Expunerea la gazele de evacuare diesel modifică expresia rețelelor implicate în neurodegenerarea în creierul peștilor zebră Partea 3
Mar 04, 2024
Rezultatele comparației proteomice au evidențiat suprareglarea (suprareprezentarea) ACTG2 (actină, gamma 2), CAT (catalază), GSR (glutation-disulfidereductază), GST (glutation S-transferaza), HMOX1 (hemoxigenază 1) și PRDX1 (peroxiredoxină). 1), precum și reglarea în jos a enzimei de conjugare ubiquitină ubcM2, RAP1A (RAP1A, membru al familiei RASoncogene), UBE2E3 (enzima de conjugare ubiquitină E2 E3) și ACTA1 (actină, alfa 1).
Proteomica este o tehnologie științifică la scară largă care studiază tipurile, structurile, cantitățile și funcțiile proteinelor din organisme. În ultimii ani, tot mai multe studii au arătat că proteomica este strâns legată de memorie.
Cercetătorii au descoperit că proteinele din creier pot afecta semnalizarea dintre neuroni, afectând astfel activitățile cognitive precum învățarea și memoria. De exemplu, majoritatea moleculelor de proteine necesare pentru codificarea memoriei și procesele de stocare sunt sintetizate la sinapse. Aceste molecule proteice nu sunt doar implicate direct în conducerea și transducția semnalelor nervoase, dar pot afecta și conexiunile sinaptice și stabilitatea acestora între neuroni, afectând astfel generarea și consolidarea memoriei.
Cercetările au descoperit, de asemenea, că anumite proteine joacă un rol crucial în procesul de memorie. De exemplu, protein kinaza CaMKII din neuroni reglează puterea și stabilitatea conexiunilor sinaptice și joacă un rol important în învățare și memorie. O altă proteină importantă este BDNF, care poate promova creșterea neuronilor, întărirea sinaptică și supraviețuirea neuronală, îmbunătățind astfel consolidarea și menținerea memoriei.
În plus, unele studii au descoperit că sănătatea fizică și dieta au, de asemenea, efecte semnificative asupra proteomicii și memoriei. Somnul adecvat, exercițiile fizice adecvate și o dietă săracă în grăsimi și bogată în proteine pot promova sinteza și repararea proteinelor, ceea ce este benefic pentru îmbunătățirea memoriei și a abilităților cognitive.
Pe scurt, proteomica și memoria sunt strâns legate. Oamenii de știință care studiază științele vieții descoperă din ce în ce mai mult cum să moduleze proteomul pentru a îmbunătăți memoria și a preveni tratamentele pentru tulburările cognitive, cum ar fi boala Alzheimer. Prin urmare, ar trebui să acordăm atenție rezultatelor cercetării științifice și să menținem obiceiuri bune de alimentație, viață și exerciții fizice pentru a menține un creier sănătos, puternic și a avea o memorie mai bună. Se poate observa că trebuie să îmbunătățim memoria, iar Cistanche deserticola poate îmbunătăți semnificativ memoria, deoarece Cistanche deserticola poate regla și echilibrul neurotransmițătorilor, cum ar fi creșterea nivelului de acetilcolină și a factorilor de creștere. Aceste substanțe sunt foarte importante pentru memorie și învățare. În plus, Cistanche deserticola poate, de asemenea, să îmbunătățească fluxul sanguin și să promoveze livrarea de oxigen, ceea ce poate asigura că creierul primește suficiente nutrienți și energie, îmbunătățind astfel vitalitatea și rezistența creierului.
Faceți clic pe cunoaște 10 moduri de a îmbunătăți memoria
Printre acestea, reglarea în jos a ubcM2, un inhibitor al Nrf2, poate duce la o activitate mai mare a acestei căi. Deoarece diferitele componente ale citoscheletului (ACTG2 și ACTA1) se comportă diferențial și având în vedere lipsa unei expresii diferențiale semnificative în Nrf2 sau Keap1, se poate concluziona că expunerea la DEPe poate induce rearanjarea citoscheletului (în favoarea translocării Nrf2 în nucleu) și activarea Calea Nrf2 indirect prin stimuli de stres oxidativ (Fig. 4).
