Pertukaran Genetik Eksosom Pulmonari Ke Otak Menyebabkan Perubahan Neuronal dalam Jangkitan-19 COVID dan Rawatan Cistanche

Abstrak

Pandemik coronavirus novel telah membawa huru-hara kepada kehidupan manusia normal di seluruh dunia. Walaupun simptom COVID-19 adalah perkara biasa, kebolehubahan dalam fenotip klinikal telah dilaporkan di seluruh dunia. Laporan mengenai novel coronavirus mencadangkan gejala neurologi. Selain itu, kerentanan dan kerumitan SARS-CoV-2 pada pesakit dengan penyakit neurodegeneratif sebahagian besarnya tidak diketahui. Di sini, kami berhasrat untuk menunjukkan bahawa eksosom boleh mengangkut daripada paru-paru yang dijangkiti SARS-CoV-2-ke kawasan otak yang dikaitkan dengan penyakit neurodegeneratif, menggunakan berbilang set data transkriptom daripada paru-paru yang dijangkiti SARs-CoV-2-, serpihan RNA daripada pulmonari eksosom, dan serpihan ekspresi gen daripada otak manusia. Semasa pengangkutan, faktor transkripsi setempat eksosom mengawal gen dalam substantia nigra sisi, substantia nigra medial, dan kawasan gyrus frontal unggul dalam penyakit Parkinson (PD) dan korteks hadapan, hippocampus, dan korteks temporal dalam penyakit Alzheimer (AD). Semasa jangkitan SARS-CoV-2, faktor transkripsi BCL3, JUND, MXD1, IRF2, IRF9 dan STAT1 dalam eksosom menjejaskan rangkaian pengawalseliaan gen neuron dan mempercepatkan neurodegenerasi. Faktor transkripsi STAT1 mengawal 64 gen PD dalam substantia nigra sisi, 65 dalam gyrus frontal superior dan 19 dalam substantia nigra medial. Begitu juga, dalam AD, STAT1 mengawal 74 gen AD dalam korteks temporal, 40 gen dalam hippocampus, dan 16 gen dalam korteks hadapan. Kami selanjutnya mengesahkan bahawa gangguan gen neuron terlibat dalam tindak balas imun, transduksi isyarat, apoptosis dan tindak balas tekanan. Sementara itu, kesan perencatan cistanche pada apoptosis neuron telah diuji. Kesimpulannya, SARS-CoV-2 boleh mengurangkan keterukan penyakit neurodegeneratif dengan mengawal selia rangkaian pengawalseliaan gen neuron melalui eksosom, dancistancheboleh menghalang penyakit neuropatik (PD) dengan merangsang pembiakan neuron dan mengurangkan apoptosis neuron.

Kata kunci

CistancheSARS-CoV-2 ·Covid-19· Exosome · Neurodegeneration · Penyakit Parkinson · Penyakit Alzheimer

pengenalan

Eksosom ialah salah satu vesikel ekstraselular yang dirembeskan oleh kebanyakan organisma multiselular untuk komunikasi antara sel. Eksosom membawa pelbagai biomolekul, seperti molekul nukleotida, termasuk RNA, MRNA, lncRNA, protein, dan metabolit, daripada sel primitif kepada sel tar. Pada mulanya, eksosom dianggap terlibat dalam mengeluarkan molekul sisa daripada sel. Kemajuan penyelidikan telah menunjukkan bahawa eksosom memindahkan mikromolekul dan makromolekul untuk berkomunikasi dan mengawal sel reseptor semasa proses fisiologi dan patologi. Kajian telah menunjukkan bahawa eksosom terlibat dalam perkembangan kanser, penyakit kardiovaskular, penyakit neurodegeneratif, dan juga jangkitan mikrob dan virus. Menariknya, eksosom yang dikeluarkan oleh sel yang dijangkiti virus membawa zarah virus untuk memprogram semula sel sasaran dan menghantar mekanisme patogenik.

