Strukturell og funksjonell innsikt i synukleinfibrilpolymorfisme del 4

7. Faseseparasjon og kjernedannelse: Molekylær basis for fibrilpolymorfisme

Rett etter oppdagelsen av at -Syn-aggregering ikke bare er knyttet til PD, men også MSA og DLB, har nøkkelforskningsområdet først og fremst vært fokusert på å forstå et proteins evne til å forårsake klinisk og patologisk forskjellige nevrodegenerative lidelser.

Når du blir eldre, kan du oppleve at hukommelsen din ikke er like god som den var da du var barn. Noen ganger kan du til og med føle at hjernen din er "rusten", og det er vanskelig å huske ny informasjon. Men hva kan gjøres for å forbedre denne situasjonen? Forskning de siste årene har vist at det er en nær sammenheng mellom MSA (dopamin-sakkaridkompleks) og hukommelse.

MSA er en nevral krets som involverer nevrotransmitteren dopamin. Dopamin er en viktig nevrotransmitter i hjernen og er relatert til følelser, motivasjon og bevegelse. Solsteiner er kjerner i hjernen som styrer bevegelse og koordinerer bevegelse. Forholdet til dopamin er at når basalkroppen stimuleres av dopamin, vil det øke forbindelsene mellom hjerneneuroner, og dermed fremme dannelsen og konsolideringen av hukommelsen.

Forskning viser at MSA kan aktiveres og stimuleres gjennom digitale spill, musikktrening, fysisk trening og sosial interaksjon. Disse modalitetene kan styrke forbindelsen til cerebrospinalvæsken ved å øke frigjøringen av dopamin. For eksempel har statiske hjerneøvelser, som Sudoku og kryssord, vist seg å forbedre hukommelsen. Musikalsk trening har også vist seg å stimulere MSA-kretsløp og forbedre hukommelsesevner. I tillegg har fysisk trening og sosial interaksjon også vist seg å ha en positiv innvirkning på MSA-aktivering, og fremmer dermed hjernehelse og hukommelsesforbedringer.

Oppsummert, siden MSA-aktiviteter har en positiv innvirkning på hukommelsen, er det å finne og delta i aktiviteter som stimulerer MSA et viktig skritt for å forbedre hukommelsen. Å være fysisk aktiv, delta i sosiale aktiviteter og lære nye ferdigheter kan aktivere og stimulere MSA-kretsen, og dermed fremme forbedret hjernehelse og hukommelse. La oss starte fra nå av og delta aktivt i disse aktivitetene for å injisere ny energi og vitalitet i hjernen vår. Det kan sees at vi trenger å forbedre hukommelsen, og Cistanche deserticola kan forbedre hukommelsen betydelig fordi Cistanche deserticola er et tradisjonelt kinesisk medisinsk materiale som har mange unike effekter, hvorav en er å forbedre hukommelsen. Effekten av Cistanche deserticola kommer fra de mange aktive ingrediensene den inneholder, inkludert garvesyre, polysakkarider, flavonoidglykosider, etc. Disse ingrediensene kan fremme hjernens helse på en rekke måter.

Klikk vet måter å forbedre hjernefunksjonen på

I løpet av de siste årene har prionstammehypotesen dukket opp som den ledende forklaringen på den observerte sykdomsvariasjonen i synukleinopatier. Selv om en rekke biofysiske og biologiske data støtter eksistensen av -Syn-stammer [29,30,32–35,53], er det fortsatt uklart hvordan disse stammene oppstår og faktorene som driver dannelsen deres in vivo.

Det sannsynlige svaret kan ligge i å avgrense aggregeringsveiene og skjelne de molekylære driverne som ligger til grunn for stammedannelse. Amyloiddannelse er ikke bare styrt av primær kjernedannelse, men domineres av sekundære kjernedannelseshendelser gjennom det meste av aggregeringsvekstfasen, som diskutert tidligere [189].

Denne sekundære kjernedannelsen innebærer forlengelse av nye fibriller fra de eksisterende frøene ved å rekruttere monomerer fra løsningen. Eventuelle endringer i oppløsningsforholdene til fibrillene har en tendens til å endre hastigheten på primære og sekundære nukleasjonshendelser [188,189]. For eksempel øker sur pH bindingen av -Syn-monomerer til fibrilloverflaten, og øker dermed de sekundære kjernedannelseshastighetene [189 302].

