Het diagnostische potentieel van amyloïdogene eiwitten Deel 1

Abstract:

Neurodegeneratieve aandoeningen zijn een veel voorkomende klasse van ziekten, waarvan de pathologische mechanismen beginnen voordat er duidelijke symptomen optreden. Dit feit heeft wetenschappers ertoe aangezet te zoeken naar biomarkers die een vroege behandeling kunnen bevorderen.

Deze momenteel ongeneeslijke pathologieën delen de aanwezigheid van afwijkende aggregaten, amyloïden genaamd, in het zenuwstelsel, die zijn samengesteld uit specifieke eiwitten.

In deze review bespreken we hoe deze eiwitten, hun conformaties en modificaties kunnen worden benut als biomarkers voor diagnostische doeleinden.

Eiwit is een van de belangrijke stoffen voor het behoud van een goede gezondheid en heeft ook een belangrijke invloed op het geheugen. Eiwit bestaat uit aminozuren, de grondstoffen voor hersencellen en neurotransmitters. Daarom is de eiwitinname nauw verbonden met het geheugen.

Allereerst zijn eiwitten een essentiële stof voor het lichaam om weefsels op te bouwen en te repareren. Hersencellen zijn rijk aan enzymen en regulerende stoffen, die eiwitten als component nodig hebben om normaal te kunnen functioneren. Een te laag eiwitgehalte in het lichaam zorgt ervoor dat de hersencellen niet normaal functioneren, waardoor het geheugen wordt aangetast. Daarom speelt het handhaven van een adequate eiwitinname een belangrijke rol bij de ontwikkeling van de hersenen en het onderhoud van het geheugen.

Ten tweede heeft eiwit het effect dat het de hersencelactiviteit verbetert. Het menselijk lichaam heeft een grote hoeveelheid neurotransmitters in de hersenen nodig om de normale werking van functies zoals denken, geheugen en gedrag te behouden. Neurotransmitters in de hersenen worden gesynthetiseerd uit aminozuren in het lichaam, en de bron van deze aminozuren is eiwit. Daarom kan het kiezen van voedingsmiddelen die rijk zijn aan hoogwaardige eiwitten de synthese van neurotransmitters in de hersenen verhogen, waardoor de hersencelactiviteit wordt verbeterd en het geheugen wordt helpen verbeteren.

Bovendien helpt eiwit ook de stabiliteit van het lichaam te behouden en schommelingen in de bloedsuikerspiegel te voorkomen. Een lage bloedsuikerspiegel kan symptomen veroorzaken zoals onoplettendheid, duizeligheid en vermoeidheid in het lichaam, die vaak de geheugenprestaties beïnvloeden. Door een gematigde eiwitinname te handhaven, kunnen schommelingen in de bloedsuikerspiegel effectief worden vermeden, wat helpt de stabiliteit van het lichaam te behouden en het geheugen te verbeteren.

Kortom, eiwit is nauw verwant aan het geheugen. Een gematigde inname van eiwitten kan de stabiliteit van het lichaam behouden, de activiteit van hersencellen verbeteren en zo het geheugen verbeteren. We moeten proberen meer eiwitrijk voedsel van hoge kwaliteit te eten, zoals vis, vlees, bonen en zuivelproducten, en voorkomen dat eiwitten volledig uit het dieet worden verwijderd. Dit zal ons helpen gezond te blijven, ons geheugen te verbeteren en van een beter leven te genieten. Het is duidelijk dat we ons geheugen moeten verbeteren, en Cistanche kan het geheugen aanzienlijk verbeteren, omdat Cistanche een traditioneel Chinees medicijn is met veel unieke effecten, waaronder het verbeteren van het geheugen. De werkzaamheid van Cistanche komt voort uit de verschillende actieve ingrediënten die het bevat, waaronder looizuur, polysachariden, flavonoïde glycosiden, enz., die op veel manieren de gezondheid van de hersenen kunnen bevorderen.

