Makroautofagi och mitofagi vid neurodegenerativa störningar: Fokus på terapeutiska insatser del 2

2. Mitofagi

Mitokondrier har ett dubbelt membran som består av ett inre mitokondriemembran (IMM) och ett yttre mitokondriemembran (OMM), åtskilda av intramembranutrymmet.

Det inre mitokondriella membranet är en viktig komponent i cellen. Dess huvudsakliga funktion är att generera den energi som krävs av cellen och kontrollera metabolismen i hela cellen. Modern biologisk forskning visar att det inre mitokondriella membranet också är nära relaterat till människans kognitiva förmåga, särskilt minnet.

Molekylerna i det inre mitokondriella membranet innehåller också vissa komponenter relaterade till kognition och nervsystemet, såsom membranproteiner och oxidativa fosforyleringssystem. Dessa komponenter är direkt involverade i hjärncellernas metaboliska process, och deras aktivitetsstatus kommer att påverka neuronernas normala funktion och därigenom påverka mänsklig kognition och minne.

Dessutom spelar en molekyl som kallas mitokondriell transportör i det inre mitokondriella membranet också en viktig roll i minneslagring och återkallande. Denna molekyl kan hjälpa neuroner att överföra kemiska signaler mellan synapser och stärka anslutningen av synapser, och därigenom uppnå långtidslagring och korrekt återkallande av minne.

Sammanfattningsvis har sambandet mellan det inre mitokondriella membranet och kognitiv förmåga och minne länge varit vetenskapligt verifierat. Att optimera det metaboliska tillståndet hos det inre mitokondriella membranet hjälper till att förbättra hjärnans arbetseffektivitet och förbättrar människors kognitiva och minnesförmåga. Därför kan vi främja hälsan hos det inre mitokondriella membranet genom att korrekt anpassa vår kost, träna och upprätthålla en bra attityd, och därigenom förbättra vårt minne och kognitiva förmågor. Man kan se att vi behöver förbättra minnet, och Cistanche kan förbättra minnet avsevärt eftersom det också kan reglera balansen av signalsubstanser, som att öka nivåerna av acetylkolin och tillväxtfaktorer, som är mycket viktiga för minne och inlärning. Dessutom kan Cistanche också förbättra blodflödet och främja syretillförseln, vilket kan säkerställa att hjärnan får tillräckligt med näring och energi, och därigenom förbättra hjärnans vitalitet och uthållighet.

Klicka på vet kosttillskott för att förbättra minnet

Denna organellkonfiguration är väsentlig för att upprätthålla en elektrokemisk gradient, vilket gör att mitokondrier kan generera den nödvändiga mängden ATP som ska användas av celler [77]. Elimineringen av defekta mitokondrier är en viktig kvalitetskontrollmekanism för att upprätthålla en hälsosam pool av mitokondrier och upprätthålla en livskraftig nätverk i neuronala celler [78].

Dessa celler är mer känsliga för mitokondriella defekter på grund av deras höga metaboliska krav; därför är den selektiva elimineringen av dysfunktionella organeller avgörande för tillförlitlig neurotransmission.

Mitokondrier som är irreversibelt skadade eller inte längre är effektiva elimineras av mitofagi, en selektiv mekanism där specialiserade receptorer känner igen defekta mitokondrier och förmedlar last som riktar sig mot autofagiska vesiklar [79]. Celler använder sig av olika metoder för att återvinna defekta mitokondrier, nämligen ubikvitinberoende vägar.

Huvudsakligen tar neuronala celler till det ubiquitinberoende mekanismsystemet som kontrolleras av PTEN-inducerat kinas 1(PINK1)/Parkin för att bevara en aktiv och dynamisk pool av mitokondrier.

PINK1 är amitokondriellt protein vars ackumulering i OMM fungerar som en sensor för att upprätthålla mitokondriell funktion eftersom det flaggar skadade mitokondrier för nedbrytning [80].

PINK1 uppvisar en mitokondriell inriktningssekvens, och importeras således systematiskt till IMM genom att komplexbindas med translokaser av det yttre membranet 20 och 40 (TOM20 och TOM40) [81], där det klyvs av det intramembraniga serinproteaset presenilinassocierade romboidliknande (PARL) 82] och hölls därför på låga nivåer under fysiologiska förhållanden.

Vid en given skada minskar de molekylära interaktionerna mellan TOM20/40 och PINK1, och PINK1-kluster i OMM av skadade mitokondrier, vilket främjar Parkin-fosforylering och dess efterföljande rekrytering [83].

