Структурний і функціональний аналіз поліморфізму -синуклеїнових фібрил. Частина 4

7. Поділ фаз і зародження: молекулярні основи поліморфізму фібрил

Невдовзі після відкриття того, що агрегація -Syn пов’язана не лише з PD, але також із MSA та DLB, ключова область досліджень була зосереджена насамперед на розумінні здатності білка викликати клінічно та патологічно різноманітні нейродегенеративні розлади.

Коли ви стаєте старше, ви можете виявити, що ваша пам’ять не така хороша, як у дитинстві. Іноді вам навіть може здаватися, що ваш мозок «іржавий» і важко запам'ятовувати нову інформацію. Але що можна зробити, щоб покращити цю ситуацію? Дослідження останніх років показали, що існує тісний зв’язок між MSA (допамін-сахаридним комплексом) і пам’яттю.

MSA - це нейронний ланцюг, що включає нейромедіатор дофамін. Дофамін є важливим нейромедіатором у мозку та пов’язаний з емоціями, мотивацією та рухом. Сонячні камені - це ядра в мозку, які контролюють рух і координують рух. Взаємозв’язок із дофаміном полягає в тому, що коли базальне тіло стимулюється дофаміном, це посилює зв’язки між нейронами мозку, таким чином сприяючи формуванню та зміцненню пам’яті.

Дослідження показують, що MSA можна активувати та стимулювати за допомогою цифрових ігор, музичного навчання, фізичних вправ і соціальної взаємодії. Ці модальності можуть зміцнити зв’язок із спинномозковою рідиною шляхом збільшення вивільнення дофаміну. Наприклад, доведено, що статичні вправи для мозку, такі як судоку та кросворди, покращують навички пам’яті. Також було показано, що музичні тренування стимулюють ланцюги MSA та покращують пам’ять. Крім того, було показано, що фізичні вправи та соціальне спілкування позитивно впливають на активацію MSA, сприяючи таким чином здоров’ю мозку та покращенню пам’яті.

Підсумовуючи, оскільки діяльність MSA позитивно впливає на пам’ять, пошук і участь у діяльності, яка стимулює MSA, є важливим кроком у покращенні пам’яті. Фізична активність, участь у громадських заходах і навчання новим навичкам можуть активувати та стимулювати ланцюг MSA, тим самим сприяючи покращенню здоров’я мозку та пам’яті. Давайте почнемо відтепер і активно беремо участь у цих заходах, щоб влити нову енергію та життєву силу в наш мозок. 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 «Знай, як покращити роботу мозку».

Протягом останніх кількох років гіпотеза пріонного штаму стала провідним поясненням спостережуваної мінливості захворювання при синуклеїнопатіях. Хоча низка біофізичних і біологічних даних підтверджує існування штамів -Syn [29,30,32–35,53], досі неясно, як ці штами походять і фактори, що сприяють їх формуванню in vivo.

Ймовірна відповідь може полягати в окресленні шляхів агрегації та розпізнаванні молекулярних рушійних факторів, що лежать в основі утворення штаму. Утворення амілоїду регулюється не лише первинною нуклеацією, але й домінує подією вторинної нуклеації протягом більшої частини фази росту агрегації, як обговорювалося раніше [189].

Це вторинне зародження включає подовження нових фібрил із існуючих зародків шляхом рекрутування мономерів із розчину. Будь-які зміни в умовах розчинення фібрил, як правило, змінюють швидкість первинного та вторинного зародження [188,189]. Наприклад, кислий pH посилює зв’язування мономерів -Syn з поверхнею фібрил, тим самим збільшуючи швидкість вторинної нуклеації [189,302].

Оскільки розмноження агрегатів, спричинене насінням, пояснюється фрагментацією та подовженням зародків фібрил, це змушує нас припустити, що явище деформації є, принаймні частково, наслідком вторинного зародження. Крім того, кілька видів співіснують на різних етапах кінетики агрегації [17,303,304], що свідчить про участь проміжних продуктів агрегації в диктуванні поліморфізму.

