Strukturella och funktionella insikter i synukleinfibrillpolymorfism del 2

-Synuklein (-syn) och -synuklein (-Syn) proteiner tillhör också synukleinfamiljen [165] (Figur 1C). -Syn är ett protein med 134 aminosyror, som tidigare identifierats som humanhomolog av bovint fosfonuroprotein 14 (PNP14).

När vi åldras minskar minnet gradvis. Däremot kan vi förbättra minnet genom bra kost. Aminosyraprotein är ett av de viktigaste näringsämnena.

Aminosyraproteiner kan öka antalet och kopplingarna av neuroner i hjärnan, vilket spelar en viktig roll för inlärning och minne. Dessutom kan aminosyraproteiner främja tillväxt och reparation av blodkärl i hjärnan och öka syretillförseln till hjärnan och därigenom bidra till att förbättra hjärnans kognitiva förmåga och minne.

Vissa livsmedel rika på aminosyraproteiner inkluderar kyckling, nötkött, fisk och ägg. Samtidigt ger vissa vegetabiliska livsmedel som bönor, solrosfrön etc också rika aminosyraproteiner. Vi kan förbättra minnet genom att äta en balanserad kost och konsumera lämpliga aminosyror och proteiner.

Dessutom bör vi vara uppmärksamma på intaget av lämpliga mängder aminosyraprotein och upprätthålla hälsosamma matvanor och livsstilar. Regelbunden träning, att få tillräckligt med sömn och minska stress kan alla hjälpa till att förbättra hjärnans utveckling och funktion.

Sammantaget är aminosyror och proteiner viktiga näringsämnen för att förbättra minnet. Genom rimliga kost- och livsstilsanpassningar kan vi hjälpa våra hjärnor att fungera bättre, förbättra vår förmåga att lära och komma ihåg och få ett hälsosammare och lyckligare liv. Det kan ses att vi behöver förbättra minnet, och Cistanche deserticola kan förbättra minnet avsevärt, eftersom Cistanche deserticola har antioxidant-, anti-inflammatoriska och anti-aging-effekter, vilket kan hjälpa till att minska oxidation och inflammatoriska reaktioner i hjärnan och därigenom skydda nervsystemets hälsa. Dessutom kan Cistanche deserticola också främja tillväxt och reparation av nervceller, vilket förbättrar anslutningen och funktionen hos neurala nätverk. Dessa effekter kan hjälpa till att förbättra minnet, inlärnings- och tankehastigheten och kan också förhindra utvecklingen av kognitiv dysfunktion och neurodegenerativa sjukdomar.

Klicka på vet sätt att förbättra hjärnans funktion

Sträckningen 11-aminosyra (resterna 73–83) saknas i sin NAC-domän (Figur 1C), på grund av vilken den inte kan fibrillera [11,176,177]. Tidigare trodde man att -Syn är en hämmare av -Syn-aggregation och förhindrade dess neurotoxicitet [11,176]. Men denna uppfattning förändrades efter att ha upptäckt missense-mutationer i -Syn-genen, P123H (familj) och V70M (sporadisk), kända för att orsaka DLB [178].

De skadliga effekterna av dessa mutationer har visats av cell- och djurbaserade studier [179,180]. Vår grupp visade nyligen att under normala fysiologiska förhållanden inträffade inte fibrillering och aggregering av -Syn och dess sjukdomsassocierade mutationer, men en förändrad mikromiljö, såsom en minskning av pH och/eller närvaron av heparin, fick dem att polymerisera [181].

-Syn, som delar ~55% sekvenshomologi med -Syn, identifierades initialt i bröstcancermaligniteter kodade av en bröstcancerspecifik gen, BCSG1 [182]. Det rapporterades i det perifera centrala nervsystemet och bröstcancervävnader [182,183]. Det aggregerar och bildar fibriller in vitro [177] och inceller [184], men är jämförelsevis långsammare än -Syn [91].

Felveckning och flimmer av -Syn är en viktig händelse i flera neurodegenerativa sjukdomar [185]. De felveckade -Syn-aggregaten är amyloidogena, som avvikande ackumuleras i hjärnan, och som ett resultat får patienten rörelseavvikelser som förvärras med tiden.

Aggregeringen av -Syn är ett komplext fenomen och involverar omvandlingen av monomerer till högordnade tvär- -arkrika strukturer genom bildning av flera lösliga oligomera arter på och utanför vägen [185,186]. Amyloidbildningen av -Syn övervakas i allmänhet av tioflavin T fluorescensfärgämne [187].

