Макроаутофагія та мітофагія при нейродегенеративних розладах: фокус на терапевтичних втручаннях. Частина 3

3.3. Хвороба Хантінгтона

Хвороба Хантінгтона (ХХ) — це аутосомно-домінантне спадкове нейродегенеративне захворювання, що характеризується когнітивною дисфункцією, психічними та поведінковими розладами, мимовільними руховими рухами, а пізніше — деменцією [248,249].

Хвороба Гентінгтона — це генетичне захворювання, яке часто викликає такі симптоми, як зміни форми тіла, рухові розлади та зниження когнітивних функцій. Через вплив хвороби на мозок проблеми з пам’яттю часто викликають занепокоєння пацієнтів та їхніх родин. Хоча це складна проблема, проактивне подолання та підтримка можуть допомогти полегшити симптоми та покращити якість життя.

По-перше, важливо зазначити, що хвороба Гентінгтона сама по собі не є єдиним джерелом проблем з пам’яттю. Як і з будь-якою хворобою, пацієнти можуть боротися з недугою багатьма способами, наприклад, контролювати своє харчування, вести здоровий спосіб життя та повноцінно відпочивати. Хоча ці заходи не можуть вилікувати хворобу, вони можуть зменшити проблеми з пам’яттю, викликані хворобою.

По-друге, підтримка членів родини, друзів, громади та медичних команд відіграє життєво важливу роль у відновленні пам’яті пацієнтів Хантінгтона. Члени сім’ї можуть допомогти пацієнтам запам’ятати час і організувати щоденні заходи, а також вони повинні надати пацієнтам достатньо розуміння та заохочення, щоб дати пацієнтам відчуття, що вони не самотні. Медична команда може надати професійну допомогу та застосувати деякі нейропротекторні методи лікування, включаючи медикаменти, фізіотерапію тощо.

Нарешті, на відновлення пам'яті безпосередньо впливає ставлення пацієнта та його психологічні якості. Хворі повинні навчитися активно справлятися з хворобою. Хоча це може здатися важким, пам'ять можна відновити шляхом постійних зусиль і спілкування.

Одним словом, хвороба Гентінгтона справді певним чином впливає на пам'ять пацієнта, але не варто відмовлятися від допомоги та лікування. У компанії родичів і друзів і підтримці медичної команди пацієнти можуть усунути вплив хвороби на пам’ять і повернути світлу сторону життя за допомогою активного подолання та різними способами. 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».

HD вибірково викликає нейродегенерацію середніх шипуватих нейронів (MSN) у смугастому тілі, точніше, в хвостатій кістці та путамені, з дорсомедіального до вентролатерального напрямку [250].

На пізніших стадіях хвороби також значною мірою уражається тім’яна кора головного мозку, а також описана нейродегенерація в інших областях мозку, а саме в мозочку, таламусі та білій речовині [251].

Генетичною причиною HD є мутація повторного розширення тринуклеотидного цитозину, аденіну та гуаніну (CAG) у кодуючій області повсюдно експресованого гена HTT (з 36 повторами CAG є патологічним порогом), що кодує аномально довгий N-кінцевий поліглутамін (polyQ ) урочище [252].

Розширення polyQ призводить до мутантної агрегації HTT (mHTT), що призводить до мітохондріальної та синаптичної дисфункції, зміненої обробки Ca2+мітохондрій, стресу ендоплазматичного ретикулуму (ER), порушення транскрипції генів і трансляції білка, інгібування шляхів очищення білка та втрата нейронів [253]. Аномальне відкладення неправильно згорнутого mHTT в ядрі (утворення тілець включення) і перинуклеарних/цитоплазматичних субклітинних областях є ще однією ознакою HD.

Ці агрегати здебільшого містять N-кінцеві фрагменти розширеного polyQ HTT, як показано в ядрах нейронів і дистрофічних нейритах по всій корі головного мозку та смугастому тілі пацієнтів з ГХ [254,255].

Ці включення є збагаченими убіквітином і убіквітинованим HTT, компонентами UPS, і шаперонами, такими як білки ашіматозного шоку [254], що відображає генералізований дефіцит UPS-опосередкованої деградації mHTT.

