Byggingar- og hagnýtur innsýn í -Synuclein fibril Polymorphism Part 4

7. Fasaskilnaður og kjarnamyndun: Sameindagrundvöllur fibril fjölbreytileika

Fljótlega eftir uppgötvunina að -Syn samloðun er ekki aðeins tengd PD heldur einnig MSA og DLB, hefur lykilrannsóknarsviðið fyrst og fremst verið lögð áhersla á að skilja getu próteins til að valda klínískt og sjúklega fjölbreyttum taugahrörnunarsjúkdómum.

Þegar þú eldist getur þú fundið að minnið þitt er ekki eins gott og það var þegar þú varst barn. Stundum gætir þú jafnvel fundið fyrir því að heilinn þinn sé "ryðgaður" og það er erfitt að muna nýjar upplýsingar. En hvað er hægt að gera til að bæta þetta ástand? Rannsóknir undanfarinna ára hafa sýnt að náin tengsl eru á milli MSA (dópamín-sykrusamstæðu) og minnis.

MSA er taugahringrás sem tekur þátt í taugaboðefninu dópamíni. Dópamín er mikilvægt taugaboðefni í heilanum og tengist tilfinningum, hvatningu og hreyfingum. Sólsteinar eru kjarnar í heilanum sem stjórna hreyfingum og samræma hreyfingar. Sambandið við dópamín er að þegar grunnlíkaminn er örvaður af dópamíni mun það auka tengingar milli taugafrumna heilans og stuðla þannig að myndun og styrkingu minnis.

Rannsóknir sýna að hægt er að virkja og örva MSA með stafrænum leikjum, tónlistarþjálfun, líkamsrækt og félagslegum samskiptum. Þessar aðferðir geta styrkt tenginguna við heila- og mænuvökva með því að auka losun dópamíns. Til dæmis hefur verið sýnt fram á að truflanir heilaæfingar, eins og Sudoku og krossgátur, bæta minnisfærni. Einnig hefur verið sýnt fram á að tónlistarþjálfun örvar MSA hringrás og eykur minnishæfileika. Að auki hefur líka verið sýnt fram á að líkamsrækt og félagsleg samskipti hafi jákvæð áhrif á virkjun MSA og stuðlar þar með að heilaheilbrigði og bættum minni.

Í stuttu máli, þar sem MSA starfsemi hefur jákvæð áhrif á minni, er mikilvægt skref í að bæta minni að finna og taka þátt í athöfnum sem örva MSA. Að vera líkamlega virkur, taka þátt í félagsstarfi og læra nýja færni getur virkjað og örvað MSA hringrásina og stuðlað þannig að bættri heilaheilbrigði og minni. Við skulum byrja héðan í frá og taka virkan þátt í þessum athöfnum til að dæla nýrri orku og lífskrafti inn í heilann. Það má sjá að við þurfum að bæta minnið og Cistanche deserticola getur bætt minnið verulega því Cistanche deserticola er hefðbundið kínverskt lyfjaefni sem hefur mörg einstök áhrif, ein þeirra er að bæta minni. Virkni Cistanche deserticola kemur frá mörgum virku innihaldsefnum sem það inniheldur, þar á meðal tannínsýra, fjölsykrur, flavonoid glýkósíð osfrv. Þessi innihaldsefni geta stuðlað að heilsu heilans á margvíslegan hátt.

Smelltu vita leiðir til að bæta heilastarfsemi

Undanfarin ár hefur tilgátan um príónstofn komið fram sem leiðandi skýringin á breytileika sjúkdómsins í synucleinopathy. Þrátt fyrir að margvísleg lífeðlisfræðileg og líffræðileg gögn styðji tilvist -Syn stofna [29,30,32–35,53], er enn óljóst hvernig þessir stofnar eiga uppruna sinn og hvaða þættir knýja fram myndun þeirra in vivo.