Den följer sigmoidal tillväxtkinetik, som består av (i) eftersläpningsfasen, som involverar bildandet av kärnor, som så småningom växer till den detekterbara aggregatstrukturen i lösning; (ii) förlängningsfasen, omvandlingen och efterföljande tillväxt av oligomera arter till den fibrillära strukturen; och (iii) den stationära fasen, som representerar det stationära tillståndet där monomer- och fibrillkoncentrationen når jämvikt.

I slutet av aggregeringen sätts -Syn ihop till atypiska långa amyloidfibriller, normalt kännetecknade av elektronmikroskopi och atomkraftsmikroskopiska avbildningstekniker [9]. Dessa faser av aggregering kan inte tillskrivas en enskild händelse eller mikroskopisk process. Istället är alla processer, nämligen primär kärnbildning, förlängning, sekundär kärnbildning och fragmentering, aktiva genom alla faser av tillväxtkurvan men med olika hastigheter [188,189] (Figur 2).

Dessa reaktionshastigheter styrs av aggregationshastighetskonstanter och koncentrationen av de reagerande ämnena vid en given tidpunkt [190]. Amyloidbildningen initieras med primär kärnbildning av de monomera arterna i lösningen och förlängning genom tillsats av monomer till de växande ändarna av aggregaten [189]. Emellertid är primära kärnbildningsprocesser kortlivade och överträffas snabbt av sekundära kärnbildningsprocesser [191].

Fragmenteringen av fibrillerna under agitationsförhållanden (eller till och med under vilande förhållanden beroende på stabiliteten hos amyloidfibriller) modifierar antalet växande ändar och påverkar signifikant den övergripande tillväxtkinetiken [188,189].

Vidare är sekundär kärnbildning genom ytkatalys också en av de största bidragsgivarna till amyloidtillväxt i flera system, särskilt undervilande förhållanden [189,190]. Självsammansättningen och aggregeringen av -Syn är ett komplext fenomen och involverar flera parallella processer. Därför är det avgörande att förstå de underliggande molekylära händelserna för att avgränsa deras grundläggande samband med mänsklig sjukdom.

4. Prionliknande stamfenomen i -Syn

Sedan upptäckten av -Syn som huvudbeståndsdelen i Lewy-kroppspatologin 1997 har det primära fokus flyttats till att avgränsa den underliggande patogena mekanismen för PD.

Heiko Braak [192] presenterade ett stadiesystem för Lewy-patologi 2003 baserat på de specifika mönstren för -Syn-spridning. Enligt Braak-hypotesen initieras Lewypatologin från luktbulben och DMV och sprider sig sedan gradvis till andra hjärnregioner.

Även om det finns experimentella och kliniska bevis som stöder Braaks hypotes, är det osäkert om det är tillämpligt och/eller exakt beskriver utvecklingen av PD hos alla patienter. Till exempel finns det fall där patienter inte visar Lewy-patologi i DMV eller ENS, medan andra hjärnregioner är allvarligt påverkade [193–198].

Även i vissa fall har inget samband observerats mellan svårighetsgraden av Lewy-patologi och kliniska symtom vid PD [195]. Därför föreslås det att endast tillämpa Braaks hypotes på en delmängd av befolkningen [198] eftersom inte alla PD-patienter följer det stadiesystem som Braak föreslagit [199]. Intressant nog gav rapporterna om Lewy-patologi i fetala neuronala transplantat efter fjorton år av transplantation till striatum hos PD-patienten direkta bevis på cell-till-cell-överföring och spridningen av -Synpathology föreslagen av Braak [200,201].

Studier som använder in vitro- och cellmodellsystem antydde senare att -Syn-aggregat är smittsamma, kan flytta från en cell till en annan och så aggregationen av deras lösliga endogena motsvarighet i mottagarcellerna, vilket förklarar fenomenet som observerats i ympade neuroner [18,21,23] . Denna prionliknande överföring av -Syn-aggregat från en region till en annan är också inblandad i DLB- och PDD-patienter, vilket tyder på att spridningen av Lewy-patologi är den gemensamma egenskapen för -Syn-aggregatesinsynukleinopatier [202-205].

De kliniska och patologiska egenskaperna hos dessa synukleinopatier är emellertid mycket varierande och heterogena [206,207], [146,208]. Man kan fråga sig varför, trots att det är kopplat till aggregationen av samma protein, är fördelningen av -Syn-patologi och manifestationen av sjukdomssymtom olika bland synukleinopatier.

