Cerapan Struktur Dan Fungsian Kepada -Synuclein Fibril Polymorphism Bahagian 4

7. Pemisahan Fasa dan Nukleasi: Asas Molekul Polimorfisme Fibril

Tidak lama selepas penemuan bahawa pengagregatan -Syn bukan sahaja dikaitkan dengan PD tetapi juga MSA dan DLB, bidang penyelidikan utama telah ditumpukan terutamanya untuk memahami keupayaan protein untuk menyebabkan gangguan neurodegeneratif yang pelbagai secara klinikal dan patologi.

Apabila anda semakin dewasa, anda mungkin mendapati bahawa daya ingatan anda tidak sebaik ketika anda masih kecil. Kadangkala anda mungkin merasakan otak anda "berkarat" dan sukar untuk mengingati maklumat baru. Tetapi apa yang boleh dilakukan untuk memperbaiki keadaan ini? Penyelidikan dalam beberapa tahun kebelakangan ini menunjukkan bahawa terdapat hubungan rapat antara MSA (kompleks dopamine-sakarida) dan ingatan.

MSA ialah litar saraf yang melibatkan neurotransmitter dopamin. Dopamine adalah neurotransmitter penting dalam otak dan berkaitan dengan emosi, motivasi, dan pergerakan. Sunstones adalah nukleus dalam otak yang mengawal pergerakan dan menyelaraskan pergerakan. Hubungan dengan dopamin ialah apabila badan basal dirangsang oleh dopamin, ia akan meningkatkan hubungan antara neuron otak, sekali gus menggalakkan pembentukan dan penyatuan ingatan.

Penyelidikan menunjukkan bahawa MSA boleh diaktifkan dan dirangsang melalui permainan digital, latihan muzik, senaman fizikal dan interaksi sosial. Modaliti ini boleh menguatkan sambungan kepada cecair serebrospinal dengan meningkatkan pembebasan dopamin. Sebagai contoh, latihan otak statik, seperti Sudoku dan teka silang kata, telah ditunjukkan untuk meningkatkan kemahiran ingatan. Latihan muzik juga telah ditunjukkan untuk merangsang litar MSA dan meningkatkan kebolehan ingatan. Di samping itu, senaman fizikal dan interaksi sosial juga telah ditunjukkan mempunyai kesan positif terhadap pengaktifan MSA, sekali gus menggalakkan kesihatan otak dan peningkatan memori.

Ringkasnya, memandangkan aktiviti MSA mempunyai kesan positif terhadap ingatan, mencari dan mengambil bahagian dalam aktiviti yang merangsang MSA merupakan langkah penting dalam meningkatkan ingatan. Menjadi aktif secara fizikal, mengambil bahagian dalam aktiviti sosial, dan mempelajari kemahiran baharu boleh mengaktifkan dan merangsang litar MSA, sekali gus menggalakkan kesihatan otak dan ingatan yang lebih baik. Marilah kita mulakan dari sekarang dan mengambil bahagian secara aktif dalam aktiviti ini untuk menyuntik tenaga dan kecergasan baharu ke dalam otak kita. Ia dapat dilihat bahawa kita perlu meningkatkan daya ingatan, dan Cistanche deserticola boleh meningkatkan daya ingatan dengan ketara kerana Cistanche deserticola adalah bahan perubatan tradisional Cina yang mempunyai banyak kesan unik, salah satunya adalah untuk meningkatkan daya ingatan. Keberkesanan Cistanche deserticola berasal dari banyak bahan aktif yang terkandung di dalamnya, termasuk asid tannic, polisakarida, glikosida flavonoid, dll. Bahan-bahan ini boleh menggalakkan kesihatan otak dalam pelbagai cara.

Klik tahu cara untuk meningkatkan fungsi otak

Sejak beberapa tahun kebelakangan ini, hipotesis terikan prion telah muncul sebagai penjelasan utama untuk kebolehubahan penyakit yang diperhatikan dalam synucleinopathies. Walaupun pelbagai data biologi biofizikadan menyokong kewujudan strain -Syn [29,30,32–35,53], masih tidak jelas bagaimana strain ini berasal dan faktor yang mendorong pembentukannya dalam vivo.

