Förlust av Park7-aktivitet har olika effekter på uttryck av järnresponsiva element (IRE) genuppsättningar i hjärntranskriptomet i en zebrafsh-modell av Parkinsons sjukdom

Abstrakt

Mutation av genen PARK7 (DJ1) orsakar monogen autosomal recessiv Parkinsons sjukdom (PD) hos människor. Efterföljande förändringar av PARK7-proteinfunktionen leder till mitokondriell dysfunktion, ett viktigt inslag i PD-patologi. Homozygota mutanter för de PARK7-ortologa generna i zebrafisk, park7, visar förändringar i genuttrycket i den oxidativa fosforyleringsvägen, vilket stöder att avbrott i energiproduktionen är en nyckelfunktion i neurodegeneration vid PD.

Recessivt ärftlig Parkinsons sjukdom är en irreversibel neurodegenerativ sjukdom. I takt med att befolkningen åldras har incidensen ökat de senaste åren. Även om sjukdomens problem med kroppsrörelser är mest framträdande i människors fokus är den också starkt kopplad till faktorer som kognitiv förmåga, koncentration och minne.

Men innan vi kan prata om de kognitiva och minnesproblem som är förknippade med Parkinsons sjukdom måste vi förstå sjukdomens neurologiska effekter. Den vanligaste neuropatologiska förändringen vid recessivt ärftlig Parkinsons sjukdom är skador på substantia nigra, vilket leder till minskade nivåer av dopamin, vilket orsakar rörelsestörningar. Dessutom finns många associerade geomorfologiska egenskaper också i regioner som hjärnbarken, cortex och isthmus. På grund av dessa förändringar kan personer med Parkinsons sjukdom uppleva problem som minnesförlust och kognitiv försämring.

Men för personer med den recessiva formen av Parkinsons sjukdom, där minnet påverkas, finns det flera proaktiva strategier vi kan använda för att hjälpa oss att hantera dessa utmaningar. Att lära oss många uppmärksamhets- och minnesförbättringsstrategier hjälper oss att bättre hantera effekterna av Parkinsons sjukdom i våra liv.

En av de viktigaste strategierna är att vi måste sätta gränser för oss själva och ta emot hjälp. Till exempel, om en person med Parkinsons sjukdom besöker en stormarknad och upptäcker att de har problem med en uppgift, som att han inte kan hitta matvaror i snabbköpet, ska de gärna be om hjälp. Sådan handling är en stor kognitiv stimulans och kan hjälpa till att förbättra kognition och minne på många sätt.

I vårt dagliga liv kan vi också prova några andra strategier för att förbättra vår kognition och minne. Vi kan till exempel skapa en utmanande lärmiljö genom att läsa böcker eller lära oss nya färdigheter. Dessutom kan enkla dagliga övningar som att känna igen familjemedlemmars ansikten och regelbundet kontrollera din kalender vara ett mycket effektivt sätt att förbättra dina kognitiva och minnesförmåga.

Även om Parkinsons sjukdom påverkar vår kognition och minnesförmåga till viss del, kan en positiv attityd och enkla övningar hjälpa oss att behålla en god kognition och minnesförmåga. Därför bör vi möta utmaningen med tillförsikt och prova olika strategier för att förbättra vår kognition och minne. Så jag tycker att vi borde förbättra vårt minne. Cistanche kan förbättra minnet avsevärt eftersom köttpasta är ett traditionellt kinesiskt läkemedelsmaterial med många unika effekter, varav en är att förbättra minnet. Effekten av malet kött kommer från en mängd olika aktiva ingredienser som det innehåller, inklusive karboxylsyra, polysackarider, flavonoider, etc. Dessa ingredienser kan främja hjärnans hälsa genom olika kanaler.

Klicka på kosttillskott för att förbättra minnet

Järn är avgörande för normal mitokondriell funktion, och vi har tidigare använt bioinformatisk analys av IRE-bärande transkript i hjärntranskriptom för att hitta bevis som stöder förekomsten av järndyshomeostas vid Alzheimers sjukdom. Här analyserade vi IRE-bärande transkript i transkriptomdata från homozygota park7−/− muterade zebrafiskhjärnor. Vi fann att uppsättningen gener med "högkvalitativa" IREs i sina 5′ oöversatta regioner (UTR, HQ5′IRE genuppsättning) förändrades signifikant i dessa 4-månader gamla park7−/− hjärnor.