Baru-baru ini, jangkitan SARS-CoV-2 (COVID-19) telah menjadi pandemik yang menjejaskan berjuta-juta orang di seluruh dunia. Peningkatan kerentanan telah dilaporkan pada pesakit dengan penyakit kronik seperti diabetes dan hipertensi. SARS-CoV-2 menjangkiti saluran pernafasan bawah dan berkembang menjadi kegagalan berbilang organ. Pada masa ini, tiada rawatan khusus untuk COVID-19. Penjarakan sosial dan vaksinasi membantu mencegah penyakit itu daripada merebak di kalangan orang ramai. Walau bagaimanapun, terdapat keperluan mendesak untuk membangunkan ubat untuk merawat penyakit ini. Memahami mekanisme penyakit boleh membantu membangunkan ubat yang berpotensi untuk merawat jangkitan SARS-CoV-2. Banyak virus, termasuk RNA SARS-CoV-2, diketahui memasuki eksosom untuk penghantaran intra-hos. Kajian mendapati kehadiran zarah virus SARS-CoV{12}} dalam eksosom. Selain itu, SARS-CoV-2 ditemui dalam vakuol sel perumah melalui analisis histopatologi. Penemuan ini mencadangkan bahawa jangkitan SARS-CoV{16}} mungkin melibatkan komunikasi intereksosomatik dari tapak paru-paru utama ke organ komunikasi lain dalam sistem manusia.

Di antara pelbagai organ yang terjejas, terdapat kajian terhad tentang patogenesis COVID-19 dalam otak. Selain simptom utama, 36.4 peratus kes COVID-19 turut melaporkan perubahan neurologi. Perlu diingat bahawa sesetengah pesakit yang telah pulih daripada COVID-19 menunjukkan kehilangan ingatan yang ketara dan gangguan kognitif. Baru-baru ini, Smith et al. telah mencadangkan bahawa COVID-19 boleh menjejaskan sistem saraf pusat. Khususnya, beberapa kajian mencadangkan bahawa COVID-19 boleh mempercepatkan kemerosotan saraf dalam penyakit Parkinson (PD) dan penyakit Alzheimer (AD). Kajian oleh John et al. menunjukkan bahawa COVID-19 membawa kepada kerentanan terpilih kepada penyakit Parkinson dengan mengaktifkan lesi nukleoprotein alfa-sinaptik dalam CNS. Selain itu, penyiasatan yang dijalankan oleh JR-Lin et al. melaporkan simptom penyakit Parkinson yang semakin teruk berikutan jangkitan{10}} COVID. Begitu juga, Adam et al. menunjukkan kemungkinan peranan jangkitan COVID{11}} dalam pesakit AD. Di samping itu, Tom et al. mencadangkan bahawa pesakit COVID{12}} berisiko tinggi mendapat AD.

Dalam kajian ini, kami membangunkan rangka kerja biologi sistem untuk menunjukkan peranan mrnas yang dibawa oleh exosom yang mengekod faktor transkripsi daripada paru-paru yang dijangkiti ke otak. Kami mengkaji berbilang set data transkrip dalam paru-paru yang dijangkiti SARS-CoV-2-, serpihan RNA eksosom pulmonari dan serpihan ekspresi gen di kawasan otak manusia yang berbeza. Di samping itu, rangkaian interselular eksosomatik antara paru-paru dan kawasan otak dalam penyakit neurodegeneratif telah dibina berdasarkan bukti kesusasteraan. Data kami mengenal pasti faktor transkripsi (TF) daripada paru-paru yang mengawal ekspresi gen di kawasan otak, yang mempercepatkan PD dan AD dalam jangkitan-19 COVID.

Gambar: Faw Cistanche

Bahan dan Kaedah

Pengumpulan data

Menggunakan gabungan kata kunci "SARS-CoV-2" dan "host manusia", set data RNA-Seq jangkitan SARS-CoV-2 pulmonari telah diambil daripada fail bacaan jujukan dan pangkalan data NCBI. Set data ini mengandungi profil RNA-Seq 110 Sam-Dples di bawah pelbagai keadaan percubaan jangkitan SARS-CoV-2. Daripada 110 sampel, 2 biopsi paru-paru yang sihat dan 2 biopsi paru-paru yang dijangkiti-2-SARS-CoV telah dipilih untuk analisis hiliran kami. Sampel yang dipilih tidak mempunyai sejarah penyakit terdahulu, termasuk neuropatologi.