Дійсно, функція UPS знижена в різних моделях HD, що можна пояснити секвестрацією протеасоми агрегатами mHTT [256].

3.3.1. Аутофагія в HD

Два передбачуваних KFERQ-подібних CMA-націлювання мотиви були ідентифіковані в білку HTT: один в амінокислотах 99-103 (KDRVN), і один в амінокислотах 248-252 (NEIKV). Після фосфорилювання на Ser16 самий N-кінець (14-LKSFQ-18) вважається KFERQ-подібним третім мотивом [257].

У той час як звичайний HTT руйнується UPS, polyQ-HTT є мішенню для CMA-деградації, оскільки очищені інтактні лізосоми показали фрагменти mHTT залежно від LAMP2 [257].

Однак CMA-залежна деградація mHTT є менш ефективною. Це можна пояснити опосередкованою розширенням polyQ затримкою транспорту mHTT CMA через лізосомальну мембрану, що призводить до накопичення в цитозолі.

Крім того, LAMP2A і Hsc70 можуть сильно взаємодіяти з polyQ-HTT, що призводить до блокування трафіку шляху CMA [257]. Проте експресія мРНК LAMP2 збільшується в хвостовому ядрі пацієнтів з ГХ, що узгоджується з підвищенням рівня білка LAMP2 і супутньою індукцією СМА в клітинах пацієнтів з ГХ і мишачих моделях [258], що свідчить про спробу підвищити активність цієї системи.

Дійсно, повнорозмірний polyQ-HTT насамперед націлений на макроаутофагію, тоді як N-кінцеві фрагменти HTT вибірково націлені на CMA [37]. Цікаво, що миші R6/2 HD показали зменшене утворення включень і покращені фенотипи HD після того, як N-кінцевий фрагмент mHTT був націлений на шлях CMA.

Крім того, кліренс фосфорильованих N-кінцевих фрагментів polyQ-HTT залежить від білків LAMP2A та Hsc70 [259]. Фібробласти пацієнтів із ГХ, клітини Hdhknock-in у смугастому тілі та миші з нокаутом HTT Q111, що не мають симптомів, показали посилену CMA-активність [258].

Це збільшення активності CMA не зберігалося, коли у літніх мишей виникали симптоми. Крім того, значне зниження фарбування LAMP-2A було виявлено у старших мишей HTT Q111 з нокауном [258].

Оскільки локалізація LAMP-2A та активність CMA регулюються складом ліпідів у лізосомальній мембрані, а метаболізм ліпідів змінюється при ГХ [260], модифікації ліпідного гомеостазу можуть сприяти дисфункції ГХ при СМА. Таким чином, щоб компенсувати неправильне функціонування шляху макроаутофагії, нейрони HD можуть посилювати регуляцію CMA.

Однак CMA-компетентні лізосоми з часом менш ефективні в деградації субстратів, тоді як polyQ-HTT перешкоджає поглинанню вантажу LAMP-2A та Hsc70 і накопиченню ліпідів. Як спроба підтримувати нормальний протеостаз, оскільки UPS-опосередкована деградація білка та CMA не вдається, макроаутофагія може посилюватися при HD [261].

PolyQ-HTT призначений для аутофагічного очищення, що свідчить про вибірковість макроаутофагії щодо патогенного HTT [262]. Однак шляхи деградації UPS і аутофагії значно порушені при HD, що призводить до накопичення агрегатів polyQ-HTT, що в кінцевому підсумку призводить до дисфункції нейронів і смерті [263].

Крім того, прогресуюча недостатність шляхів деградації та протеостазу призводить до накопичення пошкоджених органел, таких як мітохондрії та ER. Цікаво, що на додаток до агрегатів polyQ-HTT, які є субстратом для опосередкованої аутофагією деградації, білок HTT додатково бере участь у регуляції шляху аутофагії [264], як описано нижче в цьому розділі.

Крім того, HTT відіграє роль в аксональному транспорті аутофагосом, як припускають дослідження зображень живих клітин нейронів смугастого тіла. Після втрати HTT і експресії mHTT спостерігалося зниження транспорту аутофагосом і подальше інгібування деградації субстрату [265].