Detta kan förklaras av det prionliknande stamfenomenet av -Syn, där samma prekursorprotein bildar olika fibriller som resulterar i distinkt patologi.

4.1. Begreppet prionstammar

De senaste decennierna av forskning har föreslagit att proteiner/peptider med olika strukturer och sekvenser kan bilda ett gemensamt veck av tvär- -arkrik struktur av amyloid [209–213]. Dessa proteiner/peptider bildar amyloider med en gemensam aggregationsramverk, dvs genom en kärnbildningsberoende polymerisationsmekanism [214,215].

Emellertid kan varje protein/peptid också genomgå en distinkt aggregationsväg för att bilda en unik amyloidstruktur. Nya högupplösta strukturella studier med ssNMR och cryo-EM har verkligen föreslagit att varje protein packas unikt och bildar olika strukturer för tvär- -arkveckningen [56–58,61,216]. Inte bara det, utan överraskande nog kan ett protein bilda flera olika strukturella veck [40,59].

Således kan dessa proteiner anta olika konformationer från samma aminosyrasekvens, vilket ger upphov till flera proteinopatier och därför inte bekräftar hypotesen om ett protein-ett-struktur [217]. Till exempel viks tau olika vid Alzheimers och Picks sjukdom [40,218,219] . Olika TAR-DNA-bindande protein (TDP-43)-aggregat finns i hjärnorna hos subtyper av frontotemporal lobardegeneration (FTLD-TDP), vilket visar morfologiska skillnader mellan subtyperna [220].

Detta proteins förmåga att felvecka och visa konformationell mångfald kan leda till allvarliga konsekvenser, såsom neurodegeneration [221]. Detta fenomen med ett proteinbildande olika amyloider associerade med olika fenotypiska egenskaper är välkänt för prioner [46,222]. Prioner är infektiösa proteinpartiklar som visar konformationell heterogenitet och kan överföras från en individ till en annan [223].

En myriad av bevis visar epidemiologisk och klinisk-patologisk mångfald i mänskliga prionsjukdomar, såsom Kurus sjukdom, Gerstmann-Straussler-Scheinkers syndrom och Creutzfeldt-Jakobs sjukdom [224], såväl som icke-mänskliga prionsjukdomar, såsom bovin spongiform encefalopati (BSE) hos nötkreatur, skrapie hos får och getter etc. [225].

Det normala cellulära prionproteinet (PrPC) genomgår omvandling från -helix till -arkrik konformation (PrPSc), som är en olöslig, PK-resistent och infektiös form. PrPSc fortplantas och aggregeras enligt två allmänt accepterade mekanismer/modeller, dvs den mallassisterade modellen och nukleationspolymerisationsmodellen.

En patogen prion fungerar som en mall i den mallassisterade modellen och tillhandahåller en yta för att omvandla ett endogent normalt prionprotein till dess felveckade patogena form [226]. I kärnbildning-polymerisationsmodellen kombinerar monomerPrPSc och bildar en stabil kärna, även kallad ett frö. Dessa frön fortsätter att rekrytera PrPC och omvandlar dem till sina patogena motsvarigheter [226].

En av prioners anmärkningsvärda egenskaper är att de kan felveckas till olika konformationer, som var och en ger upphov till distinkta kliniska, histologiska och patologiska profiler. Dessa aggregat med olika konformationer och patologiskt beteende kallas "stammar" [45,227]. De banbrytande observationerna på förekomsten av prionstammar kom från studien av Pattison och Milson, 1961 [228], där de experimentellt producerade skrapie hos getter och observerade distinkta kliniska manifestationer av sjukdomen på grund av olika stammar.

I en annan studie kunde Fraserand Dickinson särskilja olika stammar av skrapie hos infekterade mössmodeller beroende på omfattningen av skadan i olika delar av hjärnan [229]. Senare visade en mängd rapporter förekomsten av PrPSc-stammar [227 230-233] och metoder för att särskilja dem, såsom Proteinas K (PK)-nedbrytning [234 235], elektronparamagnetisk resonans (EPR) och NMR-spektroskopi [43].

Dessa konformationer av PrPSc varierar i termer av olika typer av sekundära strukturelement, såsom -helix, -sträng, -turn, ordnade strukturella veck eller olika packning [227,230,232,235,236]. Till exempel återveckas prionprotein från den syriska hamstern till både spiral- och arkstrukturer, såväl som olika mellanprodukter i vattenlösning [236].