Картування конформаційного простору мономеру -Syn виявляє структурну субпопуляцію мономеру -Syn, яка сприяє його зв'язуванню з мембранами та індукує утворення різних олігомерів і фібрил [170].

Наша лабораторія нещодавно продемонструвала, що гетерогенне зародження під час шляху агрегації формує основу походження поліморфізму [252]. Ми створили дві різні поліморфи, HMF (дозрілі фібрили Helix) і PMF (попередньо дозрілі фібрили), з проміжних продуктів агрегації, утворених за однакових умов складання.

PMFs не мають стабільного амілоїдного ядра та мають випадковий вміст спіралі разом з елементами -sheet. Крім того, структурований -sheet із залишків 74–79 відсутній у його домені NAC (залишки 65–80), що свідчить про те, що PMFs є менш впорядкованою фібрилою види. Навпаки, морфологічно та структурно відмінні HMF є більш компактними та добре впорядкованими зі стабільним фібрильним ядром [252].

Вони містять сильно відкриті гідрофобні поверхні та є потенційно більш токсичними, ніж менш впорядковані PMF. Ці поліморфи демонструють не тільки структурні відмінності, але й виявляють різну біологічну активність [252].

Подібне дослідження, яке включало ідентифікацію проміжних продуктів агрегації в присутності фосфоліпідної мембрани, виявило, що префібрилярні види містять дві петлеві області із залишками 57-61 і 71-80 [305]. Потім ці проміжні сполуки перегруповуються у фібрилярні види, причому більша частина області NAC і N-кінець (залишки 38–80) утворюють частину кінцевої фібрильної конформації [305].

Також повідомлялося про дослідження з агрегатами A, PrP і tau, де різні біологічні властивості випливають через структурні відмінності між поліморфами [28,306–309]. Наприклад, морфологічно та структурно різні А-фібрили, утворені в умовах спокою та хвилювання, демонструють значні відмінності в токсичності первинних нейронів, при цьому спочиваючі фібрили є більш токсичними порівняно з іншими [28].

Низка структурно різноманітних конформацій PrPSc демонструє тропізм клітини-господаря, причому певний набір штамів переважно спрямований на нейрони, астроцити або навіть на обидва [307, 308]. Таким чином, штами -Syn, отримані в результаті гетерогенної нуклеації на шляху агрегації, можуть спричинити клінічні та патологічні варіації в PD. виявляючи змінну цитотоксичність і різні пріоноподібні властивості (рис. 5).

Нещодавно еволюція концепції білкової агрегації до більш фундаментального явища, а саме розділення фази рідина-рідина (LLPS), суттєво вплинула на цю галузь і спрямувала дослідження в новому напрямку [310–314]. Білки інкубують у різних умовах, наприклад рН, температура та умови солі [315–317].

Події поділу фаз сприяють у присутності молекулярних краудерів, таких як поліетиленгліколь, декстран або фікол, які сприяють збільшенню локальної концентрації білка та сприяють утворенню крапель [315–318]. Після цього динамічність, дозрівання та профіль агрегації досліджуються за допомогою унікальної комбінації біофізичних, біохімічних і спектроскопічних методів [315,317].

Було показано, що явища розділення фаз різних амілоїдогенних білків передують агрегації та утворенню фібрил. Було припущено, що наявність ділянок внутрішнього розладу (IDR), пріоноподібних доменів (PLD) і доменів низької складності (LCD) сприяє утворенню розділених фаз конденсатів амілоїдогенних білків [310,315,316,319,320].

Наша лабораторія нещодавно продемонструвала, що LLPS -Syn є критичною подією на ранній лаг-фазі та передує його агрегації в умовах розділення фаз (наявність переповнювачів, стресорів, амілоїдних кофакторів тощо) [315].

Поява цих розділених на фази крапель у лаг-фазі кінетики агрегації свідчить про те, що LLP можуть посилювати події зародження шляхом збільшення локальної концентрації білкових молекул [315, 320]. Крім того, розділені фази краплі -Syn піддаються переходу з рідкого стану в твердий з часом і призводять до утворення амілоїдного гідрогелю [315].

