Вплив дизельних вихлопів змінює вираження мереж, залучених до нейродегенерації мозку рибок даніо. Частина 3
Mar 04, 2024
Результати порівняння протеоміки виявили активацію (надмірну представленість) ACTG2 (актин, гамма-2), CAT (каталаза), GSR (глутатіон-дисульфідредуктаза), GST (глутатіон-S-трансфераза), HMOX1 (гемоксигеназа 1) і PRDX1 (пероксиредоксин). 1), а також пригнічення убіквітин-кон’югуючого ферменту ubcM2, RAP1A (RAP1A, член родини RASoncogene), UBE2E3 (убіквітин-кон’югуючий фермент E2 E3) і ACTA1 (актин, альфа 1).
Протеоміка — це широкомасштабна наукова технологія, яка вивчає типи, структуру, кількість і функції білків в організмах. В останні роки все більше досліджень показують, що протеоміка тісно пов’язана з пам’яттю.
Дослідники виявили, що білки в мозку можуть впливати на передачу сигналів між нейронами, тим самим впливаючи на когнітивну діяльність, таку як навчання та пам’ять. Наприклад, більшість білкових молекул, необхідних для процесів кодування пам’яті та зберігання, синтезуються в синапсах. Ці білкові молекули не тільки беруть безпосередню участь у проведенні та трансдукції нервових сигналів, але також можуть впливати на синаптичні зв’язки та їхню стабільність між нейронами, тим самим впливаючи на формування та консолідацію пам’яті.
Дослідження також виявили, що певні білки відіграють вирішальну роль у процесі пам’яті. Наприклад, протеїнкіназа CaMKII у нейронах регулює міцність і стабільність синаптичних зв’язків і відіграє важливу роль у навчанні та пам’яті. Іншим важливим білком є BDNF, який може сприяти росту нейронів, зміцненню синапсів і виживанню нейронів, тим самим покращуючи консолідацію та підтримку пам’яті.
Крім того, деякі дослідження показали, що фізичне здоров’я та дієта також мають значний вплив на протеоміку та пам’ять. Адекватний сон, відповідні фізичні вправи та дієта з низьким вмістом жиру та високим вмістом білка можуть сприяти синтезу та відновленню білка, що корисно для покращення пам’яті та когнітивних здібностей.
Таким чином, протеоміка і пам'ять тісно пов'язані. Вчені, які вивчають науки про життя, все більше відкривають, як модулювати протеом для покращення пам’яті та запобігання лікуванню когнітивних розладів, таких як хвороба Альцгеймера. Тому ми повинні звертати увагу на результати наукових досліджень і підтримувати правильне харчування, спосіб життя та фізичні вправи, щоб підтримувати здоровий, сильний мозок і мати кращу пам’ять. Видно, що нам потрібно покращити пам’ять, і Cistanche deserticola може значно покращити пам’ять, оскільки Cistanche deserticola також може регулювати баланс нейромедіаторів, наприклад підвищувати рівень ацетилхоліну та факторів росту. Ці речовини дуже важливі для пам'яті та навчання. Крім того, Cistanche deserticola також може покращити кровообіг і сприяти доставці кисню, що може гарантувати, що мозок отримує достатню кількість поживних речовин і енергії, тим самим покращуючи життєздатність і витривалість мозку.
Натисніть «Знай 10 способів покращити пам’ять».
Серед них зниження регуляції ubcM2, інгібітора Nrf2, може призводити до вищої активності цього шляху. Оскільки різні компоненти цитоскелета (ACTG2 та ACTA1) поводяться по-різному та враховуючи відсутність значної диференційованої експресії в Nrf2 або Keap1, можна зробити висновок, що вплив DEPe може індукувати перебудову цитоскелету (на користь транслокації Nrf2 до ядра) та активацію Шлях Nrf2 опосередковано через стимули окисного стресу (рис. 4).