Parkin, ett cytosoliskt E3 ubiquitinligas, ubiquitinerar en myriad av proteiner från OMM, som känns igen av receptorer såsom p62, även benämnd sekvestosom 1 (SQSTM1). p62/SQSTM1 är den ubiquitinbindande receptorn som är ansvarig för att driva ubiquitinerade mitokondrier till autofagosomens monteringsställe genom att interagera med ATG8-familjen LC3/GABARAP-receptorer [84].

Dessa receptorer känner också igen LIR-motiven för många OMM-proteiner för specifik inriktning av skadade mitokondrier vid autofagosomens monteringsställe [85]. I neuronala celler, ubiquitin-oberoende mitofagi orkestrerad av två bifunktionella proteiner, BCL2 och adenovirus E1B 19 kDa-interagerande protein (BNIP3L) och BNIP3-liknande protein X (NIX), är också ansvarig för differentieringen av retinala ganglieceller (RGC). BNIP3 och NIX innehåller en BH3-domän och är huvudsakligen belägna på OMM.

Dessa proteiner har ett WXXL-liknande motiv med en affinitet för LC3 och dess homolog GABARAP, vilket driver mitokondrier till autofagiska vesiklar. Under retinal neurogenes sker en metabolisk förändring, åtföljd av en ökning av uttrycket av båda proteinerna [86].

NIX-aktivitet kan medieras genom att öka nivåerna av reaktiva syrearter (ROS) i flera cellinjer [87], vilket lägger till ett nytt lager av komplexitet bortsett från utvecklingsfunktioner. Faktum är att ROS-produktionen ökar som en konsekvens av skadade mitokondrier [88] och kan inducera emitofagi [88]. NIX kan också reglera translokationen av Parkin till mitokondrier efter en depolariserande stimulans, såsom CCCP [87].

Dessutom har BNIP3L och NIX-reglerad mitofagi neuroprotektiva funktioner. I en modell av hjärnischemi var den selektiva nedbrytningen av mitokondrier förmedlad av dessa proteiner avgörande för neuronal överlevnadsfunktion [89]. Dessutom är NIX-överuttryck ensamt tillräckligt för att återställa mitofagydefekter som observerats i cellinjer som härrör från PD-patienter [90].

Fun14 domäninnehållande protein 1 (FUNDC1) är ett OMM-protein som interagerar med LC3 och GABARAP och förmedlar mitofagi under hypoxiska tillstånd. På homeostatiska nivåer undertrycks FUNDC1-beroende mitofagi av Src-kinasmedierad fosforylering i delen av LIR-motivet vid Tyr18.

I ett hypoxiskt tillstånd resulterar minskad Src-aktivitet i FDUNC1 Tyr18-defosforylering, vilket underlättar dess interaktion med LC3 och efterföljande mitofagi [91]. Dessutom gynnar hypoxidriven fosforylering av ULK1 av AMPK vid Ser555 ULK1-translokation till mitokondrierna, vilket ökar FUNDC1-aktiviteten [92]. Dessutom är Optineurin (OPTN) en cytosolisk receptor belägen vid OMM som främjar mitofagi genom sin interaktion med LC3 [93].

Intressant nog är OPTN-dysfunktion associerad med neurodegenerativa sjukdomar, såväl som andra patologier [94]. Sammantaget utgör mitofagi en viktig kvalitetskontrollmekanism för att upprätthålla neuronal metabolism och homeostas.

Transporten av mitokondrier inom neuroner är beroende av anterograda och trograda rörelser och är avgörande för att uppfylla de energetiska och metaboliska kraven längs neuronstrukturen. Dessa rörelser är också viktiga för mitokondriell reparation och nedbrytning och assisteras av transportadapterproteiner (Figur 3).

3. Autofagi och neurodegenerativa sjukdomar

3.1. Alzheimers sjukdom

AD är en neurodegenerativ störning och den vanligaste formen av demens i den äldre befolkningen, som drabbar nästan 50 miljoner människor världen över [95]. Early-debut familialAD (EOAD, fAD) står för mindre än 5% av fallen och utvecklas före 65 års ålder.

Autosomala dominanta mutationer i tre gener har associerats med EOAD: genen för amyloidprekursorprotein (APP) och generna presenilin-1 (PSEN1) och presenilin-2(PSEN2), subenheter av -sekretaskomplexet [ 95]. Den vanligaste formen är dock den sent debuterande sporadiska formen av AD (LOAD, sAD) med en prevalens högre än 95 % och med okänd etiologi.

