Genetiskt utbyte av pulmonella exosomer till hjärnan orsakar neuronala förändringar vid covid-19-infektion och behandling av cistanche

Abstrakt

Den nya coronavirus-pandemin har skapat kaos i ett normalt mänskligt liv runt om i världen. Även om covid-19-symtom är vanliga, har variationer i kliniska fenotyper rapporterats över hela världen. Rapporter om det nya coronaviruset tyder på neurologiska symtom. Dessutom är känsligheten och komplexiteten hos SARS-CoV-2 hos patienter med neurodegenerativa sjukdomar i stort sett okänd. Här syftar vi till att visa att exosomer kan transportera från SARS-CoV-2-infekterade lungor till hjärnregioner associerade med neurodegenerativa sjukdomar, med hjälp av multipla transkriptomdataset från SAR-CoV-2-infekterade lungor, RNA-fragment från lungorna exosomer och genuttrycksfragment från mänskliga hjärnor. Under transport reglerar exosomlokaliserade transkriptionsfaktorer gener i laterala substantia nigra, mediala substantia nigra och superior frontal gyrus regioner vid Parkinsons sjukdom (PD) och frontal cortex, hippocampus och temporal cortex vid Alzheimers sjukdom (AD). Under SARS-CoV-2-infektion påverkar transkriptionsfaktorerna BCL3, JUND, MXD1, IRF2, IRF9 och STAT1 i exosomer neuronala genreglerande nätverk och påskyndar neurodegeneration. STAT1-transkriptionsfaktorn reglerar 64 PD-gener i den laterala substantia nigra, 65 i den övre frontala gyrusen och 19 i den mediala substantia nigra. På liknande sätt, i AD, reglerar STAT1 74 AD-gener i den temporala cortex, 40 gener i hippocampus och 16 gener i frontal cortex. Vi bekräftade vidare att störningen av neuronala gener är involverad i immunsvar, signaltransduktion, apoptos och stressrespons. Under tiden testades den hämmande effekten av cistanche på neuronal apoptos. Sammanfattningsvis kan SARS-CoV-2 minska svårighetsgraden av neurodegenerativa sjukdomar genom att reglera neuronala genreglerande nätverk genom exosomer, ochcistanchekan hämma neuropatiska sjukdomar (PD) genom att stimulera neuronal reproduktion och minska neuronal apoptos.

Nyckelord

CistancheSARS-CoV-2 ·Covid-19· Exosom · Neurodegeneration · Parkinsons sjukdom · Alzheimers sjukdom

Introduktion

Exosomer är en av de extracellulära vesiklar som utsöndras av de flesta flercelliga organismer för intercellulär kommunikation. Exosomer bär en mängd olika biomolekyler, såsom nukleotidmolekyler, inklusive RNA, MRNA, lncRNA, proteiner och metaboliter, från primitiva celler till tjärceller. Ursprungligen trodde man att exosomer var involverade i att ta bort avfallsmolekyler från celler. Forskningsframsteg har visat att exosomer överför mikromolekyler och makromolekyler för att kommunicera och reglera receptorceller under fysiologiska och patologiska processer. Studier har visat att exosomer är involverade i cancerprogression, hjärt-kärlsjukdomar, neurodegenerativa sjukdomar och till och med mikrobiella och virusinfektioner. Intressant nog bär exosomer som frigörs av virusinfekterade celler viruspartiklar för att omprogrammera målceller och överföra patogena mekanismer.

På senare tid har SARS-CoV-2 (COVID-19)-infektion blivit en pandemi som drabbar miljontals människor över hela världen. Ökad sårbarhet har rapporterats hos patienter med kroniska sjukdomar som diabetes och högt blodtryck. SARS-CoV-2 infekterar de nedre luftvägarna och utvecklas till multipel organsvikt. För närvarande finns det ingen specifik behandling för covid-19. Social distansering och vaccinationer hjälper till att förhindra att sjukdomen sprids bland människor. Det finns dock ett akut behov av att utveckla ett läkemedel för att behandla sjukdomen. Att förstå sjukdomsmekanismen kan hjälpa till att utveckla ett potentiellt läkemedel för att behandla SARS-CoV-2-infektion. Många virus, inklusive RNA från SARS-CoV-2, är kända för att tränga in i exosomer för överföring inom värd. Studier fann närvaron av SARS-CoV-2-viruspartiklar i exosomer. Dessutom hittades SARS-CoV-2 i värdcellers vakuoler genom histopatologisk analys. Dessa fynd tyder på att SARS-CoV-2-infektion kan involvera interexosomatisk kommunikation från det primära lungstället till andra kommunikationsorgan i det mänskliga systemet.