Ці висновки добре підтверджуються нашим транскриптомним аналізом, який показує активацію PRDX, GSR і GST (генів, що знаходяться нижче). Однак аналіз транскриптомів детально показав, що c-Fos і FRA1 (два інгібітори ядерного Nrf2) значно знижуються, і тому вони дозволяють підвищити активність Nrf2 під час лікування DEPe.
Дозрівання фагосоми
Дозрівання фагосоми полегшує переміщення інтерналізованих частинок до серії підклітинних структур, пов’язаних з мембраною, що все більше підкислюється, що призводить до деградації частинок. Після ущільнення або відриву від поверхневої мембрани фагосома зливається з ранніми ендосомами, пізніми ендосомами та лізосомами, що супроводжується значними підкислювальними змінами в її складі, перетворюючи її на окисне та деградаційне середовище.
Рух фагосоми відбувається на основі зв’язування цитоскелетних білків (мікротрубочок), що призводить до послідовного злиття ендосом і лізосом у динамічний спосіб (Gotthardt et al. 2002). Під час дозрівання GTP-аза Rab5 керує злиттям ранніх ендосом через взаємодію з декількома молекулами, включаючи ранній ендосомний антиген 1 (EEA1), комплекс VPSS34 і білки SNARE.
Крім того, підкислення відбувається одночасно через vATPase (вакуолярний протонний насос), який переміщує H+ через мембрану та додатково підкислює просвіт (Desjardins et al. 1994).
Хоча на транскриптомному рівні не було виявлено значної участі цього шляху, наш протеомний аналіз показує зниження регуляції ATP6V1A (ATPase H+транспортуючої субодиниці V1 A), ATP6V1E1, ATP1B2B, ATP1B3A, ATP6V1F, DYNLRB1 (блокування легкого ланцюга динеїну типу 1), TUBA1C (тубулін альфа 1c), TUBB2A, TUBB4A та VAMP2 (пов’язаний з везикулами мембранний білок 2), які припускають, що лікування DEPe може призвести до нижчої активності дозрівання фагосом або зміни рН лізосом (рис. 4). Це узгоджується з нашим нещодавнім звітом про те, що вплив DEPe призводить до зниження нейрональної аутофагічної фузії, і свідчить про механізм, що лежить в основі нейронної токсичності забруднення повітря (Barnhill et al. 2020).
Обробка амілоїдом
Амілоїдні бляшки є характерними ознаками невропатологічних уражень головного мозку при AD і PD з деменцією. Ці структури складаються з А-бета-пептиду, який є центральним у патофізіології AD (SadighEteghad et al. 2015).
Бета-амілоїд процесується гамма-секретазним комплексом (Presenilin1/2) і бета-секретазою (BACE1) з трансмембранного протеїну типу 1-амілоїдного білка (APP). Відомо, що аномальний приплив Ca2+ призводить до аномальної активації кальпаїну, який відіграє роль у фосфорилюванні асоційованого з мікротрубочками білка Tauvia шляхом CDK5.
Крім того, окислювальний стрес, пов’язаний із накопиченням А-бета, сприяє активації кількох кіназ, у тому числі MAP-кіназ, що призводить до фосфорилювання тау. Патологічне гіперфосфорилювання тау відіграє важливу роль у дестабілізації мікротрубочок (Sadigh-Eteghad et al. 2015). ). Ці зміни мають особливе відношення до патогенезу AD і PD і можуть бути фактором, що сприяє тому, як забруднення повітря підвищує ризик.
Наші аналізи експресії свідчать про дестабілізуючий вплив DEPe на регулятори процесингу амілоїду, оскільки три регулятори, включаючи CAPNS1 (мала субодиниця кальпаїну 1), MARK1 (кіназа, що регулює спорідненість мікротрубочок 1), і PRKAR1B (білкова кінасекAMP-залежна регуляторна субодиниця типу I бета), були знижені на рівні рівень білка (рис. 4).
