Структурни и функционални прозрения в полиморфизма на синуклеинови фибрили, част 2

Протеините -синуклеин (-syn) и -синуклеин (-Syn) също принадлежат към семейството на синуклеин [165] (Фигура 1C). -Syn е протеин от 134 аминокиселини, идентифициран по-рано като човешки хомолог на говежди фосфоневропротеин 14 (PNP14).

С напредване на възрастта паметта постепенно намалява. Въпреки това можем да подобрим паметта чрез добро хранене. Аминокиселинният протеин е един от най-важните хранителни вещества.

Аминокиселинните протеини могат да увеличат броя и връзките на невроните в мозъка, играейки жизненоважна роля в ученето и паметта. В допълнение, аминокиселинните протеини могат да насърчат растежа и възстановяването на кръвоносните съдове в мозъка и да увеличат доставката на кислород към мозъка, като по този начин спомагат за подобряване на когнитивните способности и паметта на мозъка.

Някои храни, богати на аминокиселинни протеини, включват пилешко, телешко, риба и яйца. В същото време някои храни с растителен произход като боб, слънчогледови семки и др. също осигуряват богати протеини на аминокиселини. Можем да подобрим паметта, като се храним балансирано и приемаме подходящи аминокиселини и протеини.

Освен това трябва да обърнем внимание на приема на подходящи количества аминокиселинни протеини и да поддържаме здравословни хранителни навици и начин на живот. Редовните упражнения, достатъчно сън и намаляването на стреса могат да помогнат за подобряване на развитието и функционирането на мозъка.

Като цяло аминокиселините и протеините са важни хранителни вещества за подобряване на паметта. Чрез разумни корекции на диетата и начина на живот можем да помогнем на мозъка си да функционира по-добре, да подобрим способността си да учим и запомняме и да имаме по-здравословен и щастлив живот. Може да се види, че трябва да подобрим паметта и Cistanche deserticola може значително да подобри паметта, тъй като Cistanche deserticola има антиоксидантни, противовъзпалителни и анти-стареене ефекти, които могат да помогнат за намаляване на окисляването и възпалителните реакции в мозъка, като по този начин предпазват здраве на нервната система. В допълнение, Cistanche deserticola може също така да стимулира растежа и възстановяването на нервните клетки, като по този начин подобрява свързаността и функцията на невронните мрежи. Тези ефекти могат да помогнат за подобряване на паметта, ученето и скоростта на мислене и могат също така да предотвратят развитието на когнитивна дисфункция и невродегенеративни заболявания.

Щракнете върху познайте начините за подобряване на мозъчната функция

11-аминокиселината (остатъци 73–83) липсва в своя NAC домейн (Фигура 1C), поради което не може да фибрилира [11,176,177]. По-рано се смяташе, че -Syn е инхибитор на -Syn агрегацията и предотвратява неговата невротоксичност [11,176]. Това схващане обаче се промени след откриването на мисенс мутации в гена -Syn, P123H (фамилен) и V70M (спорадичен), за които е известно, че причиняват DLB [178].

Вредните ефекти на тези мутации са доказани от проучвания върху клетки и животни [179,180]. Нашата група наскоро показа, че при нормални физиологични условия, фибрилизация и агрегация на -Syn и свързаните с болестта мутации не са настъпили, но променена микросреда, като намаляване на рН и/или наличието на хепарин, ги е накарала да полимеризират [181].

-Syn, който споделя ~55% хомология на последователността с -Syn, първоначално е идентифициран при злокачествени заболявания на рак на гърдата, кодирани от специфичен за рак на гърдата ген, BCSG1 [182]. Съобщава се в тъканите на периферната централна нервна система и рак на гърдата [182,183]. Той агрегира и образува фибрили in vitro [177] и в клетките [184], но е сравнително по-бавен от -Syn [91].

Неправилното нагъване и фибрилация на -Syn е основно събитие при няколко невродегенеративни разстройства [185]. Неправилно нагънатите -Syn агрегати са амилоидогенни, които анормално се натрупват в мозъка и в резултат на това пациентът страда от двигателни аномалии, които се влошават с времето.

Агрегацията на -Syn е комплексно явление и включва превръщането на мономерите във високо подредени структури, богати на кръстосани- -листа, чрез образуването на няколко разтворими олигомерни видове по и извън пътя [185,186]. Образуването на амилоид на -Syn обикновено се наблюдава от тиофлавин Т флуоресцентно багрило [187].