Klik op 10 manieren kennen om het geheugen te verbeteren

We richten ons op eiwitten die geassocieerd zijn met de meest voorkomende neurodegeneratieve aandoeningen, waaronder de ziekten van Alzheimer en Parkinson, amyotrofische laterale sclerose en frontotemporale dementie.

Ook beschrijven we de huidige uitdagingen op het gebied van detectie, de meest recente technieken met diagnostisch potentieel en mogelijke toekomstige ontwikkelingen in de diagnose.

Trefwoorden: neurodegeneratieve ziekten; biomerker; amyloïde; oligomeer; post-translationele modificatie.

1. De behoefte aan nieuwe diagnostische benaderingen voor neurodegeneratie

Neurodegeneratieve ziekten zijn dodelijke en ongeneeslijke aandoeningen, gekenmerkt door het voortschrijdende verlies van neuronen in specifieke delen van het zenuwstelsel. Ze vormen een zeer heterogene groep pathologieën, waaronder de ziekte van Alzheimer (AD), de ziekte van Parkinson (PD), frontotemporale dementie (FTD) en amyotrofische laterale sclerose (ALS).

Momenteel lijden wereldwijd meer dan 50 miljoen mensen aan verschillende vormen van neurodegeneratie [1]. Het klinische beloop van neurodegeneratieve ziekten beslaat gewoonlijk meerdere jaren en leidt tot progressieve tekorten in geheugen, cognitie en beweging in verschillende mate, afhankelijk van de specifieke pathologie [2]. . Bestaande medicamenteuze behandelingen zijn gericht op de verlichting van deze symptomen [3].

Bovendien wordt neuropsychologisch onderzoek nog steeds als cruciaal beschouwd bij de diagnose van neurodegeneratie geassocieerd met dementie [4]. De belangrijkste moleculaire ziektemechanismen treden echter op voordat er enige significante symptomen optreden.

De ontwikkeling van nauwkeurige diagnostische benaderingen zou tijdige therapeutische interventies mogelijk maken om de neuronale fysiologie te herstellen voordat onomkeerbare schade optreedt.

Het zou ook de introductie van nieuwe therapieën bevorderen, en de herwaardering van de huidige, die effectiever zouden kunnen zijn als ze in eerdere stadia zouden worden toegepast. Ondanks de dringende behoefte aan diagnostische benaderingen voor neurodegeneratie, vormt de ontwikkeling ervan nog steeds een grote uitdaging, vanwege de beperkte toegankelijkheid van de hersenen voor lichamelijk onderzoek en de complexiteit van klinische tests op basis van cognitieve vaardigheden [2].

Recente technologische ontwikkelingen hebben de karakterisering mogelijk gemaakt van nieuwe routes, biomoleculen en structuren in het zenuwstelsel en andere delen van het lichaam die gebruikt zouden kunnen worden als ziektemarkers van neurodegeneratie [5,6].

Hoewel de verschillende neurodegeneratieve ziekten een aantal verschillende fenotypes hebben, hebben ze ook enkele belangrijke moleculaire kenmerken gemeen. In het bijzonder ondergaan bij veel van deze aandoeningen specifieke eiwitten en peptiden, die normaal gesproken oplosbaar zouden zijn, een zelfassemblageproces dat leidt tot de vorming van grote fibrillaire aggregaten, genaamd amyloïden [7,8].

Dit proces omvat ook de vorming van kleinere oligomere tussenproducten, die zeer giftig zijn en momenteel worden beschouwd als belangrijke spelers in de ziektemechanismen [8]. Amyloïdeaggregatie houdt ook verband met andere aggregatieprocessen, zoals de vorming van condensaten [9]. Deze zullen echter niet de focus vormen van deze review.

Hier beschrijven we enkele van de meest bekende amyloïdogene eiwitten en hun diagnostische relevantie.

We concentreren ons op amyloïde-bèta (A) en tau voor AD, -synucleïne (-syn) voor PD, gefuseerd in sarcoom (FUS), en het TAR DNA-bindende eiwit 43 (TDP-43) voor ALS enFTD. We bespreken ook de allernieuwste ontwikkelingen in detectiebenaderingen om de aggregatie van deze eiwitten te monitoren.