Aceste constatări sunt bine susținute de analiza noastră transcriptomică, care arată reglarea în sus a PRDX, GSR și GST (genele din aval). Cu toate acestea, analiza transcriptomului a detaliat în continuare că c-Fos și FRA1 (doi inhibitori ai Nrf2 nuclear) sunt semnificativ diminuați și, prin urmare, permit o activitate mai mare a Nrf2 în timpul tratamentului DEPe.
Maturarea fagozomilor
Maturarea fagozomului facilitează traficul particulelor internate către o serie de structuri subcelulare din ce în ce mai acidificate, legate de membrană, ceea ce duce la degradarea particulelor. După etanșarea sau scisiunea membranei de suprafață, fagozomii s-au fuzionat cu endozomii timpurii, endozomii tardivi și lizozomii, însoțiți de modificări acidifiante semnificative în compoziția sa, transformându-l într-un mediu oxidativ și degradant.
Mișcarea fagozomului are loc pe baza legării proteinelor citoscheletice (microtubuli), conducând la fuziunea endozomilor și a lizozomilor secvenţial într-o manieră dinamică (Gotthardt et al. 2002). inclusiv antigenul precoce al endozomului 1 (EEA1), complexul VPSS34 și proteinele SNARE.
Mai mult, acidificarea are loc simultan prin vATPaza (o pompă de protoni vacuolară) care translocă H+ prin membrană și acidifică în continuare lumenul (Desjardins și colab. 1994).
Deși nu s-a găsit o implicare semnificativă a acestei căi la nivel transcriptomic, analiza noastră proteomică arată o reglare în jos a ATP6V1A (ATPaza H + subunitatea V1 de transport A), ATP6V1E1, ATP1B2B, ATP1B3A, ATP6V1F, DYNLRB1 (dineină de tip lanț ușor), b TUBA1C (tubulină alfa 1c), TUBB2A, TUBB4A și VAMP2 (proteina membranară asociată veziculelor 2) care sugerează că tratamentul cu DEPe poate duce la activitate de maturare a fagozomului inferior sau la modificarea pH-ului lizozomal (Fig. 4). Acest lucru este în concordanță cu raportul nostru recent conform căruia expunerea la DEPe are ca rezultat un fux neuronalautofagic mai scăzut și sugerează un mecanism care stă la baza toxicității neuronale a poluării aerului (Barnhill et al.2020).
Procesarea amiloidului
Plăcile de amiloid sunt semne distinctive ale leziunilor cerebrale neuropatologice în AD și PD cu demență. Aceste structuri sunt compuse din peptida A-beta, care este esențială pentru patofiziologia AD (SadighEteghad et al. 2015).
Beta-amiloid este procesat de complexul gamma-secretază (Presenilin1/2) și beta-secretaza (BACE1) din proteina transmembranară de tip 1-proteina amiloidă (APP). Se știe că infuxul anormal de Ca2+ duce la activarea aberantă a Calpainei, care joacă un rol în fosforilarea proteinei asociate microtubulilor Tau, pe calea CDK5.
Mai mult, stresul oxidativ asociat cu acumularea de A-beta contribuie la activarea mai multor kinaze, inclusiv MAP kinaze, rezultând în fosforilarea tau. Hiperfosforilarea patologică a tau are un rol esențial în destabilizarea microtubulilor (Sadigh-Eteghad et al. 2015). ). Aceste modificări sunt deosebit de relevante pentru patogeneza AD și PD și ar putea fi un factor care contribuie la modul în care poluarea aerului crește riscul.
Analizele noastre de expresie sugerează un impact destabilizator al DEPe asupra regulatorilor procesării amiloidului, deoarece trei regulatori, inclusiv CAPNS1 (subunitatea mică calpaină 1), MARK1 (kinaza de reglare a afinității microtubulilor 1) și PRKAR1B (subunitatea regulatoare beta de tip I dependentă de protein kinasecAMP) au fost reglați în jos la nivelul nivelul proteic (fig. 4).
