Структурни и функционални увид у полиморфизам -синуклеинских фибрила, 1. део

Апстрактан:

Абнормална акумулација агрегираног -синуклеина (-Син) се примећује код разних неуродегенеративних болести, укључујући Паркинсонову болест (ПД), вишеструку системску атрофију (МСА), деменцију са Левијевим телом (ДЛБ), деменцију од Паркинсонове болести (ПДД), па чак и подгрупе Алцхајмерове болести (АД) која показује патологију налик Левијевом телу.

Синуклеин је веома важан протеин који игра виталну улогу у људском мозгу. Истраживања су показала блиску везу између синуклеина и памћења.

Синуклеин, као неуронски цитоплазматски ендоскелетни протеин, углавном се налази у неуронима кичмене мождине и мозга. Има важне структурне и биолошке функције и може одржавати и побољшати синаптичке везе. Сензорни унос може индуковати синтезу синуклеина у неуронима, чиме се повећава пластичност синаптичких веза и подстичу процеси учења и памћења.

Недавна истраживања сугеришу да инхибиција нивоа синуклеина може имати последице на формирање и очување памћења. Смањење нивоа синуклеина повезано је са падом памћења и може довести до појаве неуродегенеративних болести као што је Алцхајмерова болест.

Стога можемо закључити да синуклеин игра виталну улогу у људском мозгу и да постоји блиска веза између њега и учења и памћења. Треба да обратимо пажњу на промовисање синтезе синуклеина у нашем мозгу како бисмо боље очували и побољшали наше памћење. Види се да морамо побољшати памћење, а цистанцхе десертицола може значајно побољшати памћење јер је цистанцхе десертицола традиционални кинески медицински материјал који има много јединствених ефеката, од којих је једно побољшање памћења. Ефикасност Цистанцхе десертицола потиче од многих активних састојака које садржи, укључујући танинску киселину, полисахариде, флавоноидне гликозиде, итд. Ови састојци могу да унапреде здравље мозга на различите начине.

Кликните на сазнајте 10 начина за побољшање меморије

Ове синуклеинопатије показују разлике у клиничким и патолошким приказима, које подсећају на прионске поремећаје. Нови докази сугеришу да се -Син самосаставља и полимеризује у конформационо различите полиморфе ин витро и ин виво, слично прионима.

Ови -Син полиморфи који настају из истог протеина прекурсора могу да испоље биохемијске особине специфичне за сој и способност да индукују различите патолошке фенотипове након њихове инокулације на животињским моделима. У овом прегледу разматрамо клиничку и патолошку варијабилност синуклеинопатија и неколико аспеката полиморфизма -Син фибрила, укључујући постојање молекуларних структура високе резолуције и сојева који потичу из мозга.

Тренутни преглед баца светло на недавна достигнућа у разграничењу структуре-патогеног односа -Син и колико различити -Син молекуларни полиморфи доприносе постојећој клиничкој хетерогености у синуклеинопатијама.

Кључне речи: -синуклеин; амилоид; полиморфи; синуклеинопатије.

1. Представљање

Погрешно савијање и агрегација -синуклеина (-Син) играју кључну улогу у напредовању неуродегенеративних болести, као што су Паркинсонова болест (ПД), деменција са Левијевим телима (ДЛБ), деменција од Паркинсонове болести (ПДД) и мултипла системска атрофија (МСА) , који се заједно називају синуклеинопатијама [1].

Као резултат агрегације протеина, тада се у мозгу током времена јављају неуропатолошке промене и захваћени региони мозга показују -Син имунопозитивна инклузиона тела [2,3].

Ова инклузиона тела дефинишу карактеристике синуклеинопатија и називају се Левијева тела (ЛБ) и Левијеви неурити (ЛН) у ПД, ДЛБ и ПДД, и глијалне цитоплазматске инклузије (ГЦИ) у МСА [1,4].

