Структурний і функціональний аналіз поліморфізму -синуклеїнових фібрил. Частина 1

Анотація:

Аномальне накопичення агрегованого -синуклеїну (-Syn) спостерігається при різноманітних нейродегенеративних захворюваннях, включаючи хворобу Паркінсона (PD), множинну системну атрофію (MSA), деменцію з тільцями Леві (DLB), деменцію при хворобі Паркінсона (PDD) і навіть підмножини хвороби Альцгеймера (AD), що демонструє патологію, подібну до тільця Леві.

Синуклеїн є дуже важливим білком, який відіграє життєво важливу роль у людському мозку. Дослідження показали тісний зв'язок між синуклеїном і пам'яттю.

Синуклеїн, як цитоплазматичний ендоскелетний білок нейронів, в основному міститься в нейронах спинного та головного мозку. Він виконує важливі структурні та біологічні функції та може підтримувати та покращувати синаптичні зв’язки. Сенсорне введення може індукувати синтез синуклеїну в нейронах, тим самим підвищуючи пластичність синаптичних зв’язків і сприяючи процесам навчання та пам’яті.

Останні дослідження показують, що пригнічення рівня синуклеїну може мати наслідки для формування та збереження пам’яті. Зниження рівня синуклеїну пов'язане з погіршенням пам'яті та може призвести до виникнення нейродегенеративних захворювань, таких як хвороба Альцгеймера.

Таким чином, ми можемо зробити висновок, що синуклеїн відіграє життєво важливу роль у людському мозку і що існує тісний зв’язок між ним, навчанням і пам’яттю. Ми повинні звернути увагу на сприяння синтезу синуклеїну в нашому мозку, щоб краще зберегти та покращити нашу пам’ять. Можна побачити, що нам потрібно покращити пам’ять, і Cistanche deserticola може значно покращити пам’ять, оскільки Cistanche deserticola є традиційним китайським лікарським матеріалом, який має багато унікальних ефектів, одним із яких є покращення пам’яті. Ефективність Cistanche deserticola пояснюється багатьма активними інгредієнтами, які він містить, включаючи дубильну кислоту, полісахариди, флавоноїдні глікозиди тощо. Ці інгредієнти можуть сприяти здоров’ю мозку різними способами.

Клацніть дізнатися про 10 способів покращити пам’ять

Ці синуклеїнопатії демонструють відмінності у своїх клінічних і патологічних проявах, нагадуючи пріонні розлади. Нові дані свідчать про те, що -Syn самозбирається та полімеризується в конформаційно різноманітні поліморфи in vitro та in vivo, подібні до пріонів.

Ці поліморфи -Syn, що виникають з того самого білка-попередника, можуть проявляти специфічні для штаму біохімічні властивості та здатність індукувати різні патологічні фенотипи після їх інокуляції на моделях тварин. У цьому огляді ми обговорюємо клінічну та патологічну варіабельність синуклеїнопатій та кілька аспектів поліморфізму фібрил -Syn, включаючи існування молекулярних структур високої роздільної здатності та штамів, отриманих із мозку.

Поточний огляд проливає світло на нещодавні досягнення в окресленні структурно-патогенного зв’язку -Syn і того, як різноманітні молекулярні поліморфи -Syn сприяють існуючій клінічній гетерогенності синуклеїнопатій.

Ключові слова: -синуклеїн; амілоїд; поліморфи; синуклеїнопатії.

1. Введення

Неправильне згортання та агрегація -синуклеїну (-Syn) відіграє вирішальну роль у прогресуванні нейродегенеративних захворювань, таких як хвороба Паркінсона (PD), деменція з тільцями Леві (DLB), деменція при хворобі Паркінсона (PDD) і множинна системна атрофія (MSA) , які разом називаються синуклеїнопатіями [1].

В результаті агрегації білка з часом у мозку відбуваються невропатологічні зміни, і в уражених областях мозку з’являються імунопозитивні тільця включення -Syn [2,3].

Ці тільця включення є визначальними характеристиками синуклеїнопатій і називаються тільцями Леві (LB) і нейритами Леві (LN) у PD, DLB і PDD, а також гліальними цитоплазматичними включеннями (GCI) у MSA [1,4].

