Макроаутофагія та мітофагія при нейродегенеративних розладах: фокус на терапевтичних втручаннях. Частина 1

Анотація:

Макроаутофагія, механізм контролю якості, є еволюційно збереженим шляхом лізосомальної деградації білкових агрегатів, патогенів і пошкоджених органел.

Білок є одним з поживних речовин, необхідних організму людини. Це не лише важливе джерело складу тіла, але й тісно пов’язане з розвитком мозку та когнітивними здібностями. Білок відіграє дуже важливу роль у роботі мозку. Це не тільки допомагає генерувати та підтримувати клітини мозку, але також сприяє процесу навчання та пам’яті мозку.

Білок є одним з важливих компонентів клітин мозку. Він може сприяти росту та відновленню клітин, сприяти зв’язку та зв’язку між нейронами, а отже, допомагати людям зміцнювати пам’ять. Крім того, білок також може виробляти деякі важливі речовини, такі як нейромедіатори, які відіграють важливу роль у передачі інформації в мозку та допомагають покращити роботу мозку.

З точки зору харчування, продукти, багаті білком, включають м’ясо, рибу, яйця, бобові тощо. Коли люди споживають достатню кількість білка, вони можуть отримати більш достатній запас поживних речовин для мозку, тим самим сприяючи нормальному розвитку мозку, покращуючи когнітивні здібності. , а також допомагає людям краще вчитися та запам’ятовувати.

У той же час, щоб білок повноцінно виконував свою роль, люди також повинні контролювати збалансованість свого раціону, споживати більше фруктів і овочів, уникати надмірного споживання їжі з високим вмістом жиру та солі, а також підтримувати правильні звички та менталітет. , щоб максимізувати функцію білка в мозку.

Отже, можна зробити висновок, що білок тісно пов'язаний з пам'яттю. Споживання багатого білка не тільки корисно для фізичного здоров’я, але також може сприяти тому, щоб люди краще навчалися та запам’ятовували, додаючи багато фарб у наше життя. Видно, що нам потрібно покращувати пам'ять. Цистанхе може значно покращити пам’ять, оскільки цистанхе має антиоксидантну, протизапальну та антистарільну дію, що може допомогти зменшити окислення та запальні реакції в мозку, тим самим захищаючи здоров’я нервової системи. Крім того, Cistanche також може сприяти росту та відновленню нервових клітин, тим самим покращуючи зв’язок і роботу нейронних мереж. Ці ефекти можуть допомогти покращити пам’ять, здатність до навчання та швидкість мислення, а також можуть запобігти виникненню когнітивної дисфункції та нейродегенеративних захворювань.

Клацніть «Знай, як покращити роботу мозку».

У рамках своєї життєво важливої ​​гомеостатичної ролі дерегуляція макроаутофагії пов’язана з різними розладами людини, включаючи нейродегенеративні захворювання. Є кілька доказів, які пов’язують неправильне згортання білка та мітохондріальну дисфункцію в етіології хвороб Альцгеймера, Паркінсона та Хантінгтона.

Макроаутофагія була причетна до деградації різних білкових агрегатів, таких як A, тау, альфа-синуклеїну (-syn) і мутантного гентінгтина (mHtt), а також до очищення дисфункціональних мітохондрій.

Беручи це до уваги, націлювання на аутофагію може представляти ефективну терапевтичну стратегію для усунення білкових агрегатів і покращення функції мітохондрій при цих розладах.

Цей огляд описує наше поточне розуміння ролі макроаутофагії в нейродегенеративних розладах і зосереджується на можливих стратегіях її терапевтичної модуляції.

Ключові слова: нейродегенеративні захворювання; аутофагія; мітофагія мітохондріальна дисфункція; мутантні білки; терапевтичні стратегії.

1. Огляд аутофагії

Аутофагія є важливим внутрішньоклітинним процесом самодеградації, який підтримує внутрішньоклітинний гомеостаз шляхом деградації та повторного використання токсичних макромолекул і пошкоджених органел [1].

Значна частина сучасних знань про аутофагію була виявлена ​​на дріжджовій моделі або неполяризованих клітинах [2]. Цей процес відбувається на базальних рівнях майже в усіх клітинах ссавців і може стимулюватися у відповідь на голодування, забезпечуючи клітину будівельними блоками для нових білків і ліпідів. Аутофагія відіграє важливу роль у очищенні білкових агрегатів і патогенів і регуляції запалення та імунітету [3,4].

