El potencial diagnòstic de les proteïnes amiloidogèniques Part 1

Resum:

Els trastorns neurodegeneratius són una classe de malalties molt freqüents, els mecanismes patològics de les quals s'inicien abans de l'aparició de símptomes clars. Aquest fet ha fet que els científics cerquin biomarcadors que puguin ajudar a un tractament precoç.

Aquestes patologies actualment incurables comparteixen la presència d'agregats aberrants anomenats amiloides al sistema nerviós, que estan compostos per proteïnes específiques.

En aquesta revisió, discutim com aquestes proteïnes, les seves conformacions i modificacions es podrien explotar com a biomarcadors amb finalitats diagnòstiques.

La proteïna és una de les substàncies importants per mantenir una bona salut, i també té un impacte important en la memòria. La proteïna està formada per aminoàcids, que són les matèries primeres per a les cèl·lules cerebrals i els neurotransmissors. Per tant, la ingesta de proteïnes està estretament relacionada amb la memòria.

En primer lloc, la proteïna és una substància essencial perquè l'organisme construeixi i repara els teixits. Les cèl·lules cerebrals són riques en enzims i substàncies reguladores, que requereixen proteïnes com a component per funcionar amb normalitat. Un contingut massa baix de proteïnes al cos farà que les cèl·lules cerebrals no funcionin amb normalitat, afectant així la memòria. Per tant, mantenir una ingesta adequada de proteïnes té un paper important en el desenvolupament del cervell i el manteniment de la memòria.

En segon lloc, la proteïna té l'efecte de millorar l'activitat de les cèl·lules cerebrals. El cos humà necessita una gran quantitat de neurotransmissors cerebrals per mantenir el funcionament normal de funcions com el pensament, la memòria i el comportament. Els neurotransmissors cerebrals es sintetitzen a partir dels aminoàcids del cos, i la font d'aquests aminoàcids és la proteïna. Per tant, escollir aliments rics en proteïnes d'alta qualitat pot augmentar la síntesi de neurotransmissors cerebrals, millorant així l'activitat de les cèl·lules cerebrals i ajudant a millorar la memòria.

A més, les proteïnes també ajuden a mantenir l'estabilitat del cos i prevenir les fluctuacions del sucre en sang. Els nivells baixos de sucre en sang poden causar símptomes com la falta d'atenció, marejos i fatiga al cos, que sovint afecten el rendiment de la memòria. En mantenir una ingesta moderada de proteïnes, es poden evitar de manera efectiva les fluctuacions del sucre en sang, la qual cosa ajuda a mantenir l'estabilitat del cos i millorar la memòria.

En resum, la proteïna està molt relacionada amb la memòria. Una ingesta moderada de proteïnes pot mantenir l'estabilitat del cos, millorar l'activitat de les cèl·lules cerebrals i, per tant, millorar la memòria. Hem d'intentar menjar més aliments rics en proteïnes d'alta qualitat, com ara peix, carn, fesols i productes lactis, i evitar eliminar completament les proteïnes de la dieta. Això ens ajudarà a mantenir-nos sans, millorar la nostra memòria i gaudir d'una vida millor. Es pot veure que hem de millorar la nostra memòria, i el Cistanche pot millorar significativament la memòria perquè el Cistanche és una medicina tradicional xinesa amb molts efectes únics, un dels quals és millorar la memòria. L'eficàcia de Cistanche prové dels diferents ingredients actius que conté, com l'àcid tànic, polisacàrids, glicòsids flavonoides, etc., que poden promoure la salut del cervell de moltes maneres.

Feu clic a Coneix 10 maneres de millorar la memòria

Ens centrem en les proteïnes que estan associades amb els trastorns neurodegeneratius més prevalents, com ara les malalties d'Alzheimer i Parkinson, l'esclerosi lateral amiotròfica i la demència frontotemporal.

També es descriuen els reptes actuals en la detecció, les tècniques més recents amb potencial diagnòstic i els possibles desenvolupaments futurs en el diagnòstic.

Paraules clau: malalties neurodegeneratives; biomarcador; amiloide; oligòmer; modificació posterior a la traducció.

1. La necessitat de nous enfocaments diagnòstics per a la neurodegeneració

Les malalties neurodegeneratives són trastorns mortals i incurables, caracteritzats per la pèrdua progressiva de neurones en regions específiques del sistema nerviós. Són un grup de patologies altament heterogeni, que inclou la malaltia d'Alzheimer (MA), la malaltia de Parkinson (PD), la demència frontotemporal (FTD) i l'esclerosi lateral amiotròfica (ELA).

Actualment, a tot el món, més de 50 milions de persones pateixen diverses formes de neurodegeneració [1]. El curs clínic de les malalties neurodegeneratives sol abastar diversos anys i condueix a dèficits progressius de memòria, cognició i moviment en diferents graus segons la patologia específica [2] . Els tractaments farmacològics existents se centren en l'alleujament d'aquests símptomes [3].

A més, l'avaluació neuropsicològica encara es considera crucial en el diagnòstic de la neurodegeneració associada a la demència [4]. Tanmateix, els mecanismes moleculars clau de la malaltia es produeixen abans de l'aparició de cap símptoma significatiu.

El desenvolupament d'enfocaments diagnòstics precisos facilitaria intervencions terapèutiques oportunes per restaurar la fisiologia neuronal abans que es produeixi un dany irreversible.

També afavoriria l'establiment de noves terapèutiques, i la revaloració de les actuals que podrien ser més efectives si s'administrarien en etapes anteriors. Malgrat la necessitat urgent d'enfocaments diagnòstics per a la neurodegeneració, el seu desenvolupament encara és un repte aterrador, a causa de l'accessibilitat limitada del cervell per a l'examen físic i la complexitat de les proves clíniques basades en les capacitats cognitives [2].

Els avenços tecnològics recents han permès la caracterització de noves vies, biomolècules i estructures del sistema nerviós i altres regions del cos que es podrien utilitzar com a marcadors de malalties de neurodegeneració [5,6].

Tot i que les diferents malalties neurodegeneratives tenen alguns fenotips diferents, també comparteixen algunes característiques moleculars clau. En particular, en molts d'aquests trastorns, proteïnes i pèptids específics, que normalment serien solubles, se sotmeten a un procés d'autoassemblatge que condueix a la formació de grans agregats fibril·lars, anomenats amiloides [7,8].

Aquest procés també implica la generació d'intermedis oligomèrics més petits, que són altament tòxics i actualment es consideren actors principals en els mecanismes de la malaltia [8]. L'agregació amiloide també està relacionada amb altres processos d'agregació, com la formació de condensats [9]. Tanmateix, aquests no seran el focus de la present revisió.

A continuació, es descriuen algunes de les proteïnes amiloidogèniques més conegudes i la seva rellevància diagnòstica.

Ens centrem en la beta-amiloide (A) i la tau per a l'AD, la -sinucleïna (-syn) per a la PD, fusionada al sarcoma (FUS) i la proteïna 43 d'unió a l'ADN TAR (TDP-43) per a l'ALS i la FTD. També parlem dels avenços d'última generació en els enfocaments de detecció per controlar l'agregació d'aquestes proteïnes.

2. Agregació amiloide com a font potencial de biomarcadors

Els amiloides són agregats fibril·lars insolubles enriquits en una estructura creuada, i la seva formació s'ha caracteritzat àmpliament in vitro [7,8].

L'agregació amiloide consisteix en una xarxa complexa d'esdeveniments de nucleació. Inicialment, les proteïnes monomèriques solubles interactuen i formen oligòmers per nucleació primària. La nucleació primària també es pot desencadenar per la presència d'altres biomolècules, com ara altres proteïnes [10], àcids nucleics [11,12] i membranes [13].

A continuació, els oligòmers es converteixen en agregats d'ordre superior i, finalment, en fibrils d'amiloide. Un cop s'ha format una concentració crítica de fibrils, la superfície d'aquestes fibrils catalitza la formació d'oligòmers addicionals per nucleació secundària [7,8]. Les fibril·les també s'allargan mitjançant l'addició de monòmers als seus extrems i pateixen fragmentació [7, 8]. Les fibril·les amiloides són espècies de proteïnes extremadament estables a causa del seu ric contingut de fulles creuades [8,14–16].

Per contra, els oligòmers es converteixen ràpidament en agregats amiloides d'ordre superior (figura 1). La naturalesa transitòria dels oligòmers fa que siguin difícils d'aïllar i caracteritzar a nivell estructural.

Només recentment, gràcies a nous enfocaments com la fluorescència d'una molècula i la microscòpia electrònica [14,17,18], s'ha demostrat que els oligòmers són altament heterogenis en les seves propietats i estructures fisioquímiques, amb un contingut d'estructura secundària variable [16,19,20] .

Els oligòmers són tòxics per multitud de mecanismes, incloent interaccions hidrofòbiques aberrants. S'ha demostrat que, en teixits i cèl·lules aïllades, els oligòmers poden afectar la permeabilitat de la membrana i l'homeòstasi dels ions, i induir estrès oxidatiu [16,21–23].

Els radicals lliures induïts per oligòmers poden desencadenar el plegament incorrecte de proteïnes, la disfunció mitocondrial i, finalment, l'apoptosi [24]. Els oligòmers d'A i -syn també s'han associat amb neuroinflamació [22] i pèrdua de sinapsi [25,26].

Diversos factors poden afectar la formació de fibrils amiloides i oligòmers. Aquestes inclouen mutacions genètiques, estrès cel·lular i la presència o absència de biomolècules específiques.

A més, els amiloides es modifiquen àmpliament post-traduccionalment in vivo [27–29] i les modificacions post-traduccionals (PTM) alteren significativament la formació i la toxicitat de les fibrils d'amiloide in vitro [27–31].

3. Proteïnes amiloidogèniques implicades en la neurodegeneració

En el context de la neurodegeneració, els marcadors de malaltia es poden dividir en marcadors neuropsicològics, neuroimatges, genètics, c i bioquímics [2]. En particular, els marcadors bioquímics (o biomarcadors) són molècules mesurables del nostre cos (per exemple, proteïnes, àcids nucleics, metabòlits), que informen de l'etapa d'una malaltia [32].

Les proteïnes amiloidogèniques són biomarcadors prometedors, ja que informen sobre el perfil bioquímic de la disfunció del sistema nerviós [2]. A continuació, destaquem proteïnes amiloidogèniques rellevants i les seves modificacions patològiques que poden servir com a biomarcadors per a condicions neurodegeneratives.

3.1. A i Tau a AD

L'AD és la forma més freqüent de demència. Les lesions característiques del cervell d'AD són plaques senils extracel·lulars formades per agregats amiloides d'A i embulls neurofibril·lars intracel·lulars (NFT) formats per filaments amiloides helicoïdals (PHF) aparellats de proteïna tau (p-tau) hiperfosforilada [2,27].

A és un pèptid curt generat per la divisió d'un precursor transmembrana més gran, anomenat proteïna precursora amiloide (APP), per la divisió seqüencial de les - i -secretases i alliberat a l'espai extracel·lular [2,33].

Aquest procés pot generar isoformes A de diverses longituds (taula 1), que tenen diversos graus de toxicitat en el context de l'AD [34]. Les isoformes A més comunes són les longones de residus 40- i 42-, generalment denominades A 40 i A 42, respectivament. A 40 és la variant més abundant a les plaques (~80% a 90%) i també està present en el cervell de les persones sanes.

A 42 té una propensió molt més alta a agregar-se, i un augment de les ràtios A 42/A 40 està associat amb l'AD i altres formes de demència [30, 34] (taula 2). A més de la divisió, les mutacions genètiques (A692G, E693Q al gen APP [35,36], Taula 2) i molts altres PTM d'A s'han associat amb l'AD, incloent l'oxidació, fosforilació, glicosilació i isomerització [30].

Els estudis mostren l'aparició d'acetilació (per exemple, Lys16 i Lys28), fosforilació (per exemple, Ser8 i Ser26), nitració (per exemple, Tyr10), piroglutamat (per exemple, Glu3 i Glu11), isomerització (per exemple, Asp1 i Asp7) i racemització (p. , Asp1, Asp23 i Ser26) en el context de la malaltia [30,37–39] (Taula 1).

Val la pena assenyalar que el declivi cognitiu es correlaciona més amb les formes intermèdies solubles d'A que amb el grau de dipòsits d'amiloide [16]. La tau és una proteïna important associada als microtúbuls que estabilitza les neurones dels microtúbuls [2,40]. Al cervell humà, la tau existeix com a sis isoformes diferents que porten tres o quatre repeticions d'unió a microtúbuls (R). Aquestes isoformes s'anomenen 3R i 4R, respectivament.

S'ha trobat que la presència d'amiloides 3R o 4R o ambdós 3R i 4R és específica de la malaltia. Com a exemple, en AD, ALS, FT, D i Parkinsonisme, tant els amiloides 3R com els 4R estan presents, mentre que en les degeneracions corticobasals i la malaltia de Pick només es troben els amiloides 4R i 3R, respectivament [41,42]. Tau pateix PTM, especialment fosforilació [40].

La hiperfosforilació patològica redueix l'afinitat tau pels microtúbuls i provoca la seva separació dels microtúbuls, donant lloc a la formació de PHF i NFT [2].

Fins ara, s'han identificat 85 llocs potencials de fosforilació de tau [40]. A més, estudis moleculars i cel·lulars van revelar que l'acetilació (p. ex., Lys174, Lys274 i Lys280), oxidació (p. ex., Cys322), nitració (p. ex., Tyr29), glicació (p. Asp421 i Glu391) i la ubiquitinació (per exemple, Lys48 i Lys63) també afecten l'agregació de tau [27] (taula 1).

3.2. -Syn en PD

A diferència de l'AD, la MP afecta principalment el sistema motor, causant tremolors, rigidesa, bradicinèsia i inestabilitat postural [2]. El distintiu patològic de la MP és l'aparició d'inclusions amiloides citoplasmàtiques, conegudes com a cossos de Lewy (LBs) i neurites de Lewy (LNs).

-Syn conté 140 residus amb una regió N-terminal carregada positivament, una regió central de component no amiloide (NAC) propensa a l'agregació, n, n i una regió C-terminal carregada negativament [44, 45].

Les duplicacions o triplicacions a la regió del cromosoma -syn (4q21-23) i les mutacions incloses A53T, G51D, H50Q, E46K i A30P a la seqüència -syn, estan associades amb PD d'inici precoç [46–48] (taula 2). ). -Syn pertany a una família de proteïnes que també inclou - i -sinucleïnes amb un 55%-62% de semblança. La sinucleïna té una propensió reduïda a l'agregació i s'ha descobert que suprimeix l'agregació de -syn com a inhibidor natural mentre que la -sinucleïna oxidada pot iniciar l'agregació de -syn [49,50].

Se sap que diversos PTM afecten l'agregació de -syn, s'associen amb PD [28,] i tenen potencial diagnòstic [51] (taula 1).

Aquests inclouen l'acetilació N-terminal, diversos truncaments a l'extrem N-terminal (per exemple, -syn7-140, 14-140, 40-140 i 72-140 trobats in vitro, 5-140 i 68). –140 trobat in vivo i diversos en tots dos) i C-terminal (per exemple, -syn1-115, 1-119, 1-122, 1-124, 1-125, {{ 19}},1-133 i 1-135), fosforilació de Ser87 i Ser129, oxidació de Met1, Met5, Met116 i Met127, sumol·lació de Lys96 i Lys102, nitració de Tyr39, Tyr125 i Tyr133, andubiquitinació , Lys10, Lys12 Lys21, Lys23, Lys43 i Lys96 [28,52,53] (Taula 1).

3.3. TDP-43 i FUS en ALS i FTD

L'ELA i la FTD són malalties neurodegeneratives amb mecanismes superposats. ALSafecta les neurones superiors i inferiors, provocant la pèrdua del control muscular. La FTD és una forma de demència lligada a la degeneració dels lòbuls temporals frontals i anteriors [54].

Al voltant del 97% dels casos d'ALS i el 45% dels casos de FTD s'associen amb la presència d'inclusions d'agregats de TDP ubiquitinat, hiperfosforilat i truncat al C-terminal-43 al citoplasma de neurones i cèl·lules glials [29].

El TDP-43 és una ribonucleoproteïna de 414 residus de llargada capaç de formar agregats de tipus amiloide in vitro i condensats (és a dir, grànuls d'estrès) [9] en condicions patològiques. Està format per un tracte N-terminal amb un senyal de localització nuclear, dos motius de reconeixement d'ARN, un senyal d'exportació nuclear i una regió C-terminal desordenada [29].

S'ha informat que totes aquestes regions tenen un paper crític en l'agregació de la proteïna [55–57]. S'han identificat diverses mutacions de TDP-43 tant en casos esporàdics com familiars d'ELA i FTD, com ara G294A, Q331K, M337V [58] i K181E [59] (taula 2). Igual que amb A i -syn, els PTM de TDP-43 també tenen un paper clau en l'agregació de la proteïna i la progressió de la malaltia.

Val la pena assenyalar que els fragments C-terminals truncats de 25 kDa i 35 kDa es troben habitualment en agregats patològics en pacients amb ELA [29,31,54]. La ubiquitinació també és una modificació típica de les inclusions de TDP-43 [31]. Finalment, la fosforilació, l'acetilació i l'oxidació aberrants de TDP-43 s'associen sovint amb la mala localització i l'agregació aberrant de la proteïna [29] (Taula 1).

L'ALS i la FTD també s'associen amb una altra proteïna d'unió a l'ARN/ADN, FUS. FUS és una proteïna de 526 residus feta per un domini d'activació transcripcional N-terminal i un domini C-terminal, que interacciona amb factors transcripcionals i també inclou un senyal de localització nuclear [60, 61].

Tots dos dominis contenen regions de baixa complexitat i tenen un paper en la formació de condensats i hidrogels [62]. Es reporten més de 50 mutacions (per exemple, R521C, R521H [63]) de FUS en casos d'ELA/FTD.

A diferència del TDP-43, FUS es troba generalment com una proteïna de longitud completa als agregats [61]. La fosforilació es produeix als dominis similars als prions de FUS i s'ha demostrat que afecta el seu patró de separació i agregació de fases, mentre que les mutacions i els PTM (principalment la metilació i la fosforilació) al seu domini C-terminal regulen la seva localització nuclear/citoplasma [61,64].

Malgrat el paper clar patològic del FUS, els fenotips ALS/FTD s'associen amb menys freqüència amb FUS que amb disfuncions TDP-43 [61,65]. Així, el paper del FUS com a biomarcador encara està per determinar.

4. Potencial diagnòstic de les característiques genètiques, estructurals i químiques de les proteïnes amiloidogèniques

S'han utilitzat diversos enfocaments de detecció per quantificar mostres inbiològiques de proteïnes amiloidogèniques i per determinar el vincle entre aquestes proteïnes i les malalties neurodegeneratives.

Algunes d'aquestes estratègies tenen com a objectiu quantificar els canvis en els nivells d'expressió/concentració de proteïnes amiloidogèniques independentment de la seva conformació o modificació (Taula 2). Alguns altres enfocaments, en canvi, se centren a investigar propietats estructurals específiques (per exemple, estats agregats) o químiques (és a dir, PTM) de les proteïnes amiloidogèniques (taula 1).

Tots aquests enfocaments analitzen diferents regions del cos. Tècniques, com la tomografia per emissió de positrons (PET), poden sondar proteïnes directament dins del sistema nerviós central (SNC), per exemple, al cervell [2,44,66].

Tanmateix, les proteïnes amiloidogèniques també es poden detectar en altres regions més accessibles del cos. En aquesta secció, comentem les troballes que s'han obtingut a partir de l'anàlisi tant de teixits cerebrals com de fluids corporals accessibles, principalment mitjançant immunoassaigs, com ara immunoblotting i assaigs immunosorbents lligats a enzims (ELISA).

Els fluids considerats inclouen el líquid cefaloraquidi (LCR), que està en contacte directe amb la porció extracel·lular del cervell i, com a tal, és un líquid òptim per mesurar el metabolisme cerebral [44].

For more information:1950477648nn@gmail.com