Було також показано, що формування LB є основним фактором нейродегенерації [5]. Це включає взаємодію фібриляції, взаємодії з мембранними компонентами клітини та посттрансляційні модифікації (ПТМ) [5–7].

Хоча тільця включення при синуклеїнопатіях відрізняються розміром, формою, структурою та розташуванням у мозку [1], загальною ознакою є наявність ниткоподібних агрегатів білка -Syn. Ці нитки -Syn являють собою високовпорядковані поперечні - -пластові структури, утворені агрегацією білка [8]. Численні дослідження in vitro продемонстрували, що -Syn зазнає структурного переходу від невпорядкованого стану до поперечно- -пластового- багаті фібрили [9–11], які подібні до -синамілоїдів, знайдених у тільцях включення в мозку хворих пацієнтів [12–16].

Однак агрегація -Syn не є процесом перетворення з одним станом; натомість він включає взаємоперетворення багатьох конформаційних станів і утворення олігомерних проміжних продуктів [17].

Ці олігомерні проміжні сполуки є дуже гетерогенними, тимчасовими та метастабільними, і вважаються найбільш токсичними видами під час фібриляційного шляху [17]. Однак через тимчасову та високогетерогенну природу цих олігомерних видів важко пояснити зв’язок між структурою та токсичністю [17]. ].

Навпаки, амілоїдні фібрили, що утворюються як кінцевий продукт процесу агрегації, головним чином беруть участь у пріоноподібному розмноженні агрегатів і роблять значний внесок у поширення патології захворювання [18–23].

Тим не менш, були дослідження, які виявили, що важко індукувати патологію -Syn у мишей після внутрішньомозкового введення фібрил [24], ймовірно, через розмір і розміри зрілих фібрил повної довжини. Натомість кілька груп припустили, що нефібрилярні або олігомерні види беруть участь у поширенні патології -Syn [25–27].

Однак, враховуючи токсичну природу олігомерів, важко встановити зв’язок між токсичністю та поширенням олігомерами. Таким чином, молекулярний механізм, що регулює взаємодію олігомерів і фібрил, необхідно добре зрозуміти.

Крім того, поліморфна природа амілоїдних фібрил додала ще одну складність цій галузі. Детальні структурні моделі амілоїдних фібрил і проміжних продуктів агрегації показали, що амілоїдні фібрили демонструють поліморфізм на молекулярному рівні, тобто один пептид або білок може утворювати низку окремих фібрилярних утворень, що саморозповсюджуються [28].

Останні результати біохімічних і структурних досліджень із залученням клітинних ліній, моделей тварин і екстрактів людського мозку надали початкові докази того, що структурні варіації в амілоїдних фібрилах можуть бути відповідальними за спостережувані варіації захворювання [29–35].

Умови росту фібрил, такі як склад буфера, солі, температура тощо, глибоко впливають на морфологію та біологічну активність фібрил -Syn, утворених in vitro [29,31,33,36–38].

Це свідчить про те, що зміни в умовах розчину змінюють молекулярні взаємодії між поліпептидними ланцюгами, що призводить до різних типів фібрил. Поліморфізм також можна спостерігати через відмінності в картині між- або внутрішньозалишкових взаємодій, кількість амінокислотних залишків, що утворюють протофіламенти, їх упаковку та орієнтацію [39–41].

Кілька інших факторів також відповідають за поліморфну ​​природу амілоїдів; однак наше розуміння того, як конкретні умови розчину призводять до утворення різних структур фібрил, обмежене. Існування поліморфів було пов’язано з явищем деформації в пріонах, де різні штами білка PrP пов’язані з низкою клінічних фенотипів, що спостерігаються в пріонних захворюваннях. [42–44].

In vitro штами пріонів характеризуються відмінностями в резистентності до протеази, профілі глікозилювання, електрофоретичній рухливості, здатності до посіву тощо. In vivo їх розрізняють на основі клінічних ознак і симптомів, профілю ураження, початку захворювання та інкубаційного періоду [45–47]. ].