З цих причин дерегуляція аутофагії була залучена до кількох патологічних станів, включаючи нейродегенеративні розлади. Аутофагія відіграє критичну роль у нейронах, оскільки ці клітини дуже чутливі до накопичення неправильно згорнутих білків.

Нейрони покладаються на антероградний і ретроградний транспорт, щоб впоратися з метаболічними потребами, і, таким чином, утворення агрегатів не тільки скасовує правильну функцію нейронів, але також перешкоджає зв’язку з навколишнім середовищем.

Отже, взаємодія між аутофагією та нейродегенерацією вимагає глибшого розуміння регуляторних шляхів і кількох етапів, які беруть участь у кожному процесі.

Аутофагію можна розділити на три основні типи відповідно до доставки вантажу до лізосом: макроаутофагія, мікроаутофагія та опосередкована шапероном аутофагія (CMA). У макроаутофагії цитоплазматичний вантаж поглинається зростаючою везикулою з подвійною мембраною, яка після закриття (аутофагосома) зливається з лізосомою для деградації (аутолізосома) [5].

Процес є складним і включає групу специфічних білків, пов’язаних із аутофагією, що діють у узгодженому потоці, і він може відбуватися випадково (масова макроаутофагія) або вибірково через специфічні адаптори. У мікроаутофагії вантаж (переважно білки) безпосередньо інтерналізується через інвагінацію мембран лізосом та ендосомальних везикул [6].

CMA — це селективний процес, за допомогою якого білки зі специфічним мотивом націлювання (мотив пентапептиду KFERQ) розпізнаються цитозольним шапероном теплового шоку, спорідненим 70 (Hsc70) та його ко-шаперонами, сприяючи транслокації вантажу в просвіт лізосом через лізосомальний мембранний білок 2A рецептор (LAMP2A) [7].

CMA є альтернативним опосередкованим лізосомами шляхом деградації, який можна активізувати, коли відбувається блокування макроаутофагії [8]. У рамках цього огляду макроаутофагія та селективна аутофагія мітохондрій, відома як мітофагія, будуть детально описані та досліджені в контексті функції нейронів та нейродегенерації (рис. 1).

1.1. Макроавтофагія

Макроаутофагія — це складний і послідовний процес, який починається з утворення аутофагосоми та поглинання вантажу, з подальшим закриттям і дозріванням і, нарешті, злиттям з лізосомою для деградації. Кожна з цих стадій включає різні білки, пов’язані з аутофагією (ATG), які механічно координують аутофагічний потік уздовж аутофагосомебіогенезу та злиття з лізосомою [9].

Початок аутофагії регулюється статусом фосфорилювання unc-51-подібної кінази, що активує аутофагію 1 (ULK1), яка регулюється мішенню комплексу 1 рапаміцину 1 (mTORC1) [10]. mTORC1 активний у багатих поживними речовинами умовах або коли шлях PI3K/Akt стимулюється факторами росту (наприклад, інсуліноподібним фактором росту-1, IGF1).

Активний mTORC1 фосфорилює ULK1 і ATG13, компоненти комплексу ініціації ULK1 (також складається з ATG101 і білка, що взаємодіє з кіназами родини FAK, з 200 кДа, FIP200) [11], пригнічуючи аутофагію. В умовах дефіциту поживних речовин mTORC1 інактивується, сприяючи аутофосфорилюванню ULK1 [12].

Крім того, коли енергетичний статус клітини низький, AMP активує AMPK, яка, у свою чергу, пригнічує mTORC1 і фосфорилює ULK1, сприяючи аутофагії [12,13]. Як тільки ULK1 активується, він фосфорилює ATG13 і FIP200, таким чином активуючи весь комплекс ініціації ULK1 [14].

Після активації комплексу ULK1 він транслокується в омегасоми (специфічні ділянки в ендоплазматичному ретикулумі (ER), ініціюючи збірку мембрани фагофора для біогенезу аутофагосом [15].

В омегасомах ULK1 сприяє залученню та активації фосфатидилінозитол 3-кіназного комплексу III (PI3PK, що складається з вакуолярного сортування білків 34, беклін-1, фосфоінозитид-3-регуляторної субодиниці 4 кінази та ATG14L) шляхом фосфорилювання Beclin-1 [15,16]. PI3PK відповідає за генерацію фосфатидилінозитол-3 фосфату (PI3P) для розширення фагофору [17].