Disfuncția mitocondrială
Fiind principalii consumatori de oxigen dintr-o celulă, mitocondriile conțin o multitudine de purtători redox pentru a transfera electroni în oxigen, ceea ce are ca rezultat formarea speciilor reactive de oxigen (ROS).
Aceste organele conțin un sistem de apărare antioxidantă pentru detoxifierea ROS și pentru a evita deteriorarea oxidativă a altor componente celulare. Expunerea la DEPe a dus la modificări în expresia proteinelor cheie, care au dus probabil la disfuncție mitocondrială. După cum se arată în Fig. 4, există o scădere semnificativă a nivelului proteic al ATP sintetazei (ATP5F1D, ATP5mea), citocrom c oxidază (COX7A2), NADH dehidrogenază (NDUFA10, NDUFS8), 2-oxoglutarat dehidrogenază (OGDH), și subunitatea complexă 2 a citocromului b-c1 (UQCRC2) care joacă roluri esențiale în transportul electronilor.
Acest lucru ar putea modifica producția de ATP și, de asemenea, ar putea duce direct la o producție și toxicitate crescute de ROS. S-a propus ca disfuncția mitocondrială să contribuie la patogeneza AD și PD și, ca și în cazul unora dintre căile menționate mai sus, poluarea aerului ar putea modifica riscul prin perturbarea funcției acestei organele critice.
Semnalizarea ghidajului axonal
Formarea conexiunilor neuronale necesită extinderea axonilor care migrează către țintele lor sinaptice. La marginea anterioară a axonului, conul de creștere axonală conține receptori cu capacitatea de a detecta indicii de ghidare atractive și respingătoare care sunt necesare pentru navigarea axonului.
Pe lângă BMP, Shh și Wnt (care au fost recent implicate în ghidarea axonală), există cel puțin patru grupuri majore de indicii de ghidare: (i) Netrine și receptori DCC/UNC-5; (ii) Plexină, semaforine și receptori de neuropilină; (iii) Slituri și receptori Robo; și (iv) Efrine și receptori Eph. Aceste proteine pot fi fie secretate și asociate cu matricea extracelulară (Slits, Netrins și unele Semaphorine) fie ancorate la suprafața celulei (Ephrins și alte Semaphorine) (Stoeckli 2018). Tratamentul cu DEPe are un impact asupra mai multor aspecte ale ghidării axonale.
La nivel de proteine, câțiva factori importanți și regulatori au fost modificați în timpul tratamentului. Suprareprezentarea PLXNB2 (plexină B2) și subreprezentarea mai multor proteine, inclusiv ARHGEF11 (factor de schimb de nucleotide Rho guanine 11), CHMP1A (proteina corporală multiveziculară încărcată 1A), COPS5 (subunitatea semnalosomală COP9 5), GNAT1 (subunitatea proteină G GNAT21) (subunitatea proteinei G alfa transducină 2), GNB5 (subunitatea proteinei G beta 5), MYL1 (lanț ușor miozin 1), MYL2 (lanț ușor miozin 2), NCK1 (proteina adaptor 1), PLXNA1 (plexină A1), PRKAR1B (protein kinază) Subunitatea regulatoare beta de tip I dependentă de cAMP), RAC3 (familia Rac smallGTPase 3), RAP1A (un membru al familiei oncogene RAS), SHANK2 (SH3 și multiple domenii repetate anchirinei 2), TUBA1C (tubulină alfa 1c), TUBB2A (tubulină beta 2A clasa IIa ), și TUBB4A (tubulinbeta 4A clasa Iva) sugerează o afectare semnificativă a ghidării axonilor în embrionul în curs de dezvoltare (Tabelul suplimentar 5).
Interesant, calea de ghidare axonală nu a fost afectată semnificativ la nivel transcriptomic, ceea ce sugerează că implicarea acestei căi poate fi un rezultat în aval prin care unele dintre proteinele efectoare/regulatoare au fost degradate.