Все більше доказів свідчать про те, що -Syn також демонструє пріоноподібні штамові явища, що пояснює його зв’язок з різними нейродегенеративними захворюваннями з різними клінічними та патологічними фенотипами [35,48–50]. Лі та його співробітники показали створення синтетичних штамів -Syn, здатний вперше диференціально пересівати тау [30].

Це дослідження лягло в основу пізніших досліджень із залученням штамів -Syn [29,32,33,36,49,51–54]. Останні досягнення в твердотільній ЯМР (ssNMR) спектроскопії та кріоелектронній мікроскопії (кріо-ЕМ) додатково сприяли розумінню поліморфізму на молекулярному рівні у фібрилах -Syn [55–59]. Ці поліморфи фібрил можна розрізнити на основі фібрили діаметр, наявність завитків, кількість і упаковка протофіламентів, взаємодії бічних ланцюгів, розташування вторинної та третинної структур тощо [41,57,60,61].

Кріо-ЕМ-структури фібрил дикого типу (WT) -Syn та його мутаційних варіантів також надали нове уявлення про те, як асоційовані із захворюванням точкові мутанти -Syn змінюють структуру фібрил білка WT, що свідчить про поліморфізм всередині мутантів. Крім того, характеристика та визначення структури штамів, отриманих пацієнтом, може надати прямий доказ існування штамів -Syn, відповідальних за гетерогенність захворювання при синуклеїнопатіях.

Загалом, різні попередні дослідження показали, що різні штами -Syn є відповідальними за клінічні варіації, що спостерігаються при синуклеїнопатіях, і, можливо, пояснюють зв'язок агрегатів -Syn з гетерогенністю захворювання [32–35,52,53].

Тим не менш, існують питання про походження поліморфізму in vivo, розповсюдження штам-специфічних властивостей фібрил і фактори, що керують формуванням штамів, які потребують уваги.

Цей огляд зосереджений на поліморфній природі -Syn і описує його роль у патогенезі захворювання, пов’язаного з хворобою Паркінсона та пов’язаними з нею розладами. У ньому обговорюються докази того, що -Syn може збиратися в різні штами фібрил і може бути основним фактором гетерогенності захворювання при синуклеїнопатіях.

2. Клініко-патологічні особливості синуклеїнопатій

Агрегація білка -Syn пов'язана з PD та іншими нейродегенеративними розладами, які спільно називаються синуклеїнопатіями. До них належать MSA, DLB, PDD та менш охарактеризовані нейроаксональні дистрофії [4,48].

PD є найпоширенішим серед усіх синнуклеїнопатій і є основним напрямком досліджень -Syn, які проводяться протягом десятиліть. -Syn неправильно згортається і накопичується у вигляді фібрилярних тілець включення при синуклеїнопатіях. Однак зовнішній вигляд і розташування цих тілець включення варіюють при індиферентних синуклеїнопатіях [62].

Наприклад, нейрональні включення присутні при PD, PDD і DLB, тоді як гліальні включення утворюються при MSA [4] і менш характерні аксональсфероїди при нейро-аксональних дистрофіях [4]. Існування різноманітних клінічних і патологічних профілів синуклеїнопатій піднімає фундаментальне питання про те, як агрегація одного білка призводить до різних захворювань.

2.1. Хвороба Паркінсона (ХП)

ХП є другим найбільш поширеним і складним неврологічним розладом після хвороби Альцгеймера (БА) [63]. Це поширене, хронічне та прогресуюче нейродегенеративне захворювання, яке вражає приблизно від 1% до 4% загальної популяції у віці від 60 до 80 років [64–66].

Він включає накопичення еозинофільних, округлих, цитоплазматичних LB і LN, що супроводжується дегенерацією дофамінергічних нейронів у ділянці substantia nigra parscompacta (SNpc) середнього мозку [3,67].

Втрата дофамінергічних нейронів призводить до зниження рівня нейромедіатора дофаміну [68], що призводить до порушення нормального функціонування мозку та порушення рухової функції, що призводить до симптомів хвороби Паркінсона. Чотири основні симптоми, такі як брадикінезія, тремор у спокої, постуральна нестабільність і ригідність, розглядаються для клінічної діагностики БП [67].

