Potensi Diagnostik Protein Amiloidogenik Bahagian 1

Abstrak:

Gangguan neurodegeneratif adalah kelas penyakit yang sangat lazim, yang mekanisme patologinya bermula sebelum kemunculan sebarang gejala yang jelas. Fakta ini telah mendorong saintis untuk mencari biomarker yang boleh membantu rawatan awal.

Patologi yang tidak dapat diubati pada masa ini berkongsi kehadiran agregat menyimpang yang dipanggil amiloid dalam sistem saraf, yang terdiri daripada protein tertentu.

Dalam ulasan ini, kami membincangkan bagaimana protein ini, konformasi dan pengubahsuaiannya boleh dieksploitasi sebagai biomarker untuk tujuan diagnostik.

Protein adalah salah satu bahan penting untuk mengekalkan kesihatan yang baik, dan ia juga mempunyai kesan penting pada ingatan. Protein terdiri daripada asid amino, yang merupakan bahan mentah untuk sel otak dan neurotransmitter. Oleh itu, pengambilan protein berkait rapat dengan ingatan.

Pertama sekali, protein adalah bahan penting untuk tubuh membina dan membaiki tisu. Sel otak kaya dengan enzim dan bahan kawal selia, yang memerlukan protein sebagai komponen untuk berfungsi secara normal. Kandungan protein yang terlalu rendah dalam badan akan menyebabkan sel-sel otak tidak berfungsi secara normal, sekali gus menjejaskan daya ingatan. Oleh itu, mengekalkan pengambilan protein yang mencukupi memainkan peranan penting dalam perkembangan otak dan penyelenggaraan ingatan.

Kedua, protein mempunyai kesan meningkatkan aktiviti sel otak. Tubuh manusia memerlukan sejumlah besar neurotransmitter otak untuk mengekalkan operasi normal fungsi seperti pemikiran, ingatan, dan tingkah laku. Neurotransmiter otak disintesis daripada asid amino dalam badan, dan sumber asid amino ini adalah protein. Oleh itu, memilih makanan yang kaya dengan protein berkualiti tinggi boleh meningkatkan sintesis neurotransmiter otak, dengan itu meningkatkan aktiviti sel otak dan membantu meningkatkan daya ingatan.

Selain itu, protein juga membantu mengekalkan kestabilan badan dan mengelakkan turun naik gula dalam darah. Tahap gula darah yang rendah boleh menyebabkan gejala seperti kurang perhatian, pening, dan keletihan dalam badan, yang sering menjejaskan prestasi ingatan. Dengan mengekalkan pengambilan protein yang sederhana, turun naik gula dalam darah boleh dielakkan dengan berkesan, yang membantu mengekalkan kestabilan badan dan meningkatkan daya ingatan.

Pendek kata, protein berkait rapat dengan ingatan. Pengambilan protein yang sederhana boleh mengekalkan kestabilan badan, meningkatkan aktiviti sel-sel otak, dan dengan itu meningkatkan daya ingatan. Kita harus cuba makan lebih banyak makanan kaya protein berkualiti tinggi, seperti ikan, daging, kekacang, dan produk tenusu, dan elakkan sepenuhnya mengeluarkan protein daripada diet. Ini akan membantu kita kekal sihat, meningkatkan daya ingatan dan menikmati kehidupan yang lebih baik. Ia boleh dilihat bahawa kita perlu meningkatkan ingatan kita, dan Cistanche boleh meningkatkan daya ingatan dengan ketara kerana Cistanche adalah ubat tradisional Cina dengan banyak kesan unik, salah satunya adalah untuk meningkatkan daya ingatan. Keberkesanan Cistanche berasal dari pelbagai bahan aktif yang terkandung di dalamnya, termasuk asid tannic, polisakarida, glikosida flavonoid, dan lain-lain, yang boleh menggalakkan kesihatan otak dalam pelbagai cara.

Klik tahu 10 cara untuk meningkatkan ingatan

Kami memberi tumpuan kepada protein yang dikaitkan dengan gangguan neurodegeneratif yang paling lazim, termasuk penyakit Alzheimer dan Parkinson, sklerosis lateral amyotrophic, dan demensia frontotemporal.

Kami juga menerangkan cabaran semasa dalam pengesanan, teknik terkini dengan potensi diagnostik, dan kemungkinan perkembangan masa hadapan dalam diagnosis.

Kata kunci: penyakit neurodegeneratif; biomarker; amiloid; oligomer; pengubahsuaian selepas terjemahan.

