İki İnsan Metaboliti, Bir Sitozolik Katlanmamış Protein Tepkisi Yoluyla Alzheimer Hastalığının A C. Elegans Modelini Kurtarıyor
Mar 21, 2023
Hücresel metabolizmadaki yaşa bağlı değişiklikler, beyin homeostazını etkileyerek koşullar yaratabilir.gibi nörodejeneratif bozuklukların başlamasına ve ilerlemesine izin veren Alzheimer's ve Parkinson'hastalıkları. Metabolitlerin rolleri kapsamlı bir şekildeHücresel sinyal yollarıyla ilgili olarak çalışılan protein agregasyonu üzerindeki etkileri nispeten keşfedilmemiş durumda. İnsan Metabolom Veritabanını hesaplamalı olarak analiz ederek, amiloid beta peptidinin (A) toplanmasını engelleyen iki endojen metabolit, karnosin ve kinürenik asit belirledik. ) ve kurtarmaC. elegansmodeliAlzheimer'hastalık. Bu metabolitlerin, sitosolik katlanmamış bir proteini tetikleyerek hareket ettiğini bulduk.transkripsiyon faktörü HSF-1 ve aşağı akış şaperonları HSP40/Jproteinleri DNJ-12 ve DNJ-19 aracılığıyla yanıt. Bu sonuçlar, ilgili önceki gözlemleri rasyonelleştirmeye yardımcı olur.eylemleri için bir mekanizma sağlayarak bu metabolitlerin olası yaşlanma karşıtı faydaları. birlikte ele alındığında, bizimbulgularmetabolit homeostazı arasında bir bağlantı sağlar vekarşı önleyici müdahalelere ilham verebilecek protein homeostazınörodejeneratif bozukluklar.
Daha fazlasını iste:
E-posta:wallence.suen@wecistanche.com Whatsapp artı 86 15292862950
Alzheimer'S hastalığı (AD), beyin dokularında anormal protein birikintilerinin varlığı ile karakterize edilen karmaşık bir hastalıktır.1–3. Bu hastalığın moleküler kökenleri henüz bilinmemekle birliktesıkıcaYerleşik, genellikle protein birikintilerinin varlığının protein homeostaz ağının düzensizliği ile ilişkili olduğu kabul edilmektedir.4,5. Buna karşılık, bu sistem, metabolit homeostaz sistemi dahil olmak üzere çeşitli başka bileşenleri içeren daha geniş bir hücresel homeostaz sisteminin parçasıdır.6,7. Metabolitler, enzimler için substrat olarak veya biyokimyasal yolların aktivasyonu için sinyal molekülleri olarak hareket ettikleri hücresel yollardaki önemli adımları etkiler. Örneğin, kalori kısıtlaması ve aralıklı açlık, laboratuvar kemirgenlerinde ve maymunlarda yaşlanma sırasında yapısal ve fonksiyonel gerilemeyi geciktirir.8–10.
Dahası, sinyal yolları, hücresel streslere yanıt vermek için gelişmiştir.yaşlanmaAMPK ve mTOR yolları, hücresel gelişim ve yaşlanmada geniş çapta incelenmektedir.11–14. Bu nedenle, AD gibi yaşlanma ile ilişkili nörodejeneratif bozuklukların hücresel homeostazdaki sapmalarla nasıl bağlantılı olduğunu anlamak önemlidir. Burada araştırdığımız spesifik hipotez, metabolit seviyelerindeki düzensizliğin AD'deki proteinlerin anormal agregasyonu ile ilişkili olup olmadığıdır. Düzensiz metabolitlerin eklenmesinin yanlış katlanmış proteinlerin toplanmasını önleyip önleyemeyeceğini veya temizleyip temizleyemeyeceğini test ederek buna yaklaşıyoruz. Çeşitli biyolojik süreçlerin bozulması, hastalığın başlamasına ve ilerlemesine katkıda bulunur.ADDNA onarımı da dahil olmak üzere,flflamasyon, mitokondriyal fonksiyon, oksidatif stres, nöronal ağ uyarılabilirliği, metal iyonu homeostazı, otofaji, hipotalamik düzenleme, yetişkin nörojenezi ve protein homeostazı (Şekil 1).1)1,15–28. Küçük moleküllü metabolitler bu biyokimyasal süreçlerde kilit roller oynar, ancak bu rollerden hangilerinin olduğu hala ayrıntılı olarak bilinmemektedir.Birincidüzensizdir ve hastalığın patofizyolojik başlangıcı ve ilerlemesi ile ilişkilidir. Bu bağlamda, proteinin yanlış katlanması ve toplanması fenomeninin bu biyolojik süreçlerdeki bozulmanın bir nedeni mi yoksa sonucu mu olduğu henüz bilinmemektedir.sıkıcakurulmuş. Çok çeşitli çalışmalar, protein agregasyonunun, doğrudan önemli olan aşağı akış biyokimyasal kaskadların aktivasyonuna yol açabileceğini göstermiştir.fifiAD'nin patolojisini cesaretle ilerletmek29. Toksik agrega türlerinin A olduğu kabul edilmektedir. ve hücresel bileşenlerle anormal etkileşimi nöronal fonksiyonları bozabilen Tau oligomerleri29,30. Mevcut AD anlayışımız göz önüne alındığında, protein agregasyonunu yavaşlatmak veya inhibe etmek, hastalığın ilerlemesini önlemeye katkıda bulunabilir. Bu nedenle, hangi yolların bu amaca katkıda bulunduğunu anlamak, önleyici ve terapötik müdahaleler için içgörülü fırsat pencereleri sunabileceği gibi, baskılayıcı ve baskılayıcı sürdürülebilir yaşam biçimleri (örneğin yaşam tarzı faktörleri, egzersiz ve diyet) için kılavuzlar sağlayabilir.ADve teşvik etsağlıklı yaşlanma.
Şekil 1 Metabolit homeostazı ve protein homeostazıAlzheimer'hastalığı (AD). a AD, hücresel homeostazdaki (renkli kutular) çok çeşitli işlev bozuklukları ile ilişkilidir. Bu hücresel süreçlerin düzenlenmesinde çeşitli endojen metabolitler yer alır (gri kutu ekleri).b Küçük molekülendojen metabolitler, hastalıkla ilişkili protein agregasyon süreçlerini modüle edebilir. Sistematik çalışmalar tasarlayarak, protein homeostazını dengeleyen kesin moleküler mekanizmaları ortaya çıkarabiliriz.
ve yanlış katlanma ve endoplazmik retikulum ve mitokondride katlanmamış protein yanıtları (UPR)31,32. HSR'den gelen birçok ısı şoku proteini, biyogenez sırasında proteinlerin konformasyonunu yönlendiren ve hücresel fonksiyona müdahale eden yanlış katlanma ve kümelenmeyi önleyen moleküler şaperonlardır.21. Sitoplazma ayrıca üretilen ve biyokimyasal ağlar arasında dolaşan çeşitli metabolitlerin bir havuzu olduğundan, hücredeki seviyelerinin ve eşik konsantrasyonlarının protein homeostaz ağı üzerinde küçük molekül düzenleyicileri olarak bir etkiye sahip olması ve böylece agregasyona yatkın proteinleri tutması beklenir. çözünür halleri. Patel ve meslektaşları, ATP'nin fizyolojik konsantrasyonlarda (mM aralığı) protein çözünürlüğünü arttırdığını gösterdi.33. Bu nedenle, diğer endojen metabolitlerin de protein agregasyonunun modülasyonuna katkıda bulunabileceği öngörülebilir. Öncelikle transkripsiyon faktörü ısı şoku faktörü 1 (HSF-1) tarafından düzenlenen moleküler şaperonların gelişmiş ekspresyonunun, çeşitli protein yanlış katlanma hastalığı modellerinde protein homeostazını geri kazandırdığı gösterilmiştir, bu da bu mekanizmanın bir Önleyici ve terapötik yaklaşımlar için umut verici hedef34. Kalamin ve ark. HSF1-bağımlı şaperon ekspresyonunu indükleyen ve çoklu protein konformasyonel hastalık modellerinde protein katlanmasını geri kazandıran yeni küçük moleküllü protein homeostaz düzenleyici sınıfları tanımladı. Proteom stabilitesi üzerindeki bu faydalı etkilere HSF1, FOXO, NRF2 ve şaperon mekanizması aracılık eder.34. Aslında, endojen metabolitler aynı zamanda temel biyolojik süreçleri düzenleyen küçük moleküllerdir. Bu metabolitlerin seviyeleri çevresel ipuçlarına yanıt olarak değişebildiğinden, protein homeostazı üzerindeki doğrudan etkilerini anlamak önemlidir. Bu çalışmada, endojen metabolitlerin proteinlerin toplanmasını etkileyip etkilemediğini ve eğer yaparlarsa etki mekanizmalarının ne olduğunu sorduk. Monomerik, oligomerik ve monomeriklere bağlanarak doğrudan bir etki midir?liflitürler veya agregatlar mı yoksa çeşitli diğer hücresel homeostatik mekanizmalar üzerinde etki ederek dolaylı mı? Araştırmalarımız boyunca, HSF-1 ve akış aşağı HSP40 ko-şaperonları J-proteinlerinin seviyelerini artırarak bir sitoplazmik katlanmamış protein tepkisini tetikleyen ve sonuçta A'nın temizlenmesine neden olan iki insan endojen metaboliti belirledik. bir araya toplarC. elegansAD modeli.
Sonuçlar
Endojen metabolitlerin küçük moleküllü protein homeostaz düzenleyicileri olarak tanımlanması.
ilişkili metabolitleri belirlemek içinAD, fragmanları ve benzerlik puanlarını hesaplayarak başladık35 (bkz."Yöntemler" bölümü) Cala mini ve diğerleri tarafından protein homeostazı düzenleyicileri olarak bildirilen küçük moleküllerin.34 (İncir.2A). Bu parçaları kullanarak İnsan Metabolom Veritabanını (HMDB) taradık.36 beyin omurilik sıvısında (BOS) tespit edilen metabolitler için. Beynin hücre dışı alanıyla doğrudan temas halinde olan BOS, beynin biyokimyasını yansıtarak beyin metabolizmasına bir pencere sağlar.37 ilişkili metabolitleri şeklinde. Bu çalışmada, eksojen metabolik ürünleri içermeyen birincil hücresel mekanizmalarda aktif olan moleküllere bakmak istediğimiz için yalnızca endojen metabolitleri dikkate aldık. Bizim mantığımız, endojen metabolitlere odaklanmanın, çevreye ve/veya hücresel hakaretlere bir yanıt olarak nörodejenerasyonda riske atılan temel hücresel süreçleri belirlemeye yardımcı olabileceğidir. Vücut sıvılarındaki metabolitlerin saptanması ve miktarının belirlenmesi zor olduğundan, yalnızca kapsamlı bir şekilde saptanan ve miktarı belirlenen metabolitleri filtreledik. Daha sonra KEGG veritabanını kullandık38 bu metabolitlerle ilişkili biyokimyasal yolları ve ayrıca nörodejenerasyonda özellikle düzensiz olan metabolitleri tanımlamak için (Ek Veri 1). Düzensizlik durumunda, bu metabolitlerin yukarı regülasyon ve aşağı regülasyon seviyeleri, HMDB'den ve burada bulunan ilgili literatürden temin edilebilir. Daha sonra nörodejenerasyonda metabolitlerin düzensiz durumunu doğrulamak için bir literatür taraması yaptık. Bu durumu bir PubMed araması yaparak bir ilişkilendirme puanı olarak sıraladık (bkz."Yöntemler" bölüm) (Ek Veri 1). Prensipte ilişkilendirme puanı, PubMed'de bildirilen çalışmalarda AD'nin tanımlanan endojen metabolit ile ilişkisini tanımlar. Belirlenen metabolitleri yukarı regüle edilmiş ve aşağı regüle edilmiş olarak sınıflandırmak, normal konsantrasyonlarının hücresel homeostazı sürdürme üzerindeki etkileri ve hastalıkta düzensizlikleri hakkında fikir verir. 380 endojen CSF metabolitinin 186'sının nörodejenerasyonda düzensiz olduğunu bulduk (Ek Veri 1). Daha sonra şu altı metabolite odaklandık: 1-metilhistidin, homovanilik asit, melatonin,L-karnosin, vanilglikol ve kinürenik asit (Tablo1), bilinen HSF-1 protein homeostaz düzenleyicileri ile üst üste binen fragmanları paylaştıkları için seçildiler (Şekil 1a).2B). Daha sonra, A'nın toplanmasını modüle etmedeki olası rollerini deneysel olarak araştırdık. 42, A'nın oldukça sitotoksik 42-kalıntı formu .
Karnosin ve kynurenik asit, AD'nin bir C. elegans modelini kurtarır. C. elegansinsanlarla temel biyokimyasal benzerlikleri paylaşan iyi karakterize edilmiş bir yaşlanma modelidir.
Üstelik ortalama ömrü 2 olan–3 hafta, protein agregasyonunu incelemek için güçlü bir in vivo araç sağlar. Endojen metabolitleri araştırdığımız ve metabolitlerin agregatları temizleyip temizleyemeyeceğini ve hangi mekanizma ile temizleyebileceğini araştırmak istediğimiz için,C. elegansin vitro tarama yaklaşımı yerine tarama için in vivo sistem. Önce doza bağlı bir tarama yaptık (0, 1, 5 ve 10μM) (Ek Şekil 1 ve 2'deki genişletilmiş veriler), köklü bir genel uygunluğu test etmek için proteostaz düzenleyicileri olarak tanımladığımız altı metabolitinC. elegansmodel, GMC101 (GMC), burada A 42, büyük kas hücrelerinde aşırı eksprese edilir39. Bu model, yaşa bağlı inklüzyon oluşumunu ve dakikadaki vücut bükülme sayısındaki (BPM) azalma, felç oranındaki artış ve hareket hızındaki azalma ile ölçülebilen ilgili toksisiteyi gösterir.39 (İncir.3). Herhangi bir belirti bildiririzfifiBPM, hız (mm/sn) ve canlı oranın bir fonksiyonu olarak solucanların toplam davranışsal tepkisi olarak uygunluğu düşündüğümüz genel uygunluktaki değişiklikler olarak metabolit tedavisinden yararlanamaz. Thio'yu kullandıkflflavin-T (ThT), daha önce yetişkinlerde yaşam süresini önemli ölçüde uzattığı ve yaşlanmayı yavaşlattığı gösterilen bir pozitif kontrol olarakC. elegans40; ThT'nin bu yararlı etkileri HSF-1, stres direnci ve uzun ömürlü transkripsiyon faktörü SKN-1, moleküler şaperonlar, otofaji ve proteazomal fonksiyonlara bağlıdır40 (Ek Şekiller 1 ve 2). GMC ve vahşi tip N2 solucanlar, gelişimsel etkilerden kaçınmak için L4 aşamasında metabolitlere kaydırıldı ve A'nın fenotipik belirtileri ortaya çıktığında yetişkinliğin 5. gününde motilite testlerine tabi tutuldu. 42 toksisite belirgindir (Şek.3). Üç metabolitin, karnosin, herhangi bir glikol ve kynurenik asidin, işlenmemiş GMC solucanlarına kıyasla solucan uygunluğunu geliştirdiğini bulduk (Ek Şekiller 1, 2 ve ayrıntılı karakterizasyon için bkz.3). ThT'yi solucan için pozitif kontrol olarak kullandıkfifitness40. Karnosin ve kinurenik asit ile elde edilen sonuçların, işlenmemiş solucanlara kıyasla gelişmiş motilite ve belirgin şekilde azalmış NIAD-4-lekeli agregalar açısından oldukça tekrar üretilebilir olduğunu bulduk ve bu nedenle, daha fazla karakterizasyon için bu iki metaboliti seçtik.
Şekil 2 KimlikAD'de düzensiz olan protein homeostazı düzenleyicileri olarak endojen metabolitlerin. AAD'de de düzensiz olan aday protein homeostaz düzenleyicileri olarak İnsan Metabolome Veritabanından (HMDB) endojen metabolitleri tanımlamak için kullandığımız hesaplamalı fragman tabanlı stratejinin şeması.b Bu yaklaşımı kullanarak, belirledikprotein homeostazı düzenleyicileri olarak görev yapan altı aday metabolit (Tablo1, Ek Şekil 1 ve Ek Veri 1).
Farklı metabolit dozlarında, hem karnosin hem de kynurenik asit, 5. günde motilitenin iyileştirilmesinde net bir yanıt gösterir (Şekil 1a).3b–e) yetişkinliğin ilk (genç) günleriyle karşılaştırıldığında. GMC hareketliliği (BPM'de) 15'lik bir konsantrasyonda en yüksektiμM karnosin ve 10μM kinurenik asit, buna karşılık gelen daha düşük agrega sayısı ile (Şekil.3f,g). Karnosinin 10 konsantrasyon aralığında eşit derecede etkili olduğunu gördük.–25 μM ve. kynurenic asit, agrega sayısını 15'e düşürmede en etkiliydi.μM konsantrasyonu.
Her iki durumda da, konsantrasyonlarda daha fazla artış (Büyük veya eşittir50 μM), muhtemelen metabolitlerin ilişkili olmayan toksik etkilerinden dolayı motilitede herhangi bir gelişme göstermedi.C. elegans(Ek Şekil 1h, i). Karnosin ve kynurenik asidin solucan motilitesindeki ve toplamındaki değişiklikler üzerinde herhangi bir açık etkisi gözlemlemedik.Fitnessvahşi tip N2 solucanlarında puan (Ek Şekil 4). ToplamFitnesspuan, vücut kıvrımlarını, hızı, felç oranlarını, hayvan başına düşen alanı ve ortalama hataları içeren metrikler kullanılarak hesaplanır. Sonuçparmak iziPerni ve diğerlerinde açıklandığı gibi açık kaynaklı yazılım kullanılarak bir radar grafiği şeklinde oluşturulur.41.
