Macroautofàgia i mitofagia en trastorns neurodegeneratius: enfocament a les intervencions terapèutiques Part 1

Resum:

La macroautofàgia, un mecanisme de control de qualitat, és una via evolutivament conservada de degradació lisosomal d'agregats proteics, patògens i orgànuls danyats.

La proteïna és un dels nutrients que necessita el cos humà. No només és una font important de composició corporal, sinó que també està estretament relacionada amb el desenvolupament del cervell i la capacitat cognitiva. Les proteïnes tenen un paper molt important en el cervell. No només ajuda a la generació i manteniment de cèl·lules cerebrals, sinó que també ajuda el procés d'aprenentatge i memòria del cervell.

La proteïna és un dels components importants de les cèl·lules cerebrals. Pot ajudar al creixement i la reparació de les cèl·lules, afavorir la connexió i la comunicació entre neurones i, per tant, ajudar les persones a enfortir la seva memòria. A més, les proteïnes també poden produir algunes substàncies importants com els neurotransmissors, que tenen un paper en la transmissió d'informació al cervell i ajuden a millorar la funció cerebral.

Des d'una perspectiva alimentària, els aliments rics en proteïnes inclouen la carn, el peix, els ous, els fesols, etc. Quan les persones consumeixen prou proteïnes, poden obtenir un subministrament nutricional més adequat per al cervell, afavorint així el desenvolupament normal del cervell, millorant la capacitat cognitiva. , i ajudar la gent a aprendre i recordar millor.

Al mateix temps, perquè les proteïnes tinguin plenament el seu paper, les persones també han de controlar l'equilibri de la seva dieta, consumir més fruites i verdures, evitar la ingesta excessiva d'aliments rics en greixos i sal, i mantenir uns bons hàbits de vida i una mentalitat. , per maximitzar la funció de les proteïnes al cervell.

Per tant, podem concloure que la proteïna està estretament relacionada amb la memòria. La ingesta de proteïnes rica no només és beneficiosa per a la salut física, sinó que també pot promoure que les persones aprenguin i recordin millor, afegint molt color a les nostres vides. Es pot veure que hem de millorar la memòria. Cistanche pot millorar significativament la memòria perquè Cistanche té efectes antioxidants, antiinflamatoris i antienvelliment, que poden ajudar a reduir l'oxidació i les reaccions inflamatòries al cervell, protegint així la salut del sistema nerviós. A més, Cistanche també pot promoure el creixement i la reparació de les cèl·lules nervioses, millorant així la connectivitat i la funció de les xarxes neuronals. Aquests efectes poden ajudar a millorar la memòria, la capacitat d'aprenentatge i la velocitat de pensament, i també poden prevenir l'aparició de disfuncions cognitives i malalties neurodegeneratives.

Feu clic a conèixer maneres de millorar la funció cerebral

Com a part del seu paper homeostàtic vital, la desregulació de la macroautofàgia s'associa amb diversos trastorns humans, incloses les malalties neurodegeneratives. Hi ha diverses línies d'evidència que associen el plegament incorrecte de proteïnes i la disfunció mitocondrial en l'etiologia de les malalties d'Alzheimer, Parkinson i Huntington.

La macroautofàgia s'ha implicat en la degradació de diferents agregats proteics com A, tau, alfa-sinucleïna (-syn) i huntingtina mutant (mHtt) i en l'eliminació de mitocondris disfuncionals.

Tenint-ho en compte, l'autofàgia dirigida podria representar una estratègia terapèutica eficaç per eliminar els agregats de proteïnes i millorar la funció mitocondrial en aquests trastorns.

La present revisió descriu la nostra comprensió actual del paper de la macroautofàgia en els trastorns neurodegeneratius i se centra en possibles estratègies per a la seva modulació terapèutica.

Paraules clau: trastorns neurodegeneratius; autofàgia; disfunció mitocondrial de la mitofagia; proteïnes mutants; estratègies terapèutiques.

1. Visió general de l'autofàgia

L'autofàgia és un important procés d'autodegradació intracel·lular que manté l'homeòstasi intracel·lular mitjançant la degradació i el reciclatge de macromolècules tòxiques i orgànuls danyats [1].

Gran part del coneixement actual sobre l'autofàgia es va descobrir en el model de llevat o en cèl·lules no polaritzades [2]. Aquest procés es produeix a nivells basals en gairebé totes les cèl·lules de mamífers i es pot estimular en resposta a la fam, proporcionant a la cèl·lula els blocs de construcció de noves proteïnes i lípids. L'autofàgia té un paper important en l'eliminació d'agregats proteics i patògens i en la regulació de la inflamació i la immunitat [3,4].

