Coneixements estructurals i funcionals sobre el polimorfisme de la fibril de la sinucleïna, part 4

7. Separació de fases i nucleació: bases moleculars del polimorfisme de la fibril

Poc després del descobriment que l'agregació -Syn no només està relacionada amb la PD sinó també amb MSA i DLB, l'àrea de recerca clau s'ha centrat principalment a comprendre la capacitat d'una proteïna per causar trastorns neurodegeneratius clínicament i patològicament diversos.

A mesura que envelleixis, és possible que trobis que la teva memòria no és tan bona com quan eres un nen. De vegades, fins i tot podeu sentir que el vostre cervell està "rovellat" i és difícil recordar informació nova. Però què es pot fer per millorar aquesta situació? La investigació dels darrers anys ha demostrat que hi ha una estreta relació entre el MSA (complex dopamina-sacàrid) i la memòria.

MSA és un circuit neuronal que implica el neurotransmissor dopamina. La dopamina és un neurotransmissor important al cervell i està relacionada amb les emocions, la motivació i el moviment. Les pedres solars són nuclis del cervell que controlen el moviment i coordinen el moviment. La relació amb la dopamina és que quan el cos basal és estimulat per la dopamina, augmentarà les connexions entre les neurones cerebrals, afavorint així la formació i consolidació de la memòria.

Les investigacions mostren que la MSA es pot activar i estimular mitjançant jocs digitals, entrenament musical, exercici físic i interacció social. Aquestes modalitats poden enfortir la connexió amb el líquid cefaloraquidi augmentant l'alliberament de dopamina. Per exemple, s'ha demostrat que els exercicis cerebrals estàtics, com el sudoku i els mots encreuats, milloren les habilitats de memòria. També s'ha demostrat que l'entrenament musical estimula els circuits MSA i millora les capacitats de memòria. A més, també s'ha demostrat que l'exercici físic i la interacció social tenen un impacte positiu en l'activació de MSA, promovent així la salut del cervell i la millora de la memòria.

En resum, atès que les activitats de MSA tenen un impacte positiu en la memòria, trobar i participar en activitats que estimulen MSA és un pas important per millorar la memòria. Ser actiu físicament, participar en activitats socials i aprendre noves habilitats pot activar i estimular el circuit MSA, promovent així la millora de la salut i la memòria del cervell. Comencem a partir d'ara i participem activament en aquestes activitats per injectar nova energia i vitalitat al nostre cervell. Es pot veure que hem de millorar la memòria, i Cistanche deserticola pot millorar significativament la memòria perquè Cistanche deserticola és un material medicinal tradicional xinès que té molts efectes únics, un dels quals és millorar la memòria. L'eficàcia de Cistanche deserticola prové dels molts ingredients actius que conté, com l'àcid tànic, polisacàrids, glicòsids flavonoides, etc. Aquests ingredients poden promoure la salut del cervell de diverses maneres.

Feu clic a conèixer maneres de millorar la funció cerebral

Durant els últims anys, la hipòtesi de la soca priònica ha sorgit com l'explicació principal de la variabilitat observada de la malaltia en les sinucleinopaties. Tot i que una sèrie de dades biofísiques i biològiques donen suport a l'existència de soques -Syn [29,30,32–35,53], encara no està clar com s'originen aquestes soques i els factors que impulsen la seva formació in vivo.

La resposta probable podria estar a delimitar les vies d'agregació i discernir els impulsors moleculars subjacents a la formació de soques. La formació d'amiloide no només es regeix per la nucleació primària sinó que està dominada per esdeveniments de nucleació secundària durant la major part de la fase de creixement de l'agregació, com s'ha comentat anteriorment [189].

Aquesta nucleació secundària implica l'allargament de noves fibrils de les llavors existents mitjançant el reclutament de monòmers de la solució. Qualsevol canvi en les condicions de solució de les fibrils tendeix a alterar la velocitat dels esdeveniments de nucleació primaris i secundaris [188,189]. Per exemple, el pH àcid millora la unió dels monòmers -Syn a la superfície de la fibril·la, augmentant així les taxes de nucleació secundària [189,302].