Початкові джерела мембран для нуклеації фагофора включають везикули COPII, резервуари везикул ATG9 і саму мембрану ER-омегасоми [18]. ATG9 є трансмембранним глікопротеїном, який здійснює цикл між транс-мережею Гольджі (TGN) і ендосомальною системою через рециркуляцію ендосом [19] і рекрутується в омегасому після індукції аутофагії, таким чином доставляючи мембрани до фагофору, що зароджується [20,21].

Більше того, ATG9 переміщується до та з плазматичної мембрани, остання через процес, опосередкований клатрином [22]. Переміщення ATG9 між мембранами залежить від фосфорилювання, опосередкованого ULK1-, у базальних умовах та умовах, що індукують аутофагію [23]. Інші джерела мембран, такі як мітохондрії, комплекс Гольджі та плазматична мембрана, також були запропоновані брати участь у зародженні та розширенні везикул [24–26].

Специфічні розчинні N-етилмалеімід-чутливі рецептори білка приєднання фактора (SNARE) та інші фактори зв’язування беруть участь у злитті мембран, отриманих від Гольджі, ендосом або плазматичної мембрани з мембраною омегасоми [15], підтримуючи ріст везикул.

Генерація PI3P має важливе значення для нуклеації везикули фагофора, залучення PI3P-зв’язуючих білків, які беруть участь у розширенні фагофору, а також для формування кривизни та залучення білків ATG, що знаходяться нижче за течією [27]. Залучення ефекторів PI3P, таких як білки, що взаємодіють з фосфоінозитидом (WIPI), до теомегасоми, має важливе значення для біогенезу аутофагосом і аутофагічного потоку [27,28].

Alfy, білок, що містить великий домен FYVE, є ефектором PI3P, який націлює убіквітні агрегати на аутофагосому, таким чином беручи участь у селективній аутофагії [29].

Тоді наступним кроком є ​​рекрутування асоційованого з мікротрубочками білка 1A/1B-легкого ланцюга (LC3) до фагофору за допомогою убіквітиноподібних систем кон’югації. Спочатку убіквітинлігаза E1 ATG7 та убіквітинлігаза E2 ATG10 беруть участь у кон’югації ATG12 з ATG5, яка далі зв’язується з ATG16L1. Комплекс ATG12–ATG5–ATG161L необхідний для рекрутування LC3 до PI3P-позитивних мембран [27].

По-перше, LC3 протеолітично розщеплюється на С-кінці протеазою ATG4, утворюючи LC3-I, яка, у свою чергу, під дією ATG3 і ATG7 і ATG12–ATG5–ATG161L генерує LC3-II через свій зв'язування з теаміновою головною групою фосфатидилетаноламіну (РЕ) у мембрані фагофора [30,31].

Така ліпідізація LC3 необхідна для розширення та закриття фагофору та подальшого дозрівання аутофагосоми [32]. Крім того, ліпідований LC3 бере участь у специфічному розпізнаванні вантажу через домен LIR (область взаємодії LC3) через селективні адапторні білки [33]. Розширення та подовження фагофора погано визначені, але взаємодія WIPI2 із везикулами, збагаченими ATG9-, є важливою для процесу [21].

Декілька робіт показали, що додаткові білки ATG беруть участь у завершальних стадіях біогенезу аутофагосом, але їх точні ролі ще чітко не визначені. Дослідження показали, що дефекти в системах кон’югації з убіквітином LC3 порушують закриття аутофагосом [34,35], вказуючи на те, що ці комплекси беруть участь у завершальних етапах біогенезу аутофагосом.

Закриття аутофагосомних везикул опосередковується ендосомальним сортувальним комплексом, необхідним для транспортування (ESCRT) [36]. Після закриття аутофагосома дисоціює від ER, і її дозрівання відбувається через взаємодію з кількома ендоцитними везикулами.

Аутофагосоми можуть зливатися з різними ендолізосомальними відділами, такими як пізні ендосоми (LE) і мультивезикулярні тільця (MVB), особливість, яка змінюється залежно від типу клітини та певних фізіологічних умов [37].