Siden frø-indusert forplantning av aggregater tilskrives fragmentering og forlengelse av fibrillfrø, fører dette til at vi antar at stammefenomenet, i det minste delvis, er en konsekvens av sekundær kjernedannelse. Videre eksisterer flere arter samtidig på forskjellige stadier av aggregeringskinetikken [17.303.304], noe som tyder på involvering av aggregeringsmellomprodukter i å diktere polymorfismen.

Kartleggingen av konformasjonsrommet til -Syn-monomer avslører en strukturell underpopulasjon av -Syn-monomer som fremmer dens binding med membraner og induserer dannelsen av forskjellige oligomerer og fibriller [170].

Vårt laboratorium demonstrerte nylig at den heterogene kjernedannelsen under aggregeringsveien danner grunnlaget for opprinnelsen til polymorfisme [252]. Vi genererte to forskjellige polymorfer, HMF-er (Helix-modnede fibriller) og PMF-er (Pre-modnede fibriller), fra aggregeringsmellomproduktene dannet under de samme monteringsforholdene.

PMF-er har ikke en stabil amyloidkjerne og har tilfeldig spoleinnhold sammen med -sheet-elementer. Dessuten er det strukturerte -arket fra restene 74–79 fraværende fra NAC-domenet (restene 65–80), noe som tyder på at PMF-er er mindre ordnet fibriller typer. Tvert imot, morfologisk og strukturelt distinkte HMF er mer kompakte og velordnede med en stabil fibrilkjerne [252].

Disse inneholder svært eksponerte hydrofobe overflater og er potensielt mer giftige enn mindre ordnede PMF-er. Disse polymorfene viser ikke bare strukturelle forskjeller, men viser også forskjellige biologiske aktiviteter [252].

En lignende studie som involverte identifisering av aggregeringsmellomproduktene i nærvær av en fosfolipidmembran avslørte at prefibrillære arter inneholder to løkkeregioner med rester 57 til 61 og 71 til 80 [305]. Disse mellomproduktene omorganiseres deretter til fibrillære arter med det meste av NAC-regionen og N-terminalen (restene 38–80) som utgjør en del av den endelige fibrilkonformasjonen [305].

Studier har også blitt rapportert med aggregater av A, PrP og tau, der distinkte biologiske egenskaper kommer på grunn av strukturelle forskjeller mellom polymorfene [28,306–309]. For eksempel viser morfologisk og strukturelt forskjellige A-fibriller dannet under rolige og agiterende forhold signifikante forskjeller i toksisitet i primære nevroner, med hvilende fibriller som er mer toksiske sammenlignet med andre [28].

En rekke strukturelt forskjellige PrPSc-konformasjoner utviser vertscelletropisme, med et spesifikt sett av stammer som fortrinnsvis retter seg mot nevroner, astrocytter eller til og med begge [307,308]. Dermed kan -Syn-stammer som er et resultat av den heterogene kjernedannelsen i aggregeringsveien forårsake kliniske og patologiske variasjoner ved å utvise variabel cytotoksisitet og forskjellige prionlignende egenskaper (figur 5).

Nylig har utviklingen av konseptet proteinaggregering til et mer fundamentalt fenomen, nemlig væske-væskefaseseparasjon (LLPS), betydelig påvirket feltet og rettet forskningen i en ny retning [310–314]. Proteiner inkuberes under forskjellige forhold, for eksempel pH, temperatur og saltforhold [315–317].

Faseseparasjonshendelsene fremmes i nærvær av molekylære crowders, som polyetylenglykol, dextran eller ficoll, som hjelper til med å øke den lokale proteinkonsentrasjonen og letter dråpedannelse [315–318]. Deretter blir dynamikken, modnings- og aggregeringsprofilen undersøkt ved å bruke en unik kombinasjon av biofysiske, biokjemiske og spektroskopiske metoder [315,317].

Fenomenene faseseparasjon av forskjellige amyloidogene proteiner har vist seg å gå foran aggregering og fibrildannelse. Det har blitt antydet at tilstedeværelsen av indre lidelsesregioner (IDR), prionlignende domener (PLD) og lavkompleksitetsdomener (LCD) fremmer dannelsen av faseseparerte kondensater av amyloidogene proteiner [310,315,316,319,320].

Laboratoriet vårt viste nylig at LLPS av -Syn er en kritisk hendelse i den tidlige lagfasen og går foran dens aggregering under faseseparerende forhold (tilstedeværelse av crowders, stressorer, amyloidkofaktorer, etc.) [315].