Per aquests motius, la desregulació de l'autofàgia s'ha implicat en diverses condicions patològiques, inclosos els trastorns neurodegeneratius. L'autofàgia assumeix un paper crític en les neurones, ja que aquestes cèl·lules són molt sensibles a l'acumulació de proteïnes mal plegades.

Les neurones depenen del transport anterògrad i retrògrad per fer front a les necessitats metabòliques i, per tant, la formació d'agregats no només anul·la la funció correcta de les neurones sinó que també interfereix amb la comunicació amb l'entorn.

Per tant, la interacció entre l'autofàgia i la neurodegeneració requereix una comprensió més profunda de les vies reguladores i dels múltiples passos que intervenen en cada procés.

L'autofàgia es pot dividir en tres tipus principals, segons el lliurament de càrrega al lisosoma: macroautofàgia, microautofàgia i autofàgia mediada per chaperones (CMA). En la macroautofàgia, la càrrega citoplasmàtica és engolida per una vesícula de doble membrana en creixement que, després del tancament (autofagosoma), es fusiona amb el lisosoma per a la seva degradació (autolisosoma) [5].

El procés és complex i implica un grup de proteïnes específiques relacionades amb l'autofàgia que actuen en un flux concertat, i es pot produir de manera aleatòria (macroautofàgia) o selectivament mitjançant adaptadors específics. En la microautofàgia, la càrrega (majoritàriament proteïnes) s'interioritza directament mitjançant la invaginació de les membranes del lisosoma i les vesícules endosòmiques [6].

El CMA és un procés selectiu pel qual les proteïnes amb un motiu d'orientació específic (el motiu pentapèptid KFERQ) són reconegudes pel cognat de xoc citosòlic chaperoneheat 70 (Hsc70) i ​​els seus co-chaperones, ajudant a la translocació de la càrrega al lumen dels lisosomes a través de la proteïna de membrana associada al lisosoma. Receptor 2A (LAMP2A) [7].

CMA constitueix una via alternativa de degradació mediada per lisosomes que es pot regular quan es produeix un bloqueig de la macroautofàgia [8]. Per a l'àmbit d'aquesta revisió, la macroautofàgia i l'autofàgia selectiva dels mitocondris, coneguda com a mitofagia, es detallaran i s'exploraran més en el context de la funció neuronal i la neurodegeneració (figura 1).

1.1. Macroautofàgia

La macroautofàgia és un procés complex i seqüencial que comença amb la formació de l'autofagosome i l'embolic de la càrrega, seguit del tancament i la maduració, i finalment la fusió amb el lisosoma per a la seva degradació. Cadascun d'aquests passos implica proteïnes diferents relacionades amb l'autofàgia (ATG) que coordinen mecànicament el flux autofàgic al llarg de l'autofagosomebiogènesi i la fusió amb el lisosoma [9].

L'inici de l'autofàgia està regulada per l'estat de fosforilació de l'unc-51-com la quinasa activadora de l'autofàgia 1 (ULK1), que està regulada per l'objectiu de mamífer aigües amunt del complex 1 de rapamicina (mTORC1) [10].mTORC1 és actiu en nutrients rics. condicions o quan la via PI3K/Akt és estimulada per factors de creixement (p. ex., factor de creixement semblant a la insulina-1, IGF1).

El mTORC1 actiu fosforila ULK1 i ATG13, components del complex d'iniciació ULK1 (també compost per ATG101 i la proteïna que interacciona amb la cinasa de la família FAK amb 200 kDa, FIP200) [11] suprimint l'autofàgia. En condicions d'esgotament de nutrients, mTORC1 està inactivat, facilitant l'autofosforilació d'ULK1 [12].

A més, quan l'estat energètic cel·lular és baix, l'AMP activa AMPK, que al seu torn inhibeix mTORC1 i fosforila ULK1, promovent l'autofàgia [12,13]. Un cop activat ULK1, fosforila ATG13 i FIP200, activant així tot el complex d'iniciació ULK1 [14].

Després de l'activació del complex ULK1, es transloca als omegasomes (regions específiques del reticle endoplasmàtic (ER), iniciant el muntatge de la membrana del fagòfor per a la biogènesi dels autofagosoma [15].

Als omegasomes, ULK1 promou el reclutament i l'activació del complex de fosfatidilinositol 3-quinasa de classe III (PI3PK, compost per la classificació de proteïnes vacuolars 34, beclin-1, la subunitat reguladora 4 de la fosfoinosítid-3-quinasa i ATG14L) mitjançant la fosforilació de Beclin-1 [15,16].PI3PK és responsable de la generació de l'expansió del forfagòfor de fosfatidilinositol-3 fosfat (PI3P) [17].

