Macroautophagy Dan Mitophagy dalam Gangguan Neurodegeneratif: Fokus Pada Intervensi Terapeutik Bahagian 2

2. Mitophagy

Mitokondria mempunyai membran berganda, terdiri daripada membran mitokondria dalam (IMM) dan membran mitokondria luar (OMM), dipisahkan oleh ruang intramembran.

Membran mitokondria dalaman adalah komponen penting dalam sel. Fungsi utamanya ialah menjana tenaga yang diperlukan oleh sel dan mengawal metabolisme keseluruhan sel. Penyelidikan biologi moden menunjukkan bahawa membran mitokondria dalam juga berkait rapat dengan keupayaan kognitif manusia, terutamanya ingatan.

Molekul membran dalam mitokondria juga mengandungi beberapa komponen yang berkaitan dengan kognisi dan sistem saraf, seperti protein membran dan sistem fosforilasi oksidatif. Komponen ini terlibat secara langsung dalam proses metabolik sel otak, dan status aktivitinya akan menjejaskan fungsi normal neuron, seterusnya menjejaskan kognisi dan ingatan manusia.

Di samping itu, molekul yang dipanggil pengangkut mitokondria dalam membran mitokondria dalaman juga memainkan peranan penting dalam penyimpanan dan ingatan ingatan. Molekul ini boleh membantu neuron menghantar isyarat kimia antara sinaps dan mengukuhkan ketersambungan sinaps, dengan itu mencapai penyimpanan jangka panjang dan ingatan ingatan yang tepat.

Ringkasnya, hubungan antara membran mitokondria dalaman dan keupayaan kognitif dan ingatan telah lama disahkan secara saintifik. Mengoptimumkan keadaan metabolik membran mitokondria dalaman membantu meningkatkan kecekapan kerja otak dan meningkatkan kebolehan kognitif dan ingatan manusia. Oleh itu, kita boleh menggalakkan kesihatan membran mitokondria dalaman dengan melaraskan pemakanan kita, bersenam dan mengekalkan sikap yang baik, seterusnya meningkatkan daya ingatan dan kebolehan kognitif kita. Ia boleh dilihat bahawa kita perlu meningkatkan ingatan, dan Cistanche boleh meningkatkan ingatan dengan ketara kerana ia juga boleh mengawal keseimbangan neurotransmitter, seperti meningkatkan tahap asetilkolin dan faktor pertumbuhan, yang sangat penting untuk ingatan dan pembelajaran. Selain itu, Cistanche juga boleh meningkatkan aliran darah dan menggalakkan penghantaran oksigen, yang dapat memastikan otak memperoleh nutrisi dan tenaga yang mencukupi, seterusnya meningkatkan daya hidup dan daya tahan otak.

Klik tahu suplemen untuk meningkatkan ingatan

Konfigurasi organel ini adalah penting untuk mengekalkan kecerunan elektrokimia, membolehkan mitokondria menjana jumlah ATP yang diperlukan untuk digunakan oleh sel [77]. Penghapusan mitokondria yang rosak ialah mekanisme kawalan kualiti yang penting untuk mengekalkan kumpulan mitokondria yang sihat dan mengekalkan berdaya maju. rangkaian dalam sel neuron [78].

Sel-sel ini lebih sensitif kepada kecacatan mitokondria disebabkan oleh permintaan metabolik yang tinggi; oleh itu, penghapusan terpilih organel yang tidak berfungsi adalah penting untuk penghantaran neuro yang boleh dipercayai.

Mitokondria yang rosak secara tidak dapat dipulihkan atau menjadi tidak lagi cekap dihapuskan oleh mitophagy, mekanisme terpilih di mana reseptor khusus mengiktiraf mitokondria yang cacat dan menengahi kargo yang menyasarkan vesikel autofagik [79].Sel menggunakan kaedah yang berbeza untuk mengitar semula mitokondria yang rosak, iaitu laluan bergantung kepada ubiquitin dan bebas.

Terutamanya, sel neuron menggunakan sistem mekanisme yang bergantung kepada ubiquitin yang dikawal oleh kinase 1 (PINK1) / Parkin yang disebabkan oleh PTEN untuk mengekalkan kumpulan mitokondria yang aktif dan dinamik.

