Макроаутофагія та мітофагія при нейродегенеративних розладах: фокус на терапевтичних втручаннях. Частина 2

2. Мітофагія

Мітохондрії мають подвійну мембрану, що складається з внутрішньої мітохондріальної мембрани (IMM) і зовнішньої мітохондріальної мембрани (OMM), розділених внутрішньомембранним простором.

Внутрішня мітохондріальна мембрана є важливим компонентом клітини. Його основна функція полягає в тому, щоб генерувати енергію, необхідну клітині, і контролювати метаболізм усієї клітини. Сучасні біологічні дослідження показують, що внутрішня мітохондріальна мембрана також тісно пов’язана з когнітивними здібностями людини, особливо з пам’яттю.

Молекули внутрішньої мітохондріальної мембрани також містять деякі компоненти, пов’язані з пізнанням і нервовою системою, такі як мембранні білки та системи окисного фосфорилювання. Ці компоненти беруть безпосередню участь у метаболічному процесі клітин мозку, і стан їх активності впливатиме на нормальну функцію нейронів, тим самим впливаючи на пізнання та пам’ять людини.

Крім того, молекула, яка називається мітохондріальним транспортером у внутрішній мітохондріальній мембрані, також відіграє важливу роль у зберіганні та відновленні пам’яті. Ця молекула може допомогти нейронам передавати хімічні сигнали між синапсами та зміцнити зв’язок синапсів, досягаючи таким чином тривалого зберігання та точного виклику пам’яті.

Таким чином, зв’язок між внутрішньою мітохондріальною мембраною та когнітивними здібностями та пам’яттю вже давно підтверджено наукою. Оптимізація метаболічного стану внутрішньої мітохондріальної мембрани допомагає підвищити ефективність роботи мозку та покращує когнітивні здібності та пам’ять людей. Таким чином, ми можемо сприяти здоров’ю внутрішньої мітохондріальної мембрани, правильно регулюючи свій раціон, займаючись спортом і підтримуючи гарний настрій, тим самим покращуючи свою пам’ять і когнітивні здібності. Можна побачити, що нам потрібно покращити пам’ять, і Cistanche може значно покращити пам’ять, оскільки він також може регулювати баланс нейромедіаторів, наприклад, підвищувати рівень ацетилхоліну та факторів росту, які дуже важливі для пам’яті та навчання. Крім того, Cistanche також може покращити кровотік і сприяти доставці кисню, що може гарантувати, що мозок отримує достатню кількість живлення та енергії, тим самим покращуючи життєздатність і витривалість мозку.

Клацніть знати добавки для покращення пам'яті

Ця конфігурація органел є важливою для підтримки електрохімічного градієнта, що дозволяє мітохондріям генерувати необхідну кількість АТФ для використання клітинами [77]. Усунення дефектних мітохондрій є важливим механізмом контролю якості для підтримки здорового пулу мітохондрій і підтримки життєздатного мережі в нейронних клітинах [78].

Ці клітини більш чутливі до мітохондріальних дефектів через їх високі метаболічні потреби; таким чином, вибіркове усунення дисфункціональних органел є життєво важливим для надійної нейротрансмісії.

Мітохондрії, які незворотно пошкоджені або стають неефективними, елімінуються мітофагією, селективним механізмом, за якого спеціалізовані рецептори розпізнають дефектні мітохондрії та опосередковують вантаж, націлений на аутофагічні везикули [79]. Клітини використовують різні методи для переробки дефектних мітохондрій, а саме любіквітин-залежні та незалежні шляхи.

Здебільшого нейрональні клітини вдаються до убіквітин-залежної системи механізму, контрольованої PTEN-індукованою кіназою 1 (PINK1)/Parkin, щоб зберегти активний і динамічний пул мітохондрій.

PINK1 — це амітохондріальний білок, накопичення якого в OMM діє як датчик для підтримки мітохондріальної функції, оскільки він позначає пошкоджені мітохондрії для деградації [80].

PINK1 демонструє мітохондріальну націлену послідовність, таким чином систематично імпортуючись до IMM шляхом утворення комплексу з транслоказами зовнішньої мембрани 20 і 40 (TOM20 і TOM40) [81], де він розщеплюється внутрішньомембранною сериновою протеазою, пов’язаною з пресеніліном, схожою на ромбоподібний (PARL) [ 82] і тому підтримується на низькому рівні за фізіологічних умов.

Після певного пошкодження молекулярні взаємодії між TOM20/40 і PINK1 зменшуються, і кластери PINK1 в OMM пошкоджених мітохондрій сприяють фосфорилюванню Паркіна та його подальшому рекрутуванню [83].