Следва сигмоидална кинетика на растеж, която се състои от (i) лаг фаза, включваща образуването на ядра, които в крайна сметка прерастват в откриваемата агрегатна структура в разтвора; (ii) фазата на удължаване, превръщането и последващия растеж на олигомерни видове във фибриларната структура; и (iii) стационарната фаза, представляваща стационарното състояние, при което концентрацията на мономера и фибрила достига равновесие.

До края на агрегацията, -Syn се сглобява в атипични дълги амилоидни фибрили, обикновено характеризирани с електронна микроскопия и техники за изобразяване с микроскоп с атомна сила [9]. Тези фази на агрегиране не могат да бъдат приписани на едно събитие или микроскопичен процес. Вместо това, всички процеси, а именно, първично зараждане, удължаване, вторично зараждане и фрагментация, са активни през всички фази на кривата на растеж, но с различни скорости [188,189] (Фигура 2).

Тези скорости на реакция се управляват от константите на скоростта на агрегиране и концентрацията на реагиращите видове в даден момент [190]. Образуването на амилоид започва с първично зараждане на мономерните видове в разтвора и удължаване чрез добавяне на мономер към нарастващите краища на агрегатите [189]. Първичните процеси на нуклеация обаче са краткотрайни и бързо се надминават от вторичните процеси на нуклеация [191].

Фрагментацията на фибрилите при условия на разбъркване (или дори при условия на покой в ​​зависимост от стабилността на амилоидните фибрили) променя броя на нарастващите краища и значително влияе върху общата кинетика на растеж [188,189].

Нещо повече, вторичното зараждане чрез повърхностна катализа също е един от основните фактори, допринасящи за растежа на амилоид в няколко системи, особено при условия на покой [189, 190]. Самосглобяването и агрегацията на -Syn е сложен феномен и включва множество паралелни процеси. Следователно е изключително важно да се разберат основните молекулярни събития, за да се очертае тяхната фундаментална връзка с човешкото заболяване.

4. Прион-подобен щам феномен в -Syn

След откриването на -Syn като основна съставна част на патологията на телцата на Lewy през 1997 г., основният фокус е изместен към очертаване на основния патогенен механизъм на PD.

Heiko Braak [192] представи система за стадиране на патологията на Lewy през 2003 г. въз основа на специфичните модели на разпространение на -Syn. Според хипотезата на Braak патологията на Lewy започва от обонятелната луковица и DMV и след това прогресивно се разпространява в другите области на мозъка.

Въпреки че има експериментални и клинични доказателства в подкрепа на хипотезата на Braak, не е сигурно дали тя е приложима и/или точно описва прогресията на PD при всички пациенти. Например, има случаи, при които пациентите не показват патология на Lewy при DMV или ENS, докато други области на мозъка са силно засегнати [193–198].

Дори в някои случаи не е наблюдавана връзка между тежестта на патологията на Lewy и клиничните симптоми при PD [195]. Поради това се предлага хипотезата на Braak да се приложи само към подгрупа от популацията [198], тъй като не всички пациенти с PD се придържат към системата за стадиране, предложена от Braak [199]. Интересно е, че докладите за патология на Lewy при фетални невронални присадки след четиринадесет години трансплантация в стриатума на пациент с ПД предоставят пряко доказателство за предаване от клетка към клетка и разпространението на -синпатологията, предложена от Braak [200,201].

Проучвания, използващи in vitro и клетъчни моделни системи, по-късно предполагат, че -Syn агрегатите са инфекциозни, могат да се преместват от една клетка в друга и да засяват агрегацията на техния разтворим ендогенен аналог в реципиентните клетки, обяснявайки феномена, наблюдаван в присадените неврони [18,21,23] . Това подобно на прион предаване на -Syn агрегат от един регион в друг също е замесено при пациенти с DLB и PDD, което предполага, че разпространението на патологията на Lewy е споделено свойство на -Syn агрегатите при синуклеинопатии [202–205].

Въпреки това, клиничните и патологични характеристики на тези синуклеинопатии са силно променливи и хетерогенни [206,207], [146,208]. Човек може да се запита защо, въпреки че е свързано с агрегацията на един и същ протеин, разпределението на -Syn патологията и проявата на болестните симптоми са различни при синуклеинопатиите.