Neuropatologin av AD kännetecknas av progressiv kognitiv försämring och minnesförsämring, vilket har korrelerats med närvaron av extracellulär deposition av amyloidplack (A, aggregering av -amyloidpeptider) och intraneuronala neurofibrillära trassel (NFT, aggregering av hyperfosforylerat synapsprotein) integritet och homeostas, vilket leder till irreversibel skada i specifika hjärnregioner som hippocampus och cortex [96].

A-peptiderna genereras genom den sekventiella proteolytiska bearbetningen av amyloidprekursorproteinet (APP) av -site APP-spjälkande enzym 1/ -sekretas (BACE1) och -sekretas genom den amyloidogena vägen. Klyvning av APP av BACE1, vars aktivitet är förhöjd i hjärnan hos sporadiska AD-patienter [97], sker huvudsakligen i endosomer, vilket ger en sur miljö för optimal enzymaktivitet [98].

Intracellulär handel med APP sker genom sekretoriska och endocytiska vägar. APP utsöndras till plasmamembranet som sedan internaliseras av clathrin-medierad eller caveolin-medierad endocytos [99].

Inendosomer, APP kan klyvas av BACE1 vilket ger upphov till det N-terminala APP-fragmentet.(sAPP) och det C-terminala fragmentet; den senare kan genomgå ytterligare klyvning av -sekretas, vilket resulterar i bildandet av A och den intracellulära APP-domänen. I den icke-amyloidogena vägen spjälkas APP av -sekretas i mitten av A-domänen, vilket förhindrar bildandet av A-peptiderna.

Klyvningen av -sekretas sker vid olika positioner av det C-terminala fragmentet, vilket resulterar i bildandet av A-peptider med olika längder. De vanligaste lösliga peptiderna som bildas är A 1-38 och A 1-40, följt av A 1-42, de senare är mer hydrofobiska och mer benägna att bilda trimeriska och tetramera oligomerer, vilket representerar den mest toxiska isoformen [100].

En oligomerstend för att bilda A-fibriller med veckade ark som monteras extracellulärt till amyloidplack [101]. A har också associerats med hyperfosforylering och aggregation av tau, ett mikrotubuli-associerat protein som normalt hjälper till vid polymerisation och sammansättning av axonala mikrotubuli och vesikeltransport.

Fosforyleringsstatusen för tauis regleras av distinkta kinaser och fosfataser som moduleras i närvaro av A-oligomerer; till exempel reglerar glykogensyntaskinas-3 (GSK3) och proteinfosfatas 2A(PP2A) direkt tau-fosforyleringsstatus [102]. Det hyperfosforylerade tillståndet av tau hämmar dess association med mikrotubuli, vilket påverkar dess stabilisering och leder till demontering av tomikrotubulinätverk [103,104].

Den proteolytiska klyvningen av hyperfosforylerad tau utlöser bildandet av tau-oligomerer [105] som är mer toxiska än aggregat, vilket leder till progressiv neuronal död [106].

3.1.1. Autofagi försämring i AD

I AD har distinkta molekylära patogena mekanismer som är ett resultat av ackumulering av A-oligomerer och tau-hyperfosforylering rapporterats, nämligen mitokondriell dysfunktion [107,108] och störningar av proteostassystem, såsom ovikt proteinsvar och autofagi [109].

Även om A-peptider uppvisar ett KFERQ-relaterat motiv, vilket är viktigt för normal bearbetning och nedbrytning av APP, är dessa fragment inte substrat för CMA-nedbrytning [110], och makroautofagi hjälper till med deras rensning [111].

Faktum är att makroautofagi spelar en viktig roll i A-metabolism eftersom den är involverad i nedbrytningen och elimineringen av APP [112] och dess klyvningsprodukter, inklusive A [113] och APP-CTF (amyloidprekursorproteinklyvt C-terminalt fragment) [114].

Autofagi dysfunktion har visats i både AD-patienter och djurmodeller. I AD-patientens hjärnor observerades en ansamling av omogna autofagiska vesiklar innehållande filamentös tau i dystrofiska neuriter [115].

Dessa autofagiska vesiklar finns ofta i proximala regioner av amyloidplack i hjärnan hos patienter och gnagaremodeller [116]. Märkligt nog observerades ackumulering av autofagosomer också i dendriter och soma av APP/PS1-transgena musneuroner även före uppkomsten av A-plack [117]. Dessutom observerades en ackumulering av omogna autofagiska vesiklar före neuronal förlust i hippocampus av PS1M146L/APP751SL-musmodellen [118].