Паркін, цитозольна убіквітинлігаза E3, убіквітує безліч білків OMM, які розпізнаються такими рецепторами, як р62, також позначений як секвестосома 1 (SQSTM1). p62/SQSTM1 є убіквітин-зв’язуючим рецептором, відповідальним за переміщення убіквітованих мітохондрій до місця збірки аутофагосоми шляхом взаємодії з LC3/GABARA-рецепторами родини ATG8 [84].

Ці рецептори також розпізнають мотиви LIR багатьох білків OMM для специфічного націлювання на пошкоджені мітохондрії в місці складання аутофагосоми [85]. У нейронних клітинах убіквітин-незалежна мітофагія організована двома біфункціональними білками, BCL2 та білком 3, що взаємодіє з аденовірусом E1B 19 кДа. (BNIP3L) і BNIP3-, як і білок X (NIX), також відповідає за диференціювання гангліозних клітин сітківки (RGC). BNIP3 і NIX містять домен BH3 і в основному розташовані в OMM.

Ці білки мають WXXL-подібний мотив із спорідненістю до LC3 та його гомолога GABARAP, приводячи мітохондрії до аутофагічних везикул. Під час нейрогенезу сітківки відбувається метаболічний зсув, що супроводжується підвищенням експресії обох білків [86].

NIX-активність може бути опосередкована підвищенням рівня активних форм кисню (АФК) у кількох клітинних лініях [87], додаючи новий рівень складності, крім функцій розвитку. Дійсно, виробництво АФК збільшується внаслідок пошкодження мітохондрій [88] і може викликати мітофагію [88]. NIX також може регулювати транслокацію Parkin до мітохондрій після деполяризуючого стимулу, такого як CCCP [87].

Крім того, BNIP3L і NIX-регульована мітофагія мають нейропротекторні функції. У моделі ішемії мозку селективна деградація мітохондрій, опосередкована цими білками, була вирішальною для виживання та функції нейронів [89]. Крім того, лише гіперекспресія NIX є достатньою для відновлення дефектів мітофагії, що спостерігаються в клітинних лініях, отриманих від пацієнтів із ХП [90].

Білок 1, що містить домен Fun14 (FUNDC1), є білком OMM, який взаємодіє з LC3 і GABARAP і забезпечує мітофагію в умовах гіпоксії. На гомеостатичних рівнях FUNDC1-залежна мітофагія пригнічується опосередкованим Src-кіназою фосфорилюванням у фрагменті мотиву LIR у Tyr18.

У гіпоксичному стані знижена активність Src призводить до дефосфорилювання FDUNC1 Tyr18, полегшуючи його взаємодію з LC3 і подальшу мітофагію [91]. Крім того, спричинене гіпоксією фосфорилювання ULK1 AMPK на Ser555 сприяє транслокації ULK1 до мітохондрій, посилюючи активність FUNDC1 [92]. Крім того, Optineurin (OPTN) — це цитозольний рецептор, розташований на OMM, який сприяє мітофагії через його взаємодію з LC3 [93].

Цікаво, що дисфункція OPTN пов’язана з нейродегенеративними захворюваннями, а також іншими патологіями [94]. Загалом, мітофагія становить важливий механізм контролю якості для підтримки нейронального метаболізму та гомеостазу.

Транспорт мітохондрій всередині нейронів залежить від антероградних і ретроградних рухів і є важливим для виконання енергетичних і метаболічних потреб уздовж нейронної структури. Ці рухи також необхідні для відновлення та деградації мітохондрій і їм допомагають транспортні адаптерні білки (рис. 3).

3. Аутофагія та нейродегенеративні захворювання

3.1. Хвороба Альцгеймера

БА є нейродегенеративним розладом і найпоширенішою формою деменції серед людей похилого віку, яка вражає майже 50 мільйонів людей у ​​всьому світі [95]. Раннє сімейне захворювання (EOAD, fAD) становить менше 5% випадків і розвивається у віці до 65 років.

Аутосомно-домінантні мутації в трьох генах були пов’язані з EOAD: ген білка-попередника амілоїду (APP) і гени пресеніліну-1 (PSEN1) і пресеніліну-2(PSEN2), субодиниці комплексу -секретази [ 95]. Однак найпоширенішою формою є спорадична форма AD з пізнім початком (LOAD, sAD) з поширеністю вище 95% і з невідомою етіологією.