Jawapan yang berkemungkinan boleh terletak pada menggambarkan laluan pengagregatan dan membezakan pemacu molekul yang mendasari pembentukan terikan. Pembentukan amiloid bukan sahaja dikawal oleh nukleasi primer tetapi didominasi oleh peristiwa nukleasi sekunder melalui kebanyakan fasa pertumbuhan pengagregatan, seperti yang dibincangkan sebelum ini [189].

Nukleasi sekunder ini melibatkan pemanjangan fibril baru daripada benih sedia ada dengan mengambil monomer daripada larutan. Sebarang perubahan dalam keadaan penyelesaian fibril cenderung untuk mengubah kadar kejadian nukleasi primer dan sekunder [188,189]. Sebagai contoh, pH berasid meningkatkan pengikatan monomer -Syn pada permukaan fibril, dengan itu meningkatkan kadar nukleasi sekunder [189,302].

Memandangkan pembiakan agregat yang disebabkan oleh benih dikaitkan dengan pemecahan dan pemanjangan benih offibril, ini membawa kita kepada hipotesis bahawa fenomena terikan, sekurang-kurangnya sebahagiannya, akibat daripada nukleasi sekunder. Selain itu, pelbagai spesies wujud bersama pada peringkat kinetik pengagregatan yang berbeza [17,303,304], mencadangkan penglibatan perantara pengagregatan dalam menentukan polimorfisme.

Pemetaan ruang konformasi monomer -Syn mendedahkan subpopulasi struktur monomer -Syn yang menggalakkan pengikatannya dengan membran dan mendorong pembentukan pelbagai oligomer dan fibril [170].

Makmal kami baru-baru ini menunjukkan bahawa nukleasi heterogen semasa laluan pengagregatan membentuk asas asal polimorfisme [252]. Kami menghasilkan dua polimorf berbeza, HMF (fibril matang Helix) dan PMF (fibril pra-matang), daripada perantaraan pengagregatan yang terbentuk di bawah keadaan pemasangan yang sama.

PMF tidak mempunyai teras amiloid yang stabil dan mempunyai kandungan gegelung rawak bersama-sama dengan elemen -helaian.Selain itu, lembaran -lembaran berstruktur daripada residu 74–79 tiada dalam domain NACnya (residu 65–80), mencadangkan PMF menjadi fibril yang kurang teratur. jenis. Sebaliknya, HMF yang berbeza dari segi morfologi dan struktur adalah lebih padat dan teratur dengan teras fibril yang stabil [252].

Ini mengandungi permukaan hidrofobik yang sangat terdedah dan berpotensi lebih toksik daripada PMF yang kurang dipesan. Polimorf ini bukan sahaja memaparkan perbezaan struktur tetapi juga mempamerkan aktiviti biologi yang berbeza [252].

Kajian serupa yang melibatkan pengenalpastian perantara pengagregatan dengan kehadiran membran fosfolipid mendedahkan bahawa spesies prefibrillar mengandungi dua kawasan gelung dengan residu 57 hingga 61 dan 71 hingga 80 [305]. Perantaraan ini kemudiannya menyusun semula kepada spesies fibrillar dengan kebanyakan kawasan NAC dan terminal-N (sisa 38–80) membentuk sebahagian daripada bentuk fibril akhir [305].

Kajian juga telah dilaporkan dengan agregat A , PrP, dan tau, di mana sifat biologi yang berbeza terpancar disebabkan oleh perbezaan struktur antara polimorf [28,306–309]. Sebagai contoh, fibril A yang berbeza dari segi morfologi dan struktur yang terbentuk dalam keadaan senyap dan gelisah menunjukkan perbezaan ketara dalam ketoksikan neuron primer, dengan fibril senyap menjadi lebih toksik berbanding yang lain [28].

