Macroautofagie en mitofagie bij neurodegeneratieve aandoeningen: focus op therapeutische interventies, deel 2

2. Mitofagie

Mitochondria herbergen een dubbel membraan, bestaande uit een binnenste mitochondriaal membraan (IMM) en een buitenste mitochondriaal membraan (OMM), gescheiden door de intramembranespace.

Het binnenste mitochondriale membraan is een belangrijk onderdeel van de cel. De belangrijkste functie ervan is het genereren van de energie die de cel nodig heeft en het controleren van de stofwisseling van de hele cel. Modern biologisch onderzoek toont aan dat het binnenste mitochondriale membraan ook nauw verwant is aan het menselijke cognitieve vermogen, vooral het geheugen.

De moleculen van het binnenste mitochondriale membraan bevatten ook enkele componenten die verband houden met cognitie en het zenuwstelsel, zoals membraaneiwitten en oxidatieve fosforyleringssystemen. Deze componenten zijn direct betrokken bij het metabolische proces van hersencellen, en hun activiteitsstatus zal de normale functie van neuronen beïnvloeden, waardoor de menselijke cognitie en het geheugen worden beïnvloed.

Bovendien speelt een molecuul genaamd mitochondriale transporter in het binnenste mitochondriale membraan ook een belangrijke rol bij geheugenopslag en -herinnering. Dit molecuul kan neuronen helpen chemische signalen tussen synapsen over te brengen en de connectiviteit van synapsen te versterken, waardoor langdurige opslag en nauwkeurige herinnering van het geheugen wordt bereikt.

Samenvattend: het verband tussen het binnenste mitochondriale membraan en het cognitieve vermogen en geheugen is al lang wetenschappelijk geverifieerd. Het optimaliseren van de metabolische toestand van het binnenste mitochondriale membraan helpt de werkefficiëntie van de hersenen te verbeteren en verbetert de cognitieve en geheugencapaciteiten van mensen. Daarom kunnen we de gezondheid van het binnenste mitochondriale membraan bevorderen door ons dieet op de juiste manier aan te passen, te sporten en een goede houding aan te nemen, waardoor ons geheugen en cognitieve vaardigheden worden verbeterd. Het is duidelijk dat we het geheugen moeten verbeteren, en Cistanche kan het geheugen aanzienlijk verbeteren omdat het ook de balans van neurotransmitters kan reguleren, zoals het verhogen van de niveaus van acetylcholine en groeifactoren, die erg belangrijk zijn voor het geheugen en het leren. Bovendien kan Cistanche ook de bloedstroom verbeteren en de zuurstoftoevoer bevorderen, wat ervoor kan zorgen dat de hersenen voldoende voeding en energie krijgen, waardoor de vitaliteit en het uithoudingsvermogen van de hersenen worden verbeterd.

Klik op supplementen kennen om het geheugen te verbeteren

Deze organelconfiguratie is essentieel voor het in stand houden van een elektrochemische gradiënt, waardoor mitochondriën de noodzakelijke hoeveelheid ATP kunnen genereren die door cellen kan worden gebruikt [77]. De eliminatie van defecte mitochondriën is een essentieel kwaliteitscontrolemechanisme om een ​​gezonde verzameling mitochondriën in stand te houden en een levensvatbare netwerk in neuronale cellen [78].

Deze cellen zijn gevoeliger voor mitochondriale defecten vanwege hun hoge metabolische eisen; de selectieve eliminatie van disfunctionele organellen is dus van vitaal belang voor betrouwbare neurotransmissie.

Mitochondria die onomkeerbaar beschadigd zijn of niet langer efficiënt worden, worden geëlimineerd door mitofagie, een selectief mechanisme waarbij gespecialiseerde receptoren gebrekkige mitochondriën herkennen en vracht bemiddelen die gericht is op autofagische blaasjes [79]. Cellen maken gebruik van verschillende methoden om defecte mitochondriën te recyclen, namelijk ubiquitine-afhankelijke en onafhankelijke routes.

Neuronale cellen nemen vooral hun toevlucht tot het ubiquitine-afhankelijke mechanismesysteem dat wordt gecontroleerd door PTEN-geïnduceerde kinase 1 (PINK1)/Parkine om een ​​actieve en dynamische pool van mitochondriën te behouden.