Невропатологія AD характеризується прогресуючим когнітивним порушенням і погіршенням пам’яті, що корелює з наявністю позаклітинного відкладення амілоїдних бляшок (A, агрегація β-амілоїдних пептидів) і внутрішньонейрональних нейрофібрилярних клубків (NFT, агрегація гіперфосфорильованого білка тау), які порушують синаптичну цілісності та гомеостазу, що призводить до незворотного пошкодження певних ділянок мозку, таких як гіпокамп і кора [96].

Пептиди А утворюються шляхом послідовного протеолітичного процесингу білка-попередника амілоїду (АРР) за допомогою АРР-розщеплюючого ферменту 1/-секретази (BACE1) і -секретази через амілоїдогенний шлях. Розщеплення АРР BACE1, активність якого підвищена в мозку спорадичних пацієнтів з AD [97], відбувається головним чином в ендосомах, що забезпечує кисле середовище для оптимальної активності ферменту [98].

Внутрішньоклітинна торгівля АРР відбувається секреторним та ендоцитарним шляхами. АРР секретується до плазматичної мембрани, потім інтерналізується шляхом опосередкованого клатрином або кавеоліном ендоцитозу [99].

В ендосомах АРР може бути розщеплений за допомогою BACE1, утворюючи N-кінцевий фрагмент АРР (sAPP ) і С-кінцевий фрагмент; останній може зазнавати подальшого розщеплення β-секретазою, що призводить до утворення A та внутрішньоклітинного домену АРР. У неамілоїдогенному шляху АРР розщеплюється β-секретазою в середині А-домену, запобігаючи утворенню А-пептидів.

Розщеплення β-секретазою відбувається в різних положеннях С-кінцевого фрагмента, що призводить до утворення А-пептидів різної довжини. Найпоширенішими утвореними розчинними пептидами є A 1-38 і A 1-40, за якими слід A 1-42, причому останній є більш гідрофобним і більш схильним до утворення тримерних і тетрамерних олігомерів, таким чином представляючи найбільш токсичну ізоформу [100].

Олігомерстенд утворює фібрили А зі складчастими листками, які позаклітинно збираються в амілоїдні бляшки [101]. А також асоціюється з гіперфосфорилюванням і агрегацією тау, асоційованого з мікротрубочками білка, який зазвичай сприяє полімеризації та збірці аксональних мікротрубочок і транспорту везикул.

Статус фосфорилювання тауїсів регулюється різними кіназами та фосфатазами, які модулюються в присутності А-олігомерів; наприклад, глікогенсинтаза кіназа -3 (GSK3 ) і протеїн фосфатаза 2A (PP2A) безпосередньо регулюють статус фосфорилювання тау [102]. Гіперфосфорильований стан tau пригнічує його асоціацію з мікротрубочками, впливаючи на його стабілізацію та призводячи до розкладання мережі мікротрубочок [103,104].

Протеолітичне розщеплення гіперфосфорильованого тау викликає утворення тау-олігомерів [105], які є більш токсичними, ніж агрегати, що призводить до прогресуючої смерті нейронів [106].

3.1.1. Порушення аутофагії при AD

Повідомлялося про різні молекулярні патогенні механізми, що є результатом накопичення олігомерів А і гіперфосфорилювання тау, а саме мітохондріальної дисфункції [107,108] і порушення систем протеостазу, таких як розгорнута білкова відповідь і аутофагія [109].

Хоча пептиди А демонструють пов’язаний з KFERQ мотив, який є важливим для нормальної обробки та деградації АРР, ці фрагменти не є субстратами для деградації CMA [110], і макроаутофагія сприяє їх виведенню [111].

Дійсно, макроаутофагія відіграє важливу роль у метаболізмі A, оскільки вона бере участь у деградації та очищенні APP [112] і продуктів його розщеплення, включаючи A [113] і APP-CTF (амілоїдний попередник білка, розщеплений С-кінцевий фрагмент) [114].

Дисфункція аутофагії була продемонстрована як у пацієнтів з AD, так і на тваринних моделях. У мозку пацієнта з AD спостерігалося накопичення незрілих аутофагічних везикул, що містять ниткоподібний тау, у дистрофічних нейритах [115].

Ці аутофагічні везикули часто виявляються в проксимальних областях амілоїдних бляшок у мозку пацієнтів і моделей гризунів [116]. Цікаво, що накопичення аутофагосом також спостерігалося в дендритах і сомі трансгенних нейронів миші APP/PS1 ще до появи бляшок А [117]. Крім того, спостерігалося накопичення незрілих аутофагічних везикул перед втратою нейронів у гіпокампі мишачої моделі PS1M146L/APP751SL [118].

Аномальне накопичення аутофагосом у нейронах свідчить про те, що дефектний аутофагічний-лізосомальний шлях сприяє накопиченню олігомерів А та тау при AD [117]. APP і PSEN1 локалізуються в аутофагосомах; таким чином, накопичення цих органел пов’язане зі збільшенням генерації А, що, у свою чергу, порушує мембрани аутофагосом [115].

Отже, незрілі аутофагосоми, описані в мозку AD і трансгенних мишах APP/PS1, можуть становити ще одне джерело для покоління A. Головний мозок пацієнтів з PSEN1-EOAD демонструє лізосомальне порушення, пов’язане з амілоїдною патологією та нейродегенерацією [119].

Було припущено, що накопичення аутофагосом може бути результатом порушення злиття аутофагосом-лізосом або дефектного перетравлення лізосом [120]. Дослідження показали зміну ініціації аутофагії, зокрема зниження експресії Beclin 1 у корі пацієнтів з БА та на мишачих моделях [121] . Підвищена активність каспази 3 у пацієнтів з AD може пояснити надмірне розщеплення Beclin 1 [122].

Генетичне зниження Beclin 1 у трансгенній мишачій моделі AD, що експресує людський APP, збільшило накопичення A, тоді як надмірна експресія Beclin 1 значно знизила рівні A [113]. Крім Beclin-1, інші білки ATG були знижені у віковому періоді. залежним чином, що призводить до накопичення A [123]. ATG7, ключовий білок у регуляції аутофагії, був причетний до патології AD.

Рівні ATG7 були знижені в корі головного мозку та гіпокампі мишачої моделі AD, але не було виявлено жодних змін у скроневій корі пацієнтів з AD [124]; У мишей з нокдауном ATG7 спостерігалося зниження секреції A, що супроводжувалося збільшенням внутрішньоклітинного A [125], що додатково підтверджує роль ATG7 у транспортуванні пептидів A до мультивезикулярних тілець, які мають бути виділені.

Показано, що експресія p62 була знижена в моделі потрійної трансгенної миші, що скомпрометувало початкові етапи селективної аутофагії при AD [126]. Однак загальногеномний аналіз виявив посилення транскрипційної регуляції позитивних регуляторів аутофагії при AD.

Відповідно до активації аутофагії, на ранніх стадіях AD спостерігалося підвищення рівня білка ATG і більш висока швидкість утворення аутофагосом і лізосомального біогенезу [127]. Це протиріччя свідчить про диференціальну аутофагічну регуляцію на ранніх і пізніх стадіях AD, що слід враховувати при оцінці механізму в різних моделях і при пошуку терапевтичних стратегій.

Наявність незрілих аутофагосом у дистрофічних нейритах свідчить про те, що ретроградний транспорт пов’язаних з аутофагією везикул та їх дозрівання порушуються при AD [128]. На підтвердження цього, інгібування доставки аутофагосом до лізосом призводить до їх накопичення в нейритах з подібною морфологією, як описано в AD [64].

Олігомери можуть порушити комплекс динеїн-снапін, порушуючи аксональний транспорт везикул, що може сприяти несправній доставці аутофагосом до лізосомезину AD [129]. Деградація тау, яка в основному розташована в аксонах і рідше в нейритах і сомі, відбувається через протеасому або шляхом макроаутофагії, залежно від його стану олігомеризації.

Модифікації tau, пов’язані з AD, викликають його деградацію через макроаутофагію, коли опосередкований протеасомами протеоліз порушується прогресуванням захворювання [130]. Важливо, що деградація тау може утворювати різні фрагменти, які зв’язуються з Hsc70, націлюючись на LAMP-2A за допомогою CMA [131,132].

Проте накопичення цих фрагментів у лізосомальній мембрані викликає агрегацію тау, що порушує цілісність лізосом і блокує CMA [132]. Порушення аутофагічно-лізосомального шляху призводить до агрегації тау-олігомерів, які, у свою чергу, деградують, коли макроаутофагію індукують рапаміцином [132,133].

Тау необхідний для ретроградного руху аутофагосом до лізосом через стабілізацію мікротрубочок, роль, яка скомпрометована при AD [134]. Гіперфосфорилювання тау та його олігомеризація призводить до витіснення апарату мікротрубочок і, як наслідок, до порушення руху та дозрівання аутофагосом, що також сприяє дисфункції аутофагії.

Окрім дефектів аутофагосомного транспорту, порушення лізосомної функції також було описано в AD. PSEN1 є регулятором функції лізосом, діючи як шаперон для вакуолярної АТФази, яка підкислює просвіт лізосом. Мутації в PSEN1 порушують лізосомальне підкислення та злиття аутофагосом-лізосом, що призводить до накопичення A-навантажених аутофагосом [135].

Крім того, було припущено, що лізосомальний протеоліз уражений AD; високі рівні A, LC3-II та убіквітованих білків були присутні як у фракціях лізосом, так і в аутофагосомах, виділених із моделі трансгенної миші AD [136]. У відповідності з цим, порушення лізосомального протеолізу шляхом інгібування лізосомальних катепсинів у здорових нейронах призводить до накопичення аутофагічних везикул з подібною морфологією до тих, що присутні у пацієнтів з AD і трансгенних моделей мишей [64].

А також порушує цілісність лізосомальної мембрани, що призводить до вивільнення катепсину в цитоплазму [137,138]. Присутність катепсину D в екзосомах, виділених із крові пацієнтів із доклінічним захворюванням на БА [139], підтверджує гіпотезу про неефективну функцію лізосом. Цікаво, що генетичні варіації гена, що кодує катепсин D, також були описані як фактори ризику для БА [140].

Аналіз процесу аутофагії в нейронах від ранньої до останньої стадії AD показав підвищену експресію генів аутофагії на ранніх стадіях, але дефект кліренсу лізосом призводив до накопичення аутолізосомальних структур із прогресуванням захворювання [141]. Сіртуїни (SIRT) охоплюють групу нікотинамідаденіндинуклеотид (NAD+)-залежних білків, які є регуляторами багатьох клітинних шляхів.

Серед них Sirt1 асоціюється з регуляцією аутофагії. Нижчі рівні SIRT1 порушують опосередковану деацетилюванням активацію білків аутофагії (наприклад, ATG5, ATG7 і LC3) [142], що також може сприяти порушенню аутофагії при AD. Рівні SIRT1 знижуються в тім’яній корі головного мозку пацієнтів з AD і корелюють із накопиченням клубків A і тау [143].

Активація mTOR, центрального координатора аутофагії, була описана в AD у відповідь на накопичення A [144]. A підвищує активність mTOR, що також призводить до вищої експресії тау та фосфорилювання, опосередкованого GSK3 - [145], підтверджуючи роль mTOR у тау-опосередкованому патогенезі. Крім того, секреція фосфо-тау через екзоцитотичні везикули за допомогою сигналізації mTOR спостерігалася в мозку пацієнтів з AD [146].

Порушення регуляції шляху PI3K/Akt/mTOR також було залучено до патогенезу AD [147]. Активація PI3K факторами росту (наприклад, інсуліноподібним фактором росту-1, IGF1) сприяє фосфорилюванню Akt і непрямій активації mTORC1, що сприяє аутофагії. При AD, A взаємодіє з і інгібує шлях PI3K/Akt/mTOR [148], що призводить до активації GSK3 і збільшення гіперфосфорилювання тау.

Крім того, транскрипційний фактор EB (TFEB), головний регулятор біогенезу лізосом, є нижчою мішенню mTORC1. Зниження активності mTORC1 індукує дефосфорилювання TFEB і його транслокацію до ядра для активації експресії аутофагії та генів, пов’язаних із лізосомальним біогенезом [149].

Рівні TFEB були знижені в зразках мозку (гіпокамп) пацієнтів з AD, зокрема, зниження ядерних рівнів TFEB на пізніх стадіях захворювання [150].

Крім того, транслокація TFEB до ядра була послаблена у фібробластах з дефіцитом пресеніліну та індукувала плюрипотентні нейрони AD людини, що походять із стовбурових клітин, що призвело до зниження активації мережі CLEAR [151].

Однак у подвійній трансгенній тваринній моделі APP/PS1 підвищені рівні загального та ядерного TFEB були виявлені в гіпокампі 8-місячних мишей AD із супутнім збільшенням його нижчих мішеней, що свідчить про те, що TFEB бере участь у лізосомальних опосередковане прогресування AD [152]. Посилення регуляції цільових генів TFEB також було зареєстровано у мишей з умовним нокаутом PS1 і мишей 5xFAD [153].

Активація мережі TFEB може відображати спробу компенсувати порушення аутофагії на тваринних моделях AD. Точна роль TFEB як головного регулятора лізосомальної функції в патогенезі AD ще далека від повного розуміння і вимагає подальшого дослідження.

For more information:1950477648nn@gmail.com