Perspective structurale și funcționale asupra polimorfismului fibrilelor sinucleinei Partea 4

7. Separarea fazelor și nuclearea: baza moleculară a polimorfismului fibrilului

La scurt timp după descoperirea că agregarea -Syn nu este legată numai de PD, ci și de MSA și DLB, domeniul cheie de cercetare s-a concentrat în primul rând pe înțelegerea capacității unei proteine ​​de a provoca diverse tulburări neurodegenerative clinic și patologic.

Pe măsură ce îmbătrânești, s -ar putea să descoperi că memoria ta nu este la fel de bună ca atunci când erai copil. Uneori, poate simți chiar că creierul tău este „ruginit” și este dificil să -ți amintești informații noi. Dar ce se poate face pentru a îmbunătăți această situație? Cercetările din ultimii ani au arătat că există o relație strânsă între MSA (complexul dopaminei-saharide) și memorie.

MSA este un circuit neuronal care implică neurotransmițătorul dopamină. Dopamina este un neurotransmițător important în creier și este legată de emoții, motivație și mișcare. Pietrele solare sunt nuclee din creier care controlează mișcarea și coordonează mișcarea. Relația cu dopamina este că atunci când corpul bazal este stimulat de dopamină, acesta va crește conexiunile dintre neuronii creierului, favorizând astfel formarea și consolidarea memoriei.

Cercetările arată că MSA poate fi activată și stimulată prin jocuri digitale, antrenament muzical, exerciții fizice și interacțiune socială. Aceste modalități pot întări conexiunea cu lichidul cefalorahidian prin creșterea eliberării de dopamină. De exemplu, s-a demonstrat că exercițiile pentru creier statice, cum ar fi Sudoku și cuvinte încrucișate, îmbunătățesc abilitățile de memorie. De asemenea, sa demonstrat că antrenamentul muzical stimulează circuitele MSA și îmbunătățește abilitățile de memorie. În plus, s -a dovedit că exercițiile fizice și interacțiunea socială au un impact pozitiv asupra activării MSA, promovând astfel sănătatea creierului și îmbunătățirea memoriei.

Pe scurt, deoarece activitățile MSA au un impact pozitiv asupra memoriei, găsirea și participarea la activități care stimulează MSA este un pas important în îmbunătățirea memoriei. A fi activ fizic, a participa la activități sociale și a învăța noi abilități pot activa și stimula circuitul MSA, promovând astfel sănătatea creierului și memoria îmbunătățite. Să începem de acum înainte și să participăm activ la aceste activități pentru a injecta energie și vitalitate nouă în creierul nostru. Se poate observa că trebuie să îmbunătățim memoria, iar Cistanche deserticola poate îmbunătăți semnificativ memoria deoarece Cistanche deserticola este un material medicinal tradițional chinezesc care are multe efecte unice, dintre care unul este îmbunătățirea memoriei. Eficacitatea Cistanche deserticola provine din numeroasele ingrediente active pe care le conține, inclusiv acid tanic, polizaharide, glicozide flavonoide etc. Aceste ingrediente pot promova sănătatea creierului într-o varietate de moduri.

Faceți clic pe cunoașteți modalități de îmbunătățire a funcției creierului

În ultimii câțiva ani, ipoteza tulpinii prionice a apărut ca principala explicație pentru variabilitatea observată a bolii în sinucleinopatii. Deși o serie de date biofizice și biologice susțin existența tulpinilor -Syn [29,30,32–35,53], nu este încă clar cum își au originea aceste tulpini și factorii care conduc la formarea lor in vivo.

Răspunsul probabil ar putea consta în delimitarea căilor de agregare și discernământul factorilor moleculari care stau la baza formării tulpinilor. Formarea amiloidului nu este guvernată doar de nucleația primară, ci este dominată de evenimentele de nucleare secundară în cea mai mare parte a fazei de creștere a agregării, așa cum a fost discutat mai devreme [189].

Această nucleare secundară implică alungirea de noi fibrile din semințele existente prin recrutarea de monomeri din soluție. Orice modificare a condițiilor de soluție a fibrilelor tind să modifice rata evenimentelor de nucleare primară și secundară [188,189]. De exemplu, pH-ul acid îmbunătățește legarea monomerilor -Syn la suprafața fibrilei, crescând astfel ratele de nucleare secundară [189,302].