Това може да се обясни с феномена на прион-подобен щам на -Syn, при който един и същ прекурсорен протеин образува различни фибрили, които водят до различна патология.

4.1. Концепция за прионни щамове

Последните няколко десетилетия изследвания предполагат, че протеини/пептиди с различни структури и последователности могат да образуват обща гънка от богата на кръст - -листова структура на амилоид [209–213]. Тези протеини/пептиди образуват амилоиди с обща рамка за агрегиране, т.е. чрез нуклеационно-зависим механизъм на полимеризация [214,215].

Въпреки това, всеки протеин/пептид може също така да претърпи различен път на агрегиране, за да образува уникална амилоидна структура. Скорошни структурни изследвания с висока разделителна способност с ssNMR и cryo-EM наистина предполагат, че всеки протеин се опакова уникално и образува различни структури за напречната - -гънка на листа [56–58,61,216]. Не само това, но, изненадващо, един протеин може да образува множество различни структурни гънки [40,59].

По този начин тези протеини могат да приемат различни конформации от една и съща аминокиселинна последователност, което води до няколко протеинопатии и следователно не потвърждава хипотезата за един протеин – една структура [217]. Например, тау се нагъва по различен начин при болестта на Алцхаймер и болестта на Пик [40,218,219] . Различни TAR ДНК-свързващи протеини (TDP-43) агрегати съществуват в мозъците на подтипове на фронтотемпорална лобардегенерация (FTLD-TDP), показващи морфологични разлики между подтиповете [220].

Способността на този протеин да се сгъва неправилно и да показва конформационно разнообразие може да доведе до тежки последствия, като невродегенерация [221]. Този феномен на протеин, образуващ различни амилоиди, свързан с различни фенотипни свойства, е добре известен за прионите [46,222]. Прионите са инфекциозни протеинови частици, които показват конформационна хетерогенност и могат да се предават от един индивид на друг [223].

Безброй доказателства показват епидемиологично и клинико-патологично разнообразие в човешките прионови заболявания, като болест на Куру, синдром на Герстман-Щрауслер-Шайнкер и болест на Кройцфелд-Якоб [224], както и нечовешки прионови заболявания, като спонгиформна енцефалопатия по говедата (BSE) при говеда, скрейпи при овце и кози и др [225].

Нормалният клетъчен прионов протеин (PrPC) претърпява превръщане от -спирална в богата на листа конформация (PrPSc), която е неразтворима, PK-устойчива и инфекциозна форма. PrPSc се разпространява и агрегира, следвайки два широко приети механизма/модела, т.е. моделът с помощта на шаблона и моделът на нуклеационната полимеризация.

Патогенен прион действа като шаблон в модела с помощта на шаблон и осигурява повърхност за превръщане на ендогенен нормален прион протеин в неговата неправилно нагъната патогенна форма [226]. В модела на нуклеация-полимеризация мономерните PrPSc се комбинират и образуват стабилно ядро, наричано също семе. Тези семена продължават да набират PrPC и да ги превръщат в техните патогенни двойници [226].

Едно от забележителните свойства на прионите е, че те могат да се сгънат неправилно в различни конформации, всяка от които води до различни клинични, хистологични и патологични профили. Тези агрегати с различна конформация и патологично поведение се наричат ​​„щамове“ [45,227]. Пионерските наблюдения върху наличието на прионови щамове идват от проучването на Pattison и Milson, 1961 [228], при което те експериментално произвеждат скрейпи при кози и наблюдават различни клинични прояви на болестта, дължащи се на различни щамове.

В друго проучване Fraser и Dickinson успяха да различат различни щамове на скрейпи в модели на заразени мишки в зависимост от степента на увреждане в различните региони на мозъка [229]. По-късно изобилие от доклади показаха съществуването на щамове PrPSc [227,230–233] и методи за тяхното разграничаване, като разграждане с протеиназа К (PK) [234,235], електронен парамагнитен резонанс (EPR) и NMR спектроскопия [43].

Тези конформации на PrPSc варират по отношение на различни видове вторични структурни елементи, като -спирала, -нишка, -завъртане, или различни структурни гънки или различно опаковане [227,230,232,235,236]. Например, прионпротеинът от сирийския хамстер се пренагъва както в -спирални, така и в -листови структури, както и в различни междинни продукти във воден разтвор [236].