Окрім цих моторних симптомів, у пацієнтів з ХП також спостерігаються немоторні симптоми, такі як безсоння, запор, когнітивна дисфункція, вегетативна недостатність і депресія [67]. Кілька досліджень стверджують, що ці немоторні симптоми та багато проблем шлунково-кишкового тракту [69–73] у пацієнтів пов’язані з ураженням ентеральної нервової системи (ЕНС) на ранніх стадіях ХП.

Експериментальні дані свідчать про те, що неправильно складений -Syn поширюється пріонним способом від ENS до CNS через іннервацію дорсального рухового ядра блукаючого нерва (DMV) [74–76]. Однак фактори, які спричиняють неправильне згортання та агрегацію -Syn в ENS, не повністю відомі. Одним із зареєстрованих факторів є висока поширеність Enterobacteriaceae у шлунково-кишковому тракті, які виробляють позаклітинні амілоїди, що називаються кучерявими волокнами [77].

Ці кучеряві амілоїди використовуються для прикріплення до господаря, інвазії в тканини та виробництва біоплівки бактеріями. Незважаючи на функціональну роль волокон curli, Escherichia coli, що продукує curli, індукує шлунково-кишкову дисфункцію та моторні порушення у мишей із надмірною експресією -Syn [78].

Амілоїдогенна субодиниця фібрил curli (CsgA) взаємодіє та прискорює агрегацію -Syn, і експресія curli справді необхідна для індукування пов'язаних з -Syn поведінкових дефіцитів [78]. Однак необхідні подальші дослідження, щоб розшифрувати роль бактеріальних амілоїдів у сприянні агрегації -Syn і відстежити походження БП вздовж осі кишка-мозок. За останні кілька років генетика БП була значно вивчена.

Ген SNCA був ідентифікований як один із основних генів, пов’язаних із спорадичним і сімейним БП [63,79]. Мутації в паркіні та LRRK2 є іншими поширеними генами, пов’язаними з рецесивним і домінантним успадкуванням БП відповідно [63,79]. Дуплікація [80] і триплікація [81] гена SNCA, гена, що кодує -Syn, викликає ранній початок паркінсонізму.

Разом із розмноженням гена SNCA [82] одноточкові мутації також пов’язані з сімейним аутосомним паркінсонізмом. На сьогоднішній день відомо про сім місенс-мутацій, пов’язаних із сімейним БП: A30P [83], E46K [84], H50Q [85, 86], G51D [87], A53T [88], A53E [89], і нещодавно відкритий A53V [90]. Агрегація та утворення амілоїду цих сімейних мутантів були широко вивчені in vitro [12,16,91–101].

A30P, A53E і G51D сповільнюють агрегацію WT-Syn, тоді як E46K, A53T, H50Q і A53V прискорюють те саме [10,91–95,99,101,102]. Однак швидкість їх агрегації in vitro не корелює з початком захворювання, що свідчить про взаємодію олігомеризації та фібриляції in vivo, яка визначає прогресування захворювання та початок у сімейних формах БП [103].

Крім генетичних факторів, ~95% випадків хвороби Паркінсона є спорадичними [63,104] і пов’язані з факторами ризику клітин і середовища. До них належать наявність поліамінів, шаперонів, глікозаміногліканів, мембран, іонів металів, вплив пестицидів, важких металів тощо. [6,105–114]. Ці фактори ризику унікальним чином модулюють неправильне згортання та агрегацію -Syn, пов’язану з патогенезом БП [94,115].

2.2. Множинна системна атрофія (MSA)

MSA є рідкісним спорадичним нейродегенеративним захворюванням, яке прогресивно переходить у хронічну форму з вегетативною недостатністю разом із симптомами паркінсонізму або мозочкової атаксії [116,117]. Поширеність захворювання становить 2,4–4,9 випадків на 100000 населення [117].

MSA однаково вражає представників обох статей, і захворюваність частіше зустрічається у людей старше 60 років [118,119]. MSA є більш руйнівним і агресивним неврологічним розладом, ніж інші синуклеїнопатії, через більш швидке клінічне прогресування з набагато меншою тривалістю захворювання (6–9 років), ніж БП (~12 років) [117,119]. У багатьох пацієнтів з діагнозом PD після розтину виявлено MSA [120].

