Krysstale mellom forskjellige DNA-reparasjonsveier bidrar til nevrodegenerative sykdommer, del 3

5.1. DDR og autofagi

Ineffektiv aggregatklaring som indikerer defekt autofagi er en av de vanlige egenskapene til NDDer. Under AD-patogenesen har både nedsatt autofagosomsyntese og redusert clearance av autofagiske substrater blitt vist [152–154].

Autofagi er en prosess med selvnedbrytning og resirkulering av celler, som kan hjelpe oss med å fjerne aldrende, skadede og ubrukelige organeller og proteiner. Men med økende alder og dårlige livsstilsvaner, avtar menneskekroppens autofagifunksjon gradvis, noe som kan skade helsen og hukommelsen vår.

Studier har vist at det er en nær sammenheng mellom autofagi og hukommelse. Nedgangen i autofagifunksjonen vil føre til akkumulering av søppel i hjerneceller, og dermed påvirke normal metabolisme og signaloverføring i cellene, noe som fører til hukommelsestap og kognitiv svekkelse. Den normale autofagi-prosessen kan fremme regenerering og fornyelse av hjerneceller, opprettholde helsen til hjerneceller, og dermed bidra til å forbedre hukommelse og kognitiv evne.

Derfor må vi aktivt opprettholde autofagifunksjonen og forbedre autofaginivået vårt gjennom gode levevaner og kosttilpasninger. For eksempel bør vi unngå overdreven inntak av usunn mat som høyt sukker og høyt fett, og spise mer frukt og grønnsaker, fullkorn og annen mat rik på antioksidanter og cellulose, noe som kan bidra til å redusere dannelsen av frie radikaler og fremme autofagi prosess. I tillegg bør vi opprettholde moderat trening, holde et godt humør, unngå overdreven stress og angst, etc., noe som vil bidra til å forbedre autofagi og opprettholde en sunn hjerne og god hukommelse.

Generelt er det faktisk et nært forhold mellom autofagi og hukommelse, men vi kan opprettholde autofaginivået vårt gjennom riktig livsstil og kostholdsjustering, beskytte hjernen og hukommelsen vår og bevege oss mot et sunnere og mer positivt liv. Det kan sees at vi trenger å forbedre hukommelsen vår, og Cistanche kan forbedre hukommelsen betydelig fordi Cistanche også kan regulere balansen av nevrotransmittere, som å øke nivåene av acetylkolin og vekstfaktorer, som er svært viktige for hukommelse og læring. I tillegg kan Cistanche også forbedre blodstrømmen og fremme oksygentilførsel, noe som kan sikre at hjernen får tilstrekkelig næring og energi, og dermed forbedre hjernens vitalitet og utholdenhet.

Klikk vet kosttilskudd for å forbedre hukommelsen

Akkumuleringen av -SYN i PD indikerer dysfunksjonell chaperone-mediert autofagi (CMA), en viktig bidragsyter til autofagisk degradering av -SYN [155].

Mutasjoner i mange autofagyreseptorer, inkludert SQSTM1/p62 [155], OPTN og UBQLN2, har vært assosiert med patogenesen av ALS [156–158]. Assosiasjoner mellom DDR og autofagi som en direkte årsak til NDD er ennå ikke godt etablert, selv om litteraturen antyder indirekte forbindelser mellom DNA-reparasjonsmaskineriet og autofagi gjennom forskjellige, ikke-eksklusive ruter [159–161].

ATM-aktivering kan forårsake autofagi-induksjon gjennom 50 AMPaktivert proteinkinase (AMPK) som respons på ROS [162,163]. Mens Atm−/− nevroner viser unormal autofagi, behandles ATM i seg selv gjennom autofagisk degradering [164]. Parp1 knockout mus utsatt for akutt sult viste mangelfull leverautofagi, noe som antyder en fysiologisk rolle for PARP1 i sultindusert autofagi [165].