1. Keperluan untuk Pendekatan Diagnostik Novel untuk Neurodegenerasi

Penyakit neurodegeneratif adalah gangguan maut dan tidak boleh diubati, dicirikan oleh kehilangan progresif neuron di kawasan tertentu sistem saraf. Mereka adalah kumpulan patologi yang sangat heterogen, termasuk penyakit Alzheimer (AD), penyakit Parkinson (PD), demensia frontotemporal (FTD), dan amyotrophic lateral sclerosis (ALS).

Pada masa ini, di seluruh dunia, lebih daripada 50 juta orang mengalami pelbagai bentuk neurodegeneration [1]. Kursus klinikal penyakit neurodegenerative biasanya menjangkau beberapa tahun dan membawa kepada defisit progresif dalam ingatan, kognisi, dan pergerakan ke tahap yang berbeza bergantung kepada patologi tertentu [2] . Rawatan ubat sedia ada memberi tumpuan kepada melegakan simptom ini [3].

Tambahan pula, penilaian neuropsikologi masih dianggap penting dalam diagnosis neurodegenerasi yang berkaitan dengan demensia [4]. Walau bagaimanapun, mekanisme molekul utama penyakit berlaku sebelum kemunculan sebarang gejala yang ketara.

Pembangunan pendekatan diagnostik yang tepat akan memudahkan intervensi terapeutik yang tepat pada masanya untuk memulihkan fisiologi neuron sebelum kerosakan tidak dapat dipulihkan berlaku.

Ia juga akan menggalakkan penubuhan terapeutik baru, dan penilaian semula yang sedia ada yang boleh menjadi lebih berkesan jika ditadbir pada peringkat awal. Walaupun keperluan mendesak untuk pendekatan diagnostik untuk neurodegeneration, perkembangan mereka masih mencabar, disebabkan oleh kebolehcapaian terhad otak untuk pemeriksaan fizikal dan kerumitan ujian klinikal berdasarkan kebolehan kognitif [2].

Kemajuan teknologi terkini telah membolehkan pencirian laluan baru, biomolekul, dan struktur dalam sistem saraf dan kawasan lain badan yang boleh digunakan sebagai penanda penyakit neurodegenerasi [5,6].

Walaupun penyakit neurodegeneratif yang berbeza mempunyai beberapa fenotip yang berbeza, mereka juga berkongsi beberapa ciri molekul utama. Khususnya, dalam kebanyakan gangguan ini, protein dan peptida tertentu, yang biasanya boleh larut, menjalani proses pemasangan sendiri yang membawa kepada pembentukan agregat fibrillar besar, dipanggil amiloid [7,8].

Proses ini juga melibatkan penjanaan perantaraan oligomerik yang lebih kecil, yang sangat toksik dan kini dianggap sebagai pemain utama dalam mekanisme penyakit [8]. Pengagregatan amiloid juga dikaitkan dengan proses pengagregatan lain, seperti pembentukan kondensat [9]. Walau bagaimanapun, ini tidak akan menjadi tumpuan kajian ini.

Di sini, kami menerangkan beberapa protein amyloidogenik yang paling terkenal dan kaitan diagnostiknya.

Kami menumpukan pada amyloid-beta (A ) dan tau untuk AD, -synuclein ( -syn) untukPD, bergabung dalam sarkoma (FUS) dan protein pengikat DNA TAR 43 (TDP-43) untuk ALS danFTD. Kami juga membincangkan kemajuan terkini dalam pendekatan pengesanan untuk memantau pengagregatan protein ini.

2. Agregasi Amyloid sebagai Sumber Berpotensi Biomarker

Amiloid adalah agregat fibrillar tidak larut yang diperkaya dalam struktur silang, dan pembentukannya telah dicirikan secara meluas secara in vitro [7,8].

Agregasi amiloid terdiri daripada rangkaian peristiwa nukleasi yang kompleks. Pada mulanya, protein monomer larut berinteraksi dan membentuk oligomer melalui nukleasi primer. Nukleasi primer juga boleh dicetuskan oleh kehadiran biomolekul lain, seperti protein lain [10], asid nukleik [11,12,] dan membran [13].

Oligomer kemudian bertukar menjadi agregat peringkat tinggi dan, akhirnya, menjadi fibril amiloid. Sebaik sahaja kepekatan gentian genting yang kritikal telah terbentuk, permukaan fibril ini mencairkan pembentukan oligomer tambahan melalui nukleasi sekunder [7,8]. Fibril juga boleh memanjang dengan penambahan monomer di hujungnya, dan mengalami pemecahan [7,8]. Fibril amiloid adalah spesies protein yang sangat stabil kerana kandungan lembaran silang yang kaya [8,14–16].