Líklega svarið gæti verið fólgið í því að afmarka söfnunarferilinn og greina sameindadrifna sem liggja að baki stofnmyndun. Amyloid myndun stjórnast ekki aðeins af frumkjarna heldur einkennist af aukakjarnaatburðum í megninu af vaxtarskeiði samsöfnunar, eins og áður hefur verið fjallað um [189].

Þessi efri kjarnamyndun felur í sér lengingu nýrra trefja úr núverandi fræjum með því að fá einliða úr lausninni. Allar breytingar á lausnarskilyrðum fibrilanna hafa tilhneigingu til að breyta hraða frum- og aukakjarnaatburða [188,189]. Til dæmis eykur súrt pH bindingu -Syn einliða við yfirborð fibrilsins og eykur þar með aukakjarnahraða [189.302].

Þar sem fræ-örvuð fjölgun fyllinga er rakin til sundrunar og lengingar offibril fræa, leiðir þetta okkur til að gera tilgátu um að stofnfyrirbærið sé, að minnsta kosti að hluta, afleiðing af efri kjarnamyndun. Þar að auki lifa margar tegundir saman á mismunandi stigum samsöfnunarhvarfafræðinnar [17.303.304], sem bendir til þátttöku samsafnamilliefna við að ráða fjölbreytileikanum.

Kortlagning á sköpulagsrými -Syn einliða leiðir í ljós byggingarundirhóp af -Syn einliða sem stuðlar að bindingu þess við himnur og framkallar myndun ýmissa fáliða og fibrils [170].

Rannsóknarstofan okkar sýndi nýlega fram á að ólík kjarnamyndun meðan á söfnunarferlinu stendur er grundvöllur uppruna fjölbreytileika [252]. Við mynduðum tvo mismunandi fjölbreytileika, HMFs (Helix þroskaðir fibrils) og PMFs (Pre-matured fibrils), úr samloðun milliefni sem myndast við sömu samsetningaraðstæður.

PMF eru ekki með stöðugan amyloid kjarna og hafa tilviljunarkennd spóluinnihald ásamt -sheet þáttum. Þar að auki er uppbyggða - lakið frá leifum 74–79 fjarverandi í NAC léni þess (leifar 65–80), sem bendir til þess að PMFs séu minna raðað fibril tegundir. Þvert á móti, formfræðilega og byggingarlega aðgreindar HMFs eru fyrirferðarmeiri og vel skipulögð með stablefibril kjarna [252].

Þetta innihalda mjög útsett vatnsfælin yfirborð og eru hugsanlega eitruðari en minna pöntuð PMF. Þessir fjölbreytileikar sýna ekki aðeins byggingarmun heldur sýna einnig mismunandi líffræðilega virkni [252].

Svipuð rannsókn sem fól í sér að bera kennsl á samloðun milliefni í viðurvist fosfólípíðhimnu leiddi í ljós að prefibrillar tegundir innihalda tvö lykkjusvæði með leifum 57 til 61 og 71 til 80 [305]. Þessar milliefni raðast síðan aftur í þráðategundir þar sem megnið af NAC-svæðinu og N-endanum (leifar 38–80) mynda hluti af endanlegri fibrilconformation [305].

Einnig hefur verið greint frá rannsóknum með söfnun A , PrP og tau, þar sem aðgreindir líffræðilegir eiginleikar koma fram vegna byggingamuna á fjölbrigðum [28,306-309]. Til dæmis, formfræðilega og byggingarfræðilega mismunandi A fibrils sem myndast við kyrrlátar og æsandi aðstæður sýna verulegan mun á eiturhrifum í frumtaugafrumum, þar sem kyrrðar fibrils eru eitraðari samanborið við aðrar [28].

Fjölbreytt PrPSc sköpulag sýnir hýsilfrumutropisma, með sérstakri stofna sem beinast helst að taugafrumum, stjarnfrumur, eða jafnvel báðum [307,308]. Þannig geta -Syn stofnar sem stafa af misleitri kjarnamyndun í samloðun PD valdið klínískum og meinafræðilegum breytingum með því að sýna breytilega frumueiturhrif og mismunandi príónlíka eiginleika (mynd 5).