Rangkaian konformasi PrPSc yang pelbagai dari segi struktur mempamerkan tropisme sel perumah, dengan set spesifik strain yang lebih suka menyasarkan neuron, astrosit, atau kedua-duanya [307,308]. Oleh itu, strain -Syn yang terhasil daripada nukleasi heterogen dalam laluan pengagregatan boleh menyebabkan variasi klinikal dan patologi dalam PD dengan mempamerkan pembolehubah sitotoksisiti dan sifat seperti prion yang berbeza (Rajah 5).

Baru-baru ini, evolusi konsep pengagregatan protein kepada fenomena yang lebih asas, iaitu pengasingan fasa cecair-cecair (LLPS), telah mempengaruhi bidang ini dengan ketara dan mengarahkan penyelidikan ke arah yang baru [310-314]. Protein diinkubasi dalam keadaan yang berbeza-beza, contohnya, pH, suhu, dan keadaan garam [315–317].

Peristiwa pemisahan fasa digalakkan dengan kehadiran kumpulan molekul, seperti polietilena glikol, dekstran, atau ficoll, yang membantu dalam meningkatkan kepekatan protein tempatan dan memudahkan pembentukan titisan [315-318]. Selepas itu, kedinamikan, kematangan, dan profil pengagregatan disiasat menggunakan gabungan unik kaedah biofizikal, biokimia dan spektroskopi [315,317].

Fenomena pemisahan fasa pelbagai protein amyloidogenik telah ditunjukkan mendahului pengagregatan dan pembentukan fibril. Telah dicadangkan bahawa kehadiran kawasan gangguan intrinsik (IDRs), domain seperti prion (PLD), dan domain kerumitan rendah (LCD) menggalakkan pembentukan kondensat fasa yang dipisahkan daripada amyloidogenicprotein [310,315,316,319,320].

Makmal kami baru-baru ini menunjukkan bahawa LLPS -Syn ialah peristiwa kritikal dalam fasa ketinggalan awal dan mendahului pengagregatannya di bawah keadaan pemisah fasa (kehadiran orang ramai, tekanan, faktor bersama amiloid, dll.) [315].

Kemunculan titisan yang dipisahkan fasa ini dalam fasa ketinggalan kinetik pengagregatan mencadangkan bahawa LLP mungkin meningkatkan peristiwa nukleasi dengan meningkatkan kepekatan tempatan molekul protein [315,320]. Selain itu, titisan -Syn yang dipisahkan fasa mengalami peralihan cair-kepada-pepejal dengan masa dan mengakibatkan pembentukan hidrogel amiloid [315].

Hidrogel amiloid ini sebelum ini telah ditunjukkan untuk memerangkap oligomer dan fibril sitotoksik [321], menunjukkan kemungkinan fibril yang terbentuk melalui LLPS boleh menjadi toksik. Walau bagaimanapun, di bawah keadaan pemasangan biasa (tanpa pemisahan fasa), -Syn fibril menunjukkan sangat sedikit atau tiada sitotoksisiti [322,323]. Ini menunjukkan bahawa gentian yang terbentuk di bawah keadaan pemisah fasa dan bukan pemisah fasa mungkin berbeza.

Selain itu, pembentukan fibril dalam larutan cair (yang diketahui berlaku melalui nukleasi primer dan sekunder) [189] dan dalam kondensat (melalui LLPS) bukanlah peristiwa yang saling eksklusif [324], tetapi laluan pengagregatan yang berbeza boleh mengakibatkan pembentukan gentian yang berbeza (Rajah). 6).

Contohnya, TDP-43, protein yang terlibat dalam ALS/FTD, mengalami fibrilasi tanpa LLPS. Namun, kinetik fibrilasi dalam kedua-dua kes adalah berbeza, mencadangkan penglibatan proses kompleks dalam fibrilasi dengan kehadiran LPS [329].

Oleh itu, adalah sangat relevan untuk bertanya beberapa soalan seperti sama ada fibril yang terbentuk dengan atau tanpa menjalani pemisahan fasa adalah berbeza secara struktur dan fungsi antara satu sama lain, atau, secara ringkasnya, menunjukkan polimorfisme fibril. Sama ada keadaan atau mutasi LLPS yang berbeza mempunyai sebarang peranan dalam menentukan tingkah laku terikan fibril -Syn yang terbentuk?