Раніше було показано, що ці амілоїдні гідрогелі вловлюють цитотоксичні олігомери та фібрили [321], що вказує на можливість того, що фібрили, утворені через LLPS, можуть бути токсичними. Однак за звичайних умов збірки (без поділу фаз) фібрили -Syn виявляють дуже незначну цитотоксичність або її взагалі немає [322,323]. Це свідчить про те, що фібрили, утворені в умовах розділення фаз і в умовах без розділення фаз, можуть бути різними.

Крім того, утворення фібрил у розбавлених розчинах (відоме, що відбувається через первинне та вторинне зародження) [189] і у конденсатах (через LLPS) не є взаємовиключними подіями [324], але різні шляхи агрегації можуть призвести до утворення різних фібрил (рис. 6).

Наприклад, TDP-43, білок, що бере участь у ALS/FTD, зазнає фібриляції з LLPS або без нього. Проте кінетика фібриляції в обох випадках різна, що свідчить про участь складних процесів у фібриляції в присутності ЛПС [329].

Тому було б дуже актуально поставити кілька запитань, наприклад, чи є фібрили, утворені з розділенням фаз або без нього, структурно та функціонально відмінними одна від одної, або, простіше кажучи, виявляють поліморфізм фібрил. Чи різні умови або мутації LLPS відіграють якусь роль у вирішенні поведінки деформації утворених фібрил -Syn?

Наприклад, було показано, що патогенні мутації у FUS демонструють інші біофізичні властивості порівняно з білком дикого типу [327]. Ці результати свідчать про те, що, подібно до умов без розділення фаз, коли різні умови розчину дають поліморфи [29], фібрили, утворені за різних умов розділення фаз, також можуть бути різними (рис. 7).

Наприклад, фаза -Syn, що відокремлюється за різних умов, таких як наявність PTM, сімейних мутацій, малих молекул або іонів металу, може демонструвати поліморфізм і утворювати різні типи фібрил (рис. 7).

Однак це явище ще належить визначити, оскільки воно потребуватиме детальної характеристики фібрил, утворених усередині крапель. Ми вважаємо, що співіснування конформаційно відмінних проміжних видів і безлічі шляхів агрегації, які спостерігаються з LLPS або без нього, можуть стати основою походження поліморфізму .

Однак необхідні додаткові дослідження в цій галузі, щоб окреслити внесок гетерогенного зародження і множинних шляхів агрегації в поліморфізм фібрилів. Розробка та застосування різних біофізичних методів може допомогти нам отримати глибоку інформацію про молекулярні події, що відбуваються під час LLPS і подальшого дозрівання крапель.

8. Клінічні та терапевтичні наслідки поліморфізму

Дослідження, розглянуті в огляді, надають переконливі докази того, що -Syn може утворювати різноманітні поліморфи з відмінними структурними та біологічними властивостями. Подібно до пріонів, де кожна хвороба пріонів кодується окремою конформацією неправильно згорнутого білка, кожна синуклеїнопатія також, можливо, пов’язана з унікальною структурою -Syn.

Однак різні структури фібрил для одного білка створюють кілька проблем у розробці ліків проти нейродегенеративних розладів. Такі методи лікування, як імунотерапія, будуть високоспецифічними для певного штаму, але можуть не розпізнати інший. Подібним чином розробка невеликих терапевтичних молекул або ліків для блокування або уповільнення процесу агрегації білків потребує перевірки на наявність кількох конформацій. Враховуючи складність фібрил та їх поліморфізм, націлювання на мономерний -Syn може бути варіантом.

Однак це також складно через внутрішньо невпорядковану природу білка. Незважаючи на ці проблеми, виявлення та характеристика штамів -Syn, що походять від пацієнтів, відкриє вікно можливостей для глибшого розуміння та характеристики синуклеинопатий. Це сприятиме розробці нових методів лікування та більш надійних систем класифікації синуклеїнопатій.

У цьому контексті високочутливі методи, такі як PMCA [330], аналіз індукованого тремтінням у реальному часі конверсії (RT-QuIC) [331] та HANdaiamyloid burst inducer (HANABI) [332], значною мірою сприяли ампліфікації β-синагрегатів із спинномозкової рідини пацієнтів. мізки. PMCA та RT-QuIC використовувалися для розрізнення штамів -Syn PD/MSA та PD/DLB відповідно [52,333].