Nýlega hefur þróun hugmyndarinnar um próteinsamruna í meira grundvallarfyrirbæri, nefnilega vökva-vökvafasa aðskilnað (LLPS), haft veruleg áhrif á sviðið og beint rannsóknunum í nýja átt [310-314]. Prótein eru ræktuð við mismunandi aðstæður, til dæmis, pH, hitastig og saltaðstæður [315-317].

Stuðlað er að fasaaðskilnaðaratburðum í viðurvist sameindahópa, eins og pólýetýlen glýkól, dextran eða ficoll, sem hjálpa til við að auka staðbundinn próteinstyrk og auðvelda dropamyndun [315-318]. Eftir það eru virkni, þroska og samsöfnunarsnið rannsökuð með því að nota einstaka samsetningu lífeðlisfræðilegra, lífefnafræðilegra og litrófsfræðilegra aðferða [315,317].

Sýnt hefur verið fram á að fyrirbæri fasaaðskilnaðar ýmissa amyloidogenic próteina eru á undan samloðun og fibril myndun. Því hefur verið haldið fram að tilvist innri röskunarsvæða (IDRs), prion-like domains (PLD) og low complexity domains (LCD) stuðli að myndun fasaaðskilinna þéttinga amyloidogenic proteins [310,315,316,319,320].

Rannsóknarstofan okkar sýndi nýlega fram á að LLPS af -Syn er mikilvægur atburður í byrjun töffasa og kemur á undan samsöfnun hans við fasaaðskilin skilyrði (tilvist hópþrengenda, streituvalda, amyloid co-þátta osfrv.) [315].

Útlit þessara fasaaðskildu dropa í töffasa samloðununarhvarfafræðinnar bendir til þess að LLPs gætu aukið kjarnamyndunarviðburði með því að auka staðbundinn styrk próteinsameindanna [315,320]. Þar að auki, fasaaðskildu -Syn droparnir gangast undir umskipti milli fljótandi og fasts efnis með tímanum og leiða til myndunar amyloid hydrogel [315].

Áður hefur verið sýnt fram á að þessi amyloid hýdrógel fanga frumudrepandi fáliður og fibrils [321], sem gefur til kynna möguleikann á að fibrils sem myndast með LLPS gætu verið eitruð. Hins vegar, við venjulegar samsetningaraðstæður (án fasaaðskilnaðar), sýna -Syn fibrils mjög litla eða enga frumueiturhrif [322,323]. Þetta bendir til þess að fibrill sem myndast við fasaaðskilin og ekki fasaaðskilin aðstæður gætu verið mismunandi.

Þar að auki, fibril myndun í þynntum lausnum (þekkt að eiga sér stað með frum- og secondary nucleation) [189] og það innan þéttiefna (með LLPS) eru ekki gagnkvæmir atburðir [324], en mismunandi samloðun leiðir geta leitt til myndunar mismunandi fibrils (Mynd). 6).

Til dæmis, TDP-43, prótein sem tekur þátt í ALS/FTD, gengst undir tif með eða án LLPS. Samt sem áður eru tifhvörf í báðum tilfellum mismunandi, sem bendir til þátttöku flókinna ferla í tif í viðurvist LPS [329].

Þess vegna væri mjög viðeigandi að spyrja nokkurra spurninga eins og hvort trefjarnar sem myndast með eða án þess að gangast undir fasaaðskilnað séu byggingarlega og virknilega aðgreindar frá hvor öðrum, eða, einfaldlega sagt, sýna fibril polymorphism. Hvort mismunandi LLPS aðstæður eða stökkbreytingar hafi eitthvert hlutverk við að ákvarða stofnhegðun -Syn fibrils sem myndast?