Такође се показало да је формирање ЛБ главни покретач неуродегенерације [5]. Укључује међудејство фибрилације, интеракције са мембранским компонентама ћелије и посттранслационих модификација (ПТМ) [5–7].

Иако инклузиона тела у синуклеинопатијама показују разлике у величини, облику, структури и локацијама у мозгу [1], заједничка особина је присуство филаментозних агрегата -Син протеина. Ови -Син филаменти су високо уређене унакрсне- -структуре формиране агрегацијом протеина [8]. Бројне ин витро студије су показале да -Син пролази кроз структурну транзицију из неуређеног стања у укрштено- -лист- богате фибриле [9–11], који су слични -Синамилоидима који се налазе у инклузијским телима у мозгу оболелих пацијената [12–16].

Међутим, агрегација -Син није процес конверзије једног стања; уместо тога, он укључује међуконверзију више конформационих стања и формирање олигомерних интермедијара [17].

Ови олигомерни интермедијари су веома хетерогени, пролазни и метастабилни и сугерише се да су најтоксичније врсте током фибрилационог пута [17]. Међутим, пролазна и веома хетерогена природа ових олигомерних врста чини изазовним да се објасни њихов однос структура-токсичност [17 ].

Напротив, амилоидна фибрила формирана као крајњи производ процеса агрегације првенствено су укључена у прионску пропагацију агрегата и значајно доприносе ширењу патологије болести [18–23].

Без обзира на то, било је студија које су откриле да је тешко индуковати -Син патологију код мишева након интрацеребралне примене фибрила [24], вероватно због величине и димензије зрелих фибрила пуне дужине. Уместо тога, неколико група је сугерисало да су нефибриларне или олигомерне врсте укључене у ширење -Син патологије [25–27].

Међутим, с обзиром на токсичну природу олигомера, тешко је установити везу између токсичности и ширења олигомера. Стога, молекуларни механизам који управља интеракцијом олигомера и фибрила треба добро разумети.

Даље, полиморфна природа амилоидних фибрила је додала још једну сложеност овом пољу. Детаљни структурни модели амилоидних фибрила и интермедијера агрегације открили су да амилоидна фибрила показују полиморфизам на молекуларном нивоу, тј. један пептид или протеин може формирати низ различитих, самопропагирајућих фибриларних склопова [28].

Недавни налази из биохемијских и структурних студија које укључују ћелијске линије, животињске моделе и екстракте људског мозга дали су почетни доказ да структурне варијације у амилоидним фибрилима могу бити одговорне за уочене варијације болести [29–35].

Услови раста фибрила, као што су састав пуфера, соли, температура, итд., дубоко утичу на морфологију и биолошку активност -Син фибрила формираних ин витро [29,31,33,36–38].

Ово сугерише да промене у условима раствора мењају молекуларне интеракције између полипептидних ланаца, што доводи до различитих типова фибрила. Полиморфизам се такође може приметити због разлика у обрасцу интеракција између или унутар остатака, броју остатака аминокиселина који чине протофиламенте, њиховом паковању и оријентацији [39–41].

Неколико других фактора је такође одговорно за полиморфну ​​природу амилоида; међутим, наше разумевање тога како одређени услов раствора доводи до формирања различитих структура фибрила је ограничен. Постојање полиморфа је повезано са феноменом соја у прионима, где су различити сојеви протеина ПрП повезани са низом клиничких фенотипова који се примећују код прионских болести [42–44].

Ин витро, прионске сојеве карактеришу разлике у отпорности на протеазу, профилу гликозилације, електрофоретској покретљивости, способности засијавања итд. Ин виво се разликују на основу клиничких знакова и симптома, профила лезије, почетка болести и периода инкубације [45–47 ].

Све већи број доказа сугерише да -Син такође показује феномене соја налик прионима, што објашњава његову повезаност са различитим неуродегенеративним болестима са различитим клиничким и патолошким фенотиповима [35,48–50]. Лее и сарадници су показали стварање синтетичких сојева -Син способан да по први пут диференцијално укрштава тау [30].