Com que la propagació d'agregats induïda per llavors s'atribueix a la fragmentació i l'allargament de les llavors de fibril·la, això ens porta a plantejar la hipòtesi que el fenomen de soca és, almenys en part, una conseqüència de la nucleació secundària. A més, coexisteixen múltiples espècies en diferents estadis de la cinètica d'agregació [17,303,304], cosa que suggereix la participació dels intermedis d'agregació en el dictat del polimorfisme.

El mapeig de l'espai conformacional del monòmer -Syn revela una subpoblació estructural del monòmer -Syn que afavoreix la seva unió amb membranes i indueix la formació de diversos oligòmers i fibrilles [170].

El nostre laboratori va demostrar recentment que la nucleació heterogènia durant la via d'agregació constitueix la base de l'origen del polimorfisme [252]. Hem generat dos polimorfs diferents, les HMF (fibrils madurades d'Helix) i les PMF (fibrilles premadurades), a partir dels intermedis d'agregació formats en les mateixes condicions de muntatge.

Els PMF no tenen un nucli d'amiloide estable i tenen un contingut de bobina aleatòria juntament amb elements de fulla. A més, el full estructurat dels residus 74-79 està absent del seu domini NAC (residus 65-80), cosa que suggereix que els PMF són fibril·les menys ordenades. tipus. Per contra, els HMF morfològicament i estructuralment diferents són més compactes i ben ordenats amb un nucli de fibril·la estable [252].

Aquests contenen superfícies hidrofòbiques molt exposades i són potencialment més tòxics que els PMF menys ordenats. Aquests polimorfs no només mostren diferències estructurals sinó que també presenten diferents activitats biològiques [252].

Un estudi similar que va implicar la identificació dels intermedis d'agregació en presència d'una membrana fosfolípid va revelar que les espècies prefibril·lars contenen dues regions de bucle amb residus del 57 al 61 i del 71 al 80 [305]. A continuació, aquests intermedis es reorganitzen en espècies fibril·lars amb la major part de la regió NAC i l'extrem N-terminal (residus 38-80) formant part de la conformació fibril·lar final [305].

També s'han informat estudis amb agregats d'A, PrP i tau, on emanen diferents propietats biològiques a causa de diferències estructurals entre els polimorfs [28,306–309]. Per exemple, les fibrils A morfològicament i estructuralment diferents formades en condicions de quiescència i agitació mostren diferències significatives en la toxicitat a les neurones primàries, sent les fibril·les quiescents més tòxiques en comparació amb altres [28].

Una varietat de conformacions de PrPSc estructuralment diverses presenten tropisme de cèl·lules hostes, amb un conjunt específic de soques dirigides preferentment a neurones, astròcits o fins i tot tots dos [307,308]. Així, les soques -Syn resultants de la nucleació heterogènia en la via d'agregació poden causar variacions clíniques i patològiques en la MP. mostrant citotoxicitat variable i diferents propietats semblants a prions (figura 5).

Recentment, l'evolució del concepte d'agregació de proteïnes a un fenomen més fonamental, és a dir, la separació de fase líquid-líquid (LLPS), ha influït significativament en el camp i ha dirigit la investigació en una nova direcció [310-314]. Les proteïnes s'incuben en diferents condicions, per exemple, pH, temperatura i condicions de sal [315-317].

Els esdeveniments de separació de fases es promouen en presència de multituds moleculars, com el polietilè glicol, el dextran o el ficoll, que ajuden a augmentar la concentració local de proteïnes i a facilitar la formació de gotes [315-318]. A continuació, s'investiga la dinàmica, la maduració i el perfil d'agregació mitjançant una combinació única de mètodes biofísics, bioquímics i espectroscòpics [315,317].

S'ha demostrat que els fenòmens de separació de fases de diverses proteïnes amiloidogèniques precedeixen l'agregació i la formació de fibril·les. S'ha suggerit que la presència de regions de trastorn intrínsec (IDR), dominis semblants a prions (PLD) i dominis de baixa complexitat (LCD) promouen la formació de condensats separats de fase de les proteïnes amiloidogèniques [310,315,316,319,320].

El nostre laboratori va demostrar recentment que el LLPS de -Syn és un esdeveniment acrític en la fase de retard primerenca i precedeix la seva agregació en condicions de separació de fases (presència d'aglomeracions, estressants, cofactors amiloides, etc.) [315].