PINK1 is een amitochondriaal eiwit waarvan de accumulatie in de OMM fungeert als een sensor voor het in stand houden van de mitochondriale functie, omdat het beschadigde mitochondriën signaleert voor afbraak [80].

PINK1 vertoont een mitochondriaal gerichte sequentie en wordt dus systematisch geïmporteerd in de IMM door te complexeren met translocases van de buitenmembraan 20 en 40 (TOM20 en TOM40) [81], waar het wordt gesplitst door het intramembraan serineprotease preseniline-geassocieerde rhomboïde-achtige (PARL) [ 82] en daarom onder fysiologische omstandigheden op een laag niveau gehouden.

Bij een bepaalde schade nemen de moleculaire interacties tussen TOM20/40 en PINK1 af, en clustert PINK1 in de OMM van beschadigde mitochondriën, wat de fosforylering van Parkine en de daaropvolgende rekrutering bevordert [83].

Parkine, een cytosolisch E3-ubiquitineligase, ubiquitineert een groot aantal eiwitten van de OMM, die worden herkend door receptoren zoals p62, ook wel sequestosoom 1 (SQSTM1) genoemd. p62/SQSTM1 is de ubiquitine-bindende receptor die verantwoordelijk is voor het aandrijven van ubiquitinated mitochondria naar de autofagosoom-assemblageplaats door interactie met de LC3/GABARAP-receptoren van de ATG8-familie [84].

Deze receptoren herkennen ook de LIR-motieven van veel OMM-eiwitten voor specifieke targeting van beschadigde mitochondria op de autofagosoom-assemblageplaats [85]. In neuronale cellen wordt ubiquitine-onafhankelijke mitofagie georkestreerd door twee bifunctionele eiwitten, BCL2 en adenovirus E1B 19 kDa-interacterend eiwit 3 (BNIP3L) en BNIP3-is net als proteïne X (NIX) ook verantwoordelijk voor de differentiatie van retinale ganglioncellen (RGC's). BNIP3 en NIX bevatten een BH3-domein en bevinden zich voornamelijk op het OMM.

Deze eiwitten hebben een WXXL-achtig motief met een affiniteit voor LC3 en zijn homoloog GABARAP, waardoor mitochondriën naar autofagische blaasjes worden gedreven. Tijdens retinale neurogenese vindt er een metabolische verschuiving plaats, die gepaard gaat met een toename in de expressie van beide eiwitten [86].

NIX-activiteit kan worden gemedieerd door het verhogen van de niveaus van reactieve zuurstofsoorten (ROS) in verschillende cellijnen [87], waardoor een nieuwe laag van complexiteit wordt toegevoegd naast ontwikkelingsfuncties. De ROS-productie neemt inderdaad toe als gevolg van beschadigde mitochondriën [88] en kan mitofagie veroorzaken [88]. NIX kan ook de translocatie van Parkine naar de mitochondriën reguleren na een depolariserende stimulus, zoals CCCP [87].

Bovendien hebben BNIP3L en NIX-gereguleerde mitofagie neuroprotectieve functies. In een model van hersenischemie was de selectieve afbraak van mitochondriën, gemedieerd door deze eiwitten, cruciaal voor de overleving en functie van neuronen [89]. Bovendien is overexpressie van NIX alleen voldoende om mitofagiedefecten te herstellen die worden waargenomen in cellijnen afkomstig van Parkinson-patiënten [90].

Fun14-domeinbevattend eiwit 1 (FUNDC1) is een OMM-eiwit dat een interactie aangaat met LC3 en GABARAP en mitofagie bemiddelt in hypoxische omstandigheden. Op homeostatische niveaus wordt de FUNDC1-afhankelijke mitofagie onderdrukt door Src-kinase-gemedieerde fosforylering in de groep van het LIR-motief op Tyr18.

In een hypoxische toestand resulteert verminderde Src-activiteit in FDUNC1 Tyr18-defosforylering, waardoor de interactie met LC3 en daaropvolgende mitofagie wordt vergemakkelijkt [91]. Bovendien bevordert hypoxie-aangedreven fosforylatie van ULK1 door AMPK bij Ser555 de translocatie van ULK1 naar de mitochondriën, waardoor de FUNDC1-activiteit toeneemt [92]. Bovendien is Optineurin (OPTN) een cytosolische receptor gelokaliseerd op de OMM die mitofagie bevordert door zijn interactie met LC3 [93].