Modificările în căile de ghidare axonală descrise aici ar putea reflecta căi neurotoxice relevante pentru AD și PD sau pur și simplu reflectă interferența dezvoltării neuronale în dezvoltarea embrionilor. Analiza profilurilor de expresie la adulții expuși la DEPe ar ajuta la rezolvarea acestei întrebări.
Alte căi
Analizele noastre proteomice și transcriptomice au demonstrat, de asemenea, implicarea mai multor căi și căi metabolice, inclusiv degradarea melatoninei, ritmul circadian, semnalizarea joncțiunii celulelor Sertoli-celule Sertoli, semnalizarea joncțiunii epiteliale aderente, metabolismul hormonului tiroidien II (prin conjugare și/sau degradare), semnalizarea RhoA. Biosinteza -5′-fosfat II, calea de semnalizare GP6, semnalizarea RhoGDI, calea extrinsecă de activare a protrombinei și sistemul de coagulare. Multe dintre aceste modificări ar putea reflecta modificări datorate întreruperii dezvoltării.
De exemplu, atât analizele proteomice, cât și transcriptomice au arătat că calea de fototransducție are cele mai mari modificări în exprimare la tratamentul cu DEPe. După cum se arată în Tabelul suplimentar 5, mai multe gene, inclusiv Opsin, GRK, S-arrestin, Transducin- , Transducin- , PDC și GUCA au un nivel atenuat de transcripție din cauza expunerii la DEPe. Datorită lipsei dovezilor de inducție a oricărui element în această cale, tratamentul cu DEPe pare să afecteze dezvoltarea sistemului vizual. Acest lucru este în concordanță cu observația noastră că ochii nu s-au dezvoltat niciodată complet și sunt mici după tratament.
Evaluarea funcțională
În acest raport, reglarea semnificativă a citocromului P450 (Cyp1A) a fost efectul cel mai proeminent al expunerii la DEPe. Cyp1A metabolizează mulți compuși endogeni și exogeni, iar expresia crescută în creier poate fi de protecție împotriva toxicității sau poate contribui la aceasta. Pentru a înțelege mai bine rolul Cyp1A în toxicitatea DEPe, am folosit CRISPR/Cas9 pentru a genera un model de deprimare a Cyp1A. Deoarece procedura de editare a genelor la peștele-zebra este probabil un proces parțial care duce la embrioni de mozaic, folosim termenul „knockdown” (KD) în loc de „knockout”. Folosind un ghid-ARN specific secvenței, am convertit primul situs CCA PAM într-un codonin TGA (stop) primul exon al Cyp1A. Un ghid non-țintă-ARN a fost folosit alternativ ca control de amestecare (SC).
ARN-ul total a fost apoi izolat din capetele de până la 20 de embrioni KD și SC (5 pdf), iar eficiența de distrugere a fost validată prin analiza qPCR. Similar cu ceea ce s-a observat în studiul ARN-Seq cu capacitate mare, acest experiment a demonstrat o inducție puternică (de 30,59-ori față de valoarea inițială) a Cyp1A la tratarea DEPe la embrionii SC, în timp ce embrionii KD nu au avut o astfel de creștere a expresiei ( Fig. 5a).
Supraviețuirea a șase grupuri de embrioni în timpul unui 7-curs de zi (n mai mare sau egal cu 40) este prezentată în Fig. 5b. Pe scurt, la 7pdf, supraviețuirea medie a fost de 89,1%, 74,4%, 79,4%, 68,5%, 48,8% și 7,6% pentru WT/DMSO, WT/DEPe, SC/DMSO, SC/DEPe, KD/DMSO și KD/DEPe, respectiv. Astfel, KD de Cyp1A a dus la o supraviețuire redusă, dar a fost redusă dramatic la peștii tratați cu DEPe, comparativ cu martorii.
În plus, KD a dus, de asemenea, la o rată semnificativ mai mare de malformații morfologice (Fig. 5c). Astfel, inducerea expresiei Cyp1A de către DEPe pare a fi un mecanism compensator protector. O limitare semnificativă a constatărilor noastre este că am măsurat Cyp1Ainducerea expresiei în creierul peștelui zebra, dar KDexperiments a redus expresia în întregul embrion.