L'aparició d'aquestes gotes separades per fase a la fase de retard de la cinètica d'agregació suggereix que els LLP podrien millorar els esdeveniments de nucleació augmentant la concentració local de les molècules de proteïnes [315,320]. A més, les gotes -Syn separades per fases experimenten una transició de líquid a sòlid amb el temps i donen lloc a la formació d'hidrogel amiloide [315].

S'ha demostrat anteriorment que aquests hidrogels d'amiloide atrapen oligòmers i fibrils citotòxics [321], cosa que indica la possibilitat que les fibrilles formades mitjançant LLPS poguessin ser tòxiques. No obstant això, en condicions d'assemblatge normals (sense separació de fases), les fibrils -Syn mostren molt poca o cap citotoxicitat [322,323]. Això suggereix que les fibril·les formades en condicions de separació de fases i sense separació de fases podrien ser diferents.

A més, la formació de fibril·les en solucions diluïdes (conegudes que es produeixen mitjançant nucleació primària i secundària) [189] i que dins dels condensats (mitjançant LLPS) no són esdeveniments mútuament exclusius [324], però les diferents vies d'agregació poden donar lloc a la formació de diferents fibrils (figura). 6).

Per exemple, el TDP-43, una proteïna implicada en l'ALS/FTD, pateix fibril·lació amb o sense LLPS. Tot i així, la cinètica de fibril·lació en ambdós casos és diferent, cosa que suggereix la implicació de processos complexos en la fibril·lació en presència de LPS [329].

Per tant, seria molt rellevant fer algunes preguntes com si les fibril·les formades amb o sense separació de fases són estructuralment i funcionalment diferents entre si, o, simplement, mostren polimorfisme de fibril·les. Si les diferents condicions o mutacions de LLPS tenen algun paper a l'hora de decidir el comportament de la soca de les fibrils -Syn formades?

Per exemple, s'ha demostrat que les mutacions patògenes en FUS presenten propietats biofísiques diferents en comparació amb la proteïna de tipus salvatge [327]. Aquestes troballes suggereixen que, de manera similar a les condicions no separadores de fases on diferents condicions de solució donen lloc a polimorfs [29], les fibrils formades en les diferents condicions de separació de fases també podrien ser diferents (figura 7).

Per exemple, la fase -Syn que es separa en diferents condicions, com la presència de PTM, mutacions familiars, molècules petites o ions metàl·lics, pot mostrar polimorfisme i formar diferents tipus de fibrilles (Figura 7).

No obstant això, aquest fenomen encara està per determinar, ja que necessitaria una àmplia caracterització de les fibrils formades dins de les gotes. Creiem que la coexistència d'espècies intermèdies conformacionalment diferents i una multitud de vies d'agregació observades amb o sense LLPS podrien constituir la base de l'origen del polimorfisme. .

Tanmateix, es requereix més investigació en aquest camp per delimitar la contribució de la nucleació heterogènia i les vies d'agregació múltiples al polimorfisme fibril. El desenvolupament i l'aplicació de diverses tècniques biofísiques ens podrien ajudar a obtenir informació detallada sobre els esdeveniments moleculars que ocorren durant la LLPS i la posterior maduració de les gotes.

8. Implicacions clíniques i terapèutiques del polimorfisme

Els estudis comentats a la revisió proporcionen proves concloents que -Syn pot formar polimorfs diversos amb propietats estructurals i biològiques diferents. De manera similar als prions, on cada malaltia priònica està codificada per una conformació diferent de la proteïna plegada malament, cada sinucleinopatia també està possiblement associada amb una estructura -Syn única.

Tanmateix, les estructures de fibril·les diverses per a la mateixa proteïna plantegen diversos reptes en el desenvolupament de fàrmacs contra els trastorns neurodegeneratius. Les teràpies com la immunoteràpia serien molt específiques per a una soca en particular, però podrien no reconèixer-ne una de diferent. De la mateixa manera, el desenvolupament de petites molècules terapèutiques o fàrmacs per bloquejar o alentir el procés d'agregació de proteïnes s'ha de seleccionar per a múltiples conformacions. Tenint en compte la complexitat de les fibrils i el seu polimorfisme, l'orientació a -Syn monomèrica podria ser una opció.

Tanmateix, això també és un repte a causa de la naturalesa intrínsecament desordenada de la proteïna. Malgrat aquests reptes, detectar i caracteritzar les soques -Syn derivades dels pacients obrirà una finestra d'oportunitats per a una comprensió i caracterització més profunda de les sinucleinopaties. Facilitarà el desenvolupament de noves teràpies i sistemes de classificació més robusts de sinucleinopaties.