Цей помилковий діагноз MSA виникає через збіг симптомів двох захворювань, що свідчить про те, що поширеність MSA перевищує оцінку [117]. MSA раніше описувався трьома клінічними синдромами: стриатонігральна дегенерація, олівопонтоцеребелярна атрофія та синдром Шай-Драгерса, які раніше вважалися окремими розладами [121,122].

Пізніше було виявлено, що ці синдроми часто співіснують клінічно та патологічно і створюють враження загального основного захворювання, яке було названо MSA. Клінічно пацієнти з MSA демонструють численні комбінації симптомів, таких як паркінсонізм, мозочкова атаксія, прогресуюча вегетативна недостатність і пірамідні ознаки.

Виходячи з цього, вони поділяються на два основних клінічних підтипи: (i) підтип паркінсонізму (MSA-P), з паркінсонізмом як домінуючою ознакою, і (ii) підтип мозочка (MSA-C), з мозочковою атаксією як основною ознакою [ 123–125]. Зустрічальність MSA-P і MSA-C коливається від 2:1 до 4:1 відповідно [126–128].

Проте, підтип MSA-C в основному зустрічається та переважає серед населення Японії [118]. Гістопатологічною ознакою MSA є наявність GCI, утворених в олігодендроцитах мозку, які виявляють сильну імунореактивність з -Syn [129]. Це робить його патологічно відмінним від інших синуклеїнопатій, оскільки він демонструє аномальне накопичення білка -Syn в олігодендроцитах, на відміну від PD і DLB, де включення -Syn виявляються в нейронах [130].

Хоча деякі пацієнти з MSA продемонстрували наявність агрегатів -Syn в ядрі та цитоплазмі нейронів [131], ці нейрональні включення менш поширені, ніж GCI при MSA. Крім того, механізм аберрантного накопичення -Syn в гліальних клітинах неясний, оскільки експресія -Synin у зрілих олігодендроцитах відсутня або мінімальна [132–135].

Кілька звітів припускають можливість передачі/транслокації -Syn від нейронів до олігодендроцитів [136,137]. Однак цей механізм повністю невідомий, і точне походження включень -Syn в олігодендроцитах залишається неясним.

2.3. Деменція з тільцями Леві (DLB)

DLB є другою за поширеністю синуклеїнопатією після PD [138–140]. Рівень захворюваності та поширеності DLB не є точним через те, що симптоми збігаються з AD, PDD, судинною деменцією та іншими синуклеїнопатіями.

За оцінками, його поширеність становить приблизно 0,4%, тобто 400 осіб на 100,000 населення у літніх людей [141], що становить 5% усіх випадків деменції та 1–4 людини на 1000 населення [142]. Спочатку DLB ідентифікували як синдром деменції [143]. Пізніше було виявлено, що тільця включення від DLB-пацієнтів мають високу імунореактивність до -Syn [3]. Після цього вона була віднесена до категорії основних типів синуклеїнопатій.

У той час як PD характеризується зниженням рухових здібностей, DLB в основному характеризується деменцією. Натомість пацієнт із DLB може страждати або не страждати від паркінсонізму [144]. На відміну від PD, LBs у пацієнтів з DLB переважно локалізовані та розподілені в цитоплазмі кортикальних нейронів ураженого мозку [145]. Кортикальні LBs є еозинофільними, округлими і, як правило, позбавлені структури ореолу, що спостерігається у класичних LB.

Клінічно це характеризується деменцією, порушенням пам’яті, паркінсонізмом і змінами в поведінці, сні та вегетативних тілесних і когнітивних функціях [143]. У багатьох пацієнтів з DLB також спостерігається значне відкладення A в кортикальній області разом із утворенням LBs [146,147] . Кілька переконливих доказів підтверджують синергічний зв’язок між A і -Syn [148–154].

Дослідження in vitro показали, що -Syn і A можуть перетинатися, утворювати гетероолігомери та сприяти агрегації один одного [148,151,152,154]. Отже, менша тривалість захворювання та більш швидке зниження спостерігаються у пацієнтів з патологією AD та деменцією [155,156].