Koblingen mellom DDR og autofagi virker toveis, ettersom å slå ut BECLIN1, et protein involvert i autofagi-induksjon, reduserte aktiviteten og nivåene av avgjørende HR- og NHEJ-proteiner, og svekket også dannelsen av DNA-PK-komplekser [166,167].

SQSTM1/p62 har vist seg å regulere forholdet mellom HR og NHEJ ved å fremme sistnevnte ved stråling [168]. CMA regulerer CHK1-nivåer og forhindrer hyperfosforylering og destabilisering av MRN-komplekset [169]. Translasjonsproduktet av det ultrafiolette bestrålingsresistensassosierte genet (UVRAG), en viktig aktør i autofagi-initiering, patruljerer DSB-reparasjonsaktivitet gjennom direkte binding til DNA-PK i NHEJ [170].

Interessant nok kan DNA-skade indusere mitofagi, som kan spille en rolle i å beskytte celler mot DNA-skade-indusert cellulær død [171]. Selv om det ikke ble utforsket for DDR, viste gruppen vår nylig induksjon av endoplasmatisk stress (ER-stress) mediert pro-overlevelse autofagi etter stråling-indusert ROS-induksjon [172].+

5.2. DDR og nevroinflammasjon

Nevroinflammasjon er et annet vanlig fenomen som er lagt merke til i forskjellige NDDer. Avicious syklus antas å fungere, som involverer nevroinflammasjon, oksidativt stress og nevrodegenerasjon [173,174].

Betennelse kan i seg selv indusere DNA-skade gjennom generering av ROS og reaktive nitrogenarter (RNS). Betennelse øker ikke bare mutagene DNA-lesjoner, som 8-nitroguanidin og 8-oxoG, men påvirker også DNA-reparasjonskapasiteten negativt ved å hemme mange viktige DNA-reparasjonsenzymer [175,176].

Den banebrytende oppdagelsen av syklisk guanosinmonofosfat-adenosinmonofosfat (GMP-AMP) syntase (cGAS) som pattedyrs cytosoliske DNA-sensor av Sun et al. har etablert direkte koblinger mellom skadet DNA og nevroinflammasjon [177].

Ved binding til cytosolisk DNA, konverterer cGAS ATP og GTP til syklisk GMP-AMP (cGMP), som binder og aktiverer den endoplasmatiske retikulumproteinstimulatoren til interferon-gener (STING), og til slutt induserer produksjonen av type I-interferoner gjennom transkripsjonsfaktoreneNF-kB og IRF3 [178].

Aktiveringen av cGAS-STING har blitt sett i flere NDDer: i en atm-mangelfull rottemodell med nevroinflammatoriske og nevrodegenerative fenotyper, ble det observert en akkumulering av cytosolisk DNA som fører til økte nivåer av fosforylert TBK1 (indikerende for STING-aktivering) i forskjellige celletyper, inkludert mikroglia [179].

Xu et al. demonstrerte at cGAMP kan undertrykke AD ved å heve TREM2-nivåer [180]. IniPSC-avledede ALS-pasientmotoriske nevroner, TDP-43 utløste frigjøring av mtDNA, noe som førte til cGAS-STING-aktivering, og nevroinflammasjon er vist [181].

Induksjon av IL6 som respons på sirkulerende cellefritt mtDNA er rapportert i Parkinson-pasienters serum [182]. Derfor dukker cGAS-STING-mediert betennelse frem som et annet vanlig kjennetegn ved NDD.

Oppsummert kan individuelle DDR-proteiner være involvert i mer enn én NDD (Figur 2) og kan indusere nevrodegenerative egenskaper gjennom deres interaksjon med forskjellige cellulære prosesser (Figur 3).

6. Modellsystemer for å studere NDD og terapi

Selv om post-mortem hjernevev er nyttig for å kartlegge store strukturelle eller molekylære forskjeller i DDR-markører i de sene stadiene av NDD, har det begrenset makt til å forklare sykdomsmekanismer.