Ова студија је била основа каснијих истраживања која су укључивала сојеве -Син [29,32,33,36,49,51–54]. Недавни напредак у спектроскопији НМР чврстог стања (ссНМР) и крио-електронској микроскопи (крио-ЕМ) додатно је допринео разумевању полиморфизма на молекуларном нивоу у -Син фибрилима [55–59]. Ови полиморфи фибрила се могу разликовати на основу фибрила пречник, присуство увијања, број и паковање протофиламената, интеракције бочних ланаца, распоред секундарне и терцијарне структуре, итд. [41,57,60,61].

Црио-ЕМ структуре фибрила дивљег типа (ВТ) -Син и његових мутационих варијанти такође су пружиле нове увиде у то како тачкасти мутанти -Син повезани са болешћу мењају структуру фибрила ВТ протеина, сугеришући полиморфизам унутар мутаната. Даље, карактеризација и решавање структуре сојева добијених од пацијената може пружити директан доказ постојања -Син сојева одговорних за хетерогеност болести у синуклеинопатијама.

Све у свему, различите претходне студије сугерисале су да су различити сојеви -Син одговорни за клиничке варијације уочене код синуклеинопатија и вероватно објашњавају повезаност -Син агрегата са хетерогеношћу болести [32–35,52,53].

Ипак, постоје питања о пореклу полиморфизма ин виво, ширењу својстава фибрила специфичних за сој и факторима који утичу на формирање сојева на које треба обратити пажњу.

Овај преглед се фокусира на полиморфну ​​природу -Син и описује његову улогу у патогенези болести ПД и сродних поремећаја. У њему се разматрају докази који показују да се -Син може саставити у различите сојеве фибрила и да може бити примарни покретач хетерогености болести у синуклеинопатијама.

2. Клиничке и патолошке карактеристике синуклеинопатија

Агрегација -Син протеина је повезана са ПД и другим неуродегенеративним поремећајима, који се заједнички називају синуклеинопатијама. То укључује МСА, ДЛБ, ПДД и мање окарактерисане неуроаксоналне дистрофије [4,48].

ПД је најчешћа међу свим синуклеинопатијама и била је главни фокус -Син истраживања спроведеног током деценија. -Син се погрешно савија и акумулира у облику инсинуклеинопатија фибриларних инклузијских тела. Међутим, изглед и локација ових инклузивних тела варирају у зависности од индиферентних синуклеинопатија [62].

На пример, неуронске инклузије су присутне у ПД, ПДД и ДЛБ, док се глијалне инклузије формирају у МСА [4] и мање окарактерисани аксоналсфероиди у неуро-аксонским дистрофијама [4]. Постојање различитих клиничких и патолошких профила у синуклеинопатијама поставља фундаментално питање како агрегација појединачних протеина доводи до различитих болести.

2.1. Паркинсонова болест (ПД)

ПД је други најраширенији и сложенији неуролошки поремећај после Алцхајмерове болести (АД) [63]. То је преовлађујући, хронични и прогресивни неуродегенеративни поремећај, који погађа отприлике 1% до 4% опште популације старије од 60 и 80 година [64–66].

Укључује акумулацију еозинофилних, округлих, цитоплазматских ЛБ и ЛН, праћених дегенерацијом допаминергичких неурона у субстантиа нигра парсцомпацта (СНпц) региону средњег мозга [3,67].

Губитак допаминергичких неурона доводи до смањења нивоа неуротрансмитера допамина [68], што резултира абнормалним функционисањем мозга и оштећењем моторичког функционисања што доводи до симптома ПД. Четири кардинални симптоми, као што су брадикинезија, тремор у мировању, постурална нестабилност и ригидност, узимају се у обзир за клиничку дијагнозу ПД [67].