Analisis Ungkapan RNA-Seq

FastQC v{{0}}.11.7 telah digunakan untuk menilai kualiti data. Bacaan kemudiannya dipangkas menggunakan Trimmomatic v0.35. Bacaan yang layak adalah konsisten dengan genom manusia HG19. Kiraan Bacaan untuk setiap transkrip telah dinormalisasi dan gen terkawal dalam jangkitan SARS-CoV-2 berbanding dengan paru-paru yang sihat telah ditangkap menggunakan kaedah DESeq. Dengan kadar penemuan palsu, hlm< 0.05 was the standard identification of significant up-regulated genes.

Profil Eksosom Paru-paru

Set data mikroarray GSE121307 yang menerangkan eksosom terbitan pernafasan dan ulang-alik eksosom Rnas diperoleh daripada pangkalan data NCBI, Gene Expression Omnibus. MRNA ulang-alik eksosom terutamanya dinyatakan dalam data paru-paru GSE121307 telah dikenal pasti dan dipetakan dengan gen jangkitan SARS-CoV-2 yang terlalu tertekan. Kami membuat spekulasi bahawa semasa jangkitan SARS-CoV-2, gen terekspresi yang dipetakan ini dibungkus ke dalam eksosom dalam bentuk esRNA. Antaranya, faktor transkripsi pengekodan mRNA dikenal pasti oleh pangkalan data.

Keputusan

Analisis RNA-Seq dan esRNA

Data RNA-Seq paru-paru jangkitan SARS-CoV-2 dan kumpulan kawalannya telah dianalisis. Antara transkrip 18956, 437 telah dikawal secara berbeza dengan FDR pada jangkitan SARS-CoV-2, 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 juga boleh melindungi ultrastruktur hippocampal tikus model D-galaktosa.

Pic: Kesan Cistanche anti Parkinson's Disease

Adalah dicadangkan bahawa jumlah glikosida daripadacistanchemungkin memainkan peranan dalam melambatkan penuaan dan mencegah penyakit Alzheimer melalui mekanisme antioksidan. Daripada 362 gen yang terlalu tertekan, 217 diklasifikasikan ke dalam eksosom. Sebagai contoh, GSK3B, DPP4, SMAD3, PARP1 dan IKBKB ialah gen radang yang merupakan hasil daripada ribut sitokin paru-paru dan mungkin dibawa ke sel sasaran oleh eksosom sebagai esRnas. Daripada 196 esRnas yang terlalu tertekan, 13 TFS yang dikodkan dikenal pasti menggunakan tandatangan molekul dan pangkalan data TcoF-DB v2.

Pic: Faedah Cistanches

Rangkaian Komunikasi Eksosomal

Seterusnya, kami membina rangkaian komunikasi eksosom berdasarkan bukti literatur. Rangkaian ini menunjukkan hubungan eksosom antara paru-paru dan sel mikroendothelial penghalang darah-otak. Begitu juga, komunikasi eksosom antara sel endothelial penghalang darah-otak dan pelbagai kawasan saraf adalah berdasarkan bukti kesusasteraan. Secara keseluruhannya, rangkaian eksosom mengesahkan keterkaitan eksosom antara paru-paru dan kawasan neuron yang dikaitkan dengan penyakit neurodegeneratif melalui penghalang darah-otak. Didapati bahawa cistanche tubulosa boleh meningkatkan tahap pembelajaran dan ingatan tikus AD yang disebabkan oleh asid quinolinic, mengurangkan kandungan malondialdehid tisu otak yang disebabkan oleh asid quinolinic dan meningkatkan glutation

Aktiviti peptida peroksidase dan superoxide dismutase boleh mengurangkan aktiviti acetylcholinesterase, kadar apoptosis sel otak dan pengumpulan kalsium dalam tisu otak. Mekanisme ini mungkin berkaitan dengan peningkatan aktiviti enzim penghapus radikal bebas, pengurangan peroksidasi lipid, penurunan kandungan kalsium dalam tisu otak dan perencatan apoptosis yang disebabkan oleh QA sel otak. Kedua, jumlah glikosida cistanche Meningkatkan tahap pembelajaran dan ingatan tikus AD yang disebabkan oleh -AP dan aluminium triklorida, mengurangkan kandungan MDA dalam tisu otak, dan meningkatkan tahap aktiviti SOD GSH-Px boleh meningkatkan beberapa perubahan patologi dalam otak tisu dan mengurangkan kadar apoptosis sel otak.