Deoarece propagarea agregatelor indusă de semințe este atribuită fragmentării și alungirii semințelor de fibrile, acest lucru ne conduce la ipoteza că fenomenul de deformare este, cel puțin parțial, o consecință a nucleării secundare. Mai mult, mai multe specii coexistă în diferite etape ale cineticii de agregare [17,303,304], sugerând implicarea intermediarilor de agregare în dictarea polimorfismului.

Cartografierea spațiului conformațional al monomerului -Syn relevă o subpopulație structurală a monomerului -Syn care promovează legarea acestuia cu membranele și induce formarea diverșilor oligomeri și fibrile [170].

Laboratorul nostru a demonstrat recent că nuclearea eterogenă în timpul căii de agregare formează baza originii polimorfismului [252]. Am generat două polimorfe diferite, HMF (fibrile maturate Helix) și PMF (fibrile prematurate), din intermediarii de agregare formați în aceleași condiții de asamblare.

PMF-urile nu au un miez de amiloid stabil și au conținut aleator de bobine împreună cu elemente de foaie. Mai mult decât atât, foaia structurată din reziduurile 74-79 este absentă din domeniul său NAC (reziduurile 65-80), sugerând că PMF-urile sunt fibrile mai puțin ordonate. tipuri. Dimpotrivă, HMF-urile distincte din punct de vedere morfologic și structural sunt mai compacte și bine ordonate cu un miez de fibrilă stabilă [252].

Acestea conțin suprafețe hidrofobe foarte expuse și sunt potențial mai toxice decât PMF-urile mai puțin ordonate. Acești polimorfi prezintă nu numai diferențe structurale, ci și activități biologice diferite [252].

Un studiu similar care a implicat identificarea intermediarilor de agregare în prezența unei membrane fosfolipide a evidențiat că speciile prefibrilare conțin două regiuni bucle cu reziduuri 57 până la 61 și 71 până la 80 [305]. Acești intermediari se rearanjează apoi în specii fibrilare cu cea mai mare parte a regiunii NAC și capătul N-terminal (reziduurile 38-80) făcând parte din conformația fibrilă finală [305].

Au fost raportate, de asemenea, studii cu agregate de A, PrP și tau, unde emană proprietăți biologice distincte datorită diferențelor structurale dintre polimorfe [28,306–309]. De exemplu, fibrilele A diferite din punct de vedere morfologic și structural formate în condiții de repaus și agitație arată diferențe semnificative de toxicitate în neuronii primari, fibrilele de repaus fiind mai toxice în comparație cu altele [28].

O gamă largă de conformații PrPSc structural diverse prezintă tropism al celulei gazdă, cu un set specific de tulpini care vizează de preferință neuroni, astrocite sau chiar ambele [307,308]. Astfel, tulpinile -Syn rezultate din nuclearea eterogenă în calea de agregare pot provoca variații clinice și patologice în PD. prin prezentarea de citotoxicitate variabilă și diferite proprietăți asemănătoare prionilor (Figura 5).

Recent, evoluția conceptului de agregare a proteinelor către un fenomen mai fundamental, și anume separarea fază lichid-lichid (LLPS), a influențat semnificativ domeniul și a îndreptat cercetarea într-o nouă direcție [310–314]. Proteinele sunt incubate în condiții variate, de exemplu, pH, temperatură și condiții de sare [315–317].

Evenimentele de separare a fazelor sunt promovate în prezența aglomerațiilor moleculare, cum ar fi polietilenglicolul, dextranul sau ficoll, care ajută la creșterea concentrației locale de proteine ​​și la facilitarea formării picăturilor [315-318]. Ulterior, dinamicitatea, maturarea și profilul de agregare sunt investigate folosind o combinație unică de metode biofizice, biochimice și spectroscopice [315,317].

S-a demonstrat că fenomenele de separare de fază a diferitelor proteine ​​amiloidogene preced agregarea și formarea fibrilelor. S-a sugerat că prezența regiunilor de tulburare intrinsecă (IDR), a domeniilor asemănătoare prionilor (PLD) și a domeniilor de complexitate scăzută (LCD) promovează formarea de condensate separate de fază ale proteinelor amiloidogene [310,315,316,319,320].

Laboratorul nostru a demonstrat recent că LLPS-ul -Syn este un eveniment acritic în faza de întârziere timpurie și precede agregarea sa în condiții de separare a fazelor (prezența aglomerațiilor, a factorilor de stres, a cofactorilor amiloizi etc.) [315].

Apariția acestor picături separate de fază în faza de întârziere a cineticii de agregare sugerează că LLP-urile ar putea îmbunătăți evenimentele de nucleare prin creșterea concentrației locale a moleculelor de proteine ​​[315,320]. Mai mult, picăturile -Syn separate de fază sunt supuse tranziției de la lichid la solid în timp și au ca rezultat formarea hidrogelului amiloid [315].

S-a demonstrat anterior că aceste hidrogeluri de amiloid captează oligomeri și fibrile citotoxice [321], indicând posibilitatea ca fibrilele formate prin LLPS să fie toxice. Cu toate acestea, în condiții normale de asamblare (fără separarea fazelor), fibrilele -Syn prezintă o citotoxicitate foarte mică sau deloc [322,323]. Acest lucru sugerează că fibrilele formate în condiții de separare de fază și fără separare de fază ar putea fi diferite.

Mai mult decât atât, formarea fibrilelor în soluțiile diluate (cunoscute că apar prin nucleație primară și secundară) [189] și cea din condens (prin LLPS) nu sunt evenimente care se exclud reciproc [324], dar căile de agregare diferite pot duce la formarea de fibrile diferite (Figura). 6).

De exemplu, TDP-43, o proteină implicată în ALS/FTD, suferă fibrilație cu sau fără LLPS. Cu toate acestea, cinetica fibrilației în ambele cazuri este diferită, sugerând implicarea proceselor complexe în fibrilație în prezența LPS [329].

Prin urmare, ar fi foarte relevant să ne punem câteva întrebări, cum ar fi dacă fibrilele formate cu sau fără separarea fazelor sunt distincte structural și funcțional unele de altele sau, pur și simplu, prezintă polimorfismul fibrilelor. Dacă diferitele condiții sau mutații LLPS au vreun rol în deciderea comportamentului de tulpină a fibrilelor -Syn formate?

De exemplu, s-a demonstrat că mutațiile patogene din FUS prezintă proprietăți biofizice diferite în comparație cu proteina de tip sălbatic [327]. Aceste constatări sugerează că, în mod similar cu condițiile fără separare de fază, în care condițiile de soluție diferite dau naștere la polimorfe [29], fibrilele formate în condiții diferite de separare a fazelor ar putea fi, de asemenea, diferite (Figura 7).

De exemplu, faza -Syn care se separă în diferite condiții, cum ar fi prezența PTM-urilor, mutații familiale, molecule mici sau ioni metalici, poate prezenta polimorfism și poate forma diferite tipuri de fibrile (Figura 7).

Cu toate acestea, acest fenomen nu a fost încă determinat, deoarece ar necesita o caracterizare extinsă a fibrilelor formate în interiorul picăturilor. Credem că coexistența unor specii intermediare distincte conformațional și o multitudine de căi de agregare observate cu sau fără LLPS ar putea sta la baza originii polimorfismului. .

Cu toate acestea, sunt necesare mai multe cercetări în acest domeniu pentru a delimita contribuția nucleării eterogene și a căilor de agregare multiple la fibrilpolimorfism. Dezvoltarea și aplicarea diferitelor tehnici biofizice ne-ar putea ajuta să obținem informații pertinente despre evenimentele moleculare care au loc în timpul LLPS și maturarea ulterioară a picăturilor.

8. Implicații clinice și terapeutice ale polimorfismului

Studiile discutate în revizuire oferă dovezi concludente că -Syn poate forma polimorfe diverse cu proprietăți structurale și biologice distincte. Similar cu prionii, unde fiecare boală prionică este codificată de o conformație distinctă a proteinei pliate greșit, fiecare sinucleinopatie este, de asemenea, posibil asociată cu o structură -Syn unică.

Cu toate acestea, diferitele structuri de fibrile pentru aceeași proteină prezintă mai multe provocări în dezvoltarea medicamentelor împotriva tulburărilor neurodegenerative. Terapiile precum imunoterapia ar fi foarte specifice pentru o anumită tulpină, dar ar putea să nu recunoască una diferită. În mod similar, dezvoltarea de molecule terapeutice mici sau medicamente pentru blocarea sau încetinirea procesului de agregare a proteinelor trebuie verificată pentru conformații multiple. Având în vedere complexitatea fibrilelor și polimorfismul lor, țintirea monomerică -Syn ar putea fi o opțiune.

Cu toate acestea, acest lucru este, de asemenea, o provocare din cauza naturii intrinsec dezordonate a proteinei. În ciuda acestor provocări, detectarea și caracterizarea tulpinilor -Syn derivate ale pacienților va deschide o fereastră de oportunități pentru înțelegerea și caracterizarea mai profundă a sinucleinopatiilor. Va facilita dezvoltarea de noi terapii și sisteme de clasificare mai robuste a sinucleinopatiilor.