Den onormala ackumuleringen av autofagosomer i neuroner tyder på att den defekta autofagiska-lysosomal vägen bidrar till ackumuleringen av A- och tau-oligomerer i AD [117]. APP och PSEN1 lokaliseras i autofagosomer; således är en ackumulering av dessa organeller associerad med en ökning av A-generationen, vilket i sin tur stör autofagosommembranen [115].

Följaktligen kan de omogna autofagosomer som beskrivs i AD-hjärnor och APP/PS1-transgena möss utgöra en annan källa för A-generation. Hjärnor från PSEN1-EOAD-patienter uppvisar lysosomal försämring associerad med amyloidpatologi och neurodegeneration [119].

Det har föreslagits att autofagosomackumulering kan bero på en försämring av autofagosom-lysosomfusion eller defekt lysosommatsmältning [120]. Studier visade en förändring av autofagiinitiering, särskilt en minskning av Beclin 1-uttryck i cortex hos AD-patienter och musmodeller [121] . Den ökade aktiviteten av kaspas 3 hos AD-patienter kan förklara den överdrivna klyvningen av Beclin 1 [122].

Den genetiska reduktionen av Beclin 1 i en transgen musmodell av AD som uttrycker humant APP ökade A-ackumulering, medan överuttryck av Beclin 1 signifikant minskade A-nivåerna [113]. Förutom Beclin-1 nedreglerades andra ATG-proteiner i en ålder- beroendesätt, vilket resulterar i en ackumulering av A [123]. ATG7, ett nyckelprotein i regleringen av autofagi, var inblandad i AD-patologi.

Nivåerna av ATG7 visade sig vara reducerade i hjärnbarken och hippocampus i en AD-musmodell, men inga förändringar upptäcktes i temporala cortex på AD-patienter [124]; ATG7 knockdown möss uppvisade en minskning av A-sekretion åtföljd av en ökning av intracellulärt A [125], vilket ytterligare stöder en roll för ATG7 i transporten av A-peptider till multivesikulära kroppar som ska utsöndras.

Uttrycket av p62 visades vara minskat i en trippel transgen musmodell, vilket äventyrade de första stegen av selektiv autofagi i AD [126]. En genomomfattande analys avslöjade dock transkriptionell uppreglering av positiva regulatorer av autofagi i AD.

I överensstämmelse med aktivering av autofagi observerades en uppreglering av ATG-proteinnivåer och en högre hastighet av autofagosombildning och lysosomal biogenes i de tidiga stadierna av AD [127]. Denna kontrovers antyder differentiell autofagireglering i de tidiga och sena stadierna av AD, vilket bör beaktas när man utvärderar mekanismen i olika modeller och när man söker efter terapeutiska strategier.

Närvaron av omogna autofagosomer i dystrofiska neuriter tyder på att retrograd transport av autofagirelaterade vesiklar och deras mognad försämras i AD [128]. Till stöd för detta leder hämning av autofagosomleverans till lysosomer till deras ackumulering i neuriter med liknande morfologi, som beskrivs i AD [64].

En oligomer kan störa dynein-snapin-komplexet, vilket försämrar den axonala vesikeltransporten, vilket kan bidra till defekt leverans av autofagosomer till lysosomesin AD [129]. Nedbrytning av tau, som primärt är belägen i axoner och mindre förekommande inneuriter och soma, sker genom proteasom eller genom makroautofagi, beroende på dess soligomeriseringstillstånd.

AD-associerade tau-modifieringar driver dess nedbrytning genom makroautofagi när den proteasommedierade proteolysen försämras av sjukdomsprogression [130]. Av relevans kan nedbrytningen av tau producera olika fragment som binder till Hsc70 som riktas till LAMP-2A av CMA [131,132].

Ändå orsakar ackumuleringen av dessa fragment i det lysosomala membranet aggregering av tau, vilket stör lysosomal integritet och blockerar CMA [132]. Försämringen av den autofagiska-lysosomala vägen resulterar i aggregering av tau-oligomerer, som i sin tur bryts ned när makroautofagi induceras med rapamycin [132,133].

Tau är avgörande för den retrograda rörelsen av autofagosomer mot lysosomer genom stabilisering av mikrotubuli, en roll som äventyras i AD [134]. Hyperfosforylering av tau och dess oligomerisering resulterar i förskjutning av mikrotubulimaskineri och följaktligen i försämring av autofagosomes rörelse och mognad, vilket också bidrar till autofagisk dysfunktion.

Förutom defekter i autofagosomtransport, beskrevs också en försämring av lysosomal funktion i AD. PSEN1 är en regulator av lysosomal funktion som fungerar som en chaperone för det vakuolära-ATPas som försurar den lysosomala lumen. Mutationer i PSEN1 försämrad lysosomal försurning och autofagosom-lysosomfusion, vilket resulterar i ackumulering av A-laddade autofagosomer [135].