PINK1 ialah protein amitochondrial yang pengumpulannya dalam OMM bertindak sebagai sensor untuk mengekalkan fungsi mitokondria kerana ia menandakan mitokondria yang rosak untuk degradasi [80].

PINK1 mempamerkan jujukan penyasaran mitokondria, dengan itu diimport secara sistematik ke IMM dengan kompleks dengan translocases membran luar 20 dan 40 (TOM20 dan TOM40) [81], di mana ia dipecahkan oleh intramembran serine protease presenilin yang berkaitan rhomboid-like (PARL) 82] dan oleh itu dikekalkan pada tahap rendah di bawah keadaan fisiologi.

Selepas kerosakan yang diberikan, interaksi molekul antara TOM20/40 dan PINK1 berkurangan, dan kelompok PINK1 dalam OMM mitokondria yang rosak, mempromosikan fosforilasi Parkin dan pengambilan berikutnya [83].

Parkin, ligase ubiquitin cytosolicE3, meratai segudang protein OMM, yang diiktiraf oleh reseptor seperti p62, juga didenominasikan sequestosome 1 (SQSTM1). p62/SQSTM1 ialah reseptor pengikat ubiquitin yang bertanggungjawab untuk memacu mitokondria ubiquitinated ke tapak perhimpunan autophagosome dengan berinteraksi dengan reseptor LC3/GABARAP keluarga ATG8 [84].

Reseptor ini juga mengiktiraf motif LIR bagi banyak protein OMM untuk penyasaran khusus mitokondria yang rosak di tapak perhimpunan autophagosome [85]. Dalam sel neuron, mitophagy bebas ubiquitin yang diatur oleh dua protein bi-fungsi, BCL2 dan adenovirus E1B 19 kDa-interacting protein 3 (BNIP3L) dan BNIP3-seperti protein X (NIX), juga bertanggungjawab untuk pembezaan sel ganglion retina(RGC). BNIP3 dan NIX mengandungi domain BH3 dan terletak terutamanya di OMM.

Protein ini mempunyai motif seperti WXXL dengan pertalian untuk LC3 dan GABARAP homolognya, memacu mitokondria ke vesikel autofagik. Semasa neurogenesis retina, anjakan metabolik berlaku, disertai dengan peningkatan dalam ekspresi kedua-dua protein [86].

NIXaktiviti boleh dimediasi dengan meningkatkan tahap spesies oksigen reaktif (ROS) dalam beberapa talian sel [87], menambah lapisan kerumitan baharu selain daripada fungsi pembangunan. Sesungguhnya, pengeluaran ROS meningkat sebagai akibat daripada mitokondria yang rosak [88] dan boleh mendorongmitophagy [88]. NIX juga boleh mengawal pemindahan Parkin kepada mitokondria apabila rangsangan depolarisasi, seperti CCCP [87].

Di samping itu, BNIP3L dan NIX-regulatedmitophagy mempunyai fungsi neuroprotektif. Dalam model iskemia otak, degradasi terpilih mitokondria-pengantara oleh protein ini adalah penting untuk kelangsungan hidup dan fungsi neuron [89]. Selain itu, overexpression NIX sahaja mencukupi untuk memulihkan kecacatan mitophagy yang diperhatikan dalam garisan sel yang diperoleh daripada pesakit PD [90].

Protein 1 yang mengandungi domain Fun14 (FUNDC1) ialah protein OMM yang berinteraksi denganLC3 dan GABARAP dan mengantara mitophagy dalam keadaan hipoksik. Pada tahap homeostatik, mitophagy yang bergantung kepada FUNDC1-ditindas oleh fosforilasi pengantaraan kinase Src dalam bahagian motif LIR di Tyr18.

Dalam keadaan hipoksik, mengurangkan aktiviti Src menghasilkan defosforilasi FDUNC1 Tyr18, memudahkan interaksinya dengan LC3 danmitophagy berikutnya [91]. Selain itu, fosforilasi yang didorong oleh hipoksia ULK1 oleh AMPK di Ser555memihak kepada translokasi ULK1 ke mitokondria, meningkatkan aktiviti FUNDC1 [92]. Di samping itu, Optineurin (OPTN) adalah reseptor sitosolik yang terletak di OMM yang mempromosikanmitophagy melalui interaksinya dengan LC3 [93].