Sebagai contoh, mutasi patogen dalam FUS telah ditunjukkan untuk mempamerkan sifat biofizik yang berbeza berbanding dengan protein jenis liar [327]. Penemuan ini mencadangkan bahawa, sama seperti keadaan bukan pemisah fasa di mana keadaan penyelesaian yang berbeza menghasilkan polimorf [29], gentian yang terbentuk di bawah keadaan pemisahan fasa yang berbeza juga mungkin berbeza (Rajah 7).

Contohnya, fasa -Syn yang memisahkan di bawah keadaan yang berbeza, seperti kehadiran PTM, mutasi keluarga, molekul kecil, atau ion logam, boleh menunjukkan polimorfisme dan membentuk jenis fibril yang berbeza (Rajah 7).

Walau bagaimanapun, fenomena ini masih belum ditentukan kerana ia memerlukan pencirian meluas fibril yang terbentuk di dalam titisan. Kami percaya bahawa kewujudan bersama spesies perantaraan yang berbeza secara konformasi dan banyak laluan pengagregatan yang diperhatikan dengan atau tanpa LLPS boleh membentuk asas asal polimorfisme .

Walau bagaimanapun, lebih banyak penyelidikan dalam bidang ini diperlukan untuk menggambarkan sumbangan nukleasi heterogen dan laluan agregasi berbilang kepada fibrilpolymorphism. Pembangunan dan aplikasi pelbagai teknik biofizikal boleh membantu kami memperoleh maklumat bernas tentang peristiwa molekul yang berlaku semasa LLPS dan kematangan titisan berikutnya.

8. Implikasi Klinikal dan Terapeutik Polimorfisme

Kajian yang dibincangkan dalam ulasan memberikan bukti muktamad bahawa -Syn boleh membentuk polimorf pelbagai dengan ciri struktur dan biologi yang berbeza. Sama seperti prion, di mana setiap penyakit prion dikodkan oleh konformasi yang berbeza bagi protein tersalah lipat, setiap synucleinopati juga mungkin dikaitkan dengan struktur -Syn yang unik.

Walau bagaimanapun, struktur fibril yang pelbagai untuk protein yang sama menimbulkan beberapa cabaran dalam pembangunan dadah terhadap gangguan neurodegeneratif. Terapi seperti imunoterapi akan menjadi sangat spesifik untuk strain tertentu tetapi mungkin gagal mengenali yang berbeza. Begitu juga, membangunkan molekul terapeutik kecil atau ubat untuk menyekat atau melambatkan proses pengagregatan protein perlu disaring untuk pelbagai konformasi. Memandangkan kerumitan fibril dan polimorfismenya, menyasarkan monomer -Syn boleh menjadi pilihan.

Walau bagaimanapun, ia juga mencabar kerana sifat protein yang tidak teratur secara intrinsik. Walaupun terdapat cabaran ini, pengesanan dan pencirian strain -Syn yang diperolehi pesakit akan membuka peluang untuk pemahaman yang lebih mendalam dan pencirian synucleinopaties. Ia akan memudahkan pembangunan terapi baharu dan sistem klasifikasi synukleinopati yang lebih mantap.

Dalam konteks ini, teknik yang sangat sensitif sepertiPMCA [330], ujian penukaran akibat gegaran masa nyata (RT-QuIC) [331] dan inducer letupan HANdaiamyloid (HANABI) [332] telah menyumbang dengan ketara kepada penguatan -Synaggregates daripada CSF pesakit. otak. PMCA dan RT-QuIC telah digunakan untuk mendiskriminasi antara strain -Syn yang diperolehi oleh pesakit PD/MSA dan PD/DLB [52,333].