Sebaliknya, oligomer cepat bertukar menjadi amiloagregat peringkat tinggi (Rajah 1). Sifat sementara oligomer menjadikannya sukar untuk diasingkan dan dicirikan pada tahap struktur.

Hanya baru-baru ini, terima kasih kepada pendekatan baru seperti pendarfluor molekul assingle dan mikroskop elektron [14,17,18], telah menunjukkan bahawa oligomer sangat heterogen dalam sifat dan struktur fisiokimia mereka, dengan kandungan struktur sekunder yang berbeza-beza [16,19,20] .

Oligomer adalah toksik oleh pelbagai mekanisme termasuk interaksi hidrofobik yang menyimpang. Telah ditunjukkan bahawa, dalam tisu dan sel terpencil, oligomer boleh menjejaskan kebolehtelapan membran, dan homeostasis ion, dan mendorong tekanan oksidatif [16,21-23].

Radikal bebas yang disebabkan oleh oligomer kemudiannya boleh mencetuskan salah lipatan protein, disfungsi mitokondria, dan akhirnya apoptosis [24]. Oligomer A dan -syn juga telah dikaitkan dengan keradangan saraf [22] dan kehilangan sinapsis [25,26].

Beberapa faktor boleh mempengaruhi pembentukan fibril amiloid dan oligomer. Ini termasuk mutasi genetik, tekanan selular, dan kehadiran atau ketiadaan biomolekul tertentu.

Tambahan pula, amiloid secara meluas diubah suai selepas translasi dalam vivo [27-29] dan pengubahsuaian pasca translasi (PTM) dengan ketara mengubah pembentukan dan ketoksikan fibril amiloid secara in vitro [27-31].

3. Protein Amiloidogenik yang Terlibat dalam Neurodegenerasi

Dalam konteks neurodegeneration, penanda penyakit boleh dibahagikan kepada neuropsikologi, neuroimaging, genetik, c, dan penanda biokimia [2]. Khususnya, penanda biokimia (atau penanda bio) ialah molekul yang boleh diukur dalam badan kita (cth, protein, asid nukleik, metabolit), yang melaporkan peringkat penyakit [32].

Protein amyloidogenik adalah biomarker yang menjanjikan, kerana ia memaklumkan profil biokimia disfungsi sistem saraf [2]. Di bawah, kami menyerlahkan protein amyloidogenik yang berkaitan dan pengubahsuaian patologinya yang boleh berfungsi sebagai biomarker untuk keadaan neurodegeneratif.

3.1. A dan Tau dalam AD

AD adalah bentuk demensia yang paling lazim. Lesi ciri dalam otak AD ialah plak nyanyuk ekstraselular yang terdiri daripada agregat amiloid A dan kusut neurofibrillary intraselular (NFTs) yang dibentuk oleh filamen amiloid heliks (PHF) berpasangan protein tau hiperfosforilasi (p-tau) [2,27].

A ialah peptida pendek yang dihasilkan oleh pembelahan prekursor transmembran yang lebih besar, dipanggil protein prekursor amiloid (APP), melalui pembelahan berurutan - dan -secretase dan dilepaskan ke ruang ekstraselular [2,33].

Proses ini boleh menghasilkan isoform pelbagai panjang (Jadual 1), yang mempunyai pelbagai darjah ketoksikan dalam konteks AD [34]. Isoform A yang paling biasa ialah 40- dan 42-longones sisa, secara amnya dirujuk sebagai A 40 dan A 42, masing-masing. A 40 ialah varian paling banyak dalam plak (~80% hingga 90%) dan juga terdapat dalam otak orang yang sihat.

A 42 mempunyai kecenderungan yang lebih tinggi untuk mengagregat, dan peningkatan dalam nisbah A 42/A 40 dikaitkan dengan AD dan bentuk demensia yang lain [30,34] (Jadual 2). Selain belahan, mutasi genetik (A692G, E693Q dalam gen APP [35,36], Jadual 2) dan banyak PTM A lain telah dikaitkan dengan AD, termasuk pengoksidaan, fosforilasi, glikosilasi dan isomerisasi [30].

Kajian menunjukkan berlakunya asetilasi (cth, Lys16 dan Lys28), fosforilasi (cth, Ser8 dan Ser26), penitratan (cth, Tyr10), piroglutamat (cth, Glu3dan Glu11), pengisomeran (cth, Asp1 dan Asp7) dan pemeraman (cth. , Asp1, Asp23, danSer26) dalam konteks penyakit [30,37-39] (Jadual 1).