Kesimpulan

Ringkasnya, kajian kami meneroka kelakuan kawasan neuron TF dan Cistanche tubulosa eksosom dalam mengawal selia gen patogenik PD dan AD dalam jangkitan SARS-CoV-2. Walaupun menggunakan data repositori awam, kami melaksanakan beberapa peringkat kuratorial untuk melaksanakan rangkaian modulasi TF patologi yang berkaitan dengan penyakit neurodegeneratif. Secara lebih khusus, prosedur langkah demi langkah yang dilaksanakan dalam kajian ini mempunyai pengesahan strategik pada setiap peringkat metodologi bukti biologi dan dokumentari. Dengan perkembangan pesat pandemik COVID-19, sektor penyelidikan dan akses kepada kerja makmal telah terjejas seperti sebelum ini. Akibatnya, banyak kajian sedang dijalankan untuk menggunakan data yang tersedia secara umum tentang SARS-CoV-2 untuk mengembangkan usaha penyelidikan sebagai tindak balas kepada situasi kritikal semasa. Atas dasar ini, kajian ini telah meningkatkan pemahaman tentang patogenesis neuron COVID-19, menerangkan mekanisme pandemik COVID-19 yang tidak diketahui sebelum ini dan menyediakan saluran baharu untuk rawatan penyakit neuropatik (AD dan PD ) dengancistanchetubulosa.

Klik di sini untuk mencegah penyakit Parkinson

Rujukan

1. Colombo M, Raposo G, Théry C (2014) Biogenesis, rembesan, dan interaksi antara sel eksosom dan ekstraselular lain

2. vesikel. 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) Pengenalpastian protein pengikat RNA dalam eksosom yang mampu berinteraksi dengan jenis RNA yang berbeza: Pengangkutan yang difasilitasi RBP RNA menjadi eksosom. PLoS One. 13(4):e0195969

3. Johnstone RM, Adam M, Hammond JR, Orr L, Turbide C (1987) Pembentukan vesikel semasa pematangan retikulosit. Persatuan aktiviti membran plasma dengan vesikel yang dilepaskan (eksosom). J Biol Chem 262(19):9412–20

4. Ludwig N, Whiteside TL, Reichert TE (2019) Cabaran dalam pengasingan dan analisis eksosom dalam kesihatan dan penyakit. Int J Mol Sci 20(19):4684

5. Zhao W, Zheng XL, Zhao SP (2 penyakit kardiovaskular. Gagal Jantung Rev 20(3):337–348 015) Exosome dan peranannya dalam

6. Mathews PM, Levy E (2019) Pengeluaran eksosom adalah kunci kepada integriti laluan endosomal neuron dalam penyakit neurodegeneratif. Neurosci Depan 12(13):1347

7. Schorey JS, Cheng Y, Singh PP, Smith VL (2015) Eksosom dan vesikel ekstraselular lain dalam interaksi hos-patogen. EMBO Rep 16(1):24–43

8. Liu Z, Zhang X, Yu Q, He JJ (2014) Virus hepatitis C yang berkaitan dengan eksosom dalam kultur sel dan plasma pesakit. 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) Merpati pembawa sel: eksosom dan peranannya dalam berjangkit penyakit yang disebabkan oleh patogen manusia. Pathog Dis 71(2):109–120

10. Ahmed SSSJ, Paramasivam P, Raj K, Kumar V, Murugesan R, Ramakrishnan V (2020) Perbincangan silang peraturan antara mesin pengikatan dan replikasi reseptor SARS CoV-2 dalam perumah manusia. Fisiol Depan 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) Kelaziman diabetes dan hipertensi serta risiko yang berkaitan dengan hasil yang buruk dalam Covid{{ 4}} pesakit. J Endokr Soc. 4(9):bvaa102

12. Renu K, Prasanna PL, Valsala Gopalakrishnan A (2020) Patogenesis virus Corona, komorbiditi dan kerosakan berbilang organ – ulasan. Life Sci. 255:117839