Les fonts inicials de membranes per a la nucleació del fagòfor inclouen les vesícules COPII, els dipòsits de vesícules ATG9 i la pròpia membrana ER-omegasome [18]. ATG9 és una glicoproteïna transmembrana que circula entre la xarxa trans-Golgi (TGN) i el sistema endosomal mitjançant el reciclatge d'endosomes [19] i es recluta a l'omegasome després de la inducció autofàgica, lliurant així membranes al fagòfor naixent [20,21].

A més, ATG9 es desplaça cap a i des de la membrana plasmàtica, aquesta última mitjançant un procés mediat per clatrina [22]. El tràfic d'ATG9 entre membranes depèn de la fosforilació mediada per ULK1- en condicions basals i que indueixen l'autofàgia [23]. També s'ha proposat que altres fonts de membrana, com els mitocondris, el complex de Golgi i la membrana plasmàtica, participin en la nucleació i l'expansió de les vesícules [24–26].

En la fusió de membranes derivades de Golgi, endosomes o la membrana plasmàtica amb la membrana omegasoma [15] estan implicats els receptors de proteïnes d'adhesió al factor sensible a la N-ethylmaleimida solubles (SNARE) i altres factors d'ancoratge que mantenen el creixement de les vesícules.

La generació de PI3P és essencial per a la nucleació de la vesícula del fagòfor, el reclutament de proteïnes d'unió a PI3P que estan implicades en l'expansió del fagòfor i la formació de curvatures i el reclutament de proteïnes ATG aigües avall [27]. El reclutament d'efectors PI3P com les proteïnes que interaccionen amb fosfoinosítids de domini de repetició WD (WIPI) al teomegasome és essencial per a la biogènesi de l'autofagosoma i el flux autofàgic [27, 28].

Alfy, una proteïna que conté dominis FYVE de bastida gran, és un efector PI3P que dirigeix ​​els agregats ubiquitinats a l'autofagosoma, participant així en l'autofàgia selectiva [29].

El següent pas és el reclutament de la cadena lleugera 1A/1B (LC3) associada als microtúbuls al fagòfor, assistit per sistemes de conjugació semblants a la ubiquitina. Inicialment, la ubiquitinligasa E1 ATG7 i la ubiquitinligasa E2 ATG10 estan implicades en la conjugació d'ATG12 amb ATG5 que s'uneix encara més a ATG16L1. El complex ATG12-ATG5-ATG161L és essencial per al reclutament del LC3 a les membranes positives de PI3P [27].

En primer lloc, LC3 és escindida proteolíticament al C-terminal per la proteasa ATG4 formant LC3-I, que, al seu torn, mitjançant l'acció d'ATG3 i ATG7 i ATG12–ATG5–ATG161L, genera LC{3-II a través del seu unió al grup de capçalera de la teamina de la fosfatidiletanolamina (PE) a la membrana del fagòfor [30, 31].

Aquesta lipidació de LC3 és essencial per a l'expansió i el tancament del fagòfor i la maduració posterior de l'autofagosoma [32]. A més, LC3 lipidat està implicat en el reconeixement de càrrega específica mitjançant el domini LIR (regió d'interacció LC3) mitjançant proteïnes adaptadores selectives [33]. L'expansió i l'allargament del fagòfor estan mal definits, però la interacció de WIPI2 amb vesícules enriquides en ATG9- és essencial per al procés [21].

Diversos treballs van demostrar que les proteïnes ATG addicionals estan implicades en els passos finals de la biogènesi de l'autofagosoma, però els seus papers exactes encara no estan clarament definits. Els estudis van demostrar que els defectes en els sistemes de conjugació amb ubiquitina LC3 van deteriorar el tancament de l'autofagosoma [34, 35], la qual cosa implica aquests complexos en els passos finals de la biogènesi de l'autofagosoma.

El tancament de les vesícules de l'autofagosoma està mediat pel complex de classificació endosòmal necessari per a la maquinària de transport (ESCRT) [36]. Després del tancament, l'autofagosoma es dissocia de l'ER i la seva maduració es produeix mitjançant la interacció amb múltiples vesícules endocítiques.

Els autofagosomes poden fusionar-se amb diferents compartiments endolisosomals, com els endosomes tardans (LE) i els cossos multivesiculars (MVB), una característica que varia amb el tipus de cèl·lula i determinades condicions fisiològiques [37].

La fusió d'autofagosomes amb MVB transitoris forma una estructura intermèdia anomenada amfisoma que es fusionarà encara més amb el lisosoma per degradar-se [38]. La desfosforilació de PI3P a la membrana de l'autofagosoma per fosfatases 3-fosfoinosítids de la família de proteïnes de la miotubularina és necessària abans de la seva fusió amb lisosomes [39].