Menggunakan teknik ini akan membantu dalam memantau perkembangan penyakit dari semasa ke semasa dan membantu dalam diagnosis awal dan khusus bagi synucleinopaties. Tambahan pula, perbezaan klinikal dan patologi serta heterogeniti pesakit-ke-pesakit yang diperhatikan dalam PD dan gangguan yang berkaitan mungkin memberi kesan kepada cara pesakit synucleinopati harus dirawat. Sehingga kini, semua pesakit PD menerima jenis rawatan yang sama, dan nodistinction dibuat antara pesakit bergantung pada cara mereka memperoleh penyakit dan gejala yang mereka hadapi.

Oleh itu, kami menjangkakan bahawa ubat dan agen terapeutik yang direka untuk menyasarkan spesies -Syn patogenik mungkin melibatkan penggunaan sama ada ubat berasaskan konformasi tunggal atau koktel ubat terhadap pelbagai polimorf atau strain yang dihuni dalam otak manusia yang berpenyakit. Tambahan pula, beberapa parameter utama harus dipertimbangkan berdasarkan kes demi kes, seperti profil penyakit, gejala patologi dan klinikal, jenis dan sifat strain protein yang terlibat, dan kadar perkembangan penyakit semasa merawat pesakit dengan synucleinopaties.

Oleh itu, mengenal pasti sasaran terapeutik yang berpotensi dan mereka bentuk ubat berasaskan konformasi adalah langkah besar seterusnya ke arah membangunkan ubat terhadap PD dan gangguan yang berkaitan. Mewujudkan hubungan antara penyebaran astrain dan fenotip penyakit akan memberikan pandangan yang berharga untuk membangunkan strategi yang berkesan untuk memerangi gangguan neurodegeneratif.

Cabaran lain ialah menyampaikan dadah ke otak untuk merawat gangguan neurodegeneratif, terutamanya menghadapi kemunduran akibat halangan darah-otak yang ketat [32]. Banyak percubaan telah dibuat untuk menghantar ubat melalui pembawa nano, kaedah penghantaran ubat secara langsung, gangguan sementara penghalang darah-otak, dan terapi sel stem [33-37]. Walau bagaimanapun, tiada satu pun rawatan telah dapat mengatasi cabaran semasa sepenuhnya [32].

9. Ucapan Penutup dan Soalan Terbuka

Tingkah laku terikan seperti prion -Syn masih merupakan fenomena yang membingungkan. Adalah menghairankan bagaimana satu protein tanpa sebarang struktur yang betul boleh dilipat dalam pelbagai cara dan mengamalkan konformasi yang mengakibatkan pelbagai patologi.

Banyak soalan yang tidak dijawab memerlukan penyiasatan lanjut, walaupun selepas banyak kerja yang mengagumkan pada strain polymorphsand -Syn. Sebagai contoh, apakah yang mendorong pembentukan terikan -Syn di bawah keadaan selular dan persekitaran yang diberikan? Bagaimanakah strain ini menyasarkan jenis sel dan kawasan otak yang berbeza? Adakah strain -Syn berkembang, berubah atau menyesuaikan diri dengan masa bergantung pada faktor hos?

Bagaimanakah kehadiran protein, ligan, membran, atau faktor bersama lain mempengaruhi pembentukan terikan? Adakah strain -Syn mempunyai keupayaan untuk melihat silang antara satu sama lain dan mengakibatkan patologi bercampur? Adakah strain -Syn mengganggu dan menyekat pembiakan antara satu sama lain, sama seperti prion?

Adakah mungkin, atau adakah kita mempunyai teknik yang cukup sensitif untuk mendiskriminasi antara strain PD dan MSA pada peringkat awal diagnosis? Memandangkan pengembangan fenomena terikan prion kepada beberapa protein amyloidogenik lain, mungkin juga perlu untuk memahami peristiwa molekul utama dalam biologi terikan dan strategi reka bentuk yang berkesan.

Sumbangan Pengarang: Pengkonsepan, SM, dan penyiasatan SKM (kajian literatur); SM;LG; RB dan ASS; penyediaan draf penulisan-asal, SM; LG; RB dan ASS; menulis-semakan dan menyunting, SM; LG; RB; ASS dan SKM; visualisasi, SM; pentadbiran projek, SM, dan SKM; penyeliaan, SM, dan SKM; pemerolehan pembiayaan, SKM, SM, dan SKM adalah sama-sama menyumbang pengarang yang sepadan. Semua pengarang telah membaca dan bersetuju dengan versi manuskrip yang diterbitkan.