Bland de olika drabbade organen har det gjorts begränsad forskning om patogenesen av covid-19 i hjärnan. Utöver huvudsymtomen rapporterade 36,4 procent av fallen av covid-19 även neurologiska förändringar. Det är värt att notera att vissa patienter som har återhämtat sig från covid-19 visar betydande minnesförlust och kognitiv försämring. På senare tid har Smith et al. har föreslagit att covid-19 kan påverka det centrala nervsystemet. I synnerhet tyder vissa studier på att COVID-19 kan påskynda neurodegeneration vid Parkinsons sjukdom (PD) och Alzheimers sjukdom (AD). En studie av John et al. visade att COVID-19 leder till selektiv sårbarhet för Parkinsons sjukdom genom att aktivera alfasynaptiska nukleoproteinlesioner i CNS. Dessutom har undersökningar gjorda av JR-Lin et al. rapporterade försämring av symtomen vid Parkinsons sjukdom efter covid{10}}-infektion. På liknande sätt har Adam et al. visade en möjlig roll för covid{11}}-infektion hos patienter med AD. Dessutom har Tom et al. tyder på att covid-19-patienter löper hög risk att utveckla AD.

I den här studien utvecklade vi ett systembiologiskt ramverk för att demonstrera rollen av exosomburna mrnas som kodar för transkriptionsfaktorer från infekterade lungor till hjärnan. Vi studerade flera transkriptomdatauppsättningar i SARS-CoV-2-infekterade lungor, RNA-fragment av pulmonella exosomer och genuttrycksfragment i olika regioner av den mänskliga hjärnan. Dessutom konstruerades ett exosomatiskt intercellulärt nätverk mellan lung- och hjärnregioner i neurodegenerativa sjukdomar baserat på litteraturbevis. Våra data identifierade transkriptionsfaktorer (TF) från lungorna som reglerar genuttryck i hjärnregioner, vilket påskyndar PD och AD vid COVID-19-infektion.

Bild: Faw Cistanche

Material och metoder

Datainsamling

Med hjälp av nyckelordskombinationen "SARS-CoV-2" och "mänsklig värd", hämtades RNA-Seq-datauppsättningen för pulmonell SARS-CoV-2-infektion från sekvensläsningsfiler och NCBI-databas. Denna datauppsättning innehåller RNA-Seq-profiler för 110 Sam-Dples under olika experimentella förhållanden med SARS-CoV-2-infektion. Av 110 prover valdes 2 friska lungbiopsier och 2 SARS-CoV-2-infekterade lungbiopsier ut för vår nedströmsanalys. De utvalda proverna hade ingen tidigare sjukdomshistoria, inklusive neuropatologi.

RNA-Seq expressionsanalys

FastQC v{{0}}.11.7 användes för att utvärdera datakvalitet. Avläsningarna trimmas sedan med Trimmomatic v0.35. De kvalificerade läsningarna överensstämde med det humana HG19-genomet. Läsräkningen för varje transkript normaliserades och uppreglerade gener i SARS-CoV-2-infektion jämfört med friska lungor fångades in med hjälp av DESeq-metoden. Med falsk upptäcktsfrekvens, sid< 0.05 was the standard identification of significant up-regulated genes.

Lung Exosome Profle

GSE121307-mikroarray-datauppsättningen som beskriver respiratoriskt härledda exosomer och exosom-skyttel-RNAs härleddes från NCBI, Gene Expression Omnibus-databasen. Det exosom-skyttel-mRNA som huvudsakligen uttrycks i GSE121307-lungdata identifierades och kartlades med den överuttryckta genen av SARS-CoV-2-infektion. Vi spekulerar i att under SARS-CoV-2-infektion packas dessa kartlade överuttryckta gener i exosomer i form av esRNA. Bland dem identifierades mRNA-kodande transkriptionsfaktorer av databas.