Utseendet til disse faseseparerte dråpene i lagfasen av aggregeringskinetikk antyder at LLP-er kan forbedre kjernedannelseshendelsene ved å øke den lokale konsentrasjonen av proteinmolekylene [315,320]. Dessuten gjennomgår de faseseparerte -Syn-dråpene overgang fra flytende til fast stoff med tiden og resulterer i dannelsen av amyloidhydrogel [315].

Disse amyloidhydrogelene har tidligere vist seg å fange inn cytotoksiske oligomerer og fibriller [321], noe som indikerer muligheten for at fibriller dannet via LLPS kan være toksiske. Imidlertid, under normale monteringsforhold (uten faseseparasjon), viser -Syn-fibriller veldig liten eller ingen cytotoksisitet [322,323]. Dette antyder at fibrillene dannet under faseseparerende og ikke-faseseparerende forhold kan være forskjellige.

Dessuten er fibrilldannelsen i fortynnede løsninger (kjent for å skje via primær og sekundær kjernedannelse) [189] og det i kondensatene (via LLPS) ikke gjensidig utelukkende hendelser [324], men forskjellige aggregeringsveier kan resultere i dannelsen av forskjellige fibriller (figur 6).

For eksempel gjennomgår TDP-43, et protein involvert i ALS/FTD, fibrillering med eller uten LLPS. Likevel er fibrilleringskinetikken i begge tilfeller forskjellig, noe som tyder på involvering av komplekse prosesser i fibrillering i nærvær av LPS [329].

Derfor vil det være svært relevant å stille noen spørsmål som om fibrillene dannet uten eller uten å gjennomgå faseseparasjon er strukturelt og funksjonelt forskjellige fra hverandre, eller enkelt sagt viser fibrillpolymorfisme. Hvorvidt forskjellige LLPS-tilstander eller mutasjoner har noen rolle i å bestemme belastningsadferden til -Syn-fibriller som dannes?

For eksempel har de patogene mutasjonene i FUS vist seg å vise forskjellige biofysiske egenskaper sammenlignet med villtypeproteinet [327]. Disse funnene antyder at, på samme måte som ikke-faseseparerende forhold der forskjellige løsningsforhold gir polymorfer [29], kan fibriller dannet under de forskjellige faseseparerende forholdene også være forskjellige (figur 7).

For eksempel kan -Syn-faseseparasjon under forskjellige forhold, som tilstedeværelsen av PTM-er, familiære mutasjoner, små molekyler eller metallioner, vise polymorfisme og danne forskjellige typer fibriller (figur 7).

Imidlertid er dette fenomenet ennå ikke bestemt, da det ville trenge omfattende karakterisering av fibriller som dannes inne i dråpene. Vi tror at sameksistensen av konformasjonelt distinkte mellomarter og en mengde aggregeringsveier observert med eller uten LLPS kan danne grunnlaget for opprinnelsen til polymorfisme .

Imidlertid er mer forskning på dette feltet nødvendig for å avgrense bidraget fra heterogen kjernedannelse og flere aggregeringsveier til fibrilpolymorfisme. Utviklingen og anvendelsen av ulike biofysiske teknikker kan hjelpe oss med å få innsiktsfull informasjon om de molekylære hendelsene som skjer under LLPS og påfølgende dråpemodning.

8. Kliniske og terapeutiske implikasjoner av polymorfisme

Studiene diskutert i gjennomgangen gir avgjørende bevis på at -Syn kan danne mangfoldige polymorfer med distinkte strukturelle og biologiske egenskaper. I likhet med prioner, hvor hver prionsykdom er kodet av en distinkt konformasjon av det feilfoldede proteinet, er hver synukleinopati også muligens assosiert med en unik -Syn-struktur.

Imidlertid utgjør forskjellige fibrilstrukturer for det samme proteinet flere utfordringer i medikamentutvikling mot nevrodegenerative lidelser. Terapi som immunterapi vil være svært spesifikke for en bestemt stamme, men kan ikke gjenkjenne en annen. Tilsvarende må utvikling av små terapeutiske molekyler eller medisiner for å blokkere eller bremse proteinaggregeringsprosessen screenes for flere konformasjoner. Med tanke på kompleksiteten til fibriller og deres polymorfisme, kan målretting av monomer -Syn være et alternativ.