Pembiayaan: Penyelidikan ini dibiayai oleh Jabatan Bioteknologi (DBT) [BT/PR22749/BRB/10/1576/2016], Kerajaan India.

Penyata Lembaga Semakan Institusi: Tidak berkenaan.

Kenyataan Persetujuan Termaklum: Tidak berkenaan.

Pernyataan Ketersediaan Data: Tidak berkenaan.

Penghargaan: Pengarang mengiktiraf Jabatan Bioteknologi (DBT), Kerajaan India atas sokongan kewangan. Kami berterima kasih kepada Pradeep Kadu atas bantuannya dalam membuat angka. SM mengucapkan terima kasih kepada Suruhanjaya Geran Universiti India atas persahabatannya.

Konflik Kepentingan: Pengarang mengisytiharkan tiada konflik kepentingan.

Singkatan

-synuclein ( -Syn), penyakit Parkinson (PD), atrofi sistem berbilang (MSA), demensia dengan badan Lewy (DLB), Demensia Penyakit Parkinson (PDD), badan Lewy (LBs), Lewy neurite (LNs), penyakit Alzheimer (AD ), Kemasukan sitoplasma glial (GCI), pengubahsuaian pasca translasi(PTM), jenis liar (WT), mikroskopi cryo-elektron (cryo-EM), spektroskopi NMR (ssNMR) keadaan pepejal; mikroskop elektron penghantaran (TEM), mikroskopi daya atom (AFM), dichroism bulat (CD), nukleus motor dorsal saraf vagus (DMV), sistem saraf enterik (ENS); -Synuclein ( syn); -synuclein ( -Syn); Penguatan kitaran salah lipatan protein (PMCA); Pemisahan fasa Cecair-Cecair (LLPS).

Rujukan

1. Spillatini, MG; Goedert, M. The alpha-synucleinopathies: Penyakit Parkinson, demensia dengan badan Lewy, dan atrofi berbilang sistem. Ann. NY Acad. Sci. 2000, 920, 16–27. [CrossRef] [PubMed]

2. Spillatini, MG; Crowther, RA; Jakes, R.; Hasegawa, M.; Goedert, M. -Synuclein dalam kemasukan berfilamen badan Lewy daripada penyakit Parkinson dan demensia dengan badan Lewy. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 1998, 95, 6469–6473. [CrossRef] [PubMed]

3. Spillatini, MG; Schmidt, ML; Lee, VM; Trojanowski, JQ; Jakes, R.; Goedert, M. A-synuclein dalam badan Lewy. Alam 1997,388, 839–840. [CrossRef]

4. Galvin, JE; Lee, VM; Trojanowski, JQ Synucleinopathies: Implikasi klinikal dan patologi. Gerbang. 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 Proses pembentukan badan Lewy, bukan sekadar fibrilasi alpha-synuclein, adalah salah satu pemacu utama kemerosotan neuro.Proc. Natl. Acad. Sci. AS 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. Patologi Lewy dalam penyakit Parkinson terdiri daripada organel yang sesak dan membran lipid. NatNeurosci. 2019, 22, 1099–1109. [CrossRef] [PubMed]

7. Tambang, MB; Jagannath, S.; Lashuel, HA Kejuruteraan terbalik badan Lewy: Sejauh mana kita telah melangkah dan sejauh mana kita boleh pergi? Nat.Rev. Neurosci. 2021, 22, 111–131. [CrossRef] [PubMed]

8. Serpell, LC; Berriman, J.; Jakes, R.; Goedert, M.; Crowther, RA Pembelahan gentian bagi filamen alpha-synuclein sintetik menunjukkan konformasi silang beta seperti samyloid. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2000, 97, 4897–4902. [CrossRef] [PubMed]

For more information:1950477648nn@gmail.com