Perlu diingat bahawa penurunan kognitif lebih berkorelasi dengan bentuk perantaraan terlarut A dan bukannya tahap deposit amiloid [16]. Tau ialah protein berkaitan mikrotubulu utama yang menstabilkan inneuron mikrotubul [2,40]. Dalam otak manusia, tau wujud sebagai enam isoform berbeza yang membawa sama ada tiga atau empat ulangan pengikat mikrotubulus (R). Isoform ini dipanggil 3R dan 4R, masing-masing.

Telah didapati bahawa kehadiran sama ada 3R atau 4R atau kedua-dua amiloid 3R dan 4R adalah khusus penyakit. Sebagai contoh, dalam AD, ALS, FT, D, dan Parkinsonisme, kedua-dua amiloid 3R dan 4R hadir, manakala dalam degenerasi korticobasal dan penyakit Pick hanya amiloid 4R dan 3R, masing-masing, ditemui [41,42]. Tau menjalani PTM, terutamanya fosforilasi [40].

Hiperfosforilasi patologi mengurangkan pertalian tau untuk mikrotubul dan menyebabkan pengasingannya daripada mikrotubul, mengakibatkan pembentukan PHF dan NFT [2].

Sehingga kini, 85 tapak fosforilasi berpotensi tau telah dikenalpasti [40]. Tambahan pula, kajian molekul dan selular mendedahkan bahawa asetilasi (cth, Lys174, Lys274 dan Lys280), pengoksidaan (cth, Cys322), nitrasi (cth, Tyr29), glikasi (cth, Lys87, Lys132 dan Lys150), pemotongan(cth. Asp421 dan Glu391) dan ubiquitination (cth, Lys48 dan Lys63) juga mempengaruhi pengagregatan tau [27] (Jadual 1).

3.2. -Syn dalam PD

Tidak seperti AD, PD terutamanya mempengaruhi sistem motor, menyebabkan gegaran, ketegaran, bradykinesia, dan ketidakstabilan postur [2]. Ciri patologi PD ialah berlakunya kemasukan amiloid sitoplasma, yang dikenali sebagai badan Lewy (LBs) dan neurit Lewy (LNs).LBs dan LNs terdiri daripada agregat amiloid, yang komponen utamanya ialah -syn [43].

-Syn mengandungi 140 sisa dengan rantau N-terminal bercas positif, kawasan tengah komponen bukan amiloid (NAC) rawan agregasi, n, n, dan kawasan terminal C bercas negatif [44,45].

Penduaan atau tiga kali ganda pada rantau kromosom -syn (4q21-23) dan mutasi termasuk A53T, G51D, H50Q, E46K dan A30P dalam jujukan -syn, kawasan yang dikaitkan dengan PD permulaan awal [46–48] (Jadual 2 ). -Syn tergolong dalam keluarga protein yang juga termasuk - dan -sinuklein dengan persamaan 55%–62%. -Synuclein mempunyai kecenderungan berkurangan untuk mengagregat dan telah ditemui untuk menyekat pengagregatan -syn sebagai perencat semula jadi manakala teroksida -synuclein boleh memulakan -syn agregasi [49,50].

Beberapa PTM diketahui mempengaruhi pengagregatan -syn, dikaitkan dengan PD [28,], dan memegang potensi diagnostik [51](Jadual 1).

Ini termasuk asetilasi N-terminal, beberapa pemotongan pada N-terminus(cth, -syn7-140, 14-140, 40-140 dan 72–140 ditemui dalam vitro, 5–140 dan 68 –140 ditemui dalam vivo dan beberapa dalam kedua-duanya) dan C-terminus (cth, -syn1-115, 1-119, 1-122, 1-124, 1-125, {{ 19}},1-133 dan 1-135), fosforilasi Ser87 dan Ser129, pengoksidaan Met1, Met5, Met116dan Met127, penjumlahan Lys96 dan Lys102, penitratan Tyr39, Tyr125 dan Tyr133, dan , Lys10, Lys12 Lys21, Lys23, Lys43 dan Lys96 [28,52,53] (Jadual 1).

3.3. TDP-43 dan FUS dalam ALS dan FTD

ALS dan FTD adalah penyakit neurodegeneratif dengan mekanisme bertindih. ALS menjejaskan neuron atas dan bawah, menyebabkan kehilangan kawalan otot. FTD adalah satu bentuk demensia yang dikaitkan dengan degenerasi lobus temporal frontal dan anterior [54].

Kira-kira 97% daripada ALS dan 45% daripada kes FTD dikaitkan dengan kehadiran kemasukan agregat ofubiquitinated, hiperfosforilasi dan TDP terpotong C-terminal-43 dalam sitoplasma neuron dan sel glial [29].

TDP-43 ialah 414 sisa ribonukleoprotein yang boleh membentuk agregat seperti amiloid dalam vitro dan kondensat (iaitu, butiran tegasan) [9] di bawah keadaan patologi. Ia terdiri daripada saluran N-terminal dengan isyarat penyetempatan nuklear, dua motif pengecaman RNA, isyarat eksport nuklear, dan rantau C-terminal yang tidak teratur [29].

Semua kawasan ini telah dilaporkan memainkan peranan penting dalam pengagregatan protein [55-57]. Beberapa mutasi TDP-43 telah dikenal pasti dalam kedua-dua kes sporadis dan keluarga ALS danFTD, termasuk G294A, Q331K, M337V [58] dan K181E [59] (Jadual 2). Seperti A dan -syn, PTM TDP-43 juga memainkan peranan penting dalam pengagregatan protein dan perkembangan penyakit.

Perlu diingat bahawa serpihan terminal 25 kDa dan 35 kDa yang dipotong biasanya ditemui dalam agregat patologi dalam pesakit ALS [29,31,54]. Ubiquitination juga merupakan pengubahsuaian tipikal bagi kemasukan TDP-43 [31]. Akhir sekali, fosforilasi menyimpang, asetilasi dan pengoksidaan TDP-43 sering dikaitkan dengan penyetempatan salah dan pengagregatan protein [29] (Jadual 1).

ALS dan FTD juga dikaitkan dengan protein pengikat RNA/DNA lain, FUS. FUS ialah protein sisa 526 yang dibuat oleh domain pengaktifan transkrip N-terminal dan domain terminal-C, yang berinteraksi dengan faktor transkrip dan juga termasuk isyarat penyetempatan nuklear [60,61].

Kedua-dua domain mengandungi kawasan kerumitan rendah dan memainkan peranan dalam pembentukan kondensat dan hidrogel [62]. Lebih daripada 50 mutasi (cth, R521C, R521H [63]) FUS dilaporkan dalam kes ALS/FTD.

Tidak seperti TDP-43, FUS secara amnya didapati sebagai protein panjang penuh dalam agregat [61]. Fosforilasi berlaku dalam domain seperti prion FUS dan telah ditunjukkan mempengaruhi pemisahan fasa dan corak pengagregatannya manakala mutasi dan PTM (terutamanya metilasi dan fosforilasi) pada domain terminal-Cnya didapati mengawal penyetempatan nuklear/sitoplasmanya [61,64].

Walaupun peranan FUS yang jelas patologi, fenotip ALS/FTD kurang kerap dikaitkan dengan FUSthan dengan disfungsi TDP-43 [61,65]. Oleh itu, peranan FUS sebagai biomarker masih perlu ditentukan.

4. Potensi Diagnostik Ciri Genetik, Struktur dan Kimia Protein Amiloidogenik

Beberapa pendekatan pengesanan telah digunakan untuk mengukur sampel inbiologi protein amyloidogenik dan untuk menentukan hubungan antara protein ini dan penyakit neurodegeneratif.

Beberapa strategi ini bertujuan untuk mengukur perubahan dalam tahap ekspresi/kepekatan protein amiloidogenik tanpa mengira konformasi atau pengubahsuaiannya (Jadual 2). Beberapa pendekatan lain, sebaliknya, menumpukan pada meneliti sifat struktur tertentu (cth, keadaan agregat) atau kimia (iaitu, PTM) protein amiloidogenik (Jadual1).

Semua pendekatan ini menganalisis kawasan badan yang berbeza. Teknik, seperti tomografi pelepasan positron (PET), boleh menyiasat protein secara langsung dalam sistem saraf pusat (CNS), contohnya, dalam otak [2,44,66].

Walau bagaimanapun, protein amyloidogenik juga boleh dikesan di kawasan lain badan yang lebih mudah diakses. Dalam bahagian ini, kita membincangkan penemuan yang telah diperoleh daripada analisis kedua-dua tisu otak dan cecair badan yang boleh diakses, terutamanya menggunakan immunoassay, seperti immunoblotting and Enzyme-linked immunosorbent assays (ELISA).

Cecair yang dipertimbangkan termasuk cecair serebrospinal (CSF), yang bersentuhan langsung dengan bahagian ekstraselular otak dan, oleh itu, adalah cecair yang optimum untuk pengukuran metabolisme otak [44].

For more information:1950477648nn@gmail.com