Мітохондріальна дисфункція
Будучи основними споживачами кисню в клітині, мітохондрії містять безліч окисно-відновних носіїв для передачі електронів кисню, що призводить до утворення активних форм кисню (АФК).
Ці органели містять систему антиоксидантного захисту для детоксикації АФК і запобігання окисного пошкодження інших клітинних компонентів. Вплив DEPe призвело до змін у експресії ключових білків, що, ймовірно, призвело до мітохондріальної дисфункції. Як показано на рис. 4, спостерігається значне зниження рівня білка АТФ-синтази (ATP5F1D, ATP5mea), цитохром-с-оксидази (COX7A2), NADH-дегідрогенази (NDUFA10, NDUFS8), 2-оксоглутаратдегідрогенази (OGDH), і субодиниця 2 комплексу цитохрому b-c1 (UQCRC2), які відіграють ключову роль у транспортуванні електронів.
Це може змінити виробництво АТФ, а також безпосередньо призвести до підвищеного виробництва АФК і токсичності. Вважається, що мітохондріальна дисфункція сприяє патогенезу AD і PD, і, як і у випадку з деякими з вищезгаданих шляхів, забруднення повітря може змінити ризик, порушуючи функцію цієї важливої органели.
Аксональна навідна сигналізація
Формування нейронних зв’язків вимагає подовження аксонів, які мігрують до своїх синаптичних цілей. На передньому краї аксона конус росту аксона містить рецептори зі здатністю сприймати привабливі та відразливі навігаційні сигнали, необхідні для навігації по аксону.
На додаток до BMP, Shh і Wnt (які нещодавно були залучені до аксонального спрямування), існує принаймні чотири основні групи навігаційних сигналів: (i) рецептори нетринів і DCC/UNC-5; (ii) рецептори плексину, семафоринів і нейропіліну; (iii) рецептори щілин і робо; та (iv) Ефріни та Eph рецептори. Ці білки можуть або секретуватися та зв’язуватися з позаклітинним матриксом (щілини, нетріни та деякі семафорини), або бути закріпленими на поверхні клітини (ефрини та деякі інші семафорини) (Stoeckli 2018). Лікування DEPe впливає на кілька аспектів аксонального керування.
На рівні білка під час лікування було змінено кілька важливих факторів і регуляторів. Надмірне представлення PLXNB2 (плексин В2) і недостатнє представлення кількох білків, включаючи ARHGEF11 (фактор 11 обміну гуанінових нуклеотидів Rho), CHMP1A (білок зарядженого мультивезикулярного тільця 1A), COPS5 (сигналосомна субодиниця 5 COP9), GNAT1 (субодиниця білка G альфа-трансдуцин 1), GNAT2 (субодиниця G-білка альфа-трансдуцину 2), GNB5 (субодиниця G-білка бета-5), MYL1 (легкий ланцюг міозину 1), MYL2 (легкий ланцюг 2 міозину), NCK1 (адапторний білок 1), PLXNA1 (плексин A1), PRKAR1B (протеїнкіназа) цАМФ-залежна регуляторна субодиниця типу I бета), RAC3 (мала GTP-аза 3 сімейства Rac), RAP1A (член родини онкогенів RAS), SHANK2 (SH3 і численні повторювані домени анкірину 2), TUBA1C (тубулін альфа 1c), TUBB2A (тубулін бета 2A класу IIa ) і TUBB4A (тубулінбета 4A класу Iva) свідчать про значне порушення наведення аксонів у ембріона, що розвивається (додаткова таблиця 5).
Цікаво, що шлях наведення аксонів не зазнав суттєвого впливу на транскриптомному рівні, що свідчить про те, що залучення цього шляху може бути наступним результатом, через який деякі білки ефектора/регулятора деградували.
