Strukturella och funktionella insikter i -synukleinfibrillpolymorfism del 4

7. Fasseparation och kärnbildning: molekylär grund för fibrilpolymorfism

Strax efter upptäckten att -Syn-aggregation inte bara är kopplat till PD utan även MSA och DLB, har nyckelforskningsområdet främst fokuserats på att förstå förmågan hos ett protein att orsaka kliniskt och patologiskt olika neurodegenerativa störningar.

När du blir äldre kanske du upptäcker att ditt minne inte är lika bra som det var när du var barn. Ibland kan du till och med känna att din hjärna är "rostig" och det är svårt att komma ihåg ny information. Men vad kan göras för att förbättra denna situation? Forskning de senaste åren har visat att det finns ett nära samband mellan MSA (dopamin-sackaridkomplex) och minne.

MSA är en neural krets som involverar signalsubstansen dopamin. Dopamin är en viktig signalsubstans i hjärnan och är relaterad till känslor, motivation och rörelse. Solstenar är kärnor i hjärnan som styr rörelse och koordinerar rörelse. Förhållandet med dopamin är att när basalkroppen stimuleras av dopamin, kommer den att öka kopplingarna mellan hjärnans neuroner, vilket främjar bildandet och konsolideringen av minnet.

Forskning visar att MSA kan aktiveras och stimuleras genom digitala spel, musikträning, fysisk träning och social interaktion. Dessa modaliteter kan stärka kopplingen till cerebrospinalvätskan genom att öka frisättningen av dopamin. Till exempel har statiska hjärnövningar, som Sudoku och korsord, visat sig förbättra minnesförmågan. Musikalisk träning har också visat sig stimulera MSA-kretsar och förbättra minnesförmågan. Dessutom har fysisk träning och social interaktion också visat sig ha en positiv inverkan på MSA-aktivering och därigenom främja hjärnans hälsa och minnesförbättringar.

Sammanfattningsvis, eftersom MSA-aktiviteter har en positiv inverkan på minnet, är att hitta och delta i aktiviteter som stimulerar MSA ett viktigt steg för att förbättra minnet. Att vara fysiskt aktiv, delta i sociala aktiviteter och lära sig nya färdigheter kan aktivera och stimulera MSA-kretsen och därigenom främja förbättrad hjärnhälsa och minne. Låt oss börja från och med nu och aktivt delta i dessa aktiviteter för att injicera ny energi och vitalitet i våra hjärnor. Det kan ses att vi behöver förbättra minnet, och Cistanche deserticola kan förbättra minnet avsevärt eftersom Cistanche deserticola är ett traditionellt kinesiskt läkemedelsmaterial som har många unika effekter, varav en är att förbättra minnet. Effekten av Cistanche deserticola kommer från de många aktiva ingredienser den innehåller, inklusive garvsyra, polysackarider, flavonoidglykosider, etc. Dessa ingredienser kan främja hjärnans hälsa på en mängd olika sätt.

Klicka på vet sätt att förbättra hjärnans funktion

Under de senaste åren har prionstamshypotesen dykt upp som den ledande förklaringen till den observerade sjukdomsvariabiliteten i synukleinopatier. Även om en rad biofysiska och biologiska data stödjer förekomsten av -Syn-stammar [29,30,32-35,53], är det fortfarande oklart hur dessa stammar kommer från och vilka faktorer som driver deras bildning in vivo.

Det troliga svaret kan ligga i att avgränsa aggregationsvägarna och urskilja de molekylära drivkrafterna som ligger bakom stambildning. Amyloidbildning styrs inte bara av primär kärnbildning utan domineras av sekundära kärnbildningshändelser under större delen av aggregationstillväxtfasen, som diskuterats tidigare [189].

Denna sekundära kärnbildning involverar förlängning av nya fibriller från de befintliga fröna genom att rekrytera monomerer från lösningen. Eventuella förändringar i fibrillernas lösningsförhållanden tenderar att förändra hastigheten för primära och sekundära kärnbildningshändelser [188,189]. Till exempel ökar surt pH bindningen av -Syn-monomerer till fibrillytan, och ökar därmed de sekundära kärnbildningshastigheterna [189,302].