Поред ових моторичких симптома, немоторички симптоми као што су несаница, констипација, когнитивна дисфункција, аутономна инсуфицијенција и депресија такође се примећују код пацијената са ПД [67]. Неколико студија тврди да ови немоторички симптоми и многи проблеми са гастроинтестиналним (ГИ) трактом [69–73] код пацијената укључују ентерични нервни систем (ЕНС) захваћен у раним стадијумима ПД.

Експериментални подаци сугеришу да се погрешно савијени -Син шири на прионски начин од ЕНС до ЦНС кроз инервације дорзалног моторног језгра вагусног нерва (ДМВ) [74–76]. Међутим, фактори који узрокују да се -Син погрешно савија и агрегира у ЕНС-у нису у потпуности познати. Један од пријављених фактора је висока преваленција Ентеробацтериацеае у ГИ тракту које производе екстрацелуларне амилоиде назване цурли влакнима [77].

Ови цурли амилоиди се користе за везивање домаћина, инвазију ткива и производњу биофилма од стране бактерија. Упркос функционалној улози коврџавих влакана, Есцхерицхиа цоли која производи коврџаве индукује ГИ дисфункцију и моторно оштећење код мишева који прекомерно експримирају -Син [78].

Амилоидогена подјединица фибрила цурли (ЦсгА) интерагује и убрзава агрегацију -Син и експресија цурли је заиста неопходна да би се индуковали дефицити понашања повезани са -Син [78]. Међутим, потребна су даља истраживања да би се дешифровала улога бактеријских амилоида у промовисању агрегације -Син и праћењу порекла ПД дуж осе црева-мозак. У последњих неколико година, генетика ПД је значајно проучавана.

СНЦА ген је идентификован као један од главних гена повезаних са спорадичном и породичном ПД [63,79]. Мутације у паркину и ЛРРК2 су други уобичајени гени повезани са рецесивно и доминантно наслеђеном ПД [63,79]. Дупликација [80] и трипликација [81] СНЦА гена, гена који кодира за -Син, узрокује рани почетак паркинсонизма.

Заједно са умножавањем СНЦА гена [82], мутације у једној тачки су такође повезане са породичним аутозомним паркинсонизмом. До данас је познато да је седам миссенс мутација повезаних са породичном ПД: А30П [83], Е46К [84], Х50К [85,86], Г51Д [87], А53Т [88], А53Е [89], и новооткривени А53В [90]. Агрегација и формирање амилоида ових породичних мутаната су опсежно проучавани ин витро [12,16,91–101].

А30П, А53Е и Г51Д успоравају агрегацију ВТ-Син, док Е46К, А53Т, Х50К и А53В исто убрзавају [10,91–95,99,101,102]. Међутим, њихова стопа агрегације ин витро није у корелацији са почетком болести, што указује на међудејство олигомеризације и фибрилације ин виво, што диктира прогресију болести и почетак у породичним облицима ПД [103].

Осим генетских фактора, ~95% случајева ПД је спорадично [63,104] и повезано је са ћелијским и факторима ризика из средине. То укључује присуство полиамина, шаперона, гликозаминогликана, мембрана, металних јона, изложеност пестицидима и тешким металима, итд. [6,105–114]. Ови фактори ризика јединствено модулирају погрешно савијање и агрегацију -Син повезано са патогенезом ПД [94,115].

2.2. Вишеструка системска атрофија (МСА)

МСА је ретка спорадична неуродегенеративна болест и постаје прогресивно хронична са аутономним затајењем заједно са симптомима паркинсонизма или церебеларне атаксије [116,117]. Преваленција болести је 2,4–4,9 случајева на 100000 популације [117].

МСА подједнако утиче на оба пола, а инциденца је чешћа код људи старијих од 60 година [118,119]. МСА је разорнији и агресивнији неуролошки поремећај од других синуклеинопатија због брже клиничке прогресије са много краћим трајањем болести (6–9 година) од ПД (~12 година) [117,119]. Многи пацијенти са дијагнозом ПД имају МСА након обдукције [120].