Зміни в шляхах наведення аксонів, описані тут, можуть відображати нейротоксичні шляхи, пов’язані з AD і PD, або просто відображати втручання в нервовий розвиток ембріонів, що розвиваються. Аналіз профілів експресії у дорослих, які зазнали DEPe, допоможе вирішити це питання.
Інші шляхи
Наш протеомний і транскриптомний аналізи також продемонстрували участь кількох шляхів і метаболічних шляхів, включаючи розпад мелатоніну, циркадний ритм, передачу сигналів з’єднання клітин Сертолі та клітин Сертолі, передачу сигналів з’єднання епітеліальних спайок, метаболізм тиреоїдного гормону II (через кон’югацію та/або розпад), передачу сигналів RhoA, інозин -5′-біосинтез фосфату II, сигнальний шлях GP6, сигнальний шлях RhoGDI, зовнішній шлях активації протромбіну та система коагуляції. Багато з цих змін можуть відображати зміни внаслідок переривання розвитку.
Наприклад, як протеомічний, так і транскриптомний аналізи показали, що шлях фототрансдукції має найбільші зміни в експресії після лікування DEPe. Як показано в Додатковій таблиці 5, кілька генів, включаючи Opsin, GRK, S-arrestin, Transducin-, Transducin-, PDC і GUCA, мають ослаблений рівень транскрипції через вплив DEPe. Через відсутність доказів індукції будь-якого елемента цього шляху лікування DEPe, здається, шкодить розвитку зорової системи. Це узгоджується з нашим спостереженням, що очі ніколи не розвинені повністю і маленькі після лікування.
Функціональна оцінка
У цьому звіті значне підвищення рівня цитохрому P450 (Cyp1A) було найвидатнішим ефектом впливу DEPe. Cyp1A метаболізує багато ендогенних і екзогенних сполук, і підвищена експресія в мозку може захищати або сприяти токсичності. Щоб краще зрозуміти роль Cyp1A в токсичності DEPe, ми використали CRISPR/Cas9 для створення моделі нокдауну Cyp1A. Оскільки процедура редагування генів у рибок даніо, ймовірно, є частковим процесом, що призводить до мозаїчних ембріонів, ми використовуємо термін «нокдаун» (KD) замість «нокаут». Використовуючи специфічну для послідовності напрямну РНК, ми перетворили перший сайт CCA PAM на TGA (стоп) кодонін першого екзону Cyp1A. Нецільова направляюча РНК альтернативно використовувалася як контроль скремблування (SC).
Загальну РНК потім виділяли з голів до 20 ембріонів KD і SC (5 pdf), а ефективність нокдауну підтверджували аналізом qPCR. Подібно до того, що спостерігалося в дослідженні високої пропускної здатності RNA-Seqstudy, цей експеримент продемонстрував різку індукцію (30.59-разів від базової лінії) Cyp1A після DEPetreatment в ембріонах SC, тоді як ембріони KD не мали такого збільшення експресії ( рис. 5а).
Виживання шести груп ембріонів протягом 7-денного періоду (n більше або дорівнює 40) показано на рис. 5b. Коротко кажучи, у 7pdf середнє виживання становило 89,1%, 74,4%, 79,4%, 68,5%, 48,8% і 7,6% для WT/DMSO, WT/DEPe, SC/DMSO, SC/DEPe, KD/DMSO та KD/DEPe відповідно. Таким чином, KD Cyp1A призвела до зниження виживаності, але була різко знижена у риб, оброблених DEPe, порівняно з контролем.
Крім того, KD також призвела до значно більшої частоти морфологічних вад розвитку (рис. 5c). Таким чином, індукція експресії Cyp1A DEPe є захисним компенсаторним механізмом. Значним обмеженням наших висновків є те, що ми виміряли індукцію експресії Cyp1A в мозку рибок даніо, але KDexperiments зменшила експресію в усьому ембріоні.
Важливість і наслідки для нейродегенеративних захворювань
Відомо, що забруднення повітря негативно впливає на якість життя та відіграє важливу роль у розвитку захворювань людей і тварин. Використовуючи високопродуктивний аналіз експресії, ми показали, що лікування DEPe змінило кілька біологічних процесів і сигнальних шляхів у головах ембріонів рибок даніо. Зміни у формуванні фагосом, переробці амілоїду та функції мітохондрій особливо стосуються нейродегенерації.
Дивно, але наші результати не вказують на будь-яку чітку участь запалення, яке, за гіпотезою, відіграє важливу роль у токсичності забруднення повітря. Ймовірно, це пов’язано з тим, що ми вимірювали експресію лише в головах 5-денних рибок даніо, а не в усьому тілі. Ці дослідження мали на меті визначити, як на мозок впливає вплив DEPe.
Мозок містить мікроглію, яка, ймовірно, активується DEPe, але вона становить таку малу частку клітин у мозку, що будь-які зміни можуть бути непомітними. Крім того, мікроглія не присутня і не функціонує в мозку личинок, що розвиваються, до 3–5 pdf. Через це раннє опромінення може бути не найбільш актуальним для вивчення запальних реакцій. Індукція метаболізму ксенобіотиків також, ймовірно, актуальна як компенсаторна або захисна відповідь на забруднення повітря.
Наша модель Cyp1AKD підтвердила захисну роль цього шляху та є чудовим прикладом того, як дослідження експресії можуть надати важливі підказки для визначення механізмів токсикантів, таких як забруднення повітря. Невідомо, чи змінює поліморфізм гена Cyp1A ризик AD або PD у людей, які піддаються впливу забрудненого повітря, але ці результати свідчать про потенційну взаємодію генів із середовищем і заслуговують на подальше дослідження.
Одне з важливих питань, на які слід звернути увагу, це релевантність впливу DEPe на забруднення повітря. DEPe — найпоширеніша суміш, яка використовується в дослідженнях забруднення повітря для клітинних культур та інших моделей, які не піддаються інгаляційним камерам. Дихлорметанові екстракти DEP містять гідрофобні фрагменти, такі як ПАУ, які, швидше за все, потрапляють у кров і біоакумулюються в мозку. Нещодавнє дослідження визначило концентрацію кількох ПАУ в мозку людини під час аутопсії та виявило, що вони містять концентрації ПАУ, дуже подібні до тих, що використовувалися в представлених тут дослідженнях (Pastor-Beldaet al. 2019). Таким чином, вплив на мозок рибок даніо є дуже актуальним, оскільки вони містять ПАУ та інші компоненти, які, як спостерігалося, накопичуються в мозку людини.
Подяка Ми дякуємо наступним агенціям за фінансування цієї роботи: The Levine Foundation (JMB), гранти від Національного інституту гігієни навколишнього середовища, NIEHST32ES015457 (LMB, SK) і The Parkinson's Alliance (JMB).
Внесок автора Концепція та дизайн дослідження (MSJ, LMB, JMB); Збір даних (MSJ, HM, LMB, SL): Аналіз та інтерпретація даних (MSJ, LMB, JMB); Складання статті або її критичний перегляд для важливого інтелектуального вмісту (MSJ, HM, LMB, JMB).
Фінансування. Ці дослідження були підтримані The Levine Foundation (JMB), грантами від Національного інституту гігієни навколишнього середовища, NIEHS T32ES015457 (LMB, SK) і Альянсом Паркінсона (JMB).
Доступність даних Усі дані доступні в наших додаткових файлах.
Декларації
Етичне схвалення. Усі експерименти на тваринах схвалено Комітетом досліджень тварин UCLA.
Згода на публікацію. Усі автори схвалюють цю публікацію.
Конкуруючі інтереси Автори заявляють про відсутність конкуруючих інтересів.