Els autofagosomes es distribueixen aleatòriament per tot el citoplasma, mentre que els lateendosomes i els lisosomes es troben predominantment a la regió perinuclear, però també als compartiments axonals i dendrítics neuronals [40]. Els autofagosomes es mouen al llarg dels microtúbuls cap als lisosomes per LC3 i mecanismes dependents de la dineïna [41]. La fusió d'autofagosomes amb lisosomes està assistida per diferents famílies de proteïnes. Les RabGTPases es localitzen a les membranes de les vesícules i recluten proteïnes de connexió de membrana que ajuden els SNARE en els esdeveniments de fusió (revisat a [42]).

De manera consistent, l'esgotament de les proteïnes SNARE provoca l'acumulació d'autofagosomes a diferents cèl·lules [43,44]. Entre les GTPases de Rab que regulen la maduració de l'autofagosoma, Rab7 es recluta a la membrana de l'autofagosoma i actua com a interruptor molecular, ajudant a la seva unió a la dineïna, facilitant així el transport d'autofagosoma i lisosomes cap a la regió perinuclear [45]. Les cèl·lules derrocadores Rab7- mostren un deteriorament selectiu de la fusió de l'autofagosoma amb el lisosoma, però no amb LE o MVB [45,46].

A més, les proteïnes de la subfamília GABARAP (homòlegs LC3) estan implicades en la maduració de l'autofagosoma i el seu esgotament deté la fusió autofagosoma-lisosoma [47].

Després de la fusió, l'acidificació de l'autolisosomallum per la bomba de protons o v-ATPasa activa els enzims hidrolítics lisosomals [48], donant lloc a la degradació de la càrrega. Els metabòlits resultants estan disponibles per a la seva reutilització dins de la cèl·lula o actuen com a molècules de senyalització intracel·lular (figura 2).

Un punt essencial de la regulació de la macroautofàgia són les modificacions post-traduccions de diverses proteïnes ATG i no ATG (revisades a [49]). Això és essencial per limitar l'extensió de l'autofàgia i prevenir la degradació incontrolada del contingut citoplasmàtic, que comprometria l'homeòstasi intracel·lular i pot provocar la mort cel·lular.

1.2. Funció de l'autofàgia a les neurones

La supervivència neuronal es basa tant en CMA com en macroautofàgia per equilibrar els nivells de proteïnes mal plegades i orgànuls danyats que, d'altra manera, no es podrien diluir mitjançant la divisió cel·lular i per mantenir els processos cel·lulars mitjançant el reciclatge de metabòlits [50].

L'eliminació ineficaç dels agregats de proteïnes provoca un bloqueig del transport axonal i alteracions transcripcionals importants; per tant, l'autofàgia és essencial per mantenir l'homeòstasi a tota la cèl·lula neuronal (axó, soma i dendrites). A les regions sinàptiques, el recanvi de proteïnes constant és indispensable per satisfer les altes demandes energètiques locals i per mantenir un cicle de síntesi i degradació funcional de proteïnes [51].

Això és essencial no només per mantenir la plasticitat sinàptica [52] sinó també per donar suport a l'homeòstasi axonal [53,54]. De fet, l'estimulació neuronal regula els nivells d'autofàgia, mentre que l'autofàgia manté la funció sinàptica tant en els dominis pre- i post-sinàptics [55].

Curiosament, a part de la maquinària bàsica d'autofàgia, es necessiten diverses proteïnes reguladores específiques de neurones per a l'autofàgia a les regions presinàptiques: l'endofilina-A és un endociticadaptor que genera membranes corbes i serveix com a plataforma per reclutar proteïnes autofàgiques, promovent així la biogènesi de l'autofagosoma [56], i La sinaptojanina 1, una fosfatasa lipídica que media el tràfic de vesícules sinàptiques, també és necessària per a l'autofagosomebiogènesi [57].

D'altra banda, l'autofàgia es pot regular negativament a la presinapsi mitjançant Bassoon, una proteïna de bastida que interacciona amb ATG5, de manera que no està disponible per a la biogènesi de l'autofagosoma [58]. A les regions postsinàptiques, l'autofàgia és essencial per mantenir la plasticitat sinàptica.