Menariknya, disfungsi OPTN dikaitkan dengan penyakit neurodegeneratif, serta patologi lain [94]. Secara keseluruhan, mitophagy membentuk mekanisme kawalan kualiti yang penting untuk mengekalkan metabolisme neuron dan homeostasis.

Pengangkutan mitokondria dalam neuron bergantung pada pergerakan anterograde dan retrograde dan penting untuk memenuhi keperluan bertenaga dan metabolik di sepanjang struktur neuron. Pergerakan ini juga penting untuk pembaikan dan degradasi mitokondria dan dibantu oleh protein penyesuai pengangkutan (Rajah 3).

3. Autophagy dan Penyakit Neurodegeneratif

3.1. Penyakit Alzheimer

AD adalah gangguan neurodegeneratif dan bentuk demensia yang paling lazim dalam populasi warga tua, yang menjejaskan hampir 50 juta orang di seluruh dunia [95]. FamililAD permulaan awal (EOAD, fAD) menyumbang kurang daripada 5% daripada kes dan berkembang sebelum umur 65 tahun.

Mutasi dominan autosomal dalam tiga gen telah dikaitkan dengan EOAD:gen protein prekursor amiloid (APP) dan gen presenilin-1 (PSEN1) dan presenilin-2(PSEN2), subunit kompleks -secretase [ 95]. Walau bagaimanapun, bentuk yang paling biasa ialah bentuk sporadik lewat permulaan AD (LOAD, sAD) dengan prevalens lebih tinggi daripada 95% dan dengan etiologi yang tidak diketahui.

Neuropatologi AD dicirikan oleh kemerosotan kognitif progresif dan kemerosotan ingatan, yang telah dikaitkan dengan kehadiran pemendapan ekstraselular amiloid-plak (A , pengagregatan peptida -amyloid) dan kusut neurofibrillary intraneuronal (NFTs, pengagregatan protein hyperphosphorylatedtau) yang menjejaskan sinaptik. integriti dan homeostasis, yang membawa kepada kerosakan tidak dapat dipulihkan di kawasan otak tertentu seperti hippocampus dan korteks [96].

Peptida A dijana oleh pemprosesan proteolitik berurutan amiloid prekursorprotein (APP) oleh -tapak APP-memecah enzim 1/ -secretase (BACE1) dan -secretase melalui laluan amiloidogenik. Pembelahan APP oleh BACE1, aktiviti yang meningkat dalam otak pesakit AD sporadis [97], berlaku terutamanya dalam endosom, menyediakan persekitaran berasid untuk aktiviti enzim yang optimum [98].

Pemerdagangan intraselular APPBerlaku melalui laluan rembesan dan endositik. APP dirembeskan kepada membran plasma yang kemudian diinternalisasikan oleh endositosis pengantara clathrin atau pengantaraan caveolin [99].

Inendosomes, APP boleh dibelah oleh BACE1 yang menimbulkan serpihan APP terminal-N.(sAPP ) dan serpihan terminal-C; yang terakhir boleh mengalami pembelahan lebih lanjut oleh -secretase, mengakibatkan pembentukan A dan domain intrasel APP. Dalam laluan bukan amyloidogenik, APP dibelah oleh -secretase di tengah domain A, menghalang pembentukan peptida A.

Pembelahan oleh -secretase berlaku pada kedudukan berbeza serpihan terminal-C, mengakibatkan pembentukan peptida A dengan panjang yang berbeza. Peptida larut yang paling biasa terbentuk ialah A 1-38 dan A 1-40, diikuti oleh A 1-42, yang terakhir adalah lebih hidrofobik dan lebih cenderung untuk membentuk oligomer trimerik dan tetramerik, sekali gus mewakili isoform yang paling toksik. [100].

A oligomer cenderung membentuk fibril A dengan kepingan berlipat yang berhimpun secara ekstrasel menjadi plak amiloid [101]. A juga telah dikaitkan dengan hiperfosforilasi dan pengagregatan tau, protein berkaitan mikrotubulus yang biasanya membantu dalam pempolimeran dan pemasangan mikrotubul akson dan pengangkutan vesikel.