Те са не само структурно, но и функционално различни едно от друго [43] и са идентифицирани при различни човешки и животински прионови разстройства [233,237]. Въпреки че произтичат от агрегацията на същия прионов протеин, прионните заболявания се различават едно от друго по отношение на началото на заболяването/ инкубационен период, прогресия и хистопатологични лезии в инфектирания мозък [224,225]. Това е колективно наречено „феномен на прионов щам“ [45,46,238].

Един от основните фактори, допринасящи за това разнообразие/вариация на щамовете, е способността на инфекциозните агенти/прионите да заразяват определени видове [44,239,240] и да преминават „видовата бариера“, като по този начин генерират разнообразие от щамове с различими биохимични и патологични характеристики. Един такъв случай е vCJD (вариант на болестта на Кройцфелд-Якоб), резултат от междувидовото предаване на BSEprion от говеда на хора [44,240], което е единственият известен случай на нечовешки приони, предавани на хора.

Освен това е известно, че различни прионни щамове съществуват съвместно един с друг, както се вижда в случая на sCJD (спорадична болест на Кройцфелд-Якоб) [241,242], показващи различни биохимични свойства в различни области на мозъка. Известно е също, че прионните щамове удължават своя инкубационен период при коинфекция с други щамове, като по този начин показват феномен на „конкуренция“, както се наблюдава в различни проучвания [243–245].

Всички гореспоменати характеристики на феномените на прионните щамове и потенциалът за генериране на нови прионови щамове се очертаха не само като сериозно научно предизвикателство, но и като заплаха за общото обществено здраве.

Скорошни проучвания обаче предполагат, че това свойство на амилоидите на щама не е ограничено само до приони, но също и до други амилоиди, свързани с различни невродегенеративни заболявания като Алцхаймер и Паркинсон [19,246,247], [18,248]. Различни доказателства са предоставени от in vitro и in vivo проучвания за демонстриране на подобно на прион поведение на щам на -Syn, както е обсъдено по-долу.

4.2. -Syn щамове, генерирани ин витро

През последните няколко години се съобщава за нарастващи доказателства за прионоподобни щамове на -Syn, свързани с клинични и патологични вариации, наблюдавани при синуклеинопатии [29–35,249].

Тези щамове са дефинирани като отделни и стабилни конформационни сглобки от единичен протеин, който може да се самовъзпроизвежда и разпространява in vivo и да доведе до различни фенотипове на заболяването. Гуо и др. откриха два „щама“ на -Syn предварително образувани фибрили (пуфчета), чрез denovo фибрилизация, наречена „щам А“, и повтаряща се фибрилизация на засяване in vitro, наречена „щам Б“.

Тези два щама показват различни конформации и поразителни разлики при кръстосано засяване на тау протеин в първични невронни култури и in vivo [30]. Освен документирането на доказателства за -Syn фибрилни щамове за първи път, тези открития също така идентифицираха поведението на кръстосано засяване на -Syn. По-късно няколко групи се възползваха от хамелеоновото свойство на -Syn [9] и скринираха множество условия на растеж, за да генерират -Syn щамове in vitro. При различни условия на растеж са наблюдавани няколко конформационно стабилни и нестабилни състояния на протеин [250].

Конформациите, които не са термодинамично стабилни или не могат да установят стабилни междумолекулни взаимодействия, не могат да растат в амилоидни фибрили. Те се наричат ​​състояния с некомпетентност на растежа (Фигура 3). От друга страна, компетентните за растеж състояния на -Syn могат да растат и да образуват различни фибрили в зависимост от условията на растеж (Фигура 3).

Получените фибрили при различни условия на сглобяване не само притежават различни биохимични и биофизични свойства, като резистентност към протеази, цитотоксичност, способност за засяване и др. [29–32,34–36,51,53], но също така отпечатват своята архитектура върху дъщерните фибрили в зависимост от условията на растеж и естеството на семената (Фигура 3).

Bousset и др. наистина генерира два структурно и функционално различни щама -Syn, наречени „фибрили“ и „ленти“, използвайки различни физиологични концентрации на сол [29]. Фибрилите причиняват по-голяма цитотоксичност, докато е установено, че лентите са по-ефективни при индуциране на -Syn включвания in vivo [33]. Подобни разлики са получени с щамове, генерирани от Suzuki et al. [51], където единият щам причинява натрупването на изобилие от фосфорилирани и убиквитинирани -Syn агрегати в култивирани неврони и мишки поради способността му да взаимодейства с протеазомни комплекси, докато другият щам не успява да го направи [51].