Dette er imidlertid også utfordrende på grunn av proteinets iboende uordnede natur. Til tross for disse utfordringene vil det å oppdage og karakterisere pasienters avledede -Syn-stammer åpne et vindu med muligheter for dypere forståelse og karakterisering av synukleinopatier. Det vil lette utviklingen av nye terapier og mer robuste klassifiseringssystemer for synukleinopatier.

I denne sammenhengen har svært sensitive teknikker som PMCA [330], sanntids skjelving-indusert konverteringsanalyse (RT-QuIC) [331] og HANdaiamyloid burst inducer (HANABI) [332] i betydelig grad bidratt til å forsterke -Synaggregater fra CSF hos pasienter. hjerner. PMCA og RT-QuIC har blitt brukt til å skille mellom henholdsvis PD/MSA og PD/DLB pasientavledede -Syn-stammer [52,333].

Å bruke disse teknikkene vil hjelpe til med å overvåke sykdomsprogresjonen over tid og hjelpe til med tidlig og spesifikk diagnose av synukleinopatier. Videre kan de kliniske og patologiske forskjellene og pasient-til-pasient-heterogeniteten observert ved PD og relaterte lidelser påvirke hvordan synukleinopatipasienter bør behandles. Per nå får alle PD-pasienter samme type behandling, og det skilles mellom pasientene avhengig av hvordan de har fått sykdommen og hvilke symptomer de har.

Derfor forventer vi at legemidler og terapeutiske midler designet for å målrette mot patogene -Syn-arter kan innebære bruk av enten et enkeltkonformasjonsbasert medikament eller en cocktail av medikamenter mot forskjellige polymorfer eller stammer som er befolket i den syke menneskelige hjernen. Videre bør flere nøkkelparametere vurderes fra sak til sak, som sykdomsprofil, patologiske og kliniske symptomer, typer og art av proteinstammene som er involvert, og sykdomsprogresjonshastighet under behandling av pasienter med synukleinopatier.

Derfor er identifisering av potensielle terapeutiske mål og utforming av konformasjonsbaserte legemidler det neste store skrittet mot utvikling av legemidler mot PD og relaterte lidelser. Etablering av koblingen mellom forplantning av astrain og sykdomsfenotypen vil gi verdifull innsikt i å utvikle effektive strategier for å bekjempe nevrodegenerative lidelser.

En annen utfordring er å levere medisiner til hjernen for å behandle nevrodegenerative lidelser, hovedsakelig overfor tilbakeslag på grunn av restriktive blod-hjerne-barrierer [32]. Tallrike forsøk har blitt gjort på å levere medikamenter gjennom nanobærere, direkte medikamentleveringsmetoder, forbigående forstyrrelse av blod-hjernebarrieren og stamcelleterapier [33–37]. Imidlertid har ingen av behandlingene klart å overvinne de nåværende utfordringene fullt ut [32].

9. Avsluttende bemerkninger og åpne spørsmål

Den prionlignende stammeoppførselen til -Syn er fortsatt et gåtefullt fenomen. Det er overraskende hvordan et enkelt protein uten noen skikkelig struktur kan foldes på mange forskjellige måter og vedta konformasjoner som resulterer i forskjellige patologier.

Mange ubesvarte spørsmål trenger ytterligere undersøkelser, selv etter en imponerende mengde arbeid med -Syn polymorfe og stammer. For eksempel, hva driver dannelsen av -Syn-stamme under gitte cellulære og miljømessige forhold? Hvordan retter disse stammene seg mot ulike celletyper og hjerneregioner? Utvikler, endrer eller tilpasser -Syn-stammer seg med tiden avhengig av vertsfaktorene?

Hvordan påvirker tilstedeværelsen av andre proteiner, ligander, membraner eller kofaktorer stammedannelse? Har -Syn-stammer evnen til å kryss-se med hverandre og resultere i blandede patologier? Interfererer og blokkerer -Syn-stammer spredningen av hverandre, på samme måte som prioner?

Er det mulig, eller har vi teknikker som er sensitive nok til å skille mellom PD- og MSA-stammer på et tidlig stadium av diagnosen? Med tanke på utvidelsen av prionstamme-fenomenet til flere andre amyloidogene proteiner, kan det også være nødvendig å forstå de viktigste molekylære hendelsene i stammebiologi og designeffektive strategier.