Злиття аутофагосом із тимчасовими MVB утворює проміжну структуру, яка називається амфізомою, яка надалі зливається з лізосомою для деградації [38]. Дефосфорилювання PI3P на мембрані аутофагосоми фосфоінозитид 3-фосфатазами сімейства білків міотубуларину необхідне перед їх злиттям з лізосомами [39].

Аутофагосоми випадково розподілені по цитоплазмі, тоді як пізні ендосоми та лізосоми переважно знаходяться в перинуклеарній області, а також в аксональних і дендритних компартментах нейронів [40]. Аутофагосоми рухаються вздовж мікротрубочок до лізосом за допомогою LC3 і динеін-залежних механізмів [41]. Злиттю аутофагосом з лізосомами сприяють різні родини білків. RabGTP-ази локалізуються на мембранах везикул і рекрутують білки, що прив’язують мембрану, які допомагають SNARE у подіях злиття (переглянуто в [42]).

Відповідно, виснаження білків SNARE викликає накопичення аутофагосом у різних клітинах [43,44]. Серед GTPas Rab, які регулюють дозрівання аутофагосом, Rab7 рекрутується на мембрану аутофагосом і діє як молекулярний перемикач, сприяючи його зв’язуванню з динеїном, таким чином полегшуючи транспортування аутофагосом і лізосом до перинуклеарної області [45]. Нокдаун-клітини Rab7- демонструють вибіркове порушення злиття аутофагосоми з лізосомою, але не з LE або MVB [45,46].

Крім того, білки з підродини GABARAP (гомологи LC3) беруть участь у дозріванні аутофагосом, і їх виснаження зупиняє злиття аутофагосом-лізосом [47].

Після злиття підкислення аутолізосомального просвіту протонною помпою або v-АТФазою активує лізосомальні гідролітичні ферменти [48], що призводить до деградації вантажу. Отримані метаболіти доступні для повторного використання всередині клітини або діють як внутрішньоклітинні сигнальні молекули (рис. 2).

Суттєвим моментом регуляції макроаутофагії є посттрансляційні модифікації кількох білків ATG і не-ATG (переглянуто в [49]). Це важливо для обмеження розширення аутофагії та запобігання неконтрольованій деградації цитоплазматичного вмісту, яка може поставити під загрозу внутрішньоклітинний гомеостаз і може призвести до загибелі клітини.

1.2. Функція аутофагії в нейронах

Виживання нейронів покладається як на CMA, так і на макроаутофагію, щоб збалансувати рівні неправильно згорнутих білків і пошкоджених органел, які інакше не можуть бути розведені через поділ клітин, і підтримувати клітинні процеси шляхом переробки метаболітів [50].

Неефективне видалення білкових агрегатів призводить до блокади аксонального транспорту та серйозних транскрипційних змін; таким чином, аутофагія має важливе значення для підтримки гомеостазу в усій нейрональній клітині (аксоні, сомі та дендритах). У синаптичних областях постійний оборот білка необхідний для задоволення локальних високих енергетичних потреб і підтримки функціонального синтезу білка та циклу деградації [51].

Це важливо не тільки для підтримки синаптичної пластичності [52], але й для підтримки аксонального гомеостазу [53,54]. Дійсно, нейрональна стимуляція регулює рівні аутофагії, тоді як аутофагія підтримує синаптичну функцію як у пре-, так і в постсинаптичних доменах [55].

Цікаво, що окрім основного механізму аутофагії, для аутофагії в пресинаптичних регіонах потрібні кілька нейронно-специфічних регуляторних білків: ендофілін-А є ендоцитикадаптором, який генерує вигнуті мембрани та служить платформою для рекрутування аутофагічних білків, таким чином сприяючи біогенезу аутофагосом [56], і синаптожанін 1, ліпідфосфатаза, яка опосередковує передачу синаптичних везикул, також необхідний для аутофагосомебіогенезу [57].

З іншого боку, аутофагія може негативно регулюватися в пресинапсах через Bassoon, каркасний білок, який взаємодіє з ATG5, таким чином роблячи його недоступним для біогенезу аутофагосом [58]. У постсинаптичних областях аутофагія необхідна для підтримки синаптичної пластичності.