Dessutom föreslogs det att lysosomal proteolys påverkas vid AD; höga nivåer av A-, LC3-II- och ubikvitinerade proteiner var närvarande både i lysosom- och autofagosomfraktioner isolerade från AD-transgena musmodellen [136]. I överensstämmelse med detta resulterar störningen av lysosomal proteolys genom att hämma lysosomala katepsiner i friska neuroner i ackumulering av autofagiska vesiklar med liknande morfologi som de som finns hos AD-patienter och transgena musmodeller [64].

A äventyrar lysosomal membranintegritet, vilket resulterar i frisättning av katepsiner i cytoplasman [137,138]. Närvaron av cathepsin D i exosomer isolerade från blodet från prekliniska AD-patienter [139] stöder hypotesen om en ineffektiv lysosomal funktion. Märkligt nog beskrevs genetiska variationer i den Cathepsin D-kodifierande genen som riskfaktorer för AD [140].

Analysen av autofagiprocessen i neuroner från tidiga till senaste stadier av AD visade ett ökat uttryck av autofaggener i tidiga stadier, men den lysosomala clearancedefekten resulterade i ackumulering av autolysosomala strukturer med progression av sjukdomen [141]. Sirtuiner (SIRTs) omfattar en grupp av nikotinamidadenindinukleotid (NAD+)-beroende proteiner som är regulatorer av flera cellulära vägar.

Bland dem har Sirt1 associerats med autofagireglering. Lägre nivåer av SIRT1 äventyrar den deacetyleringsmedierade aktiveringen av nedströms autofagiproteiner (t.ex. ATG5, ATG7 och LC3) [142], vilket också kan bidra till autofagiförsämring vid AD. Nivåerna av SIRT1 minskar i parietalbarken hos AD-hjärnpatienter och korrelerar med ackumuleringen av A- och tau-trassel [143].

Aktivering av mTOR, den centrala koordinatorn för autofagi, beskrevs i AD som svar på A-ackumulering [144]. A ökar mTOR-aktiviteten, vilket också resulterar i högretau-uttryck och GSK3 --medierad fosforylering [145], vilket stöder en roll för mTORin-tau-medierad patogenes. Dessutom observerades utsöndring av fosfo-tau genom exocytotiska vesiklar genom mTOR-signalering i hjärnan hos AD-patienter [146].

Dysreglering av PI3K/Akt/mTOR-vägen har också varit inblandad i AD-patogenes [147]. Aktivering av PI3K av tillväxtfaktorer (t.ex. insulinliknande tillväxtfaktor-1, IGF1) främjar fosforyleringen av Akt och indirekt aktivering av mTORC1, främjar autofagi. I AD interagerar A med och hämmar PI3K/Akt/mTOR-vägen [148], vilket leder till aktivering av GSK3 och ökad tau-hyperfosforylering.

Dessutom är transkriptionsfaktorn EB (TFEB), huvudregulatorn för lysosombiogenes, ett nedströmsmål för mTORC1. En minskning av mTORC1-aktivitet inducerar defosforylering av TFEB och dess translokation till kärnan för att aktivera uttrycket av autofagi och lysosomala biogenesrelaterade gener [149].

Nivåerna av TFEB visade sig vara sänkta i hjärnproverna (hippocampus) hos AD-patienter, särskilt minskade nukleära nivåer av TFEB i de avancerade stadierna av sjukdomen [150].

Dessutom försvagades TFEB-translokation till kärnan i fibroblaster med presenilinbrist och inducerade pluripotenta stamcellshärledda humana AD-neuroner, vilket resulterade i minskad CLEAR-nätverksaktivering [151].

I en dubbeltransgen APP/PS1-djurmodell upptäcktes emellertid ökade nivåer av total och nukleär TFEB i hippocampus hos 8-månader gamla AD-möss med en åtföljande ökning av dess nedströmsmål, vilket tyder på att TFEB är involverat i lysosomal- medierad AD-progression [152]. Uppregleringen av TFEB-målgener rapporterades också i PS1 villkorade knockout-möss och 5xFAD-möss [153].

Aktiveringen av TFEB-nätverket kan återspegla ett försök att kompensera för den försämrade autofagin i AD-djurmodeller. Den exakta rollen för TFEB som en masterregulator av lysosomal funktion i AD-patogenes är långt ifrån fullständigt förstådd och kräver ytterligare undersökning.

For more information:1950477648nn@gmail.com