Біопсії головного мозку пацієнтів із ГХ показали значні аномалії у відділах везикулярно-ендоцитарного шляху з аномальною проліферацією мультивезикулярних тілець, ендосом і лізосом, що супроводжується порушенням апарату Гольджі та дезорганізацією ЕР [266].

Відповідно, нейрони смугастого тіла в мозку пацієнтів із ГХ, забарвлених на HTT, показали значне збільшення ендосомо-лізосомоподібних органел і HTT-позитивних тубуловезикулярних структур [255]. Нормальний HTT діє як каркасний білок для селективної аутофагії, оскільки HTT може фізично взаємодіяти з p62, щоб полегшити його асоціація з LC3-II та убіквітованими субстратами.

HTT також може зв’язуватися з ULK1, звільняючи ULK1 від негативної регуляції mTOR [267]. Дійсно, було показано, що ULK1 має знижену активність у HD клітинних і тваринних моделях (Q175) [268,269].

Крім того, HTT може сприяти мікротубулярному транспорту аутофагосом, який є важливим для злиття аутофагосом-лізосом [265]. Дійсно, різні типи клітин, такі як первинні нейрони, клітинні лінії смугастого тіла, фібробласти та гепатоцити з двох мишачих моделей HD та лімфобласти, отримані від пацієнтів із HD, показали збільшену кількість аутофагічних вакуолей без посиленої деградації, опосередкованої аутофагією [260].

Крім того, дві моделі HD мишей, R6/2 (яка експресує екзон 1 гена HTT людини з ~150 повторами CAG) і YAC128 (миші з трансгенною дріжджовою штучною хромосомою (YAC), які експресують повнорозмірний ген HTT людини з 128 повторами CAG) показали специфічні результати. підвищення рівня маркерів аутофагії p62 і LC3-II в смугастому тілі в більш пізньому віці (18 місяців) [270], що свідчить про дефіцит(и) опосередкованої аутофагією деградації білка.

І навпаки, агрегати polyQ-HTT можуть секвеструвати mTOR, що призводить до індукції аутофагії [271]. Одним із можливих пояснень цього протиріччя є суттєва зміна в розпізнаванні вантажу макроаутофагії в клітинах HD, що призводить до утворення «порожніх» аутофагосом [260].

Аутофагосоми мають зменшену кількість цитозольного вантажу всередині, можливо, через аномальну взаємодію p62–polyQ-HTT, що призводить до зниженої швидкості деградації білка в зразках HD [260], що може призвести до серйозних шкідливих наслідків для клітинного гомеостазу та подальшої втрати нейронів.

Компенсаторна активація макроаутофагії у відповідь на агрегати polyQ-HTT може бути важливим підходом до виживання нейронів HD. Органели перетворюються за допомогою макроаутофагії, що вимагає розпізнавання цільових мембран механізмом аутофагії.

Оскільки polyQ-HTT може взаємодіяти з мембранами різних органел [264, 271], polyQ-HTT може заважати розпізнаванню органел за допомогою аутофагічних вакуолей. Відповідно до цієї гіпотези, HD-клітини демонструють накопичення дефектних мітохондрій, що свідчить про те, що пошкоджені мітохондрії не розпізнаються ефективно або не розмічаються до аутофагії.

Крім того, поліубіквітування є ще одним способом деградації білкових агрегатів за допомогою макроаутофагії, і polyQ-HTT може зв’язуватися з поліубіквітованими білковими агрегатами, що може обмежити їх розпізнавання системою аутофагії [262].

Кілька досліджень показали, що HTT взаємодіє з білками, асоційованими з аутофагією, опосередковано впливаючи на шлях аутофагії. Очищення поліубіквітованих включень опосередковується селективним рецептором аутофагії, p62, який може існувати в поліубіквітованих mHTT агрегатах [272].

Оболонка з білків p62 і LC3 може оточувати агрегати mHTTa для сприяння залученню до аутофагосом, тоді як нокдаун p62 призводить до посиленої загибелі клітин у присутності mHTT [273]. Рівні експресії p62 знижуються в моделі головного мозку HD R6/1 миші в результаті зниження синтезу білка на ранній стадії патології.