Resultat

RNA-Seq Analysis och esRNA

Lung-RNA-Seq-data för SARS-CoV-2-infektion och dess kontrollgrupp analyserades. Av 18956 transkript var 437 differentiellt reglerade med FDR på SARS-CoV-2-infektion, p.< 0.05. We then mapped 431 overexpressed genes using GSE121307 esRNA data to identify their pulmonary exosomes. We suggest that the feeding of pulmonary overexpressed genes in SARS-CoV-2 infection may be packaged into exosomes and transported to target cells. At the same time, total glycosides of Cistanchetubulosa kan också skydda hippocampus ultrastruktur av D-galaktosmodellmöss.

Bild: Effekter av Cistanche mot Parkinsons sjukdom

Det föreslås att totala glykosider avcistanchekan spela en roll för att fördröja åldrande och förebygga Alzheimers sjukdom genom antioxidantmekanism. Av de 362 överuttryckta generna klassificerades 217 i exosomer. Till exempel är GSK3B, DPP4, SMAD3, PARP1 och IKBKB inflammatoriska gener som är resultatet av en lungcytokinstorm och kan föras till målceller av exosomer som esRnas. Av de 196 överuttryckta esRna, 13 kodade TFS identifierade med hjälp av molekylära signaturer och TcoF-DB v2-databasen.

Bild: Cistanches Benefits

Exosomalt kommunikationsnätverk

Därefter konstruerade vi ett exosomt kommunikationsnätverk baserat på litteraturbevisen. Detta nätverk visade exosomal anslutning mellan lung- och blod-hjärnbarriärens mikroendotelceller. På liknande sätt är exosomkommunikation mellan blod-hjärnbarriärendotelceller och olika nervregioner baserad på litteraturbevis. Sammantaget bekräftar exosomnätverket exosomkoppling mellan lung- och neuronala regioner associerade med neurodegenerativa sjukdomar genom blod-hjärnbarriären. Det visade sig att cistanche tubulosa kan förbättra inlärnings- och minnesnivån hos AD-möss inducerade av kinolinsyra, minska malondialdehydhalten i hjärnvävnad inducerad av kinolinsyra och öka glutation

Aktiviteten av peptidperoxidas och superoxiddismutas kan minska aktiviteten av acetylkolinesteras, apoptoshastigheten hos hjärnceller och kalciumackumulering i hjärnvävnad. Mekanismen kan vara relaterad till förbättringen av enzymaktiviteten som tar bort fria radikaler, minskningen av lipidperoxidation, minskningen av kalciumhalten i hjärnvävnad och hämningen av QA-inducerad apoptos av hjärnceller. För det andra, de totala glykosiderna av cistanche. Förbättra inlärnings- och minnesnivån hos AD-möss inducerade av -AP och aluminiumtriklorid, minska halten av MDA i hjärnvävnad och öka nivån av SOD GSH-Px-aktivitet kan förbättra vissa patologiska förändringar i hjärnan vävnad och minska apoptoshastigheten hos hjärnceller.

Slutsatser

Sammanfattningsvis undersökte vår studie beteendet hos exosom TF och Cistanche tubulosa neuronala regioner vid reglering av PD- och AD-patogena gener i SARS-CoV-2-infektion. Även om vi använde offentliga förvarsdata, implementerade vi flera kuratoriska nivåer för att implementera ett patologiskt TF-modulationsnätverk relaterat till neurodegenerativa sjukdomar. Mer specifikt har det steg-för-steg-förfarande som implementerats i denna studie strategisk bekräftelse vid varje metodologiskt stadium av biologiska och dokumentära bevis. Med den snabba expansionen av covid-19-pandemin har forskningssektorn och tillgången till laboratoriearbete påverkats som aldrig förr. Som ett resultat av detta pågår många studier för att använda allmänt tillgängliga data om SARS-CoV-2 för att utöka forskningsansträngningarna som svar på den nuvarande kritiska situationen. På grundval av detta har denna studie förbättrat förståelsen av den neuronala patogenesen av covid-19, beskrivit den tidigare okända covid-19-pandemimekanismen och tillhandahållit en ny kanal för behandling av neuropatiska sjukdomar (AD och PD) ) medcistanchetubulosa.