Eftersom fröinducerad förökning av aggregat tillskrivs fragmenteringen och förlängningen av fibrillfrön, leder detta till att vi antar att stamfenomenet, åtminstone delvis, är en konsekvens av sekundär kärnbildning. Dessutom existerar flera arter vid olika stadier av aggregationskinetiken [17,303,304], vilket tyder på involveringen av aggregationsintermediärer i att diktera polymorfismen.

Kartläggningen av det konformationella utrymmet för -Syn-monomer avslöjar en strukturell subpopulation av -Syn-monomer som främjar dess bindning med membran och inducerar bildandet av olika oligomerer och fibriller [170].

Vårt labb visade nyligen att den heterogena kärnbildningen under aggregationsvägen utgör grunden för ursprunget till polymorfism [252]. Vi genererade två olika polymorfer, HMFs (Helix mogna fibriller) och PMFs (Förmognade fibriller), från aggregeringsmellanprodukterna bildade under samma monteringsförhållanden.

PMF:er har inte en stabil amyloidkärna och har slumpmässigt spolinnehåll tillsammans med -sheet-element. Dessutom saknas det strukturerade -arket från resterna 74–79 från dess NAC-domän (resterna 65–80), vilket tyder på att PMF:er är mindre ordnade fibriller typer. Tvärtom, morfologiskt och strukturellt distinkta HMF är mer kompakta och välordnade med en stabil fibrilkärna [252].

Dessa innehåller mycket exponerade hydrofoba ytor och är potentiellt mer giftiga än mindre ordnade PMF. Dessa polymorfer uppvisar inte bara strukturella skillnader utan uppvisar också olika biologiska aktiviteter [252].

En liknande studie som involverade identifieringen av aggregationsintermediärerna i närvaro av ett fosfolipidmembran avslöjade att prefibrillära arter innehåller två ögleregioner med resterna 57 till 61 och 71 till 80 [305]. Dessa intermediärer omarrangeras sedan till fibrillära arter där det mesta av NAC-regionen och N-terminalen (rester 38–80) utgör en del av den slutliga fibrilkonformationen [305].

Studier har också rapporterats med aggregat av A, PrP och tau, där distinkta biologiska egenskaper härrör på grund av strukturella skillnader mellan polymorferna [28,306-309]. Till exempel visar morfologiskt och strukturellt olika A-fibriller som bildas under vilande och agiterande förhållanden signifikanta skillnader i toxicitet i primära neuroner, med vilande fibriller som är mer toxiska jämfört med andra [28].

En rad strukturellt olika PrPSc-konformationer uppvisar värdcellstropism, med en specifik uppsättning stammar som företrädesvis riktar sig mot neuroner, astrocyter eller till och med båda [307,308]. Således kan -Syn-stammar som är ett resultat av den heterogena kärnbildningen i aggregationsvägen orsaka kliniska och patologiska variationer genom att uppvisa variabel cytotoxicitet och olika prionliknande egenskaper (Figur 5).

Nyligen har utvecklingen av begreppet proteinaggregation till ett mer fundamentalt fenomen, nämligen vätske-vätskefasseparation (LLPS), avsevärt påverkat området och styrt forskningen i en ny riktning [310–314]. Proteiner inkuberas under olika förhållanden, till exempel pH, temperatur och saltförhållanden [315–317].

Fasseparationshändelserna främjas i närvaro av molekylära crowders, som polyetylenglykol, dextran eller ficoll, vilket hjälper till att öka den lokala proteinkoncentrationen och underlättar droppbildning [315-318]. Därefter undersöks dynamiken, mognads- och aggregeringsprofilen med hjälp av en unik kombination av biofysiska, biokemiska och spektroskopiska metoder [315,317].

Fenomenet med fasseparation av olika amyloidogena proteiner har visat sig föregå aggregation och fibrillbildning. Det har föreslagits att närvaron av regioner med inneboende störningar (IDR), prionliknande domäner (PLD) och lågkomplexitetsdomäner (LCD) främjar bildningen av fasseparerade kondensat av de amyloidogena proteinerna [310,315,316,319,320].