2. Amyloïde-aggregatie als potentiële bron van biomarkers

Amyloïden zijn onoplosbare fibrillaire aggregaten verrijkt met een kruisstructuur, en hun vorming is uitgebreid in vitro gekarakteriseerd [7,8].

Amyloïdeaggregatie bestaat uit een complex netwerk van kiemvormingsgebeurtenissen. Aanvankelijk interageren oplosbare monomere eiwitten en vormen oligomeren door primaire nucleatie. Primaire kiemvorming kan ook worden veroorzaakt door de aanwezigheid van andere biomoleculen, zoals andere eiwitten [10], nucleïnezuren [11,12,] en membranen [13].

Oligomeren worden vervolgens omgezet in aggregaten van een hogere orde en uiteindelijk in amyloïde fibrillen. Zodra zich een kritische concentratie fibrillen heeft gevormd, katalyseert het oppervlak van deze fibrillen de vorming van extra oligomeren door secundaire kiemvorming [7,8]. Fibrillen kunnen ook langer worden door de toevoeging van monomeren aan hun uiteinden, en fragmentatie ondergaan [7,8]. Amyloïde fibrillen zijn extreem stabiele eiwitsoorten vanwege hun rijke cross-sheet-inhoud [8,14-16].

Integendeel, oligomeren worden snel omgezet in amyloïdaggregaten van hogere orde (Figuur 1). De voorbijgaande aard van oligomeren maakt ze moeilijk te isoleren en te karakteriseren op structureel niveau.

Pas onlangs is, dankzij nieuwe benaderingen zoals single-molecule fluorescentie en elektronenmicroscopie [14,17,18], aangetoond dat oligomeren zeer heterogeen zijn wat betreft hun fysiochemische eigenschappen en structuren, met variërende secundaire structuurinhoud [16,19,20]. .

Oligomeren zijn giftig door een groot aantal mechanismen, waaronder afwijkende hydrofobe interacties. Er is aangetoond dat oligomeren in weefsel en geïsoleerde cellen de membraanpermeabiliteit en ionenhomeostase kunnen beïnvloeden en oxidatieve stress kunnen veroorzaken [16,21-23].

Door oligomeren geïnduceerde vrije radicalen kunnen vervolgens het verkeerd vouwen van eiwitten, mitochondriale dysfunctie en uiteindelijk apoptose veroorzaken [24]. Oligomeren van A en -syn zijn ook in verband gebracht met neuro-ontsteking [22] en synapsisverlies [25,26].

Verschillende factoren kunnen de vorming van amyloïdefibrillen en oligomeren beïnvloeden. Deze omvatten genetische mutaties, cellulaire stress en de aan- of afwezigheid van specifieke biomoleculen.

Bovendien worden amyloïden in vivo uitgebreid post-translationeel gemodificeerd [27-29] en post-translationele modificaties (PTM's) veranderen significant de vorming en de toxiciteit van amyloïde fibrillen in vitro [27-31].

3. Amyloïdogene eiwitten die betrokken zijn bij neurodegeneratie

In de context van neurodegeneratie kunnen ziektemarkers worden onderverdeeld in neuropsychologische, neuroimaging, genetische, en biochemische markers [2]. In het bijzonder zijn biochemische markers (of biomarkers) meetbare moleculen in ons lichaam (bijvoorbeeld eiwitten, nucleïnezuren, metabolieten), die het stadium van een ziekte aangeven [32].

Amyloïdogene eiwitten zijn veelbelovende biomarkers, omdat ze informatie verschaffen over het biochemische profiel van de disfunctie van het zenuwstelsel [2]. Hieronder belichten we relevante amyloïdogene eiwitten en hun pathologische modificaties die kunnen dienen als biomarkers voor neurodegeneratieve aandoeningen.

3.1. A en Tau in AD

AD is de meest voorkomende vorm van dementie. De karakteristieke laesies in AD-hersenen zijn extracellulaire seniele plaques die zijn samