Втрата активності Park7 має диференціальний вплив на експресію наборів генів елемента, що реагує на залізо (IRE) у транскриптомі мозку в моделі хвороби Паркінсона Zebrafsh

Анотація

Мутація гена PARK7 (DJ1) викликає моногенну аутосомно-рецесивну хворобу Паркінсона (ХП) у людей. Подальші зміни функції білка PARK7 призводять до мітохондріальної дисфункції, основного елемента патології БП. Гомозиготні мутанти для ортологічних генів PARK7-у рибок даніо, park7, демонструють зміни в експресії генів у шляху окисного фосфорилювання, підтверджуючи те, що порушення виробництва енергії є ключовою ознакою нейродегенерації при хворобі хвороби.

Рецесивно успадкована хвороба Паркінсона є необоротним нейродегенеративним захворюванням. З прискоренням старіння населення рівень захворюваності зростає в останні роки. Незважаючи на те, що проблеми з рухом тіла, пов’язані з хворобою, найбільше в центрі уваги людей, вона також тісно пов’язана з такими факторами, як когнітивні здібності, концентрація та пам’ять.

Однак перш ніж ми зможемо говорити про когнітивні проблеми та проблеми з пам’яттю, пов’язані з хворобою Паркінсона, нам потрібно зрозуміти неврологічний вплив хвороби. Найпоширенішою нейропатологічною зміною при рецесивно успадкованій хворобі Паркінсона є пошкодження чорної субстанції, що призводить до зниження рівня дофаміну, викликаючи рухові розлади. Крім того, багато пов’язаних геоморфологічних особливостей також знаходяться в таких регіонах, як кора головного мозку, кора та перешийок. Через ці зміни люди з хворобою Паркінсона можуть відчувати такі проблеми, як втрата пам’яті та зниження когнітивних функцій.

Однак для людей із рецесивною формою хвороби Паркінсона, де уражена пам’ять, є кілька проактивних стратегій, які ми можемо застосувати, щоб допомогти нам впоратися з цими проблемами. Вивчення численних стратегій розвитку уваги та пам’яті допоможе нам краще справлятися з наслідками хвороби Паркінсона в нашому житті.

Однією з найважливіших стратегій є те, що ми повинні встановити для себе обмеження та прийняти допомогу. Наприклад, якщо людина з хворобою Паркінсона відвідує супермаркет і виявляє, що у нього виникають проблеми з виконанням певного завдання, наприклад, що він не може знайти продукти в супермаркеті, він повинен сміливо попросити про допомогу. Така дія є чудовим когнітивним стимулом і може багатьма способами покращити пізнання та пам’ять.

У нашому повсякденному житті ми також можемо спробувати деякі інші стратегії для покращення нашого пізнання та пам’яті. Наприклад, ми можемо створити складне навчальне середовище, читаючи книги або навчаючись нових навичок. Крім того, прості щоденні вправи, такі як розпізнавання облич членів сім’ї та регулярна перевірка календаря, можуть бути дуже ефективним способом покращити ваші когнітивні навички та пам’ять.

Хоча хвороба Паркінсона певною мірою впливає на нашу когнітивну здатність і пам’ять, позитивний настрій і прості вправи можуть допомогти нам підтримувати хороші когнітивні здібності та пам’ять. Тому ми повинні з упевненістю сприймати цей виклик і випробувати різні стратегії, щоб покращити наше пізнання та пам’ять. Тому я вважаю, що нам слід покращити пам’ять. Цистанхе може значно покращити пам'ять, оскільки м'ясна паста є традиційним китайським лікувальним матеріалом з багатьма унікальними ефектами, одним із яких є покращення пам'яті. Ефективність м’ясного фаршу пов’язана з різноманітністю активних інгредієнтів, які містяться в ньому, включаючи карбонову кислоту, полісахариди, флавоноїди тощо. Ці інгредієнти можуть сприяти здоров’ю мозку через різні канали.

Натисніть добавки для покращення пам'яті

Залізо має вирішальне значення для нормальної функції мітохондрій, і ми раніше використовували біоінформаційний аналіз транскриптів, що містять IRE, у транскриптомах мозку, щоб знайти докази існування дисгомеостазу заліза при хворобі Альцгеймера. Тут ми проаналізували транскрипти, що містять IRE, у даних транскриптомів із гомозиготних мізків мутантних рибок даніо park7−/−. Ми виявили, що набір генів із «високоякісними» IRE у їхніх 5′ нетрансльованих областях (UTR, набір генів HQ5′IRE) був значно змінений у цих 4-місячних park7−/− мозку.

Однак набори генів з IRE в їхніх 3′ UTR виявилися незмінними. Вплив на гени HQ5′IRE, можливо, зумовлений дисгомеостазом заліза та/або окислювальним стресом, але висвітлює існування невідомих на даний момент механізмів із диференціальним загальним впливом на 5′ та 3′ IRE.

Ключові слова:

DJ-1, PARK7, хвороба Паркінсона, даніо, РНК-послідовність, аналіз збагачення, дисгомеостаз заліза.

вступ

Хвороба Паркінсона (ХП) є другим за поширеністю нейродегенеративним захворюванням, яке вражає приблизно 1% населення старше 60 років. Більшість випадків ХП є ідіопатичними, але чіткий генетичний зв’язок був виявлений приблизно в 5–10% випадків ХП [1]. Один ген, PARK7, пов’язаний з аутосомно-рецесивним раннім початком хвороби Паркінсона, кодує білок 7 хвороби Паркінсона (PARK7).

Вважається, що білок PARK7 діє як GSH-незалежна гліоксалаза для детоксикації метилгліоксалю та як білкова глікоза, відповідальна за відновлення функції білків, пошкоджених окисним стресом. Однак ця діяльність заперечується в PD (переглянуто та проаналізовано в [2]). PARK7 також відіграє важливу роль у підтримці функції мітохондрій, сприйнятті та реагуванні на активні форми кисню (АФК) і, зрештою, діє в нейропротекції (переглянуто в [3]).

PD характеризується специфічним виснаженням дофамінергічних (SNc DA) нейронів substantia nigra pars compacta. Ці нейрони утворюють велику кількість синапсів у базальних гангліях. Отже, їхні високі потреби в енергії можуть зробити нейрони SNc DA чутливими до дефіциту енергії [4]. Багато факторів можуть впливати на виробництво енергії в процесі окисного фосфорилювання.

Зокрема, двовалентне залізо (Fe2+) входить до складу кластерів Fe-S, що відіграє центральну роль у ланцюзі транспортування електронів (ETC) при окисному фосфорилюванні [5]. Дисфункція ETC спричиняє окислювальний стрес, який може призвести до (в першу чергу) цитозольного білка PARK7, який переміщується в мітохондрії для регулювання ефектів активних форм кисню (АФК) [5].

Цей процес, можливо, змінюється в осіб з мутацією PARK7, що призводить до дисфункції ETC і дисгомеостазу заліза (через вплив на регуляторні білки заліза, IRP1 і IRP2) і пошкодження дофамінергічних нейронів.

IRP1 і IRP2 зв’язують IRE в мРНК генів, залучених до гомеостазу заліза, щоб регулювати їх трансляцію та стабільність (переглянуто в [6]). IRP регулюються як клітинним статусом двовалентного заліза, так і окисним стресом [6]. Раніше ми визначили набори генів, що несуть IRE в 5' або 3'UTR їх транскриптів (при нижчій або вищій подібності до консенсусної послідовності IRE) у людей, мишей і рибок даніо [7]. Використовуючи їх, ми знайшли докази, що підтверджують дисгомеостаз заліза в мозку хворих на хворобу Альцгеймера (БА), а також тваринні моделі БА [7].

Раніше ортологи генів PD були ідентифіковані та оброблені у рибок даніо. Наприклад, Hughes et al. [8] розробили нову модель рибок даніо для вивчення функції PARK7. Рибки даніо, у яких відсутній ортологічний ген PARK7-: park7 (park7−/−), демонструють руховий фенотип у тримісячному віці та демонструють зміни в експресії генів у транскриптомі свого мозку, що свідчить про порушення мітохондріального метаболізму (тобто підвищення регуляції гени, пов'язані з окисним фосфорилюванням) у віці чотирьох місяців [8].

Таким чином, ми припустили, що окислювальний стрес та/або дисгомеостаз заліза в мозку рибок даніо park7−/− змінить зв'язування IRP із транскриптами, що містять IRE, тим самим змінюючи стабільність транскриптів. Щоб дослідити це, ми повторно проаналізували дані транскриптомів мозку рибок даніо від Hughes et al. щоб перевірити зміни в представленні наборів генів, що містять IRE, у мозку рибок даніо park7−/−. Ми виявили, що набір генів HQ5′IRE значно змінено в мозку 4-місячних park7−/−, тоді як набір генів HQ3′IRE – ні.

методи

Щоб перевірити докази можливого дисгомеостазу заліза в мозку рибок даніо park7−/−, ми провели аналіз збагачення за допомогою мальків [9] на наборах генів IRE [7]. Для отримання детальної інформації про цей повторний аналіз Hughes et al. [8] дані див. Додатковий файл 1.
Результати

Раніше ми визначили набори генів рибок даніо відповідно до того, чи мають вони IRE-подібні мотиви в 5' або 3' UTR своїх мРНК, і чи їхні IRE відповідають канонічній (висока якість, HQ) або неканонічній послідовності IRE (усі) [ 7]. Ми виявили, що лише транскрипти набору генів HQ5'IRE демонструють статистично значущі зміни експресії генів як групи (рис. 1а) у 4-місячному мозку park7−/−. Цікаво, що найбільш регульований ген у наборі генів HQ5'IRE - це alas2.

Обговорення

Використовуючи наш метод для виявлення доказів дисгомеостазу заліза в даних РНК-секвенування, ми виявили дуже значну зміну експресії генів з IRE в 5'UTR їх мРНК у 4-місячному мозку park7−/−.

Гомеостаз заліза підтримується шляхом регуляції експресії генів на кількох рівнях, у тому числі через транскрипцію, стабільність мРНК і трансляцію мРНК (переглянуто в [10]). Останні два явища модулюються регуляторними білками заліза IRP1 та IRP2, коли вони зв’язуються з IRE. Дуже значна зміна експресії набору генів HQ5′IRE в 4-місячному мозку park7−/−, ймовірно, пов’язана зі змінами в зв’язуванні IRP1 та/або IRP2 з IRE в транскриптах цих генів.

Однак, оскільки відомо, що мутація PARK7 спричиняє окислювальний стрес [11], а окислювальний стрес також може впливати на формування IRP (переглянуто в [6]), важко розрізнити окислювальний стрес і дисгомеостаз заліза як внесок у зміни HQ5′IRE велика кількість транскриптів генів. Дійсно, оскільки залізо настільки важливе для функції мітохондрій, дисгомеостаз заліза та окислювальний стрес часто виникають одночасно [12].

Цікаво, що набір генів HQ3′IRE не змінювався в мозку park7−/−, і наразі ми не маємо пояснення, чому це має бути так. Однак, якщо вплив на кількість транскриптів HQ5'IRE справді пов’язаний зі зв’язуванням IRP, це вказує на існування механізмів, які можуть розрізняти зв’язування IRP з IRE (або спричиняти відмінності в ефектах такого зв’язування) , залежно від того, чи знаходиться IRE на 5' чи 3' UTR стенограми.

Серед членів набору генів HQ5'IRE рівні транскриптів alas2 були підвищені в мозку park7−/−. Зв’язок між діяльністю alas2 і IRP обговорюється в додатковому файлі 1.

У сукупності наш аналіз даних транскриптомів із мозку рибок даніо park7−/− підтверджує можливість дисгомеостазу заліза та/або окислювального стресу як ранніх доклінічних подій при хворобі хвороби. У майбутніх дослідженнях ми досліджуватимемо природу впливу генів, пов’язаних із PD, на гомеостаз заліза та функцію мітохондрій у рибок даніо. Розуміння цих ефектів може дати механістичне розуміння ПД для розробки терапевтичних засобів.

Подяки

Ми хотіли б подякувати Мері Елізабет Поунолл і Кетрін Ньюлінг за те, що надали необроблені підрахунки транскриптів [8], а також Нхі Хін за надання наборів генів рибок даніо, що містять елементи, що реагують на залізо.

Внески авторів

HYC підготував рукопис. KB написав методологію, згенерував діаграми та виконав біоінформаційний аналіз. ML, LCP і KB контролювали та надавали поради щодо аналізу цього документа. ML, KB, LCP і HYC редагували рукопис. Усі автори прочитали та схвалили остаточний рукопис.

Фінансування
KB підтримується стипендією урядової дослідницької програми навчання Австралії та коштами благодійного фонду Carthew Family Charity. ML є академічним співробітником Університету Аделаїди. LCP є академічним співробітником Університету Аделаїди та отримує підтримку від стипендії Барбари Кідман.

Наявність даних і матеріалів

Код R, використаний для повторного аналізу необробленої кількості стенограм Hughes et al. можна знайти на https://github.com/karissa-b/dj1KO-RNAseq-IRE. Необроблені дані Hughes et al. доступний у базі даних Gene Expression Omnibus (GEO) GSE135271 (https://www.ncbi.nlm.nih.gov/geo/query/acc.cgi?acc=GSE135271). Список генів, які містять реагуючий на залізо елемент (IRE) у нетрансльованих областях мРНК у рибок даніо, можна знайти на https://github.com/nhihin/ire.

Декларації

Етичне схвалення та згода на участь

Не застосовується.

Згода на публікацію

Не застосовується.

Конкуруючі інтереси

Автори заявляють, що не мають конкуруючих інтересів.

Список літератури

Лі Дж. Х., Хан Дж., Кім Х., Пак С. М., Джо Е, Джоу І. Мутант LRRK2-G2019S, пов’язаний із хворобою Паркінсона, діє через регуляцію активності SERCA, щоб контролювати стрес ER в астроцитах. Acta Neuropathol Commun. 2019; 7 (1): 68.

2. Андрєєва А, Бекхожин З, Омертасова Н, Байжуманов Т, Єлтай Г, Ахметалі М та ін. Очевидна делікатна активність DJ-1 є результатом перетворення вільного метилгліоксалю, присутнього у швидкій рівновазі з гемітіоацеталями та геміаміналями. J Biol Chem. 2019; 294 (49): 18863–72.

3. Долгачова Л.П., Бережнов А.В., Федотова Є.І., Зінченко В.П., Абрамов А.Ю. Роль DJ-1 у механізмі патогенезу хвороби Паркінсона. J Bioenerg Biomembr. 2019;51(3):175–88.

4. Pacelli C, Giguère N, Bourque MJ, Lévesque M, Slack RS, Trudeau L. Підвищена мітохондріальна біоенергетика та розмір арборизації аксонів є ключовими факторами вразливості дофамінових нейронів. Curr Biol. 2015; 25 (18): 2349–60.

5. Junn E, Jang WH, Zhao X, Jeong BS, Mouradian MM. Мітохондріальна локалізація DJ-1 призводить до посилення нейропротекції. J Neurosci Res. 2009;87(1):123–9. 6. Urrutia PJ, Bórquez DA, Núñez MT. Зараження мозку залізом. Антиоксидант. 2021; 10 (1).

7. Hin N, Newman M, Pederson S, Lardelli M. Реакції, опосередковані елементом, що реагує на залізо (IRE), на дисгомеостаз заліза при хворобі Альцгеймера. bioRxiv. 2021 рік; 2020.05.01.071498.

8. Хьюз Г.Л., Лоунс М.А., Беддер М., Каррі П.Д., Сміт С.Л., Поунал М.Е. Машинне навчання розрізняє руховий розлад у моделі хвороби Паркінсона у рибок даніо. Дис Моделі Механ. 2020;13(10):d045815.

9. Wu D, Lim E, Vaillant F, Asselin-Labat ML, Visvader JE, Smyth GK. ROAST: тестування набору генів обертання для складних експериментів з мікрочипами. Біоінформатика. 2010; 26 (17): 2176–82.

For more information:1950477648nn@gmail.com