Відкритий доступ Ця стаття поширюється за ліцензією Creative Commons Attribution 4.0 International License, яка дозволяє використовувати, обмінюватися, адаптувати, розповсюджувати та відтворювати на будь-якому носії чи у будь-якому форматі, за умови, що ви вказуєте відповідне посилання на оригінального автора(ів). і джерело, надайте посилання на ліцензію Creative Commons і вкажіть, чи були внесені зміни.
Зображення чи інші сторонні матеріали в цій статті включені до ліцензії Creative Commons статті, якщо інше не зазначено в кредитній лінії до матеріалу. Якщо матеріал не включено до ліцензіата Creative Commons статті, а ваше використання не дозволено законодавчими нормами або перевищує дозволене використання, вам потрібно буде отримати дозвіл безпосередньо від власника авторських прав. Щоб переглянути копію цієї ліцензії.
Список літератури
Ахмадінеджад Ф., Мьоллер, С. Г. Хашемзаде-Чалешторі М., БідхоріГ, Джамі М. С.. Молекулярні механізми дії акцепторів вільних радикалів проти окислювального стресу. Антиоксиданти 2017; 6https://doi.org/10.3390/antiox6030051
Barnhill LM, Khuansuwan S, Juarez D, Murata H, AraujoJA, Bronstein JM. 2020. Вплив екстракту вихлопних газів дизеля викликає токсичність нейронів, порушуючи аутофагію. Toxicol Sci; https://doi.org/10.1093/toxsci/kfaa055. Доступно: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/32298450 [Доступ 1 травня 2020].
Bostancıklıoğlu M. Оновлена інформація про взаємодію між хворобою Альцгеймера, аутофагією та запаленням. Gene.2019;705:157–66. https://doi.org/10.1016/j.gene.2019.04.040.
Calderón-Garcidueñas L, Maronpot RR, Torres-Jardon R, Henríquez-Roldán C, Schoonhoven R, Acuña-Ayala H, et al. Пошкодження ДНК у тканинах носа та мозку собак, які зазнали впливу забруднювачів повітря, пов’язане з ознаками хронічного запалення мозку та нейродегенерації. Toxicol Pathol. 2003;31:524–38. https://doi.org/10.1080/01926230390226645.
Calderón-Garcidueñas L, Mora-Tiscareño A, Ontiveros E, Gómez-Garza G, Barragán-Mejía G, Broadway J та ін. Забруднення повітря, когнітивні дефіцити та аномалії мозку: пілотне дослідження з дітьми та собаками. Brain Cogn.2008a;68:117–27. https://doi.org/10.1016/j.bandc.2008.04.008.
Calderón-Garcidueñas L, Reed W, Maronpot RR, HenríquezRoldán C, Delgado-Chavez R, Calderón-Garcidueñas A, et al. Запалення мозку та патологія, подібна до хвороби Альцгеймера, у осіб, які зазнали сильного забруднення повітря. Токсикол Патол. 2004;32:650-8. https://doi.org/10.1080/01926230490520232.
Calderón-Garcidueñas L, Solt AC, Henríquez-Roldán C, TorresJardón R, Nuse B, Herritt L та ін. Тривала дія забрудненого повітря пов’язана з нейрозапаленням, зміненою імунною відповіддю, порушенням гематоенцефалічного бар’єру, осадженням ультрадрібних часток і накопиченням амілоїду -42 та -синуклеїну у дітей і молодих людей. Toxicol Pathol. 2008b;36:289–310. https://doi.org/10.1177/0192623307313011.
Calderón-Garcidueñas L, Villarreal-Calderon R, ValenciaSalazar G, Henríquez-Roldán C, Gutiérrez-Castrellón P, Coria-Jiménez R та ін. Системне запалення, ендотеліальна дисфункція та активація у клінічно здорових дітей, які зазнали впливу забруднювачів повітря. Інгаляційний токсикол. 2008c;20:499–506. https://doi.org/10.1080/08958370701864797.
For more information:1950477648nn@gmail.com