Застосування цих методів допоможе відстежувати прогресування захворювання з часом і допоможе в ранній та специфічній діагностиці синуклеїнопатій. Крім того, клінічні та патологічні відмінності та гетерогенність між пацієнтами, що спостерігаються при ХП та пов’язаних з нею розладах, можуть впливати на те, як слід лікувати пацієнтів із синуклеїнопатією. Наразі всі пацієнти з ХП отримують однаковий тип лікування, і не робиться різниці між пацієнтами залежно від того, як вони отримали хворобу та які симптоми мають.

Таким чином, ми очікуємо, що ліки та терапевтичні засоби, призначені для націлювання на патогенні види -Syn, можуть включати використання або одного конформаційного препарату, або коктейлю ліків проти різноманітних поліморфів або штамів, які заселяються в хворому мозку людини. Крім того, слід враховувати кілька ключових параметрів у кожному конкретному випадку, наприклад, профіль захворювання, патологічні та клінічні симптоми, типи та природу залучених білкових штамів, а також швидкість прогресування захворювання під час лікування пацієнтів із синуклеїнопатіями.

Таким чином, визначення потенційних терапевтичних цілей і розробка конформаційних ліків є наступним великим кроком до розробки ліків проти ХП та пов’язаних з ним розладів. Встановлення зв’язку між поширенням штамів і фенотипом захворювання дасть цінну інформацію про розробку ефективних стратегій боротьби з нейродегенеративними розладами.

Інша проблема полягає в доставці ліків до мозку для лікування нейродегенеративних розладів, головним чином зіткнувшись із невдачами через обмежувальні гематоенцефалічні бар’єри [32]. Були зроблені численні спроби доставки ліків через наноносії, методи прямої доставки ліків, тимчасове порушення гематоенцефалічного бар’єру та лікування стовбуровими клітинами [33–37]. Однак жоден із методів лікування не зміг повністю подолати поточні проблеми [32].

9. Заключні зауваження та відкриті запитання

Пріоноподібна поведінка штаму -Syn досі залишається загадковим явищем. Дивно, як один білок без будь-якої належної структури може згортатися багатьма різними способами та приймати конформації, що призводить до різноманітних патологій.

Багато питань без відповіді потребують подальшого дослідження, навіть після вражаючої кількості роботи над поліморфами та штамами -Syn. Наприклад, що сприяє утворенню штаму -Syn за даних умов клітини та середовища? Як ці штами націлені на різні типи клітин і області мозку? Чи штами -Syn розвиваються, змінюються чи адаптуються з часом залежно від факторів-господарів?

Як присутність інших білків, лігандів, мембран або кофакторів впливає на формування штаму? Чи мають штами -Syn здатність перехресно бачити один одного і призводити до змішаних патологій? Чи штами -Syn заважають і блокують розмноження один одного, подібно до пріонів?

Чи можливо це, чи у нас є достатньо чутливі методи, щоб розрізнити штами PD і MSA на ранній стадії діагностики? Враховуючи поширення феномена штаму пріонів на кілька інших амілоїдогенних білків, може також знадобитися зрозуміти ключові молекулярні події в біології штаму та розробити ефективні стратегії.

Внесок автора: Концептуалізація, дослідження SM та SKM (огляд літератури); SM;LG; РБ і АСБ; написання-підготовка оригіналу, СМ; LG; РБ і АСБ; написання-рецензування та редагування, СМ; LG; РБ; АСС і СКМ; візуалізація, СМ; адміністрування проекту, SM та SKM; нагляд, СМ, СКМ; придбання фінансування, SKM, SM і SKM рівноправно вносять відповідні автори. Усі автори прочитали та погодилися з опублікованою версією рукопису.

Фінансування: це дослідження фінансувалося Департаментом біотехнології (DBT) [BT/PR22749/BRB/10/1576/2016] уряду Індії.

Заява інституційної ревізійної ради: не застосовується.