Forfatterbidrag: Konseptualisering, SM og SKM-undersøkelse (litteraturgjennomgang); SM;LG; RB og ASS; skrive-original utkast utarbeidelse, SM; LG; RB og ASS; skriving-gjennomgang og redigering, SM; LG; RB; ASS og SKM; visualisering, SM; prosjektadministrasjon, SM og SKM; tilsyn, SM og SKM; finansieringsoppkjøp, SKM, SM og SKM er like bidragende tilsvarende forfattere. Alle forfattere har lest og godtatt den publiserte versjonen av manuskriptet.

Finansiering: Denne forskningen ble finansiert av Institutt for bioteknologi (DBT) [BT/PR22749/BRB/10/1576/2016], Indias regjering.

Uttalelse fra institusjonell vurderingskomité: Ikke aktuelt.

Informert samtykkeerklæring: Ikke relevant.

Datatilgjengelighetserklæring: Ikke relevant.

Anerkjennelser: Forfatterne erkjenner Institutt for bioteknologi (DBT), regjeringen i India for den økonomiske støtten. Vi takker Pradeep Kadu for hans hjelp med å lage figurer. SM er takknemlig til University Grants Commission of India for hennes stipend.

Interessekonflikter: Forfatterne erklærer ingen interessekonflikter.

Forkortelser

-synuklein ( -Syn), Parkinsons sykdom (PD), multippel systematrofi (MSA), demens med Lewy body (DLB), Parkinsons sykdom demens (PDD), Lewy kropper (LBs), Lewy neuritter (LNs), Alzheimers sykdom (AD) ), Gliale cytoplasmatiske inneslutninger (GCI), post-translasjonelle modifikasjoner (PTM), villtype (WT), kryo-elektronmikroskopi (cryo-EM), faststoff-NMR (ssNMR) spektroskopi; transmisjonselektronmikroskopi (TEM), atomkraftmikroskopi (AFM), sirkulær dikroisme (CD), dorsal motorisk kjerne av vagusnerven (DMV), enterisk nervesystem (ENS); -Synuklein (syn); -synuklein ( -Syn); Protein misfolding cyclic amplification (PMCA); Væske-væske faseseparasjon (LLPS).

Referanser

1. Spillantini, MG; Goedert, M. Alfa-synukleinopatiene: Parkinsons sykdom, demens med Lewy-kropper og multippelsystematrofi. Ann. NY Acad. Sci. 2000, 920, 16–27. [CrossRef] [PubMed]

2. Spillantini, MG; Crowther, RA; Jakes, R.; Hasegawa, M.; Goedert, M. -Synuclein i filamentøse inneslutninger av Lewy-legemer fra Parkinsons sykdom og demens med Lewy-legemer. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 1998, 95, 6469–6473. [CrossRef] [PubMed]

3. Spillantini, MG; Schmidt, ML; Lee, VM; Trojanowski, JQ; Jakes, R.; Goedert, M. A-synuklein i Lewy-kropper. Nature 1997,388, 839–840. [CrossRef]

4. Galvin, JE; Lee, VM; Trojanowski, JQ Synukleinopatier: Kliniske og patologiske implikasjoner. Arch. 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 Prosessen med Lewy-kroppsdannelse, snarere enn bare alfa-synuklein fibrillering, er en av hoveddriverne for nevrodegenerasjon. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2020, 117, 4971–4982. [CrossRef] [PubMed]

6. Shahmoradian, SH; Lewis, AJ; Genoud, C.; Hench, J.; Moors, TE; Navarro, PP; Castano-Diez, D.; Schweighauser, G.; GraffMeyer, A.; Goldie, KN; et al. Lewy-patologi ved Parkinsons sykdom består av overfylte organeller og lipidmembraner. NatNeurosci. 2019, 22, 1099–1109. [CrossRef] [PubMed]

7. Priser, MB; Jagannath, S.; Lashuel, HA Reverse engineering Lewy-kropper: Hvor langt har vi kommet og hvor langt kan vi gå? Nat.Rev. Neurosci. 2021, 22, 111–131. [CrossRef] [PubMed]

8. Serpell, LC; Berriman, J.; Jakes, R.; Goedert, M.; Crowther, RA Fiberdiffraksjon av syntetiske alfa-synukleinfilamenter viser samyloidlignende kryssbeta-konformasjon. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2000, 97, 4897–4902. [CrossRef] [PubMed]

For more information:1950477648nn@gmail.com