Amiloidojenik Proteinlerin Teşhis Potansiyeli Bölüm 1

Soyut:

Nörodejeneratif bozukluklar, patolojik mekanizmaları herhangi bir açık semptomun ortaya çıkmasından önce başlayan oldukça yaygın bir hastalık sınıfıdır. Bu gerçek, bilim adamlarını erken tedaviye yardımcı olabilecek biyobelirteçler aramaya yöneltti.

Şu anda tedavi edilemeyen bu patolojiler, sinir sisteminde amiloid adı verilen ve spesifik proteinlerden oluşan anormal kümelerin varlığını paylaşıyor.

Bu derlemede, bu proteinlerin, bunların konformasyonlarının ve modifikasyonlarının tanı amaçlı biyobelirteçler olarak nasıl kullanılabileceğini tartışıyoruz.

Protein sağlığı korumak için önemli maddelerden biridir ve aynı zamanda hafıza üzerinde de önemli bir etkiye sahiptir. Protein, beyin hücrelerinin ve nörotransmiterlerin hammaddesi olan amino asitlerden oluşur. Bu nedenle protein alımı hafızayla yakından ilişkilidir.

Öncelikle protein vücudun doku inşa etmesi ve onarması için gerekli bir maddedir. Beyin hücreleri, normal çalışması için bir bileşen olarak proteine ​​ihtiyaç duyan enzimler ve düzenleyici maddeler açısından zengindir. Vücuttaki çok düşük protein içeriği, beyin hücrelerinin normal şekilde çalışmamasına neden olacak ve dolayısıyla hafızayı etkileyecektir. Bu nedenle yeterli protein alımının sürdürülmesi beyin gelişiminde ve hafızanın korunmasında önemli bir rol oynar.

İkincisi, proteinin beyin hücresi aktivitesini arttırma etkisi vardır. İnsan vücudu, düşünme, hafıza ve davranış gibi fonksiyonların normal işleyişini sürdürmek için büyük miktarda beyin nörotransmiterine ihtiyaç duyar. Beyin nörotransmiterleri vücuttaki amino asitlerden sentezlenir ve bu amino asitlerin kaynağı proteindir. Bu nedenle, yüksek kaliteli protein açısından zengin gıdaların seçilmesi, beyin nörotransmiterlerinin sentezini artırabilir, böylece beyin hücresi aktivitesini artırabilir ve hafızanın geliştirilmesine yardımcı olabilir.

Ayrıca protein vücudun stabilitesinin korunmasına ve kan şekeri dalgalanmalarının önlenmesine de yardımcı olur. Düşük kan şekeri seviyeleri vücutta genellikle hafıza performansını etkileyen dikkatsizlik, baş dönmesi ve yorgunluk gibi belirtilere neden olabilir. Orta derecede protein alımı sürdürülerek kan şekeri dalgalanmaları etkili bir şekilde önlenebilir, bu da vücudun stabilitesinin korunmasına ve hafızanın geliştirilmesine yardımcı olur.

Kısacası protein hafızayla yakından ilişkilidir. Orta derecede protein alımı vücudun dengesini koruyabilir, beyin hücrelerinin aktivitesini artırabilir ve böylece hafızayı geliştirebilir. Balık, et, fasulye ve süt ürünleri gibi protein açısından zengin, kaliteli yiyecekleri daha fazla tüketmeye çalışmalı ve proteini diyetten tamamen çıkarmaktan kaçınmalıyız. Bu sağlıklı kalmamıza, hafızamızı geliştirmemize ve daha iyi bir hayatın tadını çıkarmamıza yardımcı olacaktır. Belleğimizi geliştirmemiz gerektiği görülebilir ve Cistanche hafızayı önemli ölçüde geliştirebilir çünkü Cistanche birçok benzersiz etkiye sahip geleneksel bir Çin tıbbıdır ve bunlardan biri hafızayı geliştirmektir. Cistanche'nin etkinliği, içerdiği tanik asit, polisakkaritler, flavonoid glikozitler vb. dahil olmak üzere beyin sağlığını birçok yönden geliştirebilen çeşitli aktif bileşenlerden gelir.

Belleği geliştirmenin 10 yolunu bilin'e tıklayın

Alzheimer ve Parkinson hastalıkları, amyotrofik lateral skleroz ve frontotemporal demans dahil olmak üzere en yaygın nörodejeneratif bozukluklarla ilişkili proteinlere odaklanıyoruz.

Ayrıca tespitteki mevcut zorlukları, teşhis potansiyeli olan en yeni teknikleri ve teşhiste gelecekteki olası gelişmeleri de açıklıyoruz.

Anahtar Kelimeler: nörodejeneratif hastalıklar; biyobelirteç; amiloid; oligomer; çeviri sonrası değişiklik.

1. Nörodejenerasyon İçin Yeni Tanısal Yaklaşımlara İhtiyaç Var

Nörodejeneratif hastalıklar, sinir sisteminin belirli bölgelerindeki ilerleyici nöron kaybıyla karakterize edilen ölümcül ve tedavi edilemez bozukluklardır. Bunlar Alzheimer hastalığı (AD), Parkinson hastalığı (PD), frontotemporal demans (FTD) ve amyotrofik lateral sklerozu (ALS) içeren oldukça heterojen bir patoloji grubudur.

Şu anda dünya çapında 50 milyondan fazla insan çeşitli nörodejenerasyon türlerinden muzdariptir [1]. Nörodejeneratif hastalıkların klinik seyri genellikle birkaç yıla yayılır ve spesifik patolojiye bağlı olarak farklı düzeylerde hafıza, biliş ve harekette ilerleyici eksikliklere yol açar [2] . Mevcut ilaç tedavileri bu semptomların hafifletilmesine odaklanmaktadır [3].

Ayrıca, demansla ilişkili nörodejenerasyonun tanısında nöropsikolojik değerlendirmenin hala önemli olduğu düşünülmektedir [4]. Ancak hastalığın temel moleküler mekanizmaları, herhangi bir önemli semptomun ortaya çıkmasından önce ortaya çıkar.

Doğru teşhis yaklaşımlarının geliştirilmesi, geri dönüşü olmayan hasar meydana gelmeden önce nöronal fizyolojiyi düzeltmek için zamanında terapötik müdahaleleri kolaylaştıracaktır.

Aynı zamanda yeni tedavi yöntemlerinin oluşturulmasını ve daha erken aşamalarda uygulandığında daha etkili olabilecek mevcut tedavilerin yeniden değerlendirilmesini de teşvik edecektir. Nörodejenerasyon için tanısal yaklaşımlara acil ihtiyaç duyulmasına rağmen, fiziksel muayene için beynin sınırlı erişilebilirliği ve bilişsel yeteneklere dayalı klinik testlerin karmaşıklığı nedeniyle bunların geliştirilmesi hâlâ zorlu bir mücadeledir [2].

Son teknolojik gelişmeler, sinir sistemi ve vücudun diğer bölgelerindeki nörodejenerasyonun hastalık belirteçleri olarak kullanılabilecek yeni yolakların, biyomoleküllerin ve yapıların karakterizasyonuna olanak sağlamıştır [5,6].

Farklı nörodejeneratif hastalıkların bazı farklı fenotipleri olmasına rağmen, bazı temel moleküler özellikleri de paylaşıyorlar. Özellikle, bu bozuklukların birçoğunda, normalde çözünebilen spesifik proteinler ve peptidler, amiloidler olarak adlandırılan büyük fibriler agregatların oluşumuna yol açan kendi kendine bir araya gelme sürecine girerler [7,8].

Bu süreç aynı zamanda oldukça toksik olan ve şu anda hastalık mekanizmalarında önemli aktörler olarak kabul edilen daha küçük oligomerik ara maddelerin oluşumunu da içermektedir [8]. Amiloid agregasyonu aynı zamanda kondensat oluşumu gibi diğer agregasyon süreçleriyle de bağlantılıdır [9]. Ancak bunlar mevcut incelemenin odak noktası olmayacaktır.

Burada en çok bilinen amiloidojenik proteinlerden bazılarını ve bunların tanısal önemini açıklıyoruz.

AD için amiloid-beta (A) ve tau'ya, sarkomda (FUS) kaynaşmış PD için -sinüklein (-syn) ve ALS ve FTD için TAR DNA bağlayıcı protein 43'e (TDP-43) odaklanıyoruz. Ayrıca bu proteinlerin toplanmasını izlemeye yönelik tespit yaklaşımlarındaki en son gelişmeleri de tartışıyoruz.

2. Potansiyel Biyobelirteç Kaynağı Olarak Amiloid Toplanması

Amiloidler çapraz yapı bakımından zenginleştirilmiş çözünmeyen fibril agregatlarıdır ve bunların oluşumu in vitro olarak geniş ölçüde karakterize edilmiştir [7,8].

Amiloid toplanması karmaşık bir çekirdeklenme olayları ağından oluşur. Başlangıçta, çözünür monomerik proteinler etkileşime girer ve birincil çekirdeklenme yoluyla oligomerleri oluşturur. Birincil çekirdeklenme ayrıca diğer proteinler [10], nükleik asitler [11,12] ve membranlar [13] gibi diğer biyomoleküllerin varlığıyla da tetiklenebilir.

Oligomerler daha sonra yüksek dereceli agregatlara ve son olarak amiloid fibrillere dönüşür. Kritik bir fibril konsantrasyonu oluştuğunda, bu fibrillerin yüzeyi ikincil çekirdeklenme yoluyla ilave oligomerlerin oluşumunu katalize eder [7,8]. Fibriller ayrıca uçlarına monomerlerin eklenmesiyle uzayabilir ve parçalanmaya uğrayabilir [7,8]. Amiloid fibriller, zengin çapraz tabaka içeriklerinden dolayı son derece stabil protein türleridir [8,14-16].

Aksine, oligomerler hızla yüksek dereceli amiloid agregatlara dönüşür (Şekil 1). Oligomerlerin geçici doğası, onları yapısal düzeyde izole etmeyi ve karakterize etmeyi zorlaştırır.

Ancak son zamanlarda, tek moleküllü floresans ve elektron mikroskobu [14,17,18] gibi yeni yaklaşımlar sayesinde, oligomerlerin değişen ikincil yapı içeriğiyle birlikte fizyokimyasal özellikleri ve yapıları açısından oldukça heterojen olduğu gösterilmiştir [16,19,20] .

Oligomerler, anormal hidrofobik etkileşimler de dahil olmak üzere çok sayıda mekanizma nedeniyle toksiktir. Doku ve izole hücrelerde oligomerlerin membran geçirgenliğini ve iyon homeostazisini etkileyebildiği ve oksidatif stresi indükleyebildiği gösterilmiştir [16,21-23].

Oligomer kaynaklı serbest radikaller daha sonra proteinin yanlış katlanmasını, mitokondriyal fonksiyon bozukluğunu ve sonunda apoptozu tetikleyebilir [24]. A ve -sin oligomerleri aynı zamanda nöroinflamasyon [22] ve sinapsis kaybı [25,26] ile de ilişkilendirilmiştir.

Amiloid fibrillerin ve oligomerlerin oluşumunu çeşitli faktörler etkileyebilir. Bunlar genetik mutasyonları, hücresel stresi ve spesifik biyomoleküllerin varlığını veya yokluğunu içerir.

Ayrıca, amiloidler in vivo olarak geniş ölçüde translasyon sonrası modifiye edilir [27-29] ve translasyon sonrası modifikasyonlar (PTM'ler), in vitro amiloid fibrillerinin oluşumunu ve toksisitesini önemli ölçüde değiştirir [27-31].

3. Nörodejenerasyonda Yer Alan Amiloidojenik Proteinler

Nörodejenerasyon bağlamında hastalık belirteçleri nöropsikolojik, nörogörüntüleme, genetik, c ve biyokimyasal belirteçler olarak ayrılabilir [2]. Özellikle biyokimyasal belirteçler (veya biyobelirteçler), vücudumuzda bir hastalığın evresini bildiren ölçülebilir moleküllerdir (örn. proteinler, nükleik asitler, metabolitler) [32].

Amiloidojenik proteinler, sinir sistemi fonksiyon bozukluğunun biyokimyasal profili hakkında bilgi verdikleri için umut verici biyobelirteçlerdir [2]. Aşağıda, ilgili amiloidojenik proteinleri ve bunların nörodejeneratif durumlar için biyobelirteç görevi görebilecek patolojik modifikasyonlarını vurguluyoruz.

3.1. AD'de A ve Tau

AD demansın en yaygın şeklidir. AD'li beyinlerdeki karakteristik lezyonlar, A'nın amiloid agregatlarından ve hiperfosforile tau (p-tau) proteininin eşleştirilmiş sarmal amiloid filamentleri (PHF'ler) tarafından oluşturulan hücre içi nörofibriler yumaklardan (NFT'ler) oluşan hücre dışı senil plaklardır [2,27].

A, amiloid öncü proteini (APP) adı verilen daha büyük bir transmembran öncüsünün - ve -sekretazların sıralı bölünmesiyle bölünmesiyle üretilen ve hücre dışı boşluğa salınan kısa bir peptiddir [2,33].

Bu işlem, AD bağlamında çeşitli derecelerde toksisiteye sahip olan çeşitli uzunluklarda A izoformları (Tablo 1) üretebilir [34]. En yaygın A izoformları, genellikle sırasıyla A 40 ve A 42 olarak anılan 40- ve 42-kalıntı longonlardır. A 40, plaklarda en çok bulunan varyanttır (~%80 ila %90) ve aynı zamanda sağlıklı insanların beyinlerinde de mevcuttur.

A 42'nin toplanma eğilimi çok daha yüksektir ve A 42/A 40 oranlarındaki artış AD ve diğer demans formlarıyla ilişkilidir [30,34] (Tablo 2). Bölünmenin yanı sıra, genetik mutasyonlar (APP genindeki A692G, E693Q [35,36], Tablo 2) ve A'nın oksidasyon, fosforilasyon, glikosilasyon ve izomerizasyon [30] dahil olmak üzere diğer birçok PTM'si AD ile ilişkilendirilmiştir.

Çalışmalar, asetilasyonun (örneğin, Lys16 ve Lys28), fosforilasyonun (örneğin, Ser8 ve Ser26), nitrasyonun (örneğin, Tyr10), piroglütamatın (örneğin, Glu3 ve Glu11), izomerizasyonun (örneğin, Asp1 ve Asp7) ve rasemizasyonun (örneğin, , Asp1, Asp23 ve Ser26) hastalık bağlamında [30,37-39] (Tablo 1).

Bilişsel gerilemenin, amiloid birikintilerinin derecesinden ziyade A'nın çözünebilir ara formları ile daha fazla ilişkili olduğunu belirtmekte yarar vardır [16]. Tau, nöronlardaki mikrotübülleri stabilize eden önemli bir mikrotübül ile ilişkili proteindir [2,40]. İnsan beyninde tau, üç veya dört mikrotübül bağlama tekrarı (R) taşıyan altı farklı izoform halinde bulunur. Bu izoformlara sırasıyla 3R ve 4R adı verilir.

3R veya 4R veya hem 3R hem de 4R amiloidlerin varlığının hastalığa özgü olduğu bulunmuştur. Örnek olarak AD, ALS, FT, D ve Parkinsonizmde hem 3R hem de 4R amiloidler bulunurken, kortikobazal dejenerasyonlarda ve Pick hastalığında sırasıyla yalnızca 4R ve 3R amiloidler bulunur [41,42]. Tau, PTM'lere, özellikle de fosforilasyona uğrar [40].

Patolojik hiperfosforilasyon, tau'nun mikrotübüllere olan ilgisini azaltır ve bunların mikrotübüllerden ayrılmasına neden olur, bu da PHF'lerin ve NFT'lerin oluşumuyla sonuçlanır [2].

Bugüne kadar tau'nun 85 potansiyel fosforilasyon bölgesi tanımlanmıştır [40]. Ayrıca moleküler ve hücresel çalışmalar, asetilasyonun (örneğin, Lys174, Lys274 ve Lys280), oksidasyonun (örneğin, Cys322), nitrasyonun (örneğin, Tyr29), glikasyonun (örneğin, Lys87, Lys132 ve Lys150), kesilmenin (örneğin, Asp13'te ve Asp421 ve Glu391) ve her yerde bulunma (örneğin, Lys48 ve Lys63) da tau toplanmasını etkiler [27] (Tablo 1).

3.2. -PD'de Syn

AH'den farklı olarak PD öncelikle motor sistemi etkileyerek titreme, rijidite, bradikinezi ve postüral instabiliteye neden olur [2]. PD'nin patolojik özelliği, Lewy cisimcikleri (LB'ler) ve Lewy nöritleri (LN'ler) olarak bilinen sitoplazmik amiloid kalıntılarının ortaya çıkmasıdır. LB'ler ve LN'ler, ana bileşeni -syn olan amiloid agregatlarından oluşur [43].

-Syn, pozitif yüklü bir N-terminal bölgesi, toplanmaya eğilimli amiloid olmayan bileşen (NAC) merkezi bölgesi, n,n ve negatif yüklü bir C-terminal bölgesi ile 140 kalıntı içerir [44,45].

-syn kromozom bölgesindeki duplikasyonlar veya üçlemeler (4q21-23) ve -syn sekansındaki A53T, G51D, H50Q, E46K ve A30P dahil mutasyonlar, erken başlangıçlı PH ile ilişkili alanlar [46-48] (Tablo 2) ). -Syn, %55-%62 benzerliğe sahip - ve -sinükleinleri de içeren bir protein ailesine aittir. -Sinükleinin agregasyon eğilimi azalmıştır ve doğal bir inhibitör olarak -sin agregasyonunu baskıladığı, oksitlenmiş -sinükleinin ise -sin agregasyonunu başlatabildiği keşfedilmiştir [49,50].

Pek çok PTM'nin -syn'in toplanmasını etkilediği, PD ile ilişkili olduğu [28,] ve teşhis potansiyeli taşıdığı bilinmektedir [51](Tablo 1).

Bunlar arasında N-terminal asetilasyonu, N-terminalindeki çeşitli kesikler (örneğin, -syn7-140, 14-140, 40-140 ve in vitro bulunan 72-140, 5-140 ve 68 yer alır. –140 in vivo ve her ikisinde de birkaç tane bulunur) ve C-terminalinde (örneğin, -syn1-115, 1-119, 1-122, 1-124, 1-125, {{ 19}},1-133 ve 1-135), Ser87 ve Ser129'un fosforilasyonu, Met1, Met5, Met116 ve Met127'nin oksidasyonu, Lys96 ve Lys102'nin toplanması, Tyr39, Tyr125 ve Tyr133'ün nitrasyonu ve Lys6'nın her yerde bulunması , Lys10, Lys12 Lys21, Lys23, Lys43 ve Lys96 [28,52,53] (Tablo 1).

3.3. ALS ve FTD'de TDP-43 ve FUS

ALS ve FTD, mekanizmaları örtüşen nörodejeneratif hastalıklardır. ALS üst ve alt nöronları etkileyerek kas kontrolünün kaybına neden olur. FTD, frontal ve anterior temporal lobların dejenerasyonuyla bağlantılı bir demans şeklidir [54].

ALS vakalarının yaklaşık %97'si ve FTD vakalarının %45'i, nöronların ve glial hücrelerin sitoplazmasında her yerde bulunan, hiperfosforile edilmiş ve C-terminali kesik TDP-43 agregatlarının varlığı ile ilişkilidir [29].

TDP-43, patolojik koşullar altında in vitro amiloid benzeri agregatlar ve kondensatlar (yani stres granülleri) [9] oluşturabilen 414 kalıntı uzunluğunda bir ribonükleoproteindir. Bir nükleer lokalizasyon sinyaline sahip bir N-terminal yolu, iki RNA tanıma motifi, bir nükleer ihracat sinyali ve düzensiz bir C-terminal bölgesinden oluşur [29].

Tüm bu bölgelerin proteinin toplanmasında kritik bir rol oynadığı rapor edilmiştir [55-57]. G294A, Q331K, M337V [58] ve K181E [59] dahil olmak üzere hem sporadik hem de ailesel ALS ve FTD vakalarında çeşitli TDP-43 mutasyonları tanımlanmıştır (Tablo 2). A ve -syn'de olduğu gibi, TDP-43'nin PTM'leri de proteinin toplanmasında ve hastalığın ilerlemesinde önemli bir rol oynar.

Kesik 25 kDa ve 35 kDa C-terminal fragmanlarının, ALS hastalarındaki patolojik kümelerde yaygın olarak bulunduğunu belirtmekte fayda vardır [29,31,54]. Ubiquitination aynı zamanda TDP-43 kapanımlarının tipik bir modifikasyonudur [31]. Son olarak, TDP-43'nin anormal fosforilasyonu, asetilasyonu ve oksidasyonu sıklıkla proteinin yanlış lokalizasyonu ve anormal toplanmasıyla ilişkilidir [29] (Tablo 1).

ALS ve FTD ayrıca başka bir RNA/DNA bağlayıcı protein olan FUS ile de ilişkilidir. FUS, bir N-terminal transkripsiyonel aktivasyon alanı ve C-terminal alanı tarafından yapılan, transkripsiyonel faktörlerle etkileşime giren ve aynı zamanda bir nükleer lokalizasyon sinyali içeren 526 kalıntı uzunluğunda bir proteindir [60,61].

Her iki alan da düşük karmaşıklığa sahip bölgeler içerir ve yoğunlaşmaların ve hidrojellerin oluşumunda rol oynar [62]. ALS/FTD vakalarında FUS'un 50'den fazla mutasyonu (örn., R521C,R521H [63]) rapor edilmiştir.

TDP-43'den farklı olarak FUS, genellikle agregatlarda tam uzunlukta bir protein olarak bulunur [61]. Fosforilasyonun FUS'un prion benzeri alanlarında meydana geldiği ve faz ayrılmasını ve toplanma modelini etkilediği gösterilmiştir; C-terminal alanındaki mutasyonların ve PTM'lerin (temel olarak metilasyon ve fosforilasyon) nükleer/sitoplazma lokalizasyonunu düzenlediği bulunmuştur [61,64].

FUS'un açık patolojik rolüne rağmen, ALS/FTD fenotipleri FUS ile TDP-43 işlev bozukluklarından daha az sıklıkla ilişkilidir [61,65]. Bu nedenle FUS'un bir biyobelirteç olarak rolü henüz belirlenmemiştir.

4. Amiloidojenik Proteinlerin Genetik, Yapısal ve Kimyasal Özelliklerinin Teşhis Potansiyeli

Biyolojik numunelerdeki amiloidojenik proteinlerin miktarını belirlemek ve bu proteinler ile nörodejeneratif hastalıklar arasındaki bağlantıyı belirlemek için çeşitli tespit yaklaşımları kullanılmıştır.

Bu stratejilerden bazıları, konformasyon veya modifikasyonlarına bakılmaksızın amiloidojenik proteinlerin ekspresyon seviyeleri/konsantrasyonlarındaki değişiklikleri ölçmeyi amaçlamaktadır (Tablo 2). Bunun yerine diğer bazı yaklaşımlar, amiloidojenik proteinlerin spesifik yapısal (örn. toplu durumlar) veya kimyasal (örn. PTM) özelliklerinin araştırılmasına odaklanır (Tablo 1).

Tüm bu yaklaşımlar vücudun farklı bölgelerini analiz eder. Pozitron emisyon tomografisi (PET) gibi teknikler, örneğin beyindeki merkezi sinir sistemi (CNS) içindeki proteinleri doğrudan araştırabilir [2,44,66].

Ancak amiloidojenik proteinler vücudun daha erişilebilir diğer bölgelerinde de tespit edilebilir. Bu bölümde, esas olarak immünoblotlama ve enzim bağlantılı immünosorbent analizleri (ELISA) gibi immünolojik testler kullanılarak hem beyin dokularının hem de erişilebilir vücut sıvılarının analizinden elde edilen bulguları tartışıyoruz.

Göz önünde bulundurulan sıvılar arasında, beynin hücre dışı kısmı ile doğrudan temas halinde olan ve bu nedenle beyin metabolizmasının ölçümleri için en uygun sıvı olan beyin omurilik sıvısı (BOS) bulunmaktadır [44].

For more information:1950477648nn@gmail.com