Dermed forblir dyremodeller viktige verktøy for å studere mekanismene som driver nevrodegenerasjon i et livsløpsperspektiv. Et utvalg studier som knytter DDR til NDD ved å bruke ulike modellsystemer diskutert ovenfor eller foreslår passende modeller for å studere denne krysstalen er oppsummert i tabell 1.

Som det fremgår av diskusjonen ovenfor, er gnagere fortsatt de mest brukte modelldyrene. For AD, for eksempel, er det mer enn to hundre forskjellige gnagermodeller (https://www.alzforum.org/research-models/search (åpnet 19. februar 2021)).

Imidlertid rekapitulerer ingen modell alle kardinalfenotyper sett i menneskelig sykdom, og illustrerer behovet for bedre modeller for å modellere menneskelige NDDer.

Virvelløse dyr er relativt rimelige å vedlikeholde og har kort levetid og reproduksjonssyklus. Disse egenskapene gjør ikke-virveldyr-modeller tilgjengelige for medikament- og genetisk screening.

Nematoden Caenorhabditis elegans (C. elegans) er et eksempel på et dyr hvis transparente kropp tillater overvåking av nevrodegenerasjon in vivo. Humaniserte dyremodeller er tilgjengelige der transgene dyr uttrykker menneskelig -SYN [187.188], A 1–42, TAU [189.190 ], TDP-43 og SOD1 [191–193].

Eksistensen av atferdsanalyser gjør det mulig å studere levedyktigheten og funksjonaliteten til individuelle nevroner i løpet av et naturlig livsløp. Derfor tilbyr enkle dyr utmerkede muligheter til å studere de kombinerte effektene av genetiske og miljømessige risikofaktorer i forbindelse med aldring, den viktigste risikofaktoren for NDD.

Når det gjelder bidraget til DDR, har C. elegans mindre redundans av DNA-reparasjonsgener, noe som gjør det til et flott verktøy for å definere om og hvordan DNA-reparasjonsproteiner påvirker nevrodegenerasjon. En begrensning på C. elegans er at den ikke har en hjerne. Dermed trengs vertebratmodeller. Av disse er Danio rerio (D. rerio) stadig mer populær siden den har vaskulatur og en hjerne atskilt av blod-hjerne-barriere [194–196].

Utviklingen av menneskelig iPSC-teknologi har åpnet dørene for modellering av komplekse hjernesykdommer. Etablerte protokoller er tilgjengelige for å generere forskjellige hjernecelletyper fra pasientavledede iPSC-er i todimensjonale (2D) monolagskulturer og bruke disse til å modellere AD [197,198], ALS [199-201] og PD [202,203].

Muligheten for å introdusere genomredigering i iPSCs (f.eks. via CRISPR/CAS9) øker ytterligere potensialet til disse cellene til å studere de spesifikke rollene til individuelle gener. I tillegg kan rollen til andre hjernecelletyper (inkludert gliaceller, også avledet fra iPSCs) studeres i nylig utviklede samkultursystemer [204].

Likevel rekapitulerer ikke 2D-kultursystemene kompleksiteten til hjernen, og fenotyper som ekstracellulær proteinaggregering er vanskelig å observere. Dermed er ikke 2D iPSC-er det mest foretrukne valget for å modellere NDD-er.

Selvorganisering av embryoidlegemer fra iPSC-er, såkalte 3D-organoidmodeller, kan tillate oss å studere cellulær utvikling og intercellulære interaksjoner i et 3D-mikromiljø i menneskehjernen [205].

Fremskritt i 3D-kultursystemer har ført til dannelse av flere hjernecelletyper og spesifikke hjerneregioner i disse organoidene (minihjerner) [206]. Forhjernens kortikale organoider, organoider i midthjerne og motorneuronsfæroider avledet fra AD og HD, PD , og ALS-pasient iPSCs, henholdsvis, kan vise kardinalvevsfenotypene og kan dermed være svært nyttige for å forstå disse komplekse NDDene (Figur 4) [207–213].

Figur 4. Potensialet til 2D iPSC-er og 3D-organoider for å modellere NDD-er. Hudfibroblaster avledet fra NDD-pasienter kan omprogrammeres til iPSC-er. Disse iPSC-ene kan differensieres til forskjellige hjernecelletyper, inkludert forskjellige nevrontyper, mikroglia, etc.

iPSC-avledede 3D-organoider inneholder de fleste hjernecelletyper (bortsett fra mikroglia og vaskulatur, som kan dyrkes sammen med 3D-organoider) og kan vise viktige sykdomsfenotyper. Ulike anvendelser av disse modellsystemene har også blitt vist. Laget med BioRender.com.

7. Konklusjoner

For å oppsummere forhindrer både antioksidantforsvar og DNA-reparasjon akkumulering av DNA-skader og motvirker derved utviklingen av NDD. Et eksempel på antioksidantforsvar er scavenger superoksid dismutase1 (SOD1) som beskytter nevroner mot amyloid (A) mediert nevrotoksisitet [214]. Både overekspresjonen av villtypeSOD1 og mutasjoner i SOD1 er assosiert med flere aldersrelaterte NDDer [11,215,216].

Flere kliniske studier er rettet mot villtype SOD1 eller mutant SOD1 for å forhindre aggregering og feilfolding i NDD, og ​​et antisense oligonukleotid er nå i en fase III klinisk studie (NCT02623699).

Et lite molekyl, Arimoclomol, som fremmer riktig folding av SOD1 i det endoplasmatiske retikulum (ER) [11], er i en fase III-studie (NCT03491462). Hvorvidt rettet mot DNA-reparasjon eller DDR kan utvikles til terapeutiske alternativer mot NDDer gjenstår å avgjøre. avklart.

Fremveksten av PARP1-aktivering av SSB er imidlertid et vanlig funn i NDD-er og tilgjengeligheten av PARP1-hemmere tyder på at dette kan være en vei å forfølge. Imidlertid medfører direkte målretting mot PARP1 risiko for skadelige effekter på andre celler og vevssystemer. En konsekvens av PARP1-overaktivering er uttømming av cellulær NAD+, som er et substrat for PARP1.

I vårt tidligere arbeid viste vi at å øke NAD+-nivåer er en lovende strategi for å stimulere DNA-reparasjon og forhindre nevrodegenerasjon i sjeldne DNA-reparasjonssykdommer [140,146,184]. For ytterligere å utforske det terapeutiske potensialet til DDR, kan studier på tvers av arter hvor forskjellige modellsystemer kombineres for å rekapitulere forskjellige aspekter av disse komplekse sykdommene brukes.

iPSC-avledede 3D-organoidmodeller fremstår som lovende modellsystemer som kan fange kompleksiteten til DDR og dens krysstale med andre cellulære prosesser som er viktige for å opprettholde nevronal helse.

Forfatterbidrag: Konseptualisering, HN og KS; metodikk, SG; programvare, PY, TS og K.S.; validering, SG, PY, TS, HN og KS; formell analyse, SG; etterforskning, SG; ressurser,HN og KS; datakurering, SG, PY, TS og KS; skrive-originale utkast til utarbeidelse, SG, PY,TS, HN og KS; skrive-gjennomgang og redigering, SG, PY, TS, HN og KS; visualisering, SG,HN og KS; tilsyn, HN og KS; prosjektadministrasjon, SG, HN og KS; fundingacquisition, HN Alle forfattere har lest og godtatt den publiserte versjonen av manuskriptet.

Finansiering: Denne forskningen er finansiert av Helse Sør Øst (Prosjekt nr. 279922 og 2017029) og Norges Forskningsråd (Bevilgning nr. 302483).

Uttalelse fra institusjonell vurderingskomité: Ikke aktuelt.

Informert samtykkeerklæring: Ikke relevant.

Datatilgjengelighetserklæring: Ingen nye data ble opprettet eller analysert i denne studien. Datadeling gjelder ikke for denne artikkelen.