Ова погрешна дијагноза МСА дешава се због преклапања симптома ова два поремећаја, што сугерише да је преваленција МСА већа од процене [117]. МСА је раније описана са три клиничка синдрома, стриатонигралном дегенерацијом, оливопонтоцеребеларном атрофијом и Схи-Драгерсиндромом, који се раније сматрао засебним поремећајима [121,122].

Касније се показало да ови синдроми често коегзистирају клинички и патолошки и дају утисак уобичајене основне болести, која је названа МСА. Клинички, пацијенти са МСА показују бројне комбинације симптома као што су паркинсонизам, церебеларна атаксија, прогресивна аутономна инсуфицијенција и пирамидални знаци.

На основу тога, они су категорисани у два главна клиничка подтипа: (и) паркинсонов подтип (МСА-П), са паркинсонизмом као доминантном карактеристиком, и (ии) церебеларни подтип (МСА-Ц), са церебеларном атаксијом као главном особином [ 123–125]. Појава МСА-П и МСА-Ц креће се од 2:1 до 4:1, респективно [126–128].

Међутим, подтип МСА-Ц се углавном налази и преовладава у јапанској популацији [118]. Хистопатолошки знак МСА је присуство ГЦИ формираних у олигодендроцитима у мозгу, који показују јаку имунореактивност са -Син [129]. Ово га чини патолошки различитом од других синуклеинопатија јер показује абнормалну акумулацију -Син протеина у олигодендроцитима, за разлику од ПД и ДЛБ, где се -Синклузије налазе у неуронима [130].

Иако су неки пацијенти са МСА показали присуство -Син агрегата у језгру и цитоплазми неурона [131], ове неуроналинклузије су мање распрострањене од ГЦИ у МСА. Штавише, механизам аберантне акумулације -Син у глијалним ћелијама је нејасан, пошто не постоји или је минимална експресија зрелих олигодендроцита -Синин [132–135].

Неколико извештаја сугерисало је могућност преношења/транслокације -Син са неурона на олигодендроците [136,137]. Међутим, овај механизам није у потпуности познат, а тачно порекло инклузија -Син инолигодендроцита остаје нејасно.

2.3. Деменција са Левијевим телима (ДЛБ)

ДЛБ је друга најчешћа -синуклеинопатија после ПД [138–140]. Стопе инциденције и преваленције ДЛБ-а нису тачне због преклапања симптома са АД, ПДД, васкуларном деменцијом и другим синуклеинопатијама.

Процењује се да је њена преваленца приближно 0,4%, тј. 400 људи на 100,000 популације код старијих [141], што чини 5% свих случајева деменције и између 1-4 особе по 1000 становника [142]. У почетку је ДЛБ идентификован као синдром деменције [143]. Касније је откривено да су инклузивна тела пацијената са ДЛБ високо имунореактивна на -Син [3]. Након тога је категорисана као једна од главних врста синуклеинопатија.

Док се ПД карактерише смањењем моторичких способности, ДЛБ углавном карактерише деменција. Уместо тога, ДЛБ пацијент може или не мора да пати од паркинсонизма [144]. За разлику од ПД, ЛБ код пацијената са ДЛБ су углавном локализоване и распоређене у цитоплазми кортикалних неурона оболелог мозга [145]. Кортикалне ЛБ су еозинофилне, заобљене и генерално немају хало структуру виђену код класичних ЛБ.

Клинички, карактерише га деменција, оштећење памћења, паркинсонизам и промене у понашању, спавању и аутономним телесним и когнитивним функцијама [143]. Многи пацијенти са ДЛБ такође показују значајно таложење А у области коре, заједно са формирањем ЛБ [146,147]. . Неколико убедљивих доказа подржава синергистички однос између А и -Син [148–154].

Ин витро студије су показале да -Син и А могу да се укрсте, формирају хетеро-олигомере и промовишу међусобно агрегацију [148,151,152,154]. Сходно томе, краће трајање болести и бржи пад примећени су код пацијената са АД патологијом и деменцијом [155,156].