En aquest context, tècniques altament sensibles com PMCA [330], assaig de conversió induïda per tremolors en temps real (RT-QuIC) [331] i inductor de ràfega HANdaiamyloid (HANABI) [332] han contribuït significativament a amplificar -Synaggregats del LCR dels pacients. cervells. PMCA i RT-QuIC s'han utilitzat per discriminar entre les soques -Syn derivades del pacient PD/MSA i PD/DLB, respectivament [52,333].

L'ús d'aquestes tècniques ajudaria a controlar la progressió de la malaltia al llarg del temps i ajudaria en el diagnòstic precoç i específic de les sinucleinopaties. A més, les diferències clíniques i patològiques i l'heterogeneïtat de pacient a pacient observades en la MP i els trastorns relacionats poden afectar com s'han de tractar els pacients amb sinucleinopatia. A partir d'ara, tots els pacients amb EP reben el mateix tipus de tractament, i no es fa distinció entre els pacients en funció de com hagin adquirit la malaltia i quins símptomes presenten.

Per tant, preveiem que els fàrmacs i els agents terapèutics dissenyats per orientar les espècies patògenes -Syn poden implicar l'ús d'un fàrmac basat en la conformació única o un còctel de fàrmacs contra diversos polimorfs o soques que es troben poblades al cervell humà malalt. A més, s'han de considerar diversos paràmetres clau cas per cas, com el perfil de la malaltia, els símptomes patològics i clínics, els tipus i la naturalesa de les soques de proteïnes implicades i la taxa de progressió de la malaltia mentre es tracten pacients amb sinucleinopaties.

Per tant, identificar possibles objectius terapèutics i dissenyar fàrmacs basats en la conformació és el següent gran pas cap al desenvolupament de fàrmacs contra la PD i els trastorns relacionats. Establir el vincle entre la propagació de l'astrain i el fenotip de la malaltia proporcionarà coneixements valuosos per desenvolupar estratègies efectives per combatre els trastorns neurodegeneratius.

Un altre repte és el subministrament de fàrmacs al cervell per tractar els trastorns neurodegeneratius, principalment davant de contratemps a causa de les barreres hematoencefàliques restrictives [32]. S'han fet nombrosos intents per lliurar medicaments a través de nanoportadors, mètodes de lliurament directe de fàrmacs, interrupció transitòria de la barrera hematoencefàlica i teràpies amb cèl·lules mare [33–37]. Tanmateix, cap dels tractaments ha estat capaç de superar completament els reptes actuals [32].

9. Observacions finals i preguntes obertes

El comportament de la soca similar al prió de -Syn encara és un fenomen enigmàtic. És sorprenent com una sola proteïna sense cap estructura adequada pot plegar-se de moltes maneres diferents i adoptar conformacions que donen lloc a diverses patologies.

Moltes preguntes sense resposta necessiten més investigació, fins i tot després d'una quantitat impressionant de treball sobre les soques polimorfs i -Syn. Per exemple, què impulsa la formació de la soca -Syn en condicions cel·lulars i ambientals determinades? Com s'orienten aquestes soques a diferents tipus de cèl·lules i regions cerebrals? Les soques -Syn evolucionen, canvien o s'adapten amb el temps en funció dels factors host?

Com influeix la presència d'altres proteïnes, lligands, membranes o cofactors en la formació de soques? Les soques -Syn tenen la capacitat de creuar-se entre elles i donar lloc a patologies mixtes? Les soques -Syn interfereixen i bloquegen la propagació mútuament, de la mateixa manera que els prions?

És possible, o tenim tècniques prou sensibles per discriminar entre les soques de PD i MSA en una fase inicial del diagnòstic? Tenint en compte l'expansió del fenomen de la soca priònica a diverses altres proteïnes amiloidogèniques, també pot ser necessari entendre els esdeveniments moleculars clau en la biologia de la soca i les estratègies eficaces de disseny.