Однак на пізніх стадіях р62 накопичується в смугастому тілі та гіпокампі [274]. Клітини смугастого тіла STHdhQ111/Q111, отримані від мишей, що входять до групи HD, також показали підвищення рівня p62 у відповідь на протеотоксичний стрес [275]. Таким чином, p62 може зв'язувати агрегати mHTT і прогресивно накопичуватися в HD мишах і клітинних ядрах пацієнта, сприяючи виникненню симптомів HD.

Раніше Куросава та його колеги виявили, що деплеція p62 у трьох моделях HD мишей (миші R6/2, HD190QG і HD120QG) покращує фенотипи HD і очікувану тривалість життя, демонструючи зменшення ядерних включень і збільшення цитоплазматичних включень mHTT [276].

Рецептор селективної аутофагії NBR1, який секвеструє білкові агрегати, має схожу функцію та структуру з p62 і, як було показано, взаємодіє з p62 [277]. Як пояснювалося раніше, mHTT утворює ядерні включення з p62, що призводить до нейротоксичності.

На відміну від того, що відбувається з p62, NBR1 не накопичується в ядрах нейронів або на пізній стадії HD у мишей або пацієнтів [274], що свідчить про те, що NBR1 може взяти на себе ядерне накопичення p62 для підтримки деякої базової швидкості селективної макроаутофагії.

Зв’язаний з аутофагією протеїн-адаптор білок FYVE (ALFY) діє як скелет для агрегатів, p62 і аутофагосоми та відіграє центральну роль у аутофагічній деградації агрегатів mHTT [278].

Відповідно, експресія мРНК ALFY знижена в хвостатому ядрі хворих на ГХ [279]. Адаптер аутофагії OPTN також може діяти як рецептор аутофагії, який розпізнає та сприяє аутофагічному кліренсу білкових агрегатів [280]. OPTN вмикає кліренс внутрішньоядерних включень mHTT за допомогою селективної аутофагії [281].

Інтригуючим є те, що OPTN демонструє клітинно-специфічний патерн експресії в смугастому тілі, який пов’язаний з патерном втрати нейронів у цій ділянці мозку HD [282]. Крім того, надекспресія OPTN зменшила агрегацію mHTT через посилення селективної аутофагії [283]. Toll-взаємодіючий білок (Tollip) є ще одним селективним білком-рецептором аутофагії з функцією очищення білкових агрегатів [284].

Дослідження з використанням стабільної лінії клітин Neuro2a, що експресує mHTT (HD60Q і HD150Q), показало, що Tollip асоціюється з N-кінцевими пептидами, отриманими з mHTT, стимулюючи їх агрегацію та підвищуючи їх очищення через аутофагію, захищаючи клітини від протеотоксичності [285].

Крім того, смугасте тіло та кора головного мозку мишей HD R6/2 показали білок Tollip у ядерних включеннях [286]. За підрахунками, виснаження Tollip призвело до загибелі клітин, тоді як надмірна експресія Tollip посилила очищення агрегатів [284].

Таким чином, діючи як медіатор селективної аутофагії, пов’язаної з HD, Tollip може бути хорошим кандидатом для терапевтичної стратегії HD. Беклін 1 є основним регулятором аутофагії, рівні якого знижуються зі старінням.

Беклін 1 може бути залучений до агрегатів mHTT, знижуючи його активність і додатково сприяючи дисфункції аутофагії при HD [287]. Дослідження, проведене Ashkenazi та його колегами з використанням HD-N{3}}Q мишей (які експресують першу 171 амінокислоту HTT людини) і первинних фібробластів пацієнтів з HD, показало, що mHTT конкурує з атаксином 3 у зв’язуванні Beclin1, уникаючи його активації [288 ].

Це специфічний для смугастого тіла білок і активатор Beclin 1, який рекрутує Beclin 1 від Bcl-2, запобігаючи його гальмівній дії. Однак mHTT може пригнічувати взаємодію Rhes з Beclin 1, зменшуючи його роль у сприянні аутофагії [289].

І навпаки, надмірна експресія Beclin 1 збільшила кліренс агрегатів mHTT і зменшила пошкодження нейронів [287]. Експресія Beclin-1 у мозку людини поступово зменшується з віком [287], а також пов’язане з віком зниження транспортування лізосомального білка LAMP2 [8]. Цікаво, що фібробласти пацієнтів з ГД дотримуються тієї самої моделі [288].

Проте Beclin-1здається, накопичується у включеннях polyQ-HTT у трансгенних мишах R6/2 HD і мозку пацієнтів з HD [287], демонструючи специфічне для регіону порушення. Ембріональні фібробласти з Q111-Htt knock- у HD мишей показали збільшену кількість ліпідних крапель і помітно зменшили асоціацію ліпідних крапель з HD аутофагосомами [260], що може сприяти порушенню внутрішньоклітинного зберігання ліпідів, що спостерігається при HD.

Агрегати PolyQ-HTT також секвестрували mTOR, як спостерігалося в клітинах COS-7, що експресують мутантний (Q74) гентінгтин-екзон 1, тканину мозку мишей, що експресує mHTT (Q82), і тканину мозку з хвоста та путамена пацієнта з ГД [271].

Крім того, активність ULK1 також знижена в мозку мишей zQ175 HD, оскільки субстрати ULK1, такі як Beclin-1 і ATG14, менш фосфорильовані, а також перерозподіл ULK1 до нерозчинної фракції, де було виявлено агрегований mHTT [269]. Крім того, Metzger і його співробітники показали, що поліморфізм V471A в ATG7 пов'язаний з більш ранньою формою HD [290].

Як описано раніше в цьому огляді, TFEB є головним регуляторним фактором транскрипції шляху аутофагія-лізосома (лізосомальний біогенез і аутофагія), який, як було показано, активується рецептором-гамма-коактиватором, активованим проліфератором пероксисом (PGC)-1альфа [ 291], член коактиваторів транскрипції, який відіграє центральну роль у регуляції клітинного енергетичного метаболізму, мітохондріального біогенезу та адаптивного термогенезу. Трансгенні миші N171-82Q HD показали аномальну експресію та активність TFEB, що свідчить про те, що передача сигналів TFEB порушена при HD [291].

Відповідно, TFEB може сприяти кліренсу polyQ-HTT [291], що підкреслює TFEB як можливу терапевтичну мішень для HD або інших захворювань з накопиченням білкових агрегатів.

Таким чином, необхідно глибше зрозуміти дисфункцію аутофагії при HD, оскільки запобігання накопиченню mHTT та/або покращення нейронального протеостазу може становити відповідні терапевтичні можливості при HD.

3.3.2. Мітофагія в HD

У попередніх дослідженнях повідомлялося про ультраструктурні дефекти в мітохондріях, виділених із посмертної кортикальної тканини HD, і про порушення окисної функції та синтезу АТФ у носіїв HD без симптомів [292], що свідчить про те, що мітохондріальна дисфункція є раннім відповідним патогенним механізмом.

Мутантні клітини HD і смугасті й кортикальні нейрони, виділені з трансгенних мишей YAC128, показали змінену мітохондріальну біоенергетику, включаючи дисфункцію піруватдегідрогенази (PDH) [293], а також дерегуляцію ∆ψm [294], посилене виробництво мітохондріальних АФК [295] і збільшення Ca{{ 4}} поглинання в ізольованих мітохондріях головного мозку R6/2 і YAC128 мишей із передсимптомним синдромом [296].

Крім того, ми продемонстрували подібні мітохондріальні результати в HD лімфобластах людини [297]. Глибокі зміни в ∆ψmas, пов’язані з апоптичними подіями та зниженими рівнями АТФ, також спостерігалися в симптоматичних HD цибридах (периферична модель ex-vivo, отримана в результаті злиття HD людських тромбоцитів із клітинами rho0, збідненими мтДНК) і в HD людини B -лімфоцити [298–300].

Відповідно, у порівнянні з клітинами WT клітини смугастого тіла STHdhQ111/Q111 показали значне зниження ∆ψm після підвищення концентрації Ca2+ [301]; у випадку первинно-стриарних нейронів, отриманих від мишей YAC128, зниження ∆ψm і зниження мітохондріальної обробки Са2+відбулося через перевантаження цитозольного Са2+ після селективної активації рецепторів N-метилD-аспартату (NMDA) [302 ].