Недавнє дослідження надало прямі експериментальні докази ефекту супутньої патології, де бляшки А сприяли посіву та поширенню -Syn у мишей із великою патологією А [157]. Тим не менш, клінічні та патологічні дослідження показують, що DLB більше збігається з PDD, ніж AD [158]. Загалом, синуклеїнопатії пов’язані з аномальним відкладенням -Syn, але все ще відрізняються з точки зору клінічних і патологічних фенотипів.

Незважаючи на кілька досліджень, причина цієї клініко-патологічної розбіжності залишається загадкою.3. Неправильне згортання та агрегація -SynMonomeric -Syn є внутрішньо невпорядкованим білком і має тенденцію приймати численні конформаційні стани, на які впливають такі умови розчину, як pH, температура, іонна сила, в'язкість тощо [9].

Наприклад, присутність спиртів (етанолу) або фторспиртів (TFE або HFiP) індукує утворення -листових або -спіральних частково складених структур -Syn, залежно від концентрації та типу спирту, що використовується [9]. -Syn вперше було виділено з антисироватки, отриманої проти холінергічної везикули з Torpedo californica, електричного променя [159].

Завдяки своєму розташуванню в ядерній оболонці та пресинаптичній терміналі його назвали синуклеїном [159,160]. -Білок Syn кодується геном SNCA, картованим на хромосомі людини 4q21.3-q22 [160]. -Syn також був відкритий Ueda та ін. [161] під час дослідження амілоїдних бляшок у мозку пацієнтів з хворобою Альцгеймера, у якому вони ідентифікували неамілоїдний компонент (NAC) у бляшках, який був отриманий з білка-попередника NACP [161]. Він був виявлений у всіх тканинах, крім печінки, і найвища концентрація виявлена ​​в головному мозку [161].

Пізніше було встановлено, що NACP є нативним неструктурованим і людським гомологом -Syn [162–164]. Широка біофізична та структурна характеристика показала, що -Syn є білком із 140 амінокислот із молекулярною масою ~14,4 кДа та pKa 4,7 [165].

Відомо, що він бере участь у вивільненні нейромедіаторів, обміні везикулами та складанні комплексу SNARE у мозку, хоча його точна фізіологічна роль досі невідома [160,165]. -Syn складається з трьох доменів, N-кінцевого, NAC і C-кінцевого доменів (рис. 1A).

N-кінець -Syn (залишки 1–60) є амфіпатичним, багатим на лізин і ліпід-зв’язуючим доменом, який взаємодіє з мембранами [109]. Він містить 11 аа-повторів, включаючи консервативні гексамерні мотиви KTKEGV [109]. Ці повтори зберігаються між видами, а також між трьома синуклеїновими членами. Хоча -Syn залишається невпорядкованим у водному розчині, він приймає спіральну структуру, що включає N-кінець після асоціації з негативно зарядженими маленькими одношаровими везикулами або міцелами миючого засобу [109,166,167].

Цікаво, що всі сімейні мутації Syn також відбуваються в N-кінцевій області [83–90] (Рис. 1B). Домен NAC -Syn (залишки 61–95) утворює гідрофобне ядро ​​білка і схильний до агрегації. Цей домен відповідає за перетворення -Syn з невпорядкованого стану в -sheet-багаті фібрили [168,169]. NAC також є частиною мембранозв'язуючого домену білка [167].

Конформаційний ансамбль -Syn мономеру справді складається зі структур, подібних до мембранно-зв'язаного стану -Syn [170]. Вони містять частково згорнуті спіралі, що включають N-кінці та домени NAC, подібні до моделі 1XQ8 [170], що свідчить про те, що такий тип згортання також може бути присутнім на ранніх стадіях агрегації.

С-кінцевий домен (залишки 95–140) гнучкий і переважно складається з негативно заряджених амінокислот [165]. Невпорядкована карбокси-кінцева частина також бере участь у ядерній локалізації білка -Syn та його взаємодії з металом, малими молекулами та білками [171–175].

For more information:1950477648nn@gmail.com