Contribucions de l'autor: investigació de conceptualització, SM i SKM (revisió de la literatura); SM;LG; RB i ASS; redacció-preparació de l'esborrany original, SM; LG; RB i ASS; redacció-revisió i edició, SM; LG; RB; ASS i SKM; visualització, SM; administració de projectes, SM i SKM; supervisió, SM i SKM; adquisició de finançament, SKM, SM i SKM són autors corresponents que contribueixen a parts iguals. Tots els autors han llegit i acceptat la versió publicada del manuscrit.

Finançament: aquesta investigació va ser finançada pel Departament de Biotecnologia (DBT) [BT/PR22749/BRB/10/1576/2016], Govern de l'Índia.

Declaració de la Junta de Revisió Institucional: No aplicable.

Declaració de consentiment informat: no aplicable.

Declaració de disponibilitat de dades: no aplicable.

Agraïments: els autors agraeixen el suport financer al Departament de Biotecnologia (DBT), Govern de l'Índia. Agraïm a Pradeep Kadu la seva ajuda per fer figures. SM agraeix a la Comissió de Beques Universitàries de l'Índia la seva beca.

Conflictes d'interessos: els autors declaren no conflicte d'interessos.

Abreviatures

-sinucleïna (-Syn), malaltia de Parkinson (PD), atròfia múltiple de sistemes (MSA), demència amb cossos de Lewy (DLB), demència per malaltia de Parkinson (PDD), cossos de Lewy (LBs), neurites de Lewy (LNs), malaltia d'Alzheimer (AD). ), inclusions citoplasmàtiques glials (GCI), modificacions post-traduccions (PTM), tipus salvatge (WT), microscòpia crioelectrònica (crio-EM), espectroscòpia de RMN d'estat sòlid (ssNMR); microscòpia electrònica de transmissió (TEM), microscòpia de força atòmica (AFM), dicroisme circular (CD), nucli motor dorsal del nervi vag (DMV), sistema nerviós entèric (ENS); -Sinucleïna (sin); -sinucleïna ( -Syn); Amplificació cíclica de plegament incorrecte de proteïnes (PMCA); Separació de fases líquid-líquid (LLPS).

Referències

1. Spillantini, MG; Goedert, M. Les alfa-sinucleinopaties: malaltia de Parkinson, demència amb cossos de Lewy i atròfia de múltiples sistemes. Ann. NY Acad. Ciència. 2000, 920, 16–27. [CrossRef] [PubMed]

2. Spillantini, MG; Crowther, RA; Jakes, R.; Hasegawa, M.; Goedert, M. -Sinucleïna en inclusions filamentoses de cossos de Lewy de la malaltia de Parkinson i demència amb cossos de Lewy. Proc. Natl. Acad. Ciència. EUA 1998, 95, 6469–6473. [CrossRef] [PubMed]

3. Spillantini, MG; Schmidt, ML; Lee, VM; Trojanowski, JQ; Jakes, R.; Goedert, M. A-sinucleïna en cossos de Lewy. Nature 1997,388, 839–840. [Ref creuat]

4. Galvin, JE; Lee, VM; Trojanowski, JQ Sinucleinopaties: implicacions clíniques i patològiques. 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 El procés de formació de cossos de Lewy, més que la simple fibril·lació de l'alfa-sinucleïna, és un dels principals motors de la neurodegeneració. Natl. Acad. Ciència. EUA 2020, 117, 4971–4982. [CrossRef] [PubMed]

6. Shahmoradian, SH; Lewis, AJ; Genoud, C.; Hench, J.; Moros, TE; Navarro, PP; Castano-Diez, D.; Schweighhauser, G.; GraffMeyer, A.; Goldie, KN; et al. La patologia de Lewy en la malaltia de Parkinson consisteix en orgànuls amuntegats i membranes lipídiques. NatNeurosci. 2019, 22, 1099–1109. [CrossRef] [PubMed]

7. Fares, MB; Jagannath, S.; Lashuel, HA Enginyeria inversa Cossos de Lewy: Fins on hem arribat i fins on podem arribar? Nat.Rev. Neurosci. 2021, 22, 111–131. [CrossRef] [PubMed]

8. Serpell, LC; Berriman, J.; Jakes, R.; Goedert, M.; Crowther, RA La difracció de fibra de filaments sintètics d'alfa-sinucleïna mostra una conformació beta creuada semblant a l'amiloide. Proc. Natl. Acad. Ciència. EUA 2000, 97, 4897–4902. [CrossRef] [PubMed]

For more information:1950477648nn@gmail.com