Dessa är inte bara strukturellt utan också funktionellt skilda från varandra [43] och har identifierats vid olika prionsjukdomar hos människor och djur [233,237]. Trots att de är resultatet av aggregationen av samma prionprotein skiljer sig prionsjukdomarna från varandra när det gäller sjukdomsdebut/ inkubationsperiod, progression och histopatologiska lesioner i den infekterade hjärnan [224,225]. Detta har kollektivt benämnts som "prion-stamfenomen" [45,46,238].

En av de största bidragsgivarna till denna stammångfald/variation är smittämnenas/prionernas förmåga att infektera vissa arter [44 239 240] och passera "artbarriären", och därigenom generera en mängd olika stammar med urskiljbara biokemiska och patologiska egenskaper. Ett sådant fall är vCJD (variant Creutzfeldt-Jakobs sjukdom), som beror på överföring av BSEprion mellan arter från nötkreatur till människor [44 240], vilket är det enda kända fallet av icke-mänskliga prioner som överförs till människor.

Olika prionstammar har också varit kända för att samexistera med varandra, vilket kan ses i fallet med sCJD (sporadisk Creutzfeldt-Jakob-sjukdom) [241,242], som visar distinkta biokemiska egenskaper i olika delar av hjärnan. Prionstammar är också kända för att förlänga sin inkubationsperiod vid samtidig infektion med andra stammar, vilket visar ett fenomen av "konkurrens", som observerats i olika studier [243–245].

Alla ovan nämnda egenskaper hos prionstammars fenomen och potentialen för generering av nya prionstammar har dykt upp inte bara som en allvarlig vetenskaplig utmaning utan också som ett hot mot den allmänna folkhälsan.

Nyligen genomförda studier har emellertid föreslagit att denna stamegenskap hos amyloider inte bara är begränsad till prioner utan även andra amyloider associerade med olika neurodegenerativa sjukdomar som Alzheimers och Parkinsons [19 246 247], [18 248]. Olika bevis har tillhandahållits från in vitro och in vivo studier för att visa det prionliknande stambeteendet av -Syn, som diskuteras nedan.

4.2. -Syn-stammar genererade in vitro

Växande bevis för prionliknande stammar av -Syn associerade med kliniska och patologiska variationer som observerats vid synukleinopatier har rapporterats under de senaste åren [29-35,249].

Dessa stammar har definierats som distinkta och stabila konformationella sammansättningar av ett enda protein som kan självreplikera och föröka sig in vivo och resultera i olika sjukdomsfenotyper. Guo et al. upptäckte två "stammar" av -Syn förformade fibriller (puffar), genom denovo-fibrillering, kallad "stam A", och repetitiv såddfibrillering in vitro, benämnd "stam B".

Dessa två stammar uppvisade distinkta konformationer och slående skillnader i korssådd tau-protein i primära neuronala kulturer och in vivo [30]. Förutom att dokumentera bevisen för -Syn fibrillstammar för första gången, identifierade dessa fynd också korssåddbeteendet hos -Syn. Senare utnyttjade flera grupper kameleontegenskapen hos -Syn [9] och screenade många tillväxtförhållanden för att generera -Syn-stam in vitro. Under olika tillväxtförhållanden observerades flera konformationsstabila och instabila tillstånd av protein [250].

Konformationerna, som inte är termodynamiskt stabila eller inte kan etablera stabila intermolekylära interaktioner, kan inte växa till amyloidfibriller. Dessa kallas tillväxtinkompetenta tillstånd (Figur 3). Å andra sidan kan tillväxtkompetenta tillstånd av -Syn växa och bilda olika fibriller beroende på tillväxtförhållandena (Figur 3).

De resulterande fibrillerna under olika monteringsförhållanden besitter inte bara olika biokemiska och biofysikaliska egenskaper, som resistens mot proteaser, cytotoxicitet, såningsförmåga, etc. [29–32,34–36,51,53] utan präglar också sin arkitektur på dotterfibrillerna beroende på tillväxtförhållandena och frönas natur (Figur 3).

Bousset et al. faktiskt genererade två strukturellt och funktionellt olika -Syn-stammar, benämnda "fibriller" och "band", med olika fysiologiska saltkoncentrationer [29]. Fibriller orsakade mer cytotoxicitet, medan banden visade sig vara mer effektiva för att inducera -Syn-inneslutningar in vivo [33]. Liknande skillnader erhölls med stammar genererade av Suzuki et al. [51], där en stam orsakade ackumulering av rikligt med fosforylerade och ubiquitinerade -Syn-aggregat i odlade neuroner och möss på grund av dess förmåga att interagera med proteasomkomplex, medan den andra stammen misslyckades med att göra det [51].