В наши дни различните експериментални условия по-скоро са се превърнали в обичайна стратегия за генериране на щамове in vitro. В случаите, когато критериите да се нарече „щам“, т.е. трябва да бъде структурен вариант на протеиновите агрегати, да проявява способността да се саморазмножава и серийно да предава болестта през следващите поколения и да причинява клинични и фенотипни вариации на болестта, не са напълно изпълнени, би било по-подходящо фибрилите да се наричат ​​"полиморфи".

Тези полиморфи могат да покажат поразителни разлики в своята морфология и структура [28,56,251], скорости на нуклеация [252], способност за посяване и мембранно свързване в клетките [36] и т.н. Въпреки това, като функционално следствие от тези структурни вариации в полиморфите, те могат или могат не водят до отделни клинични подтипове на заболявания. Има също случаи на полиморфизъм в рамките на пробата, който може да възникне независимо от това дали фибрилите са генерирани in vitro [39,57,253–256] или получени от мозъчни екстракти [40,257,258].

Въпреки че те могат да притежават определени общи черти, като подобна мономерна гънка или обща структура, те също така показват подчертани разлики в морфологията, подреждането на нишките или биохимичните свойства [57,256]. По този начин, различни условия на сглобяване могат да генерират структурно и функционално различни фибриларни сглобки, които могат или да се разпространяват като уникален -Syn щам, или могат просто да образуват полиморфи.

Няколко доклада твърдят наличието на -Syn агрегати в стомашно-чревния тракт [259–263] и ключова роля на вагусния нерв в разпространението на тези агрегати от червата в мозъка [74,76,192,264,265]. Наскоро е доказано, че E. coli, експресираща curli, насърчава -Syn патология в червата и мозъка на мишки, свръхекспресиращи човешки -Syn [78]. Излагането на микробни амилоиди може да предизвика полиморфизъм.

Вместо това би било интересно да попитаме дали различни форми на -Syn (полиморфи) произхождат от червата, разпространяват се в мозъчните области чрез ретрограден вагусен транспорт и причиняват патология по специфичен за щама начин. В този контекст са наблюдавани структурни и функционални разлики между -Syn фибрили, образувани в присъствието и отсъствието на бактериален ендотоксин липополизахарид (LPS) [31].

Известно е, че LPS модулира агрегацията на -Syn чрез стабилизиране на -спиралните междинни продукти, образувани по време на неговия път на агрегиране, което води до фибрили с променлива цитотоксичност и променено поведение на интернализация [266]. Освен това е доказано, че -Syn претърпява множество PTM, като фосфорилиране, окисление на метионин, ацетилиране, нитриране и др., които са пряко свързани с неговата агрегация и цитотоксичност [94,115,267,268].

Тъй като pS129 е най-често срещаният PTM и основната форма на -Syn в телата на включване, той може да причини образуване на щам в -Synin vivo. Ма и др. показа, че фосфорилирането при Ser129 позволява на протеина да образува различен щам, който се различава структурно с по-висока цитотоксичност и различни свойства на размножаване in vitro и в клетки в сравнение с дивия тип аналог (без фосфорилиране) [269].

Не само фосфорилирането, но и N-терминалното ацетилиране може да придаде полиморфизъм на фибрилите [267], което предполага, че дори лека модификация в аминокиселинната последователност -Syn може значително да повлияе на нейната фибрилна структура. Промяната във фибрилната структура може допълнително да повлияе върху размножаването на фибрилите in vivo чрез селективно насочване към отделни типове клетки и клетъчни популации в мозъка [32].

Тези специфични за щама разлики след това се запазват вярно през поколенията [28,29,52] и водят до клинични разлики в началото на заболяването, неврологично заболяване, профил на лезии и др. [32]

Като цяло, тези проучвания предполагат, че в сложна и претъпкана среда, като тази на ацелите, фините екологични и клетъчни промени, наличието на кофактори или други протеини и промените в първичната последователност на протеина могат да доведат до образуването на различни полиморфи или щамове , което води до различни резултати от заболяването.

For more information:1950477648nn@gmail.com