Заява про інформовану згоду: не застосовується.

Заява про доступність даних: не застосовується.

Подяка: автори висловлюють подяку Департаменту біотехнології (DBT) уряду Індії за фінансову підтримку. Дякуємо Прадіпу Каду за допомогу у виготовленні фігур. С. М. вдячна Комісії університетських грантів Індії за її стипендію.

Конфлікт інтересів: автори заявляють про відсутність конфлікту інтересів.

Скорочення

-синуклеїн (-Syn), хвороба Паркінсона (PD), множинна системна атрофія (MSA), деменція з тільцями Леві (DLB), деменція при хворобі Паркінсона (PDD), тільця Леві (LB), нейрити Леві (LN), хвороба Альцгеймера (AD) ), гліальні цитоплазматичні включення (GCI), посттрансляційні модифікації (PTM), дикого типу (WT), кріоелектронна мікроскопія (cryo-EM), спектроскопія твердотільного ЯМР (ssNMR); трансмісійна електронна мікроскопія (TEM), атомно-силова мікроскопія (АСМ), циркулярний дихроїзм (КД), дорсальне рухове ядро ​​блукаючого нерва (ДМВ), кишкова нервова система (ЕНС); -синуклеїн (син); -синуклеїн ( -Syn); Циклічна ампліфікація неправильного згортання білка (PMCA); Розділення фаз рідина-рідина (LLPS).

Список літератури

1. Спіллантіні, М.Г.; Goedert, M. Альфа-синуклеїнопатії: хвороба Паркінсона, деменція з тільцями Леві та мультисистемна атрофія. Енн NY акад. наук. 2000, 920, 16–27. [CrossRef] [PubMed]

2. Спіллантіні, М.Г.; Кроутер, Р.А.; Джейкс, Р.; Хасегава, М.; Goedert, M. - Синуклеїн у ниткоподібних включеннях тілець Леві від хвороби Паркінсона та деменції з тільцями Леві. Proc. Natl. акад. наук. США 1998, 95, 6469–6473. [CrossRef] [PubMed]

3. Спіллантіні, М.Г.; Шмідт, М.Л.; Лі, В.М.; Трояновський, JQ; Джейкс, Р.; Goedert, M. A-синуклеїн у тільцях Леві. Nature 1997, 388, 839–840. [CrossRef]

4. Galvin, JE; Лі, В.М.; Trojanowski, JQ Синуклеїнопатії: клінічні та патологічні наслідки. Арк. Нейрол. 2001, 58, 186–190. [Cross Ref]

5. Махул-Меллієр, А.Л.; Burtscher, J.; Махарджан, Н.; Віренс, Л.; Круазьє, М.; Каттлер, Ф.; Лелеу, М.; Нотт, ГВ; Lashuel, HA. Процес формування тілець Леві, а не просто фібрилізація альфа-синуклеїну, є одним із основних факторів нейродегенерації. Proc. Natl. акад. наук. США 2020, 117, 4971–4982. [CrossRef] [PubMed]

6. Шахморадян, Ш.; Льюїс, AJ; Genoud, C.; Хенч, Дж.; Маври, TE; Наварро, PP; Кастано-Дієс, Д.; Швайгаузер, Г.; GraffMeyer, A.; Голді, К.Н.; та ін. Патологія Леві при хворобі Паркінсона складається з переповнених органел і ліпідних мембран. NatNeurosci. 2019, 22, 1099–1109. [CrossRef] [PubMed]

7. Тарифи, МБ; Джаганнат, С.; Lashuel, HA Зворотне проектування тіл Леві: як далеко ми зайшли і як далеко ми можемо зайти? Nat.Rev. Неврологія. 2021, 22, 111–131. [CrossRef] [PubMed]

8. Serpell, LC; Берріман, Дж.; Джейкс, Р.; Гедерт, М.; Crowther, RA Дифракція волокон синтетичних альфа-синуклеїнових ниток показує перехресну бета-конформацію, подібну до амілоїду. Proc. Natl. акад. наук. США 2000, 97, 4897–4902. [CrossRef] [PubMed]

For more information:1950477648nn@gmail.com