Vårt labb visade nyligen att LLPS av -Syn är en kritisk händelse i den tidiga fördröjningsfasen och föregår dess aggregering under fasseparerande förhållanden (närvaro av crowders, stressorer, amyloidkofaktorer, etc.) [315].

Uppkomsten av dessa fasseparerade droppar i eftersläpningsfasen av aggregeringskinetiken tyder på att LLP kan förbättra kärnbildningshändelserna genom att öka den lokala koncentrationen av proteinmolekylerna [315,320]. Dessutom undergår de fasseparerade -Syn-dropparna en övergång från flytande till fast substans med tiden och resulterar i bildningen av amyloidhydrogel [315].

Dessa amyloidhydrogeler har tidigare visats fånga cytotoxiska oligomerer och fibriller [321], vilket indikerar möjligheten att fibriller som bildas via LLPS kan vara toxiska. Men under normala monteringsförhållanden (utan fasseparation) visar -Syn-fibriller mycket liten eller ingen cytotoxicitet [322,323]. Detta tyder på att fibrillerna som bildas under fasseparerande och icke-fasseparerande förhållanden kan vara olika.

Dessutom är fibrillbildningen i utspädda lösningar (känd för att uppstå via primär och sekundär kärnbildning) [189] och det inom kondensatet (via LLPS) inte ömsesidigt uteslutande händelser [324], men olika aggregationsvägar kan resultera i bildandet av olika fibriller (figur 6).

Till exempel genomgår TDP-43, ett protein involverat i ALS/FTD, flimmer med eller utan LLPS. Ändå är fibrilleringskinetiken i båda fallen olika, vilket tyder på involveringen av komplexa processer i fibrillering i närvaro av LPS [329].

Därför skulle det vara mycket relevant att ställa några frågor som om de fibriller som bildas utan att genomgå fasseparation är strukturellt och funktionellt skilda från varandra, eller, enkelt uttryckt, visar fibrillpolymorfism. Huruvida olika LLPS-tillstånd eller mutationer har någon roll för att bestämma stambeteendet hos de bildade -Syn-fibrillerna?

Till exempel har de patogena mutationerna i FUS visat sig uppvisa olika biofysiska egenskaper jämfört med vildtypsproteinet [327]. Dessa fynd tyder på att, på samma sätt som icke-fasseparerande förhållanden där olika lösningsförhållanden ger polymorfer [29], kan fibriller som bildas under de olika fasseparerande förhållandena också vara olika (Figur 7).

Till exempel kan -Syn-fasseparationen under olika förhållanden, som närvaron av PTM, familjemutationer, små molekyler eller metalljoner, visa polymorfism och bilda olika typer av fibriller (Figur 7).

Detta fenomen är dock ännu inte bestämt eftersom det skulle behöva omfattande karaktärisering av fibriller som bildas inuti dropparna. Vi tror att samexistensen av konformationellt distinkta mellanliggande arter och en mängd aggregationsvägar observerade med eller utan LLPS kan utgöra grunden för ursprunget till polymorfism .

Mer forskning inom detta område krävs dock för att avgränsa bidraget från heterogen kärnbildning och multipla aggregationsvägar till fibrilpolymorfism. Utvecklingen och tillämpningen av olika biofysiska tekniker kan hjälpa oss att få insiktsfull information om de molekylära händelserna som inträffar under LLPS och efterföljande droppmognad.

8. Kliniska och terapeutiska konsekvenser av polymorfism

Studierna som diskuteras i översikten ger avgörande bevis för att -Syn kan bilda olika polymorfer med distinkta strukturella och biologiska egenskaper. I likhet med prioner, där varje prionsjukdom kodas av en distinkt konformation av det felveckade proteinet, är varje synukleinopati också möjligen associerad med en unik -Syn-struktur.

Men olika fibrillstrukturer för samma protein utgör flera utmaningar i läkemedelsutvecklingen mot neurodegenerativa störningar. Terapier som immunterapi skulle vara mycket specifika för en viss stam men kanske misslyckas med att känna igen en annan. På liknande sätt måste utveckling av små terapeutiska molekyler eller läkemedel för att blockera eller bromsa proteinaggregationsprocessen screenas för flera konformationer. Med tanke på fibrillernas komplexitet och deras polymorfism kan inriktning på monomer -Syn vara ett alternativ.