Til dæmis hefur verið sýnt fram á að sjúkdómsvaldandi stökkbreytingar í FUS sýna mismunandi lífeðlisfræðilega eiginleika samanborið við villigerðarpróteinið [327]. Þessar niðurstöður benda til þess að, líkt og ekki fasaaðskiljandi aðstæður þar sem mismunandi lausnaraðstæður gefa fjölbrigðum [29], gætu þráðar sem myndast við mismunandi fasaaðskilnaðar aðstæður einnig verið mismunandi (Mynd 7).

Til dæmis getur -Syn fasi aðskilnaður við mismunandi aðstæður, eins og tilvist PTMs, ættgengar stökkbreytingar, litlar sameindir eða málmjónir, sýnt fjölbreytileika og myndað mismunandi gerðir af fibrils (Mynd 7).

Hins vegar á enn eftir að ákvarða þetta fyrirbæri þar sem það þyrfti víðtæka lýsingu á trefjum sem myndast inni í dropunum. Við teljum að samvera sköpulags aðgreindra millitegunda og fjölmargar samloðunferla sem sést hafa með eða án LLPS gæti verið grundvöllur uppruna fjölbreytileika. .

Hins vegar er þörf á frekari rannsóknum á þessu sviði til að afmarka framlag misleitrar kjarnamyndunar og margra söfnunarleiða til fibrilpolymorphism. Þróun og beiting ýmissa lífeðlisfræðilegra aðferða gæti hjálpað okkur að fá innsýn upplýsingar um sameindaatburði sem eiga sér stað við LLPS og síðari dropaþroska.

8. Klínískar og meðferðarfræðilegar afleiðingar fjölbrigða

Rannsóknirnar sem fjallað er um í endurskoðuninni gefa óyggjandi vísbendingar um að -Syn geti myndað fjölbreytta fjölbreytileika með mismunandi byggingar- og líffræðilega eiginleika. Líkt og príon, þar sem hver príónsjúkdómur er kóðaður af sérstakri sköpulagi misbrotna próteins, er hver synucleinopathy einnig hugsanlega tengd einstakri -Syn uppbyggingu.

Hins vegar, fjölbreytt fibril uppbygging fyrir sama prótein veldur nokkrum áskorunum í lyfjaþróun gegn taugahrörnunarsjúkdómum. Meðferð eins og ónæmismeðferð væri mjög sértæk fyrir tiltekinn stofn en gæti ekki þekkt annan. Að sama skapi þarf að skima með tilliti til margra sköpulags að þróa litlar lækningasameindir eða lyf til að hindra eða hægja á próteinsamrunaferlinu. Miðað við margbreytileika fibrils og fjölbreytni þeirra, gæti miðun einliða -Syn verið valkostur.

Hins vegar er það líka krefjandi vegna innra röskunar eðlis próteinsins. Þrátt fyrir þessar áskoranir mun greina og einkenna afleidda -Syn stofna sjúklinga opna glugga tækifæra fyrir dýpri skilning og lýsingu á taugakvilla. Það mun auðvelda þróun nýrra meðferða og öflugri flokkunarkerfa synucleinopathies.

Í þessu samhengi hafa mjög viðkvæmar aðferðir eins og PMCA [330], rauntímaskjálftaframkallað umbreytingarpróf (RT-QuIC) [331] og HANdaiamyloid burst inducer (HANABI) [332] marktækt stuðlað að því að magna -Synaggregates frá CSF sjúklinga heila. PMCA og RT-QuIC hafa verið notuð til að greina á milli PD/MSA og PD/DLB -Syn stofna af sjúklingum [52.333].

Að beita þessum aðferðum myndi hjálpa til við að fylgjast með framvindu sjúkdómsins með tímanum og hjálpa við snemmtæka og sértæka greiningu á synucleinopathies. Ennfremur getur klínískur og meinafræðilegur munur og ólíkur sjúklingur á milli sjúklinga sem sést í PD og skyldum kvillum haft áhrif á hvernig synucleinopathy sjúklingar ættu að meðhöndla. Eins og staðan er núna fá allir PD sjúklingar sams konar meðferð og er gerður greinarmunur á sjúklingunum eftir því hvernig þeir hafa öðlast sjúkdóminn og hvaða einkenni þeir hafa.