Interessant is dat OPTN-disfunctie geassocieerd is met neurodegeneratieve ziekten, evenals met andere pathologieën [94]. Over het geheel genomen vormt mitofagie een essentieel kwaliteitscontrolemechanisme voor het handhaven van het neuronale metabolisme en de homeostase.

Het transport van mitochondria binnen neuronen is afhankelijk van anterograde en retrograde bewegingen en is essentieel om te voldoen aan de energetische en metabolische vereisten langs de neuronale structuur. Deze bewegingen zijn ook essentieel voor het herstel en de afbraak van de mitochondriën en worden ondersteund door transportadaptereiwitten (Figuur 3).

3. Autofagie en neurodegeneratieve ziekten

3.1. De ziekte van Alzheimer

AD is een neurodegeneratieve aandoening en de meest voorkomende vorm van dementie onder de oudere bevolking, die wereldwijd bijna 50 miljoen mensen treft [95]. Familiaire AD met vroege aanvang (EOAD, fAD) is verantwoordelijk voor minder dan 5% van de gevallen en ontwikkelt zich vóór de leeftijd van 65 jaar.

Autosomaal dominante mutaties in drie genen zijn in verband gebracht met EOAD: het gen voor amyloïde precursoreiwit (APP) en de preseniline-1 (PSEN1) en preseniline-2(PSEN2) genen, subeenheden van het -secretasecomplex [ 95]. De meest voorkomende vorm is echter de laat optredende sporadische vorm van AD (LOAD, sAD) met een prevalentie hoger dan 95% en met een onbekende etiologie.

De neuropathologie van AD wordt gekenmerkt door progressieve cognitieve stoornissen en achteruitgang van het geheugen, die gecorreleerd zijn met de aanwezigheid van extracellulaire afzetting van amyloïde-plaques (A, aggregatie van amyloïde peptiden) en intraneuronale neurofibrillaire tangles (NFT's, aggregatie van hypergefosforyleerde tau-eiwitten) die de synaptische structuur in gevaar brengen. integriteit en homeostase, wat leidt tot onomkeerbare schade in specifieke hersengebieden zoals de hippocampus en de cortex [96].

De A-peptiden worden gegenereerd door de sequentiële proteolytische verwerking van het amyloïde precursoreiwit (APP) door APP-splitsend enzym 1/-secretase (BACE1) en -secretase via de amyloïdogene route. Splitsing van APP door BACE1, waarvan de activiteit verhoogd is in de hersenen van sporadische AD-patiënten [97], vindt voornamelijk plaats in endosomen, waardoor een zure omgeving ontstaat voor optimale enzymactiviteit [98].

Intracellulair verkeer van APP vindt plaats via secretoire en endocytische routes. APP wordt uitgescheiden naar het plasmamembraan en vervolgens geïnternaliseerd door clathrine-gemedieerde of caveolin-gemedieerde endocytose [99].

In endosomen kan APP worden gesplitst door BACE1, waardoor het N-terminale APP-fragment (sAPP) en het C-terminale fragment ontstaan; deze laatste kunnen verdere splitsing door -secretase ondergaan, resulterend in de vorming van A en het intracellulaire APP-domein. In de niet-amyloïdogene route wordt APP door -secretase in het midden van het A-domein gesplitst, waardoor de vorming van de A-peptiden wordt voorkomen.

De splitsing door -secretase vindt plaats op verschillende posities van het C-terminale fragment, resulterend in de vorming van A-peptiden met verschillende lengtes. De meest voorkomende gevormde oplosbare peptiden zijn A 1-38 en A 1-40, gevolgd door A 1-42, waarbij de laatste meer hydrofoob is en gevoeliger voor de vorming van trimeric en tetramere oligomeren, en dus de meest giftige isovorm vertegenwoordigt. [100].

Een oligomeer heeft de neiging A-fibrillen te vormen met geplooide vellen die zich extracellulair verzamelen tot amyloïde plaques [101]. A is ook in verband gebracht met de hyperfosforylering en aggregatie van tau, een met microtubuli geassocieerd eiwit dat normaal gesproken helpt bij de polymerisatie en assemblage van axonale microtubuli en blaasjestransport.

De fosforyleringsstatus van tauis wordt gereguleerd door verschillende kinasen en fosfatasen die worden gemoduleerd in de aanwezigheid van A-oligomeren; glycogeensynthasekinase-3 (GSK3) en proteïnefosfatase 2A(PP2A) reguleren bijvoorbeeld rechtstreeks de tau-fosforyleringsstatus [102]. De hypergefosforyleerde toestand van tau remt de associatie ervan met microtubuli, waardoor de stabilisatie ervan wordt beïnvloed en dit leidt tot demontage van het microtubuli-netwerk [103,104].

De proteolytische splitsing van hypergefosforyleerd tau veroorzaakt de vorming van tau-oligomeren [105] die giftiger zijn dan aggregaten, wat leidt tot progressieve neuronale dood [106].

3.1.1. Autofagiestoornis in AD

Bij AD zijn verschillende moleculair pathogene mechanismen gerapporteerd die resulteren uit de accumulatie van A-oligomeren en tau-hyperfosforylering, namelijk mitochondriale disfunctie [107,108] en verstoring van proteostasesystemen, zoals ongevouwen eiwitrespons en autofagie [109].

Hoewel A-peptiden een KFERQ-gerelateerd motief vertonen, wat belangrijk is voor de normale verwerking en afbraak van APP, zijn deze fragmenten geen substraten voor CMA-afbraak [110], en macroautofagie helpt bij de klaring ervan [111].

Macroautofagie speelt inderdaad een belangrijke rol in het A-metabolisme omdat het betrokken is bij de afbraak en klaring van APP [112] en zijn splitsingsproducten, waaronder A [113] en APP-CTF's (door amyloïde precursoreiwit gesplitst C-terminaal fragment) [114].

Autofagie-disfunctie is aangetoond bij zowel AD-patiënten als diermodellen. In de hersenen van AD-patiënten werd een accumulatie van onrijpe autofagische blaasjes die filamenteuze tau bevatten waargenomen in dystrofische neurieten [115].

Deze autofagische blaasjes worden vaak aangetroffen in proximale gebieden van amyloïde plaques in de hersenen van androdentmodellen van patiënten [116]. Vreemd genoeg werd accumulatie van autofagosomen ook waargenomen in dendrieten en soma van APP/PS1 transgene muisneuronen, zelfs vóór het verschijnen van A-plaques [117]. Bovendien werd een accumulatie van onrijpe autofagische blaasjes waargenomen vóór neuronaal verlies in de hippocampus van het PS1M146L/APP751SL-muismodel [118].

De abnormale accumulatie van autofagosomen in neuronen suggereert dat de defecte autofagische-lysosomale route bijdraagt ​​aan de accumulatie van A- en tau-oligomeren bij AD [117]. APP en PSEN1 lokaliseren in autofagosomen; een accumulatie van deze organellen wordt dus geassocieerd met een toename van de A-generatie, die op zijn beurt de autofagosoommembranen verstoort [115].

Bijgevolg kunnen de onvolwassen autofagosomen die worden beschreven in AD-hersenen en APP/PS1-transgene muizen een andere bron vormen voor de A-generatie. Hersenen van PSEN1-EOAD-patiënten vertonen lysosomale stoornissen die verband houden met amyloïdepathologie en neurodegeneratie [119].

Er is gesuggereerd dat autofagosoomaccumulatie het gevolg zou kunnen zijn van een verslechtering van de autofagosoom-lysosoomfusie of een defecte lysosoomvertering [120]. Studies toonden een verandering aan in de autofagie-initiatie, met name een afname van de Beclin 1-expressie in de cortex van AD-patiënten en muismodellen [121]. . De verhoogde activiteit van caspase 3 bij AD-patiënten zou de overmatige splitsing van Beclin 1 kunnen verklaren [122].

De genetische reductie van Beclin 1 in een transgeen muismodel van AD dat menselijk APP tot expressie brengt, verhoogde de accumulatie van A, terwijl overexpressie van Beclin 1 de A-niveaus significant verlaagde [113]. Naast Beclin-1 werden andere ATG-eiwitten in een tijdperk van veroudering gedownreguleerd. afhankelijke wijze, resulterend in een accumulatie van A [123]. ATG7, een sleuteleiwit bij de regulatie van autofagie, was betrokken bij AD-pathologie.