Status fosforilasi tauis dikawal oleh kinase dan fosfatase berbeza yang dimodulasi dengan kehadiran oligomer A; contohnya, glikogen sintase kinase-3 (GSK3 ) dan protein fosfatase 2A(PP2A) mengawal secara langsung status fosforilasi tau [102]. Keadaan hiperfosforilasi tau menghalang perkaitannya dengan mikrotubul, menjejaskan penstabilannya dan memimpin pembongkaran rangkaian tomikrotubulus [103,104].

Pembelahan proteolitik tau hiperfosforilasi mencetuskan pembentukan oligomer tau [105] yang lebih toksik daripada agregat, yang membawa kepada kematian neuron progresif [106].

3.1.1. Kemerosotan Autophagy dalam AD

Dalam AD, mekanisme patogenik molekul yang berbeza yang terhasil daripada pengumpulan oligomer A dan hiperfosforilasi tau telah dilaporkan, iaitu disfungsi mitokondria [107,108] dan gangguan sistem proteostasis, seperti tindak balas protein terungkap dan autophagy [109].

Walaupun peptida A mempamerkan motif berkaitan KFERQ, yang penting untuk pemprosesan normal dan degradasi APP, serpihan ini bukan substrat untuk degradasi CMA [110], dan makroautophagy membantu dalam pembersihannya [111].

Sesungguhnya, makroautofagi memainkan peranan penting dalam metabolisme A kerana ia terlibat dalam degradasi dan pembersihan APP [112] dan produk belahannya, termasuk A [113] dan APP-CTFs (protein prekursor amiloid membelah C-terminal serpihan) [114].

Disfungsi autophagy telah ditunjukkan dalam kedua-dua pesakit AD dan model haiwan. Dalam otak pesakit AD, pengumpulan vesikel autofagik tidak matang yang mengandungi tau berfilamen diperhatikan dalam neurit distrofik [115].

Vesikel autofagik ini sering dijumpai di kawasan proksimal plak amiloid dalam otak pesakit model androden [116]. Anehnya, pengumpulan autofagosom juga diperhatikan dalam dendrit dan soma neuron tetikus transgenik APP/PS1 walaupun sebelum kemunculan plak A [117]. Di samping itu, ia diperhatikan pengumpulan vesikel autofagik yang tidak matang sebelum kehilangan neuron dalam hippocampus model PS1M146L / APP751SLmouse [118].

Pengumpulan abnormal autofagosom dalam neuron menunjukkan bahawa laluan autofagik-lisosomal yang rosak menyumbang kepada pengumpulan oligomer A dan tau dalam AD [117]. APP dan PSEN1 menyetempat dalam autofagosom; oleh itu, pengumpulan organel ini dikaitkan dengan peningkatan dalam generasi A, yang seterusnya mengganggu membran autofagosom [115].

Akibatnya, autofagosom tidak matang yang diterangkan dalam otak AD dan tikus transgenik APP/PS1 mungkin merupakan sumber lain untuk generasi A. Otak daripada PSEN1-Pesakit EOAD memaparkan kerosakan lisosom yang dikaitkan dengan patologi amiloid dan neurodegenerasi [119].

Telah dicadangkan bahawa pengumpulan autofagosom mungkin disebabkan oleh kerosakan gabungan autophagosome-lisosom atau pencernaan lisosom yang rosak [120]. Kajian menunjukkan perubahan permulaan autophagy, khususnya penurunan ekspresi Beclin 1 dalam korteks pesakit AD dan model tetikus [121] . Peningkatan aktiviti caspase 3 dalam pesakit AD mungkin menjelaskan pembelahan berlebihan Beclin 1 [122].

Pengurangan genetik Beclin 1 dalam model tetikus transgenik AD yang menyatakan APP manusia meningkatkan pengumpulan A, manakala ekspresi berlebihan Beclin 1 mengurangkan tahap A dengan ketara [113]. Selain Beclin-1, protein ATG yang lain telah dikurangkan dalam peringkat umur- cara bergantung, mengakibatkan pengumpulan A [123]. ATG7, protein utama dalam peraturan autophagy, telah terlibat dalam patologi AD.

Tahap ATG7 didapati berkurangan dalam korteks serebrum dan hippocampus model tetikus AD, tetapi tiada perubahan dikesan dalam korteks temporal pada pesakit AD [124]; Tikus knockdown ATG7 mempamerkan pengurangan rembesan A disertai dengan peningkatan intraselular A [125], yang seterusnya menyokong peranan ATG7 dalam pengangkutan peptida A ke badan multivesikular untuk dirembeskan.

Ekspresi p62 ditunjukkan menurun dalam model tetikus transgenik tiga, menjejaskan langkah awal autophagy terpilih dalam AD [126]. Walau bagaimanapun, analisis seluruh genom mendedahkan pengawalseliaan transkrip pengawalselia positif autophagy dalam AD.

Selaras dengan pengaktifan autophagy, peningkatan tahap protein ATG dan kadar pembentukan autofagosom yang lebih tinggi dan biogenesis lisosom diperhatikan pada peringkat awal AD [127]. Kontroversi ini mencadangkan autophagyregulation pembezaan pada peringkat awal dan akhir AD, yang harus dipertimbangkan apabila menilai mekanisme dalam model yang berbeza dan apabila mencari strategi terapeutik.

Kehadiran autofagosom yang tidak matang dalam neurit distrofik menunjukkan bahawa pengangkutan retrograde vesikel berkaitan autophagy dan kematangannya terjejas dalam AD [128]. Untuk menyokong ini, perencatan penghantaran autofagosom kepada lisosom membawa kepada pengumpulan mereka dalam neurit dengan morfologi yang sama, seperti yang diterangkan dalam AD [64].

Oligomer boleh mengganggu kompleks dynein-snapin, menjejaskan pengangkutan vesikel aksonal, yang boleh menyumbang kepada penghantaran autofagosom yang rosak kepada lisosomesin AD [129]. Degradasi tau, yang terletak terutamanya dalam akson dan kurang ditemui inneurit dan soma, berlaku melalui proteasom atau makroautofagi, bergantung kepada keadaan itsoligomerisasi.

Pengubahsuaian tau yang berkaitan dengan AD mendorong kemerosotannya melalui makroautophagy apabila proteolisis yang dimediasi proteasome menjadi terjejas oleh perkembangan penyakit [130]. Dari segi perkaitan, kemerosotan tau boleh menghasilkan serpihan berbeza yang mengikat Hsc70 disasarkan kepada LAMP-2A oleh CMA [131,132].

Namun, pengumpulan serpihan ini dalam membran lisosom menyebabkan pengagregatan tau, yang mengganggu integriti lisosom dan menyekat CMA [132]. Kemerosotan laluan autofagik-lisosomal mengakibatkan pengagregatan oligomer tau, yang seterusnya, terdegradasi apabila makroautofagi diinduksi dengan rapamycin [132,133].

Tau adalah penting untuk pergerakan retrograde autofagosom ke arah lisosom melalui penstabilan mikrotubul, peranan yang terjejas dalam AD [134]. Hiperfosforilasi tau dan oligomerisasinya mengakibatkan anjakan jentera mikrotubulus dan akibatnya dalam kemerosotan pergerakan dan kematangan autofagosom, yang turut menyumbang disfungsi toautophagy.

Selain daripada kecacatan dalam pengangkutan autofagosom, kemerosotan dalam fungsi lisosom juga diterangkan dalam AD. PSEN1 ialah pengawal selia fungsi lisosom yang bertindak sebagai pendamping untuk vakuolar-ATPase yang mengasidkan lumen lisosom. Mutasi dalam PSEN1 pengasidan lisosomal terjejas dan gabungan autofagosom-lisosom, mengakibatkan pengumpulan autofagosom yang dimuatkan A [135].

Selain itu, dicadangkan bahawa proteolisis lisosom terjejas dalam AD; protein A , LC 3-II dan ubiquitinated yang tinggi terdapat dalam kedua-dua pecahan lisosom dan autofagosom yang diasingkan daripada model tetikus transgenik AD [136]. Selaras dengan ini, gangguan proteolisis lisosom dengan menghalang cathepsin lysosomal dalam neuron yang sihat mengakibatkan pengumpulan vesikel autofagik dengan morfologi yang serupa dengan yang terdapat pada pesakit AD dan model tetikus transgenik [64].