Nuförtiden har varierande experimentella förhållanden snarare blivit en vanlig strategi för att generera stammar in vitro. I de fall där kriterierna för att kallas en "stam", dvs. bör vara en strukturell variant av proteinaggregaten, uppvisar förmågan att självföröka sig och seriellt överföra sjukdomen under kommande generationer och orsaka kliniska och fenotypiska sjukdomsvariationer, är inte helt uppfyllt vore det lämpligare att kalla fibrillerna för 'polymorfer'.

Dessa polymorfer kan uppvisa slående skillnader i sin morfologi och struktur [28,56,251], kärnbildningshastigheter [252], ympnings- och membranbindningsförmåga i celler [36], etc. Men som en funktionell konsekvens av dessa strukturella variationer i polymorfer kan eller kan de inte resultera i distinkta kliniska subtyper av sjukdomar. Det finns också fall av intraprovpolymorfism, som kan uppstå oavsett om fibriller genereras in vitro [39,57,253-256] eller härrör från hjärnextrakt [40,257,258].

Även om dessa kan ha vissa gemensamma drag, som en liknande monomer veck eller en gemensam struktur, visar de också markanta skillnader i morfologi, -strängarrangemang eller biokemiska egenskaper [57,256]. Således kan olika monteringsförhållanden generera strukturellt och funktionellt distinkta fibrillära sammansättningar, som antingen kan fortplanta sig som en unik -Syn-stam eller helt enkelt kan bilda polymorfer.

Flera rapporter har hävdat närvaron av -Syn-aggregat i mag-tarmkanalen [259-263] och en nyckelroll för vagusnerven i att sprida dessa aggregat från gutto hjärnan [74,76,192,264,265]. Nyligen har curli-uttryckande E. coli visat sig främja -Syn-patologi i tarmen och hjärnan hos möss som överuttrycker mänsklig -Syn [78]. Exponering för mikrobiella amyloider kan inducera polymorfism.

Istället skulle det vara intressant att fråga om olika former av -Syn (polymorfer) härstammar från tarmen, sprids till hjärnregionerna via retrograd vagal transport och orsakar patologi på ett stamspecifikt sätt. I detta sammanhang har strukturella och funktionella skillnader observerats mellan -Syn-fibriller som bildas i närvaro och frånvaro av bakteriellt endotoxin lipopolysackarid (LPS) [31].

LPS är känt för att modulera -Syn-aggregation genom att stabilisera de -helicalintermediates som bildas under dess aggregationsväg, vilket resulterar i fibriller med variabel cytotoxicitet och förändrat internaliseringsbeteende [266]. Dessutom har -Syn visat sig genomgå många PTM, som fosforylering, metioninoxidation, acetylering, nitrering, etc., som är direkt associerade med dess aggregation och cytotoxicitet [94,115,267,268].

Eftersom pS129 är den vanligaste PTM och huvudformen av -Syn i inklusionskropparna, kan det orsaka stambildning i -Synin vivo. Ma et al. visade att fosforylering vid Ser129 gör det möjligt för proteinet att bilda en distinkt stam som skiljer sig strukturellt med högre cytotoxicitet och olika förökningsegenskaper in vitro och i celler jämfört med vildtypens motsvarighet (utan fosforylering) [269].

Inte bara fosforylering utan även N-terminal acetylering kan ge fibrillpolymorfism [267], vilket tyder på att även en liten modifiering i -Syn-aminosyrasekvensen kan påverka dess fibrilstruktur avsevärt. Förändringen i fibrillerstrukturen kan ytterligare påverka utbredningen av fibriller in vivo genom att selektivt rikta in sig på distinkta celltyper och cellpopulationer i hjärnan [32].

Dessa stamspecifika skillnader bevaras sedan troget över generationerna [28,29,52] och leder till kliniska skillnader i sjukdomsdebut, neurologisk sjukdom, lesionsprofil, etc. [32]

Sammantaget tyder dessa studier på att i en komplex och trång miljö, såsom den med acell, kan subtila miljö- och cellulära förändringar, närvaron av kofaktorer eller andra proteiner, och förändringar i proteinets primära sekvens leda till bildandet av olika polymorfer eller stammar , vilket resulterar i olika sjukdomsutfall.

For more information:1950477648nn@gmail.com