При тривалій депресії (LTD) аутофагія має вирішальне значення для посередництва в передачі та елімінації рецепторів -аміно-3-гідрокси-5-метил-4-ізоксазолпропіонової кислоти (АМРА). Цікаво, що стимуляція рецепторів N-метил-D-аспартату (NMDA) активує деградацію рецепторів AMPA шляхом аутофагії [59]. Крім того, мозковий нейротрофічний фактор (BDNF) пригнічує аутофагію в нейронах гіпокампу, сприяючи довгостроковій потенціації (LTP) і персистенції пам’яті у мишей, таким чином підтримуючи роль аутофагії в синаптичній пластичності [60].

Нейрональна макроаутофагія є важливим механізмом, який видаляє дефектні внутрішньоклітинні матеріали, і є надзвичайно ефективним у нейронах із швидким очищенням аутофагосом, оскільки величезна кількість аутофагосом накопичується в нейронах після інгібування лізосом [61].

У нейронах ЦНС, а також периферичної нервової системи (ПНС) аутофагосомний біогенез починається в нейритах і синаптичних термінальних областях у дисталаксоні, потім транспортується назад до соми клітини ретроградним рухом для злиття з активними лізосомами [62].

Аутофагосоми дозрівають у міру того, як вони рухаються від дистального відділу (верхівка нейриту) до проксимального (клітинна сома) шляхом поглинання органел і розчинного вантажу та збільшення кислотності просвіту для ефективної деградації вантажу. У сомі існує змішана популяція аутофагосом з різними ступенями дозрівання, які походять з дистальних областей або генеруються локально [63].

Аутофагосоми дистального походження зберігаються в соматодендритному відділі та не здатні повернутися до аксона, тоді як аутофагосоми з соми можуть вільно переміщатися між дендритами та сомою [63].

У нормальних умовах аутофагосоми майже не виявляються в нейронах, оскільки вони швидко зливаються з лізосомами, демонструючи, що аутофагія є високоефективною в індукції аутофагії нейронів і кліренсі аутофагосом [64].

Аутофагосоми, отримані з дистальних аксонів, містять цитоплазматичний вміст, і щонайменше 10% популяції містить фрагменти мітохондрій [62], підтверджуючи роль залежної від аутофагії деградації мітохондрій.

Макроаутофагія необхідна для формування нейритів під час їх росту, а також для нейропластичності. Втрата функції ATG16L1, основного аутофагічного білка, є достатньою для виникнення дефектів у формуванні мозку миші [65]. Крім того, нервово-специфічна делеція ATG9 призводить до дефектного розвитку аксонних трактів і дефіцитного росту нейритів in vitro [66].

Однак зниження ATG та пов’язаних з ними білків зі старінням [67] призводить до прогресуючого порушення макроаутофагії, що, ймовірно, сприяє пізньому виникненню кількох нейродегенеративних захворювань.

Накопичення аутофагосом є результатом дисбалансу між їх утворенням і деградацією [68], який був описаний при хворобі Альцгеймера (AD), хворобі Паркінсона (PD) і хворобі Хантінгтона (HD) [69].

Хоча генетичні мутації пов’язаних з аутофагією генів не описані як прямі причинні фактори нейродегенеративних захворювань, кілька доказів підтверджують, що порушення процесу макроаутофагії та його регуляції залучені до нейродегенерації.

Дійсно, дисфункція аутофагічного процесу, така як порушення злиття аутофагосом-лізосом [64], дефектне підкислення лізосом [70] або дефектний транспорт аутофагосом [71,72] призводить до накопичення токсичних білкових агрегатів і неправильного функціонування органел, таким чином сприяючи нейродегенерації.

Генетична інактивація ATG5, ATG7 або FIP200 у ЦНС викликає набряк аксонів і загибель нейронів у мишей, що призводить до прогресуючого порушення рухової функції [73–75].

Крім того, ATG5-нульові миші гинуть протягом одного дня після народження через втрату нейронів, спричинену порушенням аутофагії [76]. Хоча кілька досліджень доводять важливість макроаутофагії для виживання та функціонування нейронів, мало відомо про її регуляцію в нейронах і глії. .

Накопичення аберантних білків або тілець-включення добре описано при кількох нейродегенеративних захворюваннях, і зміни в аутофагічній активності можуть впливати на нейрональний гомеостаз і виживання. Виявлення ролі аутофагії та регуляції нейрональної та гліальної функції стане ключовим фактором для розробки нових терапевтичних стратегій для припинення дисфункції та дегенерації нейронів.

For more information:1950477648nn@gmail.com