În acest context, tehnici extrem de sensibile precum PMCA [330], testul de conversie indusă de tremur în timp real (RT-QuIC) [331] și inductorul de explozie HANdaiamyloid (HANABI) [332] au contribuit semnificativ la amplificarea -Synaggregates din LCR ale pacienților. creier. PMCA și RT-QuIC au fost utilizate pentru a discrimina între tulpinile -Syn derivate de la pacient PD/MSA și respectiv PD/DLB [52,333].

Utilizarea acestor tehnici ar ajuta la monitorizarea progresiei bolii în timp și ar ajuta la diagnosticarea precoce și specifică a sinucleinopatiilor. În plus, diferențele clinice și patologice și eterogenitatea de la pacient la pacient observate în PD și tulburările asociate pot afecta modul în care ar trebui tratați pacienții cu sinucleinopatie. În prezent, toți pacienții cu PD primesc același tip de tratament și nu se face distincție între pacienți în funcție de modul în care au dobândit boala și de ce simptome prezintă.

Prin urmare, anticipăm că medicamentele și agenții terapeutici conceputi pentru a viza speciile patogene -Syn pot implica fie utilizarea unui medicament bazat pe un singur conformațional, fie a unui cocktail de medicamente împotriva diverselor polimorfe sau tulpini care sunt populate în creierul uman bolnav. În plus, mai mulți parametri cheie ar trebui luați în considerare de la caz la caz, cum ar fi profilul bolii, simptomele patologice și clinice, tipurile și natura tulpinilor de proteine ​​implicate și rata de progresie a bolii în timpul tratării pacienților cu sinucleinopatii.

Prin urmare, identificarea potențialelor obiective terapeutice și proiectarea medicamentelor bazate pe conformaționale este următorul pas mare către dezvoltarea medicamentelor împotriva PD și a tulburărilor asociate. Stabilirea legăturii dintre propagarea astrainului și fenotipul bolii va oferi informații valoroase în dezvoltarea de strategii eficiente pentru combaterea tulburărilor neurodegenerative.

O altă provocare este administrarea de medicamente la creier pentru a trata tulburările neurodegenerative, care se confruntă în principal cu obstacole din cauza barierelor hematoencefalice restrictive [32]. Au fost făcute numeroase încercări de a administra medicamente prin nanopurtători, metode de administrare directă a medicamentelor, întreruperea tranzitorie a barierei hemato-encefalice și terapii cu celule stem [33–37]. Cu toate acestea, niciunul dintre tratamente nu a reușit să depășească pe deplin provocările actuale [32].

9. Observații finale și întrebări deschise

Comportamentul de tulpină asemănător prionilor a -Syn este încă un fenomen enigmatic. Este surprinzător cum o singură proteină fără nicio structură adecvată se poate plia în multe moduri diferite și poate adopta conformații care duc la diferite patologii.

Multe întrebări fără răspuns au nevoie de investigații suplimentare, chiar și după o cantitate impresionantă de muncă asupra tulpinilor polimorfe-Syn. De exemplu, ce determină formarea tulpinii -Syn în anumite condiții celulare și de mediu? Cum vizează aceste tulpini diferite tipuri de celule și regiuni ale creierului? Tulpinile -Syn evoluează, se schimbă sau se adaptează în timp, în funcție de factorii gazdă?

Cum influențează prezența altor proteine, liganzi, membrane sau cofactori formarea tulpinilor? Tulpinile -Syn au capacitatea de a vedea încrucișat între ele și au ca rezultat patologii mixte? Tulpinile -Syn interferează și blochează propagarea reciprocă, în mod similar cu prionii?

Este posibil sau avem tehnici suficient de sensibile pentru a discrimina între tulpinile PD și MSA într-un stadiu incipient al diagnosticului? Având în vedere extinderea fenomenului tulpinii prionice la mai multe alte proteine ​​amiloidogene, poate fi, de asemenea, necesar să se înțeleagă evenimentele moleculare cheie din biologia tulpinilor și strategiile eficiente de proiectare.

Contribuții ale autorului: Conceptualizare, investigație SM și SKM (revizuire a literaturii); SM;LG; RB și ASS; redactare-întocmire proiect original, SM; LG; RB și ASS; scriere-revizuire și editare, SM; LG; RB; ASS și SKM; vizualizare, SM; administrarea proiectelor, SM și SKM; supraveghere, SM și SKM; achiziția de finanțare, SKM, SM și SKM sunt autori corespondenți care contribuie în mod egal. Toți autorii au citit și au fost de acord cu versiunea publicată a manuscrisului.