En la depressió a llarg termini (LTD), l'autofàgia és crucial per mediar el tràfic i l'eliminació dels receptors d'àcid -amino-3-hidroxi{-5-metil-4-isoxazolpropiònic (AMPA). Curiosament, l'estimulació dels receptors de N-metil-D-aspartat (NMDA) activa la degradació dels receptors AMPA per autofàgia [59]. A més, el factor neurotròfic derivat del cervell (BDNF) suprimeix l'autofàgia a les neurones de l'hipocamp, facilitant la potenciació a llarg termini (LTP) i la persistència de la memòria en els ratolins, donant suport així al paper de l'autofàgia en la plasticitat sinàptica [60].

La macroautofàgia neuronal és un mecanisme important que elimina els materials intracel·lulars defectuosos i és extremadament eficient a les neurones, amb una ràpida eliminació dels autofagosomes, ja que un gran nombre d'autofagosomes s'acumulen a les neurones després de la inhibició de la lisosomal [61].

A les neurones del SNC i també del sistema nerviós perifèric (SNP), la biogènesi dels autofagosoma s'inicia a les neurites i a les regions terminals sinàptiques del distalaxó, i després es transporta de nou al soma cel·lular per moviment retrògrad per fusionar-se amb lisosomes actius [62].

Els autofagosomes experimenten maduració a mesura que es mouen de la distal (punta de la neurita) a la proximitat (soma cel·lular) englossant orgànuls i càrrega soluble i augmentant l'acidificació luminal per a una degradació eficient de la càrrega. Al soma, hi ha una població mixta d'autofagosomes amb diferents estats de maduració que provenen de regions distals o que es generen localment [63].

Els autofagosomes derivats de la distal es mantenen dins del compartiment somatodendrític i no poden tornar a l'axó, mentre que els autofagosomes del soma es poden moure lliurement entre les dendrites i el soma [63].

En condicions normals, els autofagosomes amb prou feines es detecten a les neurones, ja que es fusionen ràpidament amb els lisosomes, cosa que demostra que l'autofàgia és altament eficient en la inducció de l'autofàgia de les neurones i l'eliminació de l'autofagosoma [64].

Els autofagosomes derivats dels axons distals contenen contingut citoplasmàtic, i almenys el 10% de la població conté fragments de mitocondris [62], donant suport a un paper per a la degradació dels mitocondris depenent de l'autofàgia.

La macroautofàgia és essencial per a la formació de neurites durant el seu creixement i també per a la plasticitat neural. La pèrdua de funció d'ATG16L1, una proteïna autofàgica bàsica, és suficient per induir defectes en la formació del cervell del ratolí [65]. A més, la supressió neuronal específica d'ATG9 provoca un desenvolupament defectuós dels tractes axons i un creixement deficient de neurites in vitro [66].

Tanmateix, la disminució dels ATG i les proteïnes associades amb l'envelliment [67] condueix a un deteriorament progressiu de la macroautofàgia, que probablement contribueix a l'aparició tardana de diverses malalties neurodegeneratives.

L'acumulació d'autofagosomes resulta d'un desequilibri entre la seva formació i degradació [68], que s'ha descrit en la malaltia d'Alzheimer (MA), la malaltia de Parkinson (PD) i la malaltia de Huntington (HD) [69].

Tot i que les mutacions genètiques dels gens relacionats amb l'autofàgia no es descriuen com a factors causants directes de malalties neurodegeneratives, diverses proves donen suport que les alteracions del procés de macroautofàgia i la seva regulació estan implicades en la neurodegeneració.

De fet, la disfunció del procés autofàgic, com ara el deteriorament de la fusió autofagosoma-lisosoma [64], l'acidificació lisosomal defectuosa [70] o el transport defectuós de l'autofagosoma [71,72] donen lloc a l'acumulació d'agregats de proteïnes tòxiques i a un mal funcionament dels orgànuls, contribuint així a la neurodegeneració.

La inactivació genètica d'ATG5, ATG7 o FIP200 al SNC provoca inflor dels axons i mort de neurones en ratolins, donant lloc a un deteriorament progressiu de la funció motora [73–75].

A més, els ratolins ATG5-nuls moren en un dia després del naixement a causa de la pèrdua neuronal causada pel deteriorament de l'autofàgia [76]. Tot i que diversos estudis evidencien la importància de la macroautofàgia per a la supervivència i la funció neuronal, se sap poc sobre la seva regulació a les neurones i la glia. .

L'acumulació de proteïnes aberrants o cossos d'inclusió està ben descrita en diverses malalties neurodegeneratives, i les alteracions en l'activitat autofàgica poden afectar l'homeòstasi neuronal i la supervivència. Descobrir els papers de l'autofàgia i la regulació en la funció neuronal i glial serà clau per desenvolupar noves estratègies terapèutiques per aturar la disfunció i la degeneració neuronal.

For more information:1950477648nn@gmail.com