Importanța și implicațiile pentru bolile neurodegenerative
Se știe că poluarea aerului are un impact negativ asupra calității vieții și joacă un rol important în dezvoltarea bolilor umane și animale. Folosind analize de expresie cu randament ridicat, am arătat că tratamentul cu DEPe a modificat mai multe procese biologice și căi de semnalizare în capetele capetelor de embrioni de pește zebră. Modificările formării fagozomilor, procesării amiloidului și funcției mitocondriale sunt deosebit de relevante pentru neurodegenerare.
În mod surprinzător, rezultatele noastre nu au indicat nicio implicare clară a inflamației, despre care s-a presupus că joacă un rol important în toxicitatea poluării aerului. Acest lucru se datorează probabil faptului că am măsurat expresia numai în capetele unui pește-zebră de o zi 5-și nu în întregul corp. Aceste studii au menit să determine modul în care creierul este afectat de expunerea la DEPe.
Creierul conține microglia, care probabil sunt activate de DEPe, dar ele compun o fracțiune atât de mică a celulelor din creier încât orice modificări pot fi nedetectabile. În plus, microglia nu este prezentă și nu funcționează în creierul larvelor în curs de dezvoltare până la 3-5 pdf. Din acest motiv, expunerea timpurie poate să nu fie cea mai relevantă pentru studiul răspunsurilor inflamatorii. Inducerea metabolismului xenobiotic este, de asemenea, probabil relevantă ca răspuns compensator sau protector la poluarea aerului.
Modelul nostru Cyp1AKD a validat rolul protector al acestei căi și reprezintă un exemplu excelent al modului în care studiile de expresie pot oferi indicii importante pentru determinarea mecanismelor de substanțe toxice, cum ar fi poluarea aerului. Nu se știe dacă polimorfismele din gena Cyp1A modifică riscul de AD sau PD la oamenii expuși la poluarea aerului, dar aceste rezultate sugerează o potențială interacțiune genă-mediu și merită investigații suplimentare.
O întrebare importantă de abordat este relevanța expunerilor DEPe la poluarea aerului. DEPe este amestecul cel mai frecvent utilizat în cercetarea poluării aerului pentru cultura celulară și alte modele care nu sunt adaptabile camerelor de inhalare. Extractele cu diclormetan ale DEP conțin fragmente hidrofobe, cum ar fi HAP, care sunt cel mai probabil să intre în fluxul sanguin și să se bioacumuleze în creier. Un studiu recent a determinat concentrația mai multor HAP în creierul autopsiei umane și a constatat că acestea conțineau concentrații de HAP foarte similare cu cele utilizate în studiile prezentate aici (Pastor-Beldaet al. 2019). Astfel, expunerile la creierul de pește zebra sunt foarte relevante, deoarece conțin HAP și alte fragmente care s-au observat că se bioacumulează în creierul uman.
Mulțumiri Mulțumim următoarelor agenții pentru finanțarea acestei lucrări: Fundația Levine (JMB), granturi de la Institutul Național de Științe ale Sănătății Mediului, NIEHST32ES015457 (LMB, SK) și Alianța Parkinson (JMB).
Contribuția autorului Conceperea și proiectarea studiului (MSJ, LMB, JMB); Achizitie de date (MSJ, HM, LMB, SL): Analiza si interpretarea datelor (MSJ, LMB, JMB); Redactarea articolului sau revizuirea lui critică pentru conținut intelectual important (MSJ, HM, LMB, JMB).
Finanțare Aceste studii au fost susținute de Fundația Levine (JMB), granturi de la Institutul Național de Științe ale Sănătății Mediului, NIEHS T32ES015457 (LMB, SK) și Alianța Parkinson (JMB).
Disponibilitatea datelor Toate datele sunt disponibile în fișierele noastre suplimentare.
Declarații
Aprobare etică Toate experimentele pe animale au fost aprobate de Comitetul de Cercetare a Animalelor UCLA.
Consimțământ pentru publicare Toți autorii aprobă această trimitere pentru publicare.