Finanțare: Această cercetare a fost finanțată de Departamentul de Biotehnologie (DBT) [BT/PR22749/BRB/10/1576/2016], Guvernul Indiei.

Declarația Comitetului de revizuire instituțională: Nu se aplică.

Declarație de consimțământ informat: Nu se aplică.

Declarație de disponibilitate a datelor: Nu se aplică.

Mulțumiri: Autorii mulțumesc Departamentului de Biotehnologie (DBT), Guvernul Indiei pentru sprijinul financiar. Îi mulțumim lui Pradeep Kadu pentru ajutorul acordat în realizarea figurilor. SM este recunoscător Comisiei de granturi universitare din India pentru bursa ei.

Conflicte de interese: Autorii nu declară niciun conflict de interese.

Abrevieri

-sinucleină ( -Syn), boala Parkinson (PD), atrofie multiplă a sistemelor (MSA), demență cu corp Lewy (DLB), demență prin boala Parkinson (PDD), corpi Lewy (LB), nevrite Lewy (LN), boala Alzheimer (AD) ), incluziuni citoplasmatice gliale (GCI), modificări post-translaționale (PTM), de tip sălbatic (WT), microscopie crio-electronică (cryo-EM), spectroscopie RMN în stare solidă (ssNMR); microscopie electronică de transmisie (TEM), microscopie cu forță atomică (AFM), dicroism circular (CD), nucleu motor dorsal al nervului vag (DMV), sistemul nervos enteric (ENS); -Sinucleina (sin); -sinucleină ( -Syn); Amplificarea ciclică de pliere greșită a proteinei (PMCA); Separarea fază lichid-lichid (LLPS).

Referințe

1. Spillantini, MG; Goedert, M. The alpha-synucleinopathies: boala Parkinson, dementa cu corpi Lewy, si atrofie multiplesystem. Ann. NY Acad. Sci. 2000, 920, 16–27. [CrossRef] [PubMed]

2. Spillantini, MG; Crowther, RA; Jakes, R.; Hasegawa, M.; Goedert, M. -Sinucleina în incluziuni filamentoase ale corpilor Lewy din boala Parkinson și demența cu corpi Lewy. Proc. Natl. Acad. Sci. SUA 1998, 95, 6469–6473. [CrossRef] [PubMed]

3. Spillantini, MG; Schmidt, ML; Lee, VM; Trojanowski, JQ; Jakes, R.; Goedert, M. A-sinucleina în corpii Lewy. Natura 1997,388, 839–840. [CrossRef]

4. Galvin, JE; Lee, VM; Trojanowski, JQ Sinucleinopatii: Implicații clinice și patologice. Arc. Neurol. 2001, 58, 186–190.[CrossRef]

5. Mahul-Mellier, AL; Burtscher, J.; Maharjan, N.; Weerens, L.; Croisier, M.; Kuttler, F.; Leleu, M.; Knott, GW; Lashuel, HA Procesul de formare a corpului Lewy, mai degrabă decât simpla fibrilizare a alfa-sinucleinei, este unul dintre factorii majori ai neurodegenerării. Natl. Acad. Sci. SUA 2020, 117, 4971–4982. [CrossRef] [PubMed]

6. Shahmoradian, SH; Lewis, AJ; Genoud, C.; Hench, J.; Moors, TE; Navarro, PP; Castano-Diez, D.; Schweighhauser, G.; GraffMeyer, A.; Goldie, KN; et al. Patologia Lewy în boala Parkinson constă în organele aglomerate și membrane lipidice. NatNeurosci. 2019, 22, 1099–1109. [CrossRef] [PubMed]

7. Tarife, MB; Jagannath, S.; Lashuel, HA Inginerie inversă a corpurilor Lewy: Cât de departe am ajuns și cât de departe putem merge? Nat.Rev. Neurosci. 2021, 22, 111–131. [CrossRef] [PubMed]

8. Serpell, LC; Berriman, J.; Jakes, R.; Goedert, M.; Crowther, RA Difracția cu fibre a filamentelor sintetice de alfa-sinucleină prezintă conformație încrucișată asemănătoare samiloidului. Proc. Natl. Acad. Sci. SUA 2000, 97, 4897–4902. [CrossRef] [PubMed]

For more information:1950477648nn@gmail.com