A juga menjejaskan integriti membran lisosom, mengakibatkan pembebasan cathepsin ke dalam sitoplasma [137,138]. Kehadiran cathepsin D dalam eksosom yang diasingkan daripada darah pesakit AD praklinikal [139] menyokong hipotesis fungsi lisosom yang tidak berkesan. Anehnya, variasi genetik dalam gen pengekodan Cathepsin D juga digambarkan sebagai faktor risiko untuk AD [140].

Analisis proses autophagy dalam neuron dari awal hingga terkini AD menunjukkan peningkatan ekspresi gen autophagy pada peringkat awal tetapi kecacatan pelepasan thelysosomal mengakibatkan pengumpulan struktur autolysosomal dengan perkembangan penyakit [141]. Sirtuins (SIRTs) merangkumi satu kumpulan protein yang bergantung kepada nicotinamide adenine dinucleotide (NAD+) yang merupakan pengawal selia bagi pelbagai laluan selular.

Antaranya, Sirt1 telah dikaitkan dengan peraturan autophagy. Tahap SIRT1 yang lebih rendah menjejaskan pengaktifan pengantaraan deasetilasi protein autophagy hiliran (cth, ATG5, ATG7, dan LC3) [142], yang mungkin juga menyumbang kepada kerosakan autophagy dalam AD. Tahap SIRT1 dikurangkan dalam korteks parietal pesakit otak AD dan berkorelasi dengan pengumpulan kusut A dan tau [143].

Pengaktifan mTOR, penyelaras pusat autophagy, diterangkan dalam AD sebagai tindak balas kepada pengumpulan A [144]. A meningkatkan aktiviti mTOR, yang turut menghasilkan ekspresi highertau dan GSK3 -fosforilasi pengantara [145], menyokong peranan untuk patogenesis pengantara mTORin tau. Di samping itu, rembesan phospho-tau melalui exocytoticvesicles oleh isyarat mTOR diperhatikan dalam otak pesakit AD [146].

Disregulasi laluan PI3K/Akt/mTOR juga telah terlibat dalam patogenesis AD [147]. Pengaktifan PI3K oleh faktor pertumbuhan (cth, faktor pertumbuhan seperti insulin-1, IGF1) menggalakkan fosforilasi Akt dan pengaktifan tidak langsung mTORC1, mempromosikan autophagy. Dalam AD, A berinteraksi dengan dan menghalang laluan PI3K/Akt/mTOR [148], yang membawa kepada pengaktifan GSK3 dan peningkatan hiperfosforilasi tau.

Selain itu, faktor transkripsi EB (TFEB), pengawal selia induk biogenesis lisosom, adalah sasaran hiliran mTORC1. Pengurangan dalam aktiviti mTORC1 mendorong defosforilasi TFEB dan translokasinya ke nukleus untuk mengaktifkan ekspresi autophagy dan gen berkaitan biogenesis lisosom [149].

Tahap TFEB didapati menurun dalam sampel otak (hippocampus) pesakit AD, terutamanya penurunan tahap nuklear TFEB pada peringkat lanjut penyakit [150].

Di samping itu, translokasi TFEB ke nukleus telah dilemahkan dalam fibroblas kekurangan presenilin dan neuron AD manusia yang berasal dari sel stem pluripoten yang disebabkan, mengakibatkan pengurangan pengaktifan rangkaian CLEAR [151].

Walau bagaimanapun, dalam model haiwan APP/PS1 transgenik berganda, peningkatan tahap TFEB jumlah dan nuklear telah dikesan dalam hippocampus tikus AD berusia 8-bulan dengan peningkatan serentak sasaran hilirannya, menunjukkan bahawa TFEB terlibat dalam lisosom- kemajuan AD pengantara [152]. Penyelarasan gen sasaran TFEB juga dilaporkan dalam tikus kalah mati bersyarat PS1 dan tikus 5xFAD [153].

Pengaktifan rangkaian TFEB mungkin mencerminkan percubaan untuk mengimbangi autophagy yang terjejas dalam model haiwan AD. Peranan tepat TFEB sebagai pengawal selia utama fungsi lisosom dalam patogenesis AD masih jauh daripada difahami sepenuhnya dan memerlukan siasatan lanjut.

For more information:1950477648nn@gmail.com