с LC3, за да инициират митофагия [220].

Забележително е, че aSyn може да се свърже с кардиолипин, като по този начин се конкурира с LC3 и спира митофагията [219]. Динамичното взаимодействие между Parkin и PINK1 позволява правилното идентифициране на увредените митохондрии.

Поразително е, че мутациите в гените на Parkin и PINK1 са отговорни за ранна поява на автозомно рецесивни форми на PD [221]. Патологични доказателства бяха открити в мозъците на тези пациенти с PD, като намалена популация от неврони в SNpc и фибриларна глиоза [222]. При PD активността на Parkin регулира нагоре функцията Drp1 за насърчаване на митохондриалното делене и регулира надолу функцията на Mfn1/2 за предотвратяване на сливането, което води до по-малки митохондрии, които са по-лесни за поглъщане във фагофори [223].

Интересно е, че мутантните форми на Parkin не успяват да се локализират в митохондриите след деполяризираща инсулт, което води до инхибиране на митофагията [224]. Освен това, протеини, локализирани в OMM, които регулират апоптотични събития, като Bcl-XL и Mcl-1, инхибират набирането на Паркин в митохондриите, блокирайки митофагията [225].

В допълнение, p62-позитивните митохондрии, склонни към селективно разграждане, са намалени в клетки, експресиращи мутант Parkin [226], което може да се случи поради отделяне на Parkin в неразтворими агрегати [227]. Трансгенни мишки с отсъстващ Паркин показват увеличение на pSer129 aSyn, но не и на общите нива на aSyn [228]. Такава аблация може да доведе до леки нигростриални дефекти [229], свързани с променена митохондриална морфология [230].

Тези констатации могат да се обяснят със способността на Parkin да модулира състоянието на фосфорилиране на aSyn при Ser129 [231]. Беше демонстрирано, че PINK1 мутантните форми, свързани с PD, не успяват точно да рекрутират Parkin в митохондриите, което води до дисфункционална митофагия [232]. Освен това аблацията на PINK1 води до увеличаване на броя на фрагментираните митохондрии [233], често срещана характеристика в допаминергичните неврони на пациенти с ПД [234].

Въпреки че броят на допаминергичните неврони остава незасегнат от изчерпването на PINK1, стриаталните неврони на PINK1−/− мишки показват намален капацитет за освобождаване на допамин [235] и са по-податливи на екзогенни стресори като оксидативен стрес [236].

Тези наблюдения са придружени от по-ниска честота на дишане при мутантни животни и намалена активност на техитохондриален комплекс I [237], което може да обясни приноса на тази мутация към PD. Изненадващо, изчерпването на Parkin или PINK1 само по себе си не предизвиква явна невронална дегенерация при гризачи, което предполага, че други Parkin/PINK1-независими митофагични процеси може да се извършват [228].

Уместността на митохондриалната дисфункция и следователно на митофагията се подчертава от факта, че няколко митохондриални токсина, включително 1-метил-4-фенил-1,2,3,6-тетрахидропиридин (MPTP) и ротенон, често имитират молекулярната дисфункция при PD и се използват като модели за идиопатична PD [238]. Тези токсини се насочват към митохондриите чрез инхибиране на комплекс I, характеристика, която обикновено се наблюдава в постморталните мозъци на пациенти с ПД [212].

MPTP индуцира паркинсонизъм чрез насърчаване на допаминергична невродегенерация и натрупване на aSyn [239]. MPTP е липофилно съединение, което може да премине кръвно-мозъчната бариера (BBB) ​​и в астроцитите се превръща в своята йонна форма 1-метил4-фенил пиридиниум (MPP+) [240]. Тази активна форма (MPP+) служи като субстрат с висок афинитет за допаминергичните транспортери, за да навлязат в невронните клетки [241], инхибирайки митохондриален комплекс I и вследствие на това намалявайки честотите на дишане [239], наред с други цитотоксични ефекти.

Наистина, лечението с MPP+ в първични допаминергични неврони на плъхове и SH-SY5Y клетки насърчава Drp1-зависимата митохондриална фрагментация [242]. Освен това, в PC12 допаминергично-диференцирани клетки, MPP+-индуцираното митохондриално увреждане е придружено от драматично намаляване на скоростта на аксонален транспорт, последвано от изразен невродегенеративен процес [243].

По същия начин, ротенон, друг силен инхибитор на комплекс I, може да имитира фенотипните белези на PD. Когато се инжектира в мишки, ротенонът стимулира селективната смърт на допаминергичните неврони заедно с появата на aSyn агрегати и двигателна дисфункция [244]. В допълнение, приложението на ротенон нарушава автофагичния поток, денонсиран от увеличаването на LC3 и p62 и понижените нива на LAMP2a, спирайки селективното разграждане на митохондриите [244].

Трябва да се отбележи, че ротенонът има сериозно въздействие върху мрежата от микротубули [245], нарушавайки автофагичния поток при плъхове [244] и променяйки скоростта на движение на митохондриите в невритите на диференцирани SH-SY5Y клетки [246]. Тъй като митофагията е силно зависима от зависимия от микротубулите транспорт [247], се очаква митофагията да бъде нарушена след излагане на ротенон.

For more information:1950477648nn@gmail.com