Крім того, аномальну мітохондріальну морфологію та торгівлю спостерігали в посмертних зразках мозку пацієнтів із HD та лімфобластах людини з HD [303]. Раніше ми показали, що мітохондріальні тромбоцити хворих на ГД демонструють знижену активність цитратсинтази у передсимптомних та Cx-I у передсимптомних і симптоматичних носіїв ГД [304].

Таким чином, ізольовані мітохондрії мозку з хвостатого ядра пацієнтів з ГХ [305] та з різних клітин ГХ (клітини нейробластоми людини; клітини смугастого тіла STHdhQ111/Q111), тваринні моделі (Hdh(CAG)150knock-in миша) показали фрагменти HTT у тісному контакті з мітохондріями [304,306], що свідчить про прямий вплив mHTT на функцію мітохондрій.

Дійсно, mHTT може спричиняти прямі ефекти шляхом фізичної взаємодії з органелою та пов’язаними білками та подальший непрямий вплив на мітохондрії та енергетичний метаболізм через дерегуляцію транскрипції (наприклад, через втручання в транскрипційну активність PGC-1alpha).

Таким чином, аномальний потенціал мітохондріальної мембрани (∆ψm), окислювальний стрес, порушення окисного фосфорилювання (OXPHOS) і втрата мітохондріальної динаміки, що супроводжується змінами морфології мітохондрій та/або зниженням біогенезу, сприяють накопиченню пошкоджених мітохондрій при HD [307]. усунення дисфункційних мітохондрій, що спостерігається при HD, свідчить про порушення мітофагії. Було виявлено, що рівні базальної мітофагії були знижені у мишей DG ofHD, схрещених з лінією мишей mito-Keima [308].

Крім того, нещодавнє дослідження показало, що мітофагія порушена в клітинах смугастого тіла STHdhQ111/Q111 [309]. Ці автори показали, що mHTT впливає на ініціацію процесу мітофагії, а також на залучення рецепторів мітофагії та його взаємодію з LC3-II під час мітофагії [309].

Як пояснювалося раніше, PINK1-мітофагія, опосередкована Паркіном, починається зі стабілізації PINK1 на OMM пошкоджених мітохондрій для рекрутування Паркіна. У хвостатому ядрі пацієнтів з ГД експресія мРНК PINK1 значно знижена [310].

Збільшена фрагментація мітохондрій [311] і неефективне включення мітохондрій в аутофагосоми [265] є ознаками HD; таким чином, зниження PINK1 може посилити дисфункціональний рекрутинг аутофагосом у клітинах HD. Відповідно, гіперекспресія PINK1 у HD мух ​​і клітин STHdhQ111/Q111 виявилася захисною в цих моделях [312].

Крім того, ювенільні HD фібробласти продемонстрували підвищені рівні Паркіна [313]. Хоча існує деяка нестача інформації щодо змін у PINK1/Parkin-залежній мітофагії при HD, її активація може являти собою цікавий терапевтичний підхід.

Крім того, mHTT може взаємодіяти з Drp1, що призводить до підвищення активності Drp1 GTPase і, як наслідок, посилення ділення мітохондрій, викликаючи зниження функції мітохондрій [303]. Нещодавно співробітники Aladdinand показали, що фібробласти шкіри неповнолітніх пацієнтів з HD мають значно нижчий рівень мітохондріального злиття та білків поділу та зменшене розгалуження в їхній ітохондріальній мережі.

Крім того, ювенільні фібробласти HD виявили більш високу протеасомну активність, яка була пов’язана з підвищеною експресією гена та білка Parkin, а також підвищеною протеасомною деградацією мітохондріального злитого білка Mfn1 у хворих клітинах [313].

Ці дані свідчать про те, що розширення mHTT пов’язане з підвищеною протеасомальною активністю та швидшим обміном специфічних субстратів убіквітин-протеасомної системи для захисту клітин, що може сприяти зміні мітохондріальної динаміки на ранніх стадіях захворювання.

For more information:1950477648nn@gmail.com