Uppsättningar av gener med IREs i deras 3′ UTR verkade dock opåverkade. Effekterna på HQ5′IRE-gener drivs möjligen av järndyshomeostas och/eller oxidativ stress, men belyser existensen av för närvarande okända mekanismer med differentiella övergripande effekter på 5′ och 3′ IRE.

Nyckelord:

DJ-1, PARK7, Parkinsons sjukdom, Zebrafisk, RNA-seq, Anrikningsanalys, Järndyshomeostas.

Introduktion

Parkinsons sjukdom (PD) är den näst vanligaste neurodegenerativa sjukdomen, som drabbar cirka 1 % av befolkningen över 60 år. De flesta fall av PD är idiopatiska, men en tydlig genetisk koppling har identifierats i cirka 5–10% av PD-fallen [1]. En gen, PARK7, inblandad i autosomal recessiv PD med tidig debut, kodar för Parkinsons sjukdomsprotein 7 (PARK7).

PARK7-protein har föreslagits fungera som ett GSH-oberoende glyoxalas för avgiftning av metylglyoxal och som ett proteinglykos som ansvarar för att återställa funktionen hos proteiner som skadats av oxidativ stress. Dessa aktiviteter är dock omtvistade i PD (granskas och analyseras i [2]). PARK7 har också kritiska roller för att upprätthålla mitokondriell funktion, känna av och svara på reaktiva syrearter (ROS), och i slutändan verkar i neuroprotection (granskas i [3]).

PD kännetecknas av den specifika utarmningen av substantia nigra pars compacta dopaminerga (SNc DA) neuroner. Dessa neuroner gör ett stort antal synapser i de basala ganglierna. Följaktligen kan deras höga energibehov göra SNc DA-neuroner känsliga för energibrist [4]. Många faktorer kan påverka energiproduktionen genom processen med oxidativ fosforylering.

I synnerhet är järn (Fe2+) inkorporerat i Fe-S-kluster som är centrala för funktionen av elektrontransportkedjan (ETC) vid oxidativ fosforylering [5]. ETC-dysfunktion orsakar oxidativ stress som kan leda till att det (främst) cytosoliska PARK7-proteinet translokeras till mitokondrier för att reglera effekterna av reaktiva syrearter (ROS) [5].

Denna process är möjligen förändrad hos individer med mutation av PARK7, vilket leder till ETC-dysfunktion och dyshomeostas av järn (via effekter på järnreglerande proteiner, IRP1 & IRP2) och skadar dopaminerga neuroner.

IRP1 och IRP2 binder IRE i mRNA från gener involverade i järnhomeostas för att reglera deras translation och stabilitet (granskas i [6]). IRP regleras både av cellulär järnstatus och oxidativ stress [6]. Tidigare definierade vi uppsättningar av gener som bär IRE i antingen 5′ eller 3′UTR av deras transkript (vid lägre eller högre likhet med en IRE-konsensussekvens) hos människor, möss och zebrafiskar [7]. Med hjälp av dessa hittade vi bevis som stöder järndyshomeostas i Alzheimers sjukdom (AD) hjärnor och djurmodeller av AD [7].

Ortologer av PD-gener har tidigare identifierats och manipulerats i zebrafisk. Till exempel, Hughes et al. [8] utvecklade en ny zebrafiskmodell för att undersöka funktionen av PARK7. Zebrafisk som saknar den ortologa genen PARK7-: park7 (park7−/−) uppvisar en rörelsefenotyp vid tre månaders ålder och visar förändringar i genuttryck i deras hjärntranskriptom som tyder på störd mitokondriell metabolism (dvs. uppreglering av gener associerade med oxidativ fosforylering) vid fyra månaders ålder [8].