Takk: Vi takker Ellen Tenstad @ScienceShaped, Carina Knudson og FranciscoJosé Naranjo Galindo for hjelp med grafiske illustrasjoner og Evandro Fei Fang, Diana L. Bordin og Lisa Lirussi for kritisk lesning av manuskriptet.

SG og PY ble finansiert med tilskudd fra Helse Sør Øst (Prosjekt nr. 279922 og 2017029) og TSG ble finansiert med tilskudd fra Norges Forskningsråd (stipend nr. 302483).

Interessekonflikter: Vi bekrefter at alle forfattere ikke har noen interessekonflikter i forhold til dette manuskriptet.

Referanser

1. Delaney, S.; Jarem, DA; Volle, CB; Yennie, CJ Kjemiske og biologiske konsekvenser av oksidativt skadet guanin i DNA.Free Radic. Res. 2012, 46, 420–441. [CrossRef]

2. Sheng, Z.; Ok, S.; Tsuchimoto, D.; Abolhassani, N.; Nomaru, H.; Sakumi, K.; Yamada, H.; Nakabeppu, Y. 8-Oxoguanin forårsaker nevrodegenerasjon under MUTYH-mediert DNA-baseeksisjonsreparasjon. J. Clin. Undersøk. 2012, 122, 4344–4361. [CrossRef]

3. Krokan, HE; Drablos, F.; Slupphaug, G. Uracil i DNA-Forekomst, konsekvenser og reparasjon. Oncogene 2002, 21, 8935–8948.[CrossRef]

4. Lindahl, T.; Nyberg, B. Hastighet for depurinering av naturlig deoksyribonukleinsyre. Biokjemi 1972, 11, 3610–3618. [CrossRef]

5. Chin-Chan, M.; Navarro-Yepes, J.; Quintanilla-Vega, B. Miljøforurensninger som risikofaktorer for nevrodegenerative lidelser: Alzheimers og Parkinsons sykdommer. Front. Cell Neurosci. 2015, 9, 124. [CrossRef]

6. Ramachandiran, S.; Hansen, JM; Jones, DP; Richardson, JR; Miller, GW Divergerende mekanismer for paraquat, MPP+, androtenon toksisitet: Oksidasjon av tioredoksin og kaspase-3 aktivering. Toxicol. Sci. 2007, 95, 163–171. [CrossRef]

7. Hou, Y.; Dan, X.; Babbar, M.; Wei, Y.; Hasselbalch, SG; Croteau, DL; Bohr, VA Aldring som en risikofaktor for nevrodegenerativ sykdom. Nat. Rev. Neurol. 2019, 15, 565–581. [CrossRef] [PubMed]

8. Wyss-Coray, T. Aldring, nevrodegenerasjon og hjerneforyngelse. Naturen 2016, 539, 180–186. [CrossRef] [PubMed]

9. Lopez-Otin, C.; Blasco, MA; Partridge, L.; Serrano, M.; Kroemer, G. Kjennetegnene på aldring. Cell 2013, 153, 1194–1217. [CrossRef][PubMed]

10. Fang, EF; Scheibye-Knudsen, M.; Chua, KF; Mattson, MP; Croteau, DL; Bohr, VA Nukleær DNA-skade som signaliserer tomitokondrier i aldring. Nat. Rev. Mol. Cell Biol. 2016, 17, 308–321. [CrossRef]

11. Trist, BG; Davies, KM; Cottam, V.; Genoud, S.; Ortega, R.; Roudeau, S.; Carmona, A.; De Silva, K.; Wasinger, V.; Lewis, SJG; et al. Amyotrofisk lateral sklerose-lignende superoksiddismutase 1-proteinopati er assosiert med nevronalt tap i hjernen med Parkinsons sykdom. Acta Neuropathol. 2017, 134, 113–127. [CrossRef]

12. Rulten, SL; Caldecott, KW Reparasjon av DNA-trådbrudd og nevrodegenerasjon. DNA Reparasjon 2013, 12, 558–567. [CrossRef]

For more information:1950477648nn@gmail.com