Interese concurente Autorii nu declară interese concurente.
Acces deschis Acest articol este licențiat sub o licență Creative Commons Atribuire 4.0 Internațională, care permite utilizarea, partajarea, adaptarea, distribuirea și reproducerea pe orice suport sau format, atâta timp cât acordați un credit adecvat autorului(i) original(i) și sursa, furnizați un link către licența Creative Commons și indicați dacă s-au făcut modificări.
Imaginile sau alte materiale de la terți din acest articol sunt incluse în licența Creative Commons a articolului, cu excepția cazului în care se indică altfel într-o linie de credit a materialului. Dacă materialul nu este inclus în licența Creative Commons a articolului și utilizarea intenționată a dvs. nu este permisă de reglementările legale sau depășește utilizarea permisă, va trebui să obțineți permisiunea direct de la deținătorul drepturilor de autor. Pentru a vizualiza o copie a acestei licențe.
Referințe
Ahmadinejad F, Møller, SG Hashemzadeh-Chaleshtori M, BidkhoriG, Jami MS. Mecanismele moleculare din spatele captatorilor de radicali liberi funcționează împotriva stresului oxidativ Antioxidanți 2017;6https://doi.org/10.3390/antiox6030051
Barnhill LM, Khuansuwan S, Juarez D, Murata H, AraujoJA, Bronstein JM. 2020. Expunerea la extractul de eșapament diesel induce toxicitate neuronală prin perturbarea autofagiei. Toxicol Sci; https://doi.org/10.1093/toxsci/kfaa055. Disponibil: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/32298450 [Accesat 1 mai 2020].
Bostancıklıoğlu M. O actualizare privind interacțiunile dintre boala Alzheimer, autofagie și inflamație. Gene.2019;705:157–66. https://doi.org/10.1016/j.gene.2019.04.040.
Calderón-Garcidueñas L, Maronpot RR, Torres-Jardon R,Henríquez-Roldán C, Schoonhoven R, Acuña-Ayala H,et al. Deteriorarea ADN-ului în țesuturile nazale și cerebrale ale caninilor expuși la poluanții din aer este asociată cu dovezi de inflamație cronică a creierului și neurodegenerare. Toxicol Pathol. 2003;31:524–38. https://doi.org/10.1080/01926230390226645.
Calderón-Garcidueñas L, Mora-Tiscareño A, Ontiveros E, Gómez-Garza G, Barragán-Mejía G, Broadway J, et al. Poluarea aerului, deficitele cognitive și anomaliile creierului: un studiu pilot cu copii și câini. Brain Cogn.2008a;68:117–27. https://doi.org/10.1016/j.bandc.2008.04.008.
Calderón-Garcidueñas L, Reed W, Maronpot RR, HenríquezRoldán C, Delgado-Chavez R, Calderón-Garcidueñas A, și colab. Inflamația creierului și patologia asemănătoare cu Alzheimer la persoanele expuse la o poluare severă a aerului. Toxicol Pathol. 2004;32:650–8. https://doi.org/10.1080/01926230490520232.
Calderón-Garcidueñas L, Solt AC, Henríquez-Roldán C, TorresJardón R, Nuse B, Herritt L și colab. Expunerea pe termen lung la poluarea aerului este asociată cu neuroinflamație, un răspuns imun înnăsat alterat, întreruperea barierei hemato-encefalice, depunerea de particule ultrafine și acumularea de amiloid -42 și -sinucleină la copii și adulți tineri. Toxicol Pathol. 2008b;36:289–310. https://doi.org/10.1177/0192623307313011.
Calderón-Garcidueñas L, Villarreal-Calderon R, ValenciaSalazar G, Henríquez-Roldán C, Gutiérrez-Castrellón P,Coria-Jiménez R, et al. Inflamație sistemică, disfuncție endotelială și activare la copiii sănătoși clinic expuși la poluanții din aer. Inhalați Toxicol. 2008c;20:499–506. https://doi.org/10.1080/08958370701864797.
For more information:1950477648nn@gmail.com