Därför antog vi att oxidativ stress och/eller järndyshomeostas i park7−/− zebrafiskhjärnor skulle förändra bindningen av IRPs till transkript som innehåller IRE, och därigenom förändra transkriptstabiliteten. För att utforska detta omanalyserade vi zebrafiskens hjärntranskriptomdata från Hughes et al. att testa för förändringar i representationen av IRE-innehållande genuppsättningar i park7−/− zebrafiskhjärnor. Vi fann att HQ5′IRE-genuppsättningen är signifikant förändrad i 4-månader gamla park7−/−-hjärnor, medan HQ3′IRE-genuppsättningen inte är det.

Metoder

För att testa för bevis på möjlig järndyshomeostas i park7-/- zebrafiskhjärnor, utförde vi anrikningsanalys med yngel [9] på IRE-genuppsättningarna [7]. För detaljerad information om denna omanalys av Hughes et al. [8] data, se ytterligare fil 1.
Resultat

Vi har tidigare definierat uppsättningar av gener för zebrafisk beroende på om dessa har IRE-liknande motiv i antingen 5′ eller 3′ UTR av deras mRNA, och om deras IRE matchar en kanonisk (hög kvalitet, HQ) eller icke-kanonisk IRE-sekvens (alla) [ 7]. Vi fann att endast transkript av HQ5'IRE-genuppsättningen visar statistiskt signifikanta förändringar av genuttryck som en grupp (Fig. 1a) i 4-månader gamla park7-/- hjärnor. Intressant nog är den mest uppreglerade genen i HQ5'IRE-genuppsättningen tyvärr2.

Diskussion

Genom att använda vår metod för att upptäcka bevis för järndyshomeostas i RNA-seq-data, fann vi mycket signifikant förändring av uttrycket av gener med IRE i 5'UTR av deras mRNA i 4-månader gamla park7−/− hjärnor.

Järnhomeostas upprätthålls genom reglering av genuttryck på flera nivåer, inklusive via transkription, mRNA-stabilitet och mRNA-translation (granskas i [10]). De två sistnämnda fenomenen moduleras av de järnreglerande proteinerna IRP1 och IRP2 när dessa binder till IRE. Den mycket signifikanta förändringen av uttrycket av HQ5'IRE-genuppsättningen i 4-månader gamla park7−/− hjärnor beror sannolikt på förändringar i bindningen av IRP1 och/eller IRP2 till IRE i transkripten av dessa gener.

Men eftersom mutation av PARK7 är känd för att orsaka oxidativ stress [11] och oxidativ stress också kan påverka IRP-bildning (granskas i [6]), är det svårt att skilja mellan oxidativ stress och järndyshomeostas eftersom de bidrar till förändringar i HQ5′IRE överflöd av gentranskript. Faktum är att eftersom järn är så viktigt för mitokondriell funktion, uppstår ofta järndyshomeostas och oxidativ stress samtidigt [12].

Intressant nog verkade HQ3′IRE-genuppsättningen opåverkad i park7−/− hjärnor och vi har för närvarande ingen förklaring till varför det skulle vara så. Men om effekterna på överflöd av HQ5'IRE-transkript verkligen beror på bindningen av IRP, pekar detta på förekomsten av mekanismer som kan diskriminera i bindningen av IRP till IRE (eller orsaka skillnader i effekterna av sådan bindning) , beroende på om en IRE finns i 5′ eller 3′ UTR av ett transkript.

Bland medlemmarna i HQ5'IRE-genuppsättningen observerades ala 2 transkriptnivåer ökade i park7−/− hjärnor. Relationen mellan alas2-aktivitet och IRP:er diskuteras i ytterligare fil 1.

Sammantaget stöder vår analys av transkriptomdata från park7−/− zebrafiskhjärnor möjligheten för järndyshomeostas och/eller oxidativ stress som tidiga prekliniska händelser vid PD. I framtida studier kommer vi att utforska karaktären av effekterna av PD-kopplade gener på järnhomeostas och mitokondriell funktion hos zebrafisk. Att förstå dessa effekter kan ge mekanistisk insikt i PD för utveckling av terapeutiska medel.