Klicka här för att förebygga Parkinsons sjukdom

Referenser

1. Colombo M, Raposo G, Théry C (2014) Biogenes, sekretion och intercellulära interaktioner av exosomer och andra extracellulära

2. vesiklar. Annu Rev Cell Dev Biol 30:255–289

Statello L, Maugeri M, Garre E, Nawaz M, Wahlgren J, Papadimitriou A, Lundqvist C, Lindfors L et al (2018) Identifiering av RNA-bindande proteiner i exosomer som kan interagera med olika typer av RNA: RBP-faciliterad transport av RNA till exosomer. PLoS One. 13(4):e0195969

3. Johnstone RM, Adam M, Hammond JR, Orr L, Turbide C (1987) Vesikelbildning under retikulocytmognad. Association av plasmamembranaktiviteter med frigjorda vesikler (exosomer). J Biol Chem 262(19):9412-20

4. Ludwig N, Whiteside TL, Reichert TE (2019) Utmaningar i exosomisolering och analys i hälsa och sjukdom. Int J Mol Sci 20(19):4684

5. Zhao W, Zheng XL, Zhao SP (2 kardiovaskulära sjukdomar. Heart Fail Rev 20(3):337–348 015) Exosom och dess roller i

6. Mathews PM, Levy E (2019) Exosomproduktion är nyckeln till neuronala endosomala vägens integritet i neurodegenerativa sjukdomar. Front Neurosci 12(13):1347

7. Schorey JS, Cheng Y, Singh PP, Smith VL (2015) Exosomer och andra extracellulära vesiklar i interaktioner mellan värd och patogen. EMBO Rep 16(1):24–43

8. Liu Z, Zhang X, Yu Q, He JJ (2014) Exosomassocierat hepatit C-virus i cellkulturer och patientplasma. Biochem Biophys Res

9. Commun 455(3–4):218–222 Fleming A, Sampey G, Chung MC, Bailey C, van Hoek ML, Kashanchi F, Hakami RM (2014) Cellens bärduvor: exosomer och deras roll i smittsamma sjukdomar orsakade av mänskliga patogener. Pathog Dis 71(2):109–120

10. Ahmed SSSJ, Paramasivam P, Raj K, Kumar V, Murugesan R, Ramakrishnan V (2020) Regulatory cross talk between SARS CoV-2-receptorbindning och replikationsmaskineri i den mänskliga värden. Front Physiol 30(11):802

11. Barrera FJ, Shekhar S, Wurth R, Moreno-Pena PJ, Ponce OJ, Hajdenberg M, Alvarez-Villalobos NA, Hall JE et al (2020) Prevalens av diabetes och högt blodtryck och deras associerade risker för dåliga resultat i Covid{{ 4}} patienter. J Endocr Soc. 4(9):bvaa102

12. Renu K, Prasanna PL, Valsala Gopalakrishnan A (2020) Coronavirus patogenes, komorbiditeter och skador på flera organ – en översikt. Life Sci. 255:117839

13. Badierah RA, Uversky VN, Redwan EM (2020) Dansa med trojanska hästar: ett samspel mellan extracellulära vesiklar och virus. J Biomol Struct Dyn 30:1–27

14. Elrashdy F, Aljaddawi AA, Redwan EM, Uversky VN (2020) Om exosomers potentiella roll i COVID-19-reinfektions-/reaktiveringsmöjligheten. J Biomol Struct Dyn 9:1–12

15. Qian Z, Travanty EA, Oko L, Edeen K, Berglund A, Wang J, Ito Y, Holmes KV et al (2013) Medfödd immunsvar av humana alveolar typ II-celler infekterade med allvarligt akut respiratoriskt syndrom coronavirus. Am J Respir Cell Mol Biol 48(6):742-748