Арецент студија је пружила директне експерименталне доказе о ефекту копатологије где су А плакови промовисали засејавање и ширење -Син код мишева са обилном А патологијом [157]. Ипак, клиничке и патолошке студије сугеришу да се ДЛБ више преклапа са ПДД него АД [158]. Све у свему, синуклеинопатије су повезане са абнормалним таложењем -Син, али ипак варирају у погледу клиничких и патолошких фенотипова.

Упркос неколико студија, разлог за ово клиничко-патолошко одступање остаје загонетка.3. Погрешно савијање и агрегација -СинМономериц -Син је суштински поремећен протеин и има тенденцију да усвоји вишеконформациона стања на која утичу услови раствора као што су пХ, температура, јонска снага, вискозитет, итд. [9].

На пример, присуство алкохола (етанола) или флуороалкохола (ТФЕ илиХФиП) изазива формирање -лист или -хеликалних делимично пресавијених структура -Син, у зависности од концентрације и врсте коришћеног алкохола [9]. -Син је први пут изолован из антисерума подигнутог против холинергичног везикула из Торпедо цалифорница, електричног зрака [159].

Због своје локације на нуклеарном омотачу и пресинаптичком терминалу, назван је синуклеин [159,160]. -Син протеин је кодиран СНЦА геном мапираним на људски хромозом 4к21.3-к22 [160]. -Син су такође открили Уеда ет ал. [161] током проучавања амилоидних плакова из мозга пацијената са Алцхајмеровом болешћу, при чему су идентификовали неамилоидну компоненту (НАЦ) у плаковима, која је изведена из прекурсорског протеина, НАЦП [161]. Детектована је у свим ткивима осим у јетри, а највећа концентрација је нађена у мозгу [161].

Касније је откривено да је НАЦП нативно неструктурирани и људски хомолог -Син [162–164]. Екстензивна биофизичка и структурна карактеризација открила је да је -Син протеин од 140 аминокиселина са молекулском тежином од ~14,4 кДа и пКа од 4,7 [165].

Познато је да је укључен у ослобађање неуротрансмитера, промет везикула и склапање комплекса СНАРЕ у мозгу, иако је његова тачна физиолошка улога још увек нејасна [160,165]. -Син се састоји од три домена, Н-терминалног, НАЦ и Ц-терминалног домена (Слика 1А).

Н-терминал -Син (остаци 1–60) је амфипатски домен богат лизином и домен који везује липиде, који је у интеракцији са мембранама [109]. Садржи 11 аа понављања, укључујући конзервиране КТКЕГВ хексамеричке мотиве [109]. Ова понављања су очувана међу врстама, као и међу три члана синуклеина. Иако -Син остаје неуређен у воденом раствору, он усваја спиралну структуру која укључује Н-терминус након повезивања са негативно наелектрисаним малим униламеларним везикулама или мицелама детерџента [109,166,167].

Занимљиво је да се све породичне мутације Син такође јављају у региону Н-краја [83–90] (Слика 1Б). НАЦ домен -Син (остаци 61–95) формира хидрофобно језгро протеина и склон је агрегацији. Овај домен је одговоран за конверзију -Син из неуређеног стања у -лист-богате фибриле [168,169]. НАЦ је такође део домена протеина који се везује за мембрану [167].

Конформациони ансамбл -Син мономера се заиста састоји од структура које су сличне стању везаном за мембрану -Син [170]. Они садрже делимично пресавијене спирале које укључују Н-терминусе и НАЦ домене сличне моделу 1КСК8 [170], што сугерише да би такав тип савијања такође могао бити присутан у раним фазама агрегације.

Ц-терминални домен (остаци 95–140) је флексибилан и претежно се састоји од негативно наелектрисаних амино киселина [165]. Неуређени карбокси-терминални део је такође укључен у нуклеарну локализацију -Син протеина и његову интеракцију са металом, малим молекулима и протеинима [171–175].

For more information:1950477648nn@gmail.com