Erkännanden

Vi skulle vilja tacka Mary Elizabeth Pownall och Katherine Newling för att ha tillgängliggjort de obearbetade transkriptionerna av [8], och Nhi Hin för att ha tillhandahållit uppsättningarna av zebrafiskgener som innehåller järnkänsliga element.

Författarnas bidrag

HYC utarbetade manuskriptet. KB skrev metodiken, genererade diagrammen och utförde den bioinformatiska analysen. ML, LCP och KB övervakade och gav råd om analysen av detta dokument. ML, KB, LCP och HYC redigerade manuskriptet. Alla författare läste och godkände det slutliga manuskriptet.

Finansiering
KB stöds av ett Australian Government Research Training Program Scholarship och medel från Carthew Family Charity Trust. ML är en akademisk anställd vid University of Adelaide. LCP är en akademisk anställd vid University of Adelaide och stöds vidare av ett Barbara Kidman Fellowship.

Tillgänglighet av data och material

R-koden som användes för att åter analysera de råa transkripträkningarna av Hughes et al. kan hittas på https://github.com/karissa-b/dj1KO-RNAseq-IRE. Rådata från Hughes et al. är tillgänglig från Gene Expression Omnibus(GEO)-databasen GSE135271 (https://www.ncbi.nlm.nih.gov/geo/query/acc.cgi? acc=GSE135271). Listan över gener som innehåller ett järnkänsligt element (IRE) i de oöversatta regionerna av deras mRNA i zebrafisk finns på https://github.com/nhihin/ire.

Deklarationer

Etiskt godkännande och samtycke till att delta

Inte tillämpbar.

Samtycke till publicering

Inte tillämpbar.

Konkurrerande intressen

Författarna förklarar att de inte har några konkurrerande intressen.

Referenser

Lee JH, Han Jh, Kim H, Park SM, Joe Eh, Jou I. Parkinsons sjukdom-associerad LRRK2-G2019S-mutant verkar genom reglering av SERCA-aktivitet för att kontrollera ER-stress i astrocyter. Acta Neuropathol Commun. 2019;7(1):68.

2. Andreeva A, Bekkhozhin Z, Omertassova N, Baizhumanov T, Yeltay G, Akhmetali M, et al. Den uppenbara känsliga aktiviteten hos DJ-1 är resultatet av omvandlingen av fri metylglyoxal som finns i snabb jämvikt med hemithioacetaler och hemiaminaler. J Biol Chem. 2019;294(49):18863–72.

3. Dolgacheva LP, Berezhnov AV, Fedotova EI, Zinchenko VP, Abramov AY. Roll av DJ-1 i mekanismen för patogenes av Parkinsons sjukdom. J Bioenerg Biomembr. 2019;51(3):175–88.

4. Pacelli C, Giguère N, Bourque MJ, Lévesque M, Slack RS, Trudeau L. Förhöjd mitokondriell bioenergetik och axonal arborisationsstorlek är viktiga bidragsgivare till dopaminneuronernas sårbarhet. Curr Biol. 2015;25(18):2349–60.

5. Junn E, Jang WH, Zhao X, Jeong BS, Mouradian MM. Mitokondriell lokalisering av DJ-1 leder till förbättrat neuroskydd. J Neurosci Res. 2009;87(1):123–9. 6. Urrutia PJ, Bórquez DA, Núñez MT. Att beskylla hjärnan med järn. Antioxidans. 2021;10(1).

7. Hin N, Newman M, Pederson S, Lardelli M. Iron responsive element (IRE)-medierade svar på järndyshomeostas vid Alzheimers sjukdom. bioRxiv. 2021; 2020.05.01.071498.

8. Hughes GL, Lones MA, Bedder M, Currie PD, Smith SL, Pownall ME. Maskininlärning diskriminerar en rörelsestörning i en zebrafiskmodell av Parkinsons sjukdom. Dis Models Mek. 2020;13(10):d045815.

9. Wu D, Lim E, Vaillant F, Asselin-Labat ML, Visvader JE, Smyth GK. ROAST: rotationsgenuppsättningstester för komplexa mikroarrayexperiment. Bioinformatik. 2010;26(17):2176–82.

For more information:1950477648nn@gmail.com