Men det är också utmanande på grund av proteinets inneboende oordnade natur. Trots dessa utmaningar kommer att upptäcka och karakterisera patienters härledda -Syn-stammar att öppna ett fönster av möjligheter för djupare förståelse och karakterisering av synukleinopatier. Det kommer att underlätta utvecklingen av nya terapier och mer robusta klassificeringssystem för synukleinopatier.

I detta sammanhang har mycket känsliga tekniker som PMCA [330], realtidsskalvinducerad konverteringsanalys (RT-QuIC) [331] och HANdaiamyloid burst-inducer (HANABI) [332] signifikant bidragit till att förstärka -Synaggregat från CSF hos patienter hjärnor. PMCA och RT-QuIC har använts för att skilja mellan PD/MSA- och PD/DLB-patienthärledda -Syn-stammar, respektive [52,333].

Att använda dessa tekniker skulle hjälpa till att övervaka sjukdomens fortskridande över tid och hjälpa till med tidig och specifik diagnos av synukleinopatier. Dessutom kan de kliniska och patologiska skillnaderna och heterogeniteten mellan patient och patient som observerats vid PD och relaterade störningar påverka hur synukleinopatipatienter bör behandlas. Från och med nu får alla PD-patienter samma typ av behandling och det görs nodskillnad mellan patienterna beroende på hur de har fått sjukdomen och vilka symtom de uppvisar.

Därför förutser vi att läkemedel och terapeutiska medel utformade för att rikta in sig på patogena -Syn-arter kan innebära användning av antingen ett enkelkonformationsbaserat läkemedel eller en cocktail av läkemedel mot olika polymorfer eller stammar som finns i den sjuka mänskliga hjärnan. Dessutom bör flera nyckelparametrar övervägas från fall till fall, såsom sjukdomsprofil, patologiska och kliniska symtom, typer och art av de involverade proteinstammarna och sjukdomsprogressionshastigheten vid behandling av patienter med synukleinopatier.

Att identifiera potentiella terapeutiska mål och designa konformationsbaserade läkemedel är därför nästa stora steg mot att utveckla läkemedel mot PD och relaterade sjukdomar. Att etablera kopplingen mellan spridningen av astrain och sjukdomsfenotypen kommer att ge värdefulla insikter om att utveckla effektiva strategier för att bekämpa neurodegenerativa störningar.

En annan utmaning är att leverera läkemedel till hjärnan för att behandla neurodegenerativa störningar, främst inför bakslag på grund av restriktiva blod-hjärnbarriärer [32]. Många försök har gjorts för att leverera läkemedel genom nanobärare, direkta läkemedelsleveransmetoder, övergående störningar av blod-hjärnbarriären och stamcellsterapier [33–37]. Ingen av behandlingarna har dock kunnat övervinna de nuvarande utmaningarna fullt ut [32].

9. Avslutande kommentarer och öppna frågor

Det prionliknande stambeteendet hos -Syn är fortfarande ett gåtfullt fenomen. Det är förvånande hur ett enda protein utan någon ordentlig struktur kan vika sig på många olika sätt och anta konformationer som resulterar i olika patologier.

Många obesvarade frågor behöver ytterligare undersökning, även efter en imponerande mängd arbete med -Syn polymorfer och stammar. Till exempel, vad driver bildandet av -Syn-stam under givna cellulära och miljömässiga förhållanden? Hur riktar sig dessa stammar till olika celltyper och hjärnregioner? Utvecklas, förändras eller anpassas -Syn-stammar med tiden beroende på värdfaktorerna?

Hur påverkar närvaron av andra proteiner, ligander, membran eller co-faktorer stambildning? Har -Syn-stammar förmågan att korsvisa varandra och resultera i blandade patologier? Interfererar och blockerar -Syn-stammar spridningen av varandra, på samma sätt som prioner?