16. Müller JA, Groß R, Conzelmann C, Krüger J, Merle U, Steinhart J, Weil T, Koepke L et al (2021) SARS-CoV-2 infekterar och replikerar i celler i den mänskliga endokrina och exokrina bukspottkörteln . Nat Metab 3(2):149–165

17. Su H, Yang M, Wan C, Yi LX, Tang F, Zhu HY, Yi F, Yang HC etal (2020) Njurhistopatologisk analys av 26 obduktionsfynd av patienter med covid-19 i Kina. Kidney Int 98(1):219–227

18. Mao L, Jin H, Wang M, Hu Y, Chen S, He Q, Chang J, Hong Cet al (2020) Neurologiska manifestationer av inlagda patienter med coronavirussjukdom 2019 i Wuhan, Kina. JAMA Neurol

77(6):683–690

19. Ritchie K, Chan D, Watermeyer T (2020) De kognitiva konsekvenserna av covid-19-epidemin: kollateral skada? Brain Commun. 2(2):fcaa069

20. Singh AK, Bhushan B, Maurya A, Mishra G, Singh SK, Awasthi R (2020) Novel coronavirus disease 2019 (COVID-19) och neu rodegenerativa störningar. Dermatol Ther. 33(4):e13591

21. Pavel A, Murray DK, Stoessl AJ (2020) COVID-19 och selektiv sårbarhet för Parkinsons sjukdom. Lancet Neurol 19(9):719

22. Ousset PJ, Vellas B (2020) Synpunkt: Inverkan av Covid-19-utbrottet på minnesklinikernas kliniska och forskningsaktiviteter: ett Alzheimers sjukdomscenter som står inför Covid-19-krisen. J Prev Alzheimers Dis 7(3):197–198

23. Brown EG, Chahine LM, Goldman SM, Korell M, Mann E, Kinel DR, Arnedo V, Marek KL et al (2020) Effekten av covid- 19-pandemin på personer med Parkinsons sjukdom. J Parkinsons Dis 10(4):1365–1377

24. Naughton SX, Raval U, Pasinetti GM (2020) Potentiell ny roll för covid-19 i Alzheimers sjukdom och förebyggande begränsningsstrategier. J Alzheimers Dis 76(1):21–25

25. Heneka MT, Golenbock D, Latz E, Morgan D, Brown R (2020) Omedelbara och långsiktiga konsekvenser av covid-19-infektioner för utvecklingen av neurologisk sjukdom. Alzheimers Res Ther 12:1–3

26. Tan DBA, Armitage J, Teo TH, Ong NE, Shin H, Moodley YP (2017) Förhöjda nivåer av cirkulerande exosom hos KOL-patienter är associerade med systemisk inflammation. Respir Med 132:261–264

27. Wahlund CJ, Eklund A, Grunewald J, Gabrielsson S (2017) Pulmonära extracellulära vesiklar som mediatorer av lokal och systemisk inflammation. Front Cell Dev Biol 26(5):39

28. Hermanns MI, Unger RE, Kehe K, Peters K, Kirkpatrick CJ (2004) Lungepitelcellinjer i samodling med humana pulmonära mikrovaskulära endotelceller: utveckling av en alveolokapillärbarriär in vitro. Lab Invest 84(6):736–752

29. Zhang Y, Liu D, Chen X, Li J, Li L, Bian Z, Sun F, Lu J et al (2010) Utsöndrad monocytisk miR-150 förbättrar målinriktad migration av endotelceller. Mol Cell 39(1):133-144

30. Chen HX, Liang FC, Gu P, Xu BL, Xu HJ, Wang WT, Hou JY, Xie DX et al (2020) Exosomer härledda från mesenkymala stamceller reparerar en modell av Parkinsons sjukdom genom att inducera autofagi. Celldöd Dis 11(4):1–7

31. Schiera G, Di Liegro CM, Di Liegro I (2015) Extracellulära membranvesiklar som vehiklar för hjärncell-till-cell-interaktioner i fysiologiska såväl som patologiska tillstånd. Biomed Res Int 2015:152926