13. Badierah RA, Uversky VN, Redwan EM (2020) Menari dengan kuda Trojan: interaksi antara vesikel ekstraselular dan virus. J Struktur Biomol Dyn 30:1–27

14. Elrashdy F, Aljaddawi AA, Redwan EM, Uversky VN (2020) Mengenai potensi peranan eksosom dalam-19 peluang jangkitan semula/reaktiviti COVID. J Struktur Biomol Dina 9:1–12

15. Qian Z, Travanty EA, Oko L, Edeen K, Berglund A, Wang J, Ito Y, Holmes KV et al (2013) Tindak balas imun semula jadi sel alveo lar manusia jenis II yang dijangkiti coronavirus sindrom pernafasan akut yang teruk. 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 menjangkiti dan mereplikasi dalam sel endokrin manusia dan pankreas eksokrin . 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) Analisis histopatologi buah pinggang bagi 26 penemuan bedah siasat pesakit dengan COVID-19 di China. Int Buah Pinggang 98(1):219–227

18. Mao L, Jin H, Wang M, Hu Y, Chen S, He Q, Chang J, Hong Cet al (2020) Manifestasi neurologi pesakit dimasukkan ke hospital dengan penyakit coronavirus 2019 di Wuhan, China. JAMA Neurol

77(6):683–690

19. Ritchie K, Chan D, Watermeyer T (2020) Akibat kognitif wabak-19 COVID: kerosakan cagaran? Komuniti Otak. 2(2):fcaa069

20. Singh AK, Bhushan B, Maurya A, Mishra G, Singh SK, Awasthi R (2020) Penyakit novel coronavirus 2019 (COVID-19) dan gangguan neu rodegenerative. Dermatol Ther. 33(4):e13591

21. Pavel A, Murray DK, Stoessl AJ (2020) COVID-19 dan kerentanan terpilih kepada penyakit Parkinson. Lancet Neurol 19(9):719

22. Ousset PJ, Vellas B (2020) Pandangan: Kesan wabak Covid-19 terhadap aktiviti klinikal dan penyelidikan klinik ingatan: pusat penyakit Alzheimer yang menghadapi krisis-19 Covid. J Sebelumnya Alzheimer 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) Kesan pandemik- 19 COVID kepada penghidap penyakit Parkinson. J Parkinsons Dis 10(4):1365–1377

24. Naughton SX, Raval U, Pasinetti GM (2020) Peranan baharu COVID yang berpotensi-19 dalam penyakit Alzheimer dan strategi mitigasi pencegahan. J Alzheimers Dis 76(1):21–25

25. Heneka MT, Golenbock D, Latz E, Morgan D, Brown R (2020) Akibat segera dan jangka panjang jangkitan COVID-19 untuk perkembangan penyakit saraf. Res Ther Alzheimer 12:1–3

26. Tan DBA, Armitage J, Teo TH, Ong NE, Shin H, Moodley YP (2017) Tahap peningkatan eksosom beredar dalam pesakit COPD dikaitkan dengan keradangan sistemik. Respir Med 132:261–264

27. Wahlund CJ, Eklund A, Grunewald J, Gabrielsson S (2017) Pul monary extracellular vesicles as mediator of local and systemic infamation. Biol Dev Sel Hadapan 26(5):39

28. Hermanns MI, Unger RE, Kehe K, Peters K, Kirkpatrick CJ (2004) Garis sel epitelium paru-paru dalam kultur dengan sel endothelial mikrovaskular pulmo nary manusia: perkembangan penghalang kapilari alveolo secara 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) MiR monocytic dirembeskan-150 meningkatkan penghijrahan sel endothelial yang disasarkan. Sel Mol 39(1):133–144

30. Chen HX, Liang FC, Gu P, Xu BL, Xu HJ, Wang WT, Hou JY, Xie DX et al (2020) Eksosom yang diperoleh daripada sel stem mesenchymal membaiki model penyakit Parkinson dengan mendorong autophagy. Kematian Sel Dis 11(4):1–7

31. Schiera G, Di Liegro CM, Di Liegro I (2015) Vesikel membran ekstraselular sebagai kenderaan untuk interaksi sel-ke-sel otak dalam keadaan fisiologi dan juga patologi. Biomed Res Int 2015:152926