Är det möjligt, eller har vi tekniker som är tillräckligt känsliga för att skilja mellan PD- och MSA-stammar i ett tidigt stadium av diagnos? Med tanke på expansionen av prionstammens fenomen till flera andra amyloidogena proteiner, kan det också vara nödvändigt att förstå de viktigaste molekylära händelserna i stambiologi och designeffektiva strategier.

Författarbidrag: Konceptualisering, SM och SKM-utredning (litteraturöversikt); SM;LG; RB och ASS; skriv-original utkast förberedelse, SM; LG; RB och ASS; skriva-granskning och redigering, SM; LG; RB; ASS och SKM; visualisering, SM; projektadministration, SM och SKM; övervakning, SM och SKM; finansieringsförvärv, SKM, SM och SKM är lika bidragande motsvarande författare. Alla författare har läst och samtyckt till den publicerade versionen av manuskriptet.

Finansiering: Denna forskning finansierades av Institutionen för bioteknik (DBT) [BT/PR22749/BRB/10/1576/2016], Indiens regering.

Utlåtande av institutionell granskningsnämnd: Ej tillämpligt.

Informerat samtycke: Ej tillämpligt.

Datatillgänglighet: Ej tillämpligt.

Erkännanden: Författarna erkänner Department of Biotechnology (DBT), Indiens regering för det finansiella stödet. Vi tackar Pradeep Kadu för hans hjälp med att göra figurer. SM är tacksam till University Grants Commission of India för hennes stipendium.

Intressekonflikter: Författarna förklarar ingen intressekonflikt.

Förkortningar

-synuklein ( -Syn), Parkinsons sjukdom (PD), multipel systematrofi (MSA), demens med Lewy body (DLB), Parkinsons sjukdom demens (PDD), Lewy kroppar (LBs), Lewy neuriter (LNs), Alzheimers sjukdom (AD) ), Glial cytoplasmatiska inneslutningar (GCI), post-translationella modifieringar (PTM), vildtyp (WT), kryo-elektronmikroskopi (cryo-EM), solid-state NMR (ssNMR) spektroskopi; transmissionselektronmikroskopi (TEM), atomkraftsmikroskopi (AFM), cirkulär dikroism (CD), dorsal motorkärna i vagusnerven (DMV), enteriskt nervsystem (ENS); -Synuklein (syn); -synuklein (-Syn); Protein felveckning av cyklisk amplifiering (PMCA); Vätska-vätska fasseparation (LLPS).

Referenser

1. Spillantini, MG; Goedert, M. Alfa-synukleinopatierna: Parkinsons sjukdom, demens med Lewy-kroppar och multipelsystematrofi. Ann. NY Acad. Sci. 2000, 920, 16–27. [CrossRef] [PubMed]

2. Spillantini, MG; Crowther, RA; Jakes, R.; Hasegawa, M.; Goedert, M. -Synuclein i filamentösa inneslutningar av Lewy-kroppar från Parkinsons sjukdom och demens med Lewy-kroppar. 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-kroppar. Nature 1997,388, 839–840. [CrossRef]

4. Galvin, JE; Lee, VM; Trojanowski, JQ Synukleinopatier: Kliniska och patologiska implikationer. Båge. 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 Processen för Lewy-kroppsbildning, snarare än bara alfa-synuklein fibrillering, är en av de viktigaste drivkrafterna för neurodegeneration. 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 vid Parkinsons sjukdom består av trånga organeller och lipidmembran. NatNeurosci. 2019, 22, 1099–1109. [CrossRef] [PubMed]

7. Priser, MB; Jagannath, S.; Lashuel, HA Reverse engineering Lewy-kroppar: Hur långt har vi kommit och hur långt kan vi gå? Nat. Rev. Neurosci. 2021, 22, 111–131. [CrossRef] [PubMed]

8. Serpell, LC; Berriman, J.; Jakes, R.; Goedert, M.; Crowther, RA Fiberdiffraktion av syntetiska alfa-synukleinfilament visar samyloidliknande kors-beta-konformation. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2000, 97, 4897–4902. [CrossRef] [PubMed]

For more information:1950477648nn@gmail.com