Þess vegna gerum við ráð fyrir því að lyf og lækningaefni sem eru hönnuð til að miða á sjúkdómsvaldandi -Syn tegundir geti falið í sér að nota annaðhvort lyf sem byggir á einni sköpulag eða kokteil af lyfjum gegn fjölbreyttum fjölbrigðum eða stofnum sem eru byggðir í sjúkum mannsheila. Ennfremur ætti að íhuga nokkrar lykilbreytur í hverju tilviki fyrir sig, eins og sjúkdómsferil, meinafræðileg og klínísk einkenni, gerðir og eðli þeirra próteinastofna sem um ræðir og hraða framvindu sjúkdóms á meðan sjúklingar með synucleinopathy eru meðhöndlaðir.

Þess vegna er það næsta stóra skrefið í átt að þróun lyfja gegn PS og skyldum kvillum að bera kennsl á hugsanleg meðferðarmarkmið og hanna lyf sem byggjast á sköpulagsformi. Að koma á tengslum á milli útbreiðslu ástreymis og svipgerð sjúkdómsins mun veita dýrmæta innsýn í að þróa árangursríkar aðferðir til að berjast gegn taugahrörnunarsjúkdómum.

Önnur áskorun er að koma lyfjum til heilans til að meðhöndla taugahrörnunarsjúkdóma, aðallega fyrir áföllum vegna takmarkandi blóð-heilahindrana [32]. Fjölmargar tilraunir hafa verið gerðar til að gefa lyf í gegnum nanóbera, bein lyfjagjöf, tímabundna truflun á blóð-heilaþröskuldi og stofnfrumumeðferðir [33-37]. Hins vegar hefur engin meðferðar tekist að sigrast á núverandi áskorunum að fullu [32].

9. Lokaorð og opnar spurningar

Prion-eins og stofnhegðun -Syn er enn dularfullt fyrirbæri. Það kemur á óvart hvernig eitt prótein án viðeigandi uppbyggingar getur brotið saman á marga mismunandi vegu og tekið upp sköpulag sem leiðir til ýmissa sjúkdóma.

Mörgum ósvaruðum spurningum þarfnast frekari rannsóknar, jafnvel eftir glæsilega vinnu við -Syn fjölbreytileika og stofna. Til dæmis, hvað knýr myndun -Syn stofns við gefnar frumu- og umhverfisaðstæður? Hvernig miða þessir stofnar á mismunandi frumugerðir og heilasvæði? Þróast -Syn stofnar, breytast eða aðlagast með tímanum eftir hýsilþáttum?

Hvernig hefur tilvist annarra próteina, bindla, himna eða meðþátta áhrif á stofnmyndun? Hafa -Syn stofnar hæfileikann til að skoða hvern annan og leiða til blandaða meinafræði? Trufla -Syn stofnar og hindra útbreiðslu hvers annars, svipað og príon?

Er það mögulegt, eða höfum við tækni sem er nógu viðkvæm til að greina á milli PD og MSA stofna á fyrstu stigum greiningar? Miðað við útvíkkun príonstofnafyrirbærisins yfir í nokkur önnur amyloidogenic prótein, gæti líka verið nauðsynlegt að skilja helstu sameindaviðburði í stofnlíffræði og hönnunaráhrifaríkum aðferðum.

Framlög höfundar: Hugmyndagerð, SM og SKM rannsókn (bókmenntarýni); SM;LG; RB og ASS; skrif-frumleg drög að undirbúningi, SM; LG; RB og ASS; skrif-rýni og klipping, SM; LG; RB; ASS og SKM; sjón, SM; verkefnastjórnun, SM og SKM; eftirlit, SM og SKM; fjármögnunaröflun, SKM, SM og SKM leggja jafnt fram samsvarandi höfunda. Allir höfundar hafa lesið og samþykkt útgáfu handritsins.

Fjármögnun: Þessi rannsókn var styrkt af líftæknideild (DBT) [BT/PR22749/BRB/10/1576/2016], ríkisstjórn Indlands.

Yfirlýsing endurskoðunarnefndar stofnana: Á ekki við.

Yfirlýsing um upplýst samþykki: Á ekki við.

Yfirlýsing um framboð gagna: Á ekki við.

Viðurkenningar: Höfundarnir viðurkenna líftæknideild (DBT), ríkisstjórn Indlands fyrir fjárhagslegan stuðning. Við þökkum Pradeep Kadu fyrir hjálpina við að búa til tölur. SM er þakklátur háskólastyrkjanefndinni á Indlandi fyrir samstarfið.

Hagsmunaárekstrar: Höfundar lýsa ekki yfir hagsmunaárekstrum.

Skammstafanir

-synuclein ( -Syn), Parkinsonsveiki (PD), fjölkerfa rýrnun (MSA), heilabilun með Lewy líkama (DLB), Parkinsonsveiki vitglöp (PDD), Lewy bodies (LBs), Lewy taugafrumur (LNs), Alzheimerssjúkdómur (AD) ), Glial umfrymisinnihald (GCIs), post-translational modifications (PTMs), villigerð (WT), kryo-rafeindasmásjá (cryo-EM), solid-state NMR (ssNMR) litrófsgreining; sendingarrafeindasmásjá (TEM), frumeindakraftsmásjá (AFM), circular dichroism (CD), dorsal motor nucleus of the vagus nerve (DMV), enteric nervous system (ENS); -Synuklein (syn); -synúkleín ( -Syn); Prótein misfolding cyclic amplification (PMCA); Vökva-vökvi fasaskilnaður (LLPS).

Heimildir

1. Spillantini, MG; Goedert, M. The alfa-synucleinopathies: Parkinsonsveiki, vitglöp með Lewy bodies, og multiple system rýrnun. Ann. NY Acad. Sci. 2000, 920, 16–27. [CrossRef] [PubMed]

2. Spillantini, MG; Crowther, RA; Jakes, R.; Hasegawa, M.; Goedert, M. -Synuclein í þráðlausum innilokum Lewy líkama frá Parkinsonsveiki og vitglöpum með Lewy líkama. Frv. Natl. Acad. Sci. Bandaríkin 1998, 95, 6469–6473. [CrossRef] [PubMed]

3. Spillantini, MG; Schmidt, ML; Lee, VM; Trojanowski, JQ; Jakes, R.; Goedert, M. A-synuclein í Lewy bodies. Náttúra 1997,388, 839–840. [Krossvísun]

4. Galvin, JE; Lee, VM; Trojanowski, JQ Synucleinopathies: Klínískar og meinafræðilegar afleiðingar. Arch. 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 Ferlið við myndun Lewy-líkams, frekar en einfaldlega alfa-synuclein fibrillization, er einn helsti drifkraftur taugahrörnunar. Proc. Natl. Acad. Sci. Bandaríkin 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; o.fl. Lewy meinafræði í Parkinsonsveiki samanstendur af fjölmennum frumulíffærum og lípíðhimnum. NatNeurosci. 2019, 22, 1099–1109. [CrossRef] [PubMed]

7. Fargjöld, MB; Jagannath, S.; Lashuel, HA Reverse engineering Lewy bodies: Hversu langt erum við komin og hversu langt getum við gengið? Nat.Rev. Neurosci. 2021, 22, 111–131. [CrossRef] [PubMed]

8. Serpell, LC; Berriman, J.; Jakes, R.; Goedert, M.; Crowther, RA Trefjabrot á tilbúnum alfa-synuclein þráðum sýnir samyloid-eins kross-beta sköpulag. Frv. Natl. Acad. Sci. Bandaríkin 2000, 97, 4897–4902. [CrossRef] [PubMed]

For more information:1950477648nn@gmail.com