De niveaus van ATG7 bleken verlaagd te zijn in de hersenschors en de hippocampus van een AD-muismodel, maar er werden geen veranderingen gedetecteerd in de temporale cortex bij AD-patiënten [124]; ATG7 knockdown-muizen vertoonden een vermindering van A-secretie, vergezeld van een toename van intracellulair A [125], wat verder een rol voor ATG7 ondersteunt bij het transport van A-peptiden naar uit te scheiden multivesiculaire lichamen.

Er werd aangetoond dat de expressie van p62 verlaagd was in een drievoudig transgeen muismodel, wat de initiële stappen van selectieve autofagie in AD in gevaar bracht [126]. Een genoombrede analyse onthulde echter transcriptionele opregulatie van positieve regulatoren van autofagie bij AD.

In overeenstemming met de activering van autofagie werden in de vroege stadia van AD een verhoging van de ATG-eiwitniveaus en een hogere snelheid van autofagosoomvorming en lysosomale biogenese waargenomen [127]. Deze controverse suggereert een differentiële autofagieregulatie in de vroege en late stadia van AD, waarmee rekening moet worden gehouden bij het evalueren van het mechanisme in verschillende modellen en bij het zoeken naar therapeutische strategieën.

De aanwezigheid van onrijpe autofagosomen in dystrofische neurieten suggereert dat het retrograde transport van autofagie-gerelateerde blaasjes en hun rijping verstoord zijn bij AD [128]. Ter ondersteuning hiervan leidt remming van de afgifte van autofagosomen aan lysosomen tot hun accumulatie in neurieten met vergelijkbare morfologie, zoals beschreven in AD [64].

A-oligomeren kunnen het dyneïne-snapine-complex verstoren, waardoor het axonale blaasjestransport wordt aangetast, wat zou kunnen bijdragen aan een defecte afgifte van autofagosomen aan lysosomesine AD [129]. Afbraak van tau, dat zich voornamelijk in axonen en minder vaak voorkomende inneurieten en soma bevindt, vindt plaats via proteasoom of door macro-autofagie, afhankelijk van de staat van de soligomerisatie.

AD-geassocieerde tau-modificaties drijven de afbraak ervan via macro-autofagie wanneer de proteasoom-gemedieerde proteolyse wordt aangetast door ziekteprogressie [130]. Van belang is dat de afbraak van tau verschillende fragmenten kan produceren die binden aan Hsc70 en door de CMA op LAMP-2A worden gericht [131,132].

Toch veroorzaakt de accumulatie van deze fragmenten in het lysosomale membraan de aggregatie van tau, wat de lysosomale integriteit verstoort en CMA blokkeert [132]. De verslechtering van de autofagische-lysosomale route resulteert in de aggregatie van tau-oligomeren, die op hun beurt worden afgebroken wanneer macro-autofagie wordt geïnduceerd met rapamycine [132,133].

Tau is essentieel voor de retrograde beweging van autofagosomen naar lysosomen door de stabilisatie van microtubuli, een rol die in het AD wordt aangetast [134]. Hyperfosforylering van tau en de oligomerisatie ervan resulteert in de verplaatsing van microtubuli-machines en bijgevolg in de verslechtering van de beweging en rijping van autofagosomen, wat ook bijdraagt ​​aan autofagiedisfunctie.

Naast defecten in het autofagosoomtransport werd bij AD ook een verslechtering van de lysosomale functie beschreven. PSEN1 is een regulator van de lysosomale functie en fungeert als chaperonne voor de vacuolaire ATPase die het lysosomale lumen verzuurt. Mutaties in PSEN1 verstoorden de lysosomale verzuring en autofagosoom-lysosoomfusie, resulterend in de accumulatie van A-geladen autofagosomen [135].

Bovendien werd gesuggereerd dat lysosomale proteolyse wordt beïnvloed bij AD; hoge niveaus van A, LC3-II en ubiquitinated eiwitten waren aanwezig in zowel lysosoom- als autofagosoomfracties geïsoleerd uit het AD-transgene muismodel [136]. In overeenstemming hiermee resulteert de verstoring van lysosomale proteolyse door het remmen van lysosomale cathepsines in gezonde neuronen in de accumulatie van autofagische blaasjes met een vergelijkbare morfologie als die aanwezig bij AD-patiënten en transgene muismodellen [64].

A brengt ook de integriteit van het lysosomale membraan in gevaar, wat resulteert in de afgifte van cathepsinen in het cytoplasma [137,138]. De aanwezigheid van cathepsine D in exosomen geïsoleerd uit het bloed van preklinische AD-patiënten [139] ondersteunt de hypothese van een ineffectieve lysosomale functie. Vreemd genoeg werden genetische variaties in het voor Cathepsine D coderende gen ook beschreven als risicofactoren voor AD [140].

De analyse van het autofagieproces in neuronen van de vroege tot de laatste stadia van AD toonde een verhoogde expressie van autofagiegenen in vroege stadia aan, maar het lysosomale klaringsdefect resulteerde in de accumulatie van autolysosomale structuren met de progressie van de ziekte [141]. Sirtuins (SIRT's) omvatten een groep van nicotinamide-adenine-dinucleotide (NAD+)-afhankelijke eiwitten die regulatoren zijn van meerdere cellulaire routes.

Onder hen is Sirt1 in verband gebracht met autofagieregulatie. Lagere niveaus van SIRT1 brengen de door deacetylering gemedieerde activering van stroomafwaartse autofagie-eiwitten (bijv. ATG5, ATG7 en LC3) in gevaar [142], wat ook kan bijdragen aan autofagiestoornissen bij AD. De niveaus van SIRT1 zijn verlaagd in de pariëtale cortex van AD-hersenpatiënten en correleren met de accumulatie van A- en tau-tangles [143].

Activering van mTOR, de centrale coördinator van autofagie, werd beschreven in AD als reactie op A-accumulatie [144]. A verhoogt de mTOR-activiteit, wat ook resulteert in hogere tau-expressie en GSK3 -gemedieerde fosforylatie [145], wat een rol ondersteunt voor mTOR in tau-gemedieerde pathogenese. Bovendien werd de uitscheiding van fosfo-tau via exocytotische blaasjes door mTOR-signalering waargenomen in de hersenen van AD-patiënten [146].

Ontregeling van de PI3K/Akt/mTOR-route is ook betrokken bij AD-pathogenese [147]. Activering van PI3K door groeifactoren (bijv. insuline-achtige groeifactor-1, IGF1) bevordert de fosforylering van Akt en indirecte activering van mTORC1, bevordert autofagie. Bij AD interageert A met en remt de PI3K/Akt/mTOR-route [148], wat leidt tot activering van GSK3 en verhoogde tau-hyperfosforylering.

Bovendien is de transcriptiefactor EB (TFEB), de hoofdregulator van de lysosoombiogenese, een stroomafwaarts doelwit van mTORC1. Een afname van de mTORC1-activiteit induceert defosforylering van TFEB en de translocatie ervan naar de kern om de expressie van autofagie en lysosomale biogenese-gerelateerde genen te activeren [149].

Er werd gevonden dat de niveaus van TFEB verlaagd waren in de hersenmonsters (hippocampus) van AD-patiënten, met name door afnemende nucleaire niveaus van TFEB in de gevorderde stadia van de ziekte [150].

Bovendien werd TFEB-translocatie naar de kern verzwakt in preseniline-deficiëntie fibroblasten en geïnduceerde pluripotente stamcel-afgeleide menselijke AD-neuronen, resulterend in verminderde CLEAR-netwerkactivatie [151].

In een dubbel-transgeen APP/PS1-diermodel werden echter verhoogde niveaus van totaal en nucleair TFEB gedetecteerd in de hippocampus van 8-maanden oude AD-muizen met een gelijktijdige toename van de stroomafwaartse doelwitten ervan, wat suggereert dat TFEB betrokken is bij lysosomale- gemedieerde AD-progressie [152]. De opregulatie van TFEB-doelgenen werd ook gerapporteerd bij PS1 voorwaardelijke knock-out muizen en 5xFAD muizen [153].

De activering van het TFEB-netwerk zou een poging kunnen weerspiegelen om de verstoorde autofagie in AD-diermodellen te compenseren. De exacte rol van TFEB als hoofdregulator van de lysosomale functie bij AD-pathogenese is nog lang niet volledig begrepen en vereist verder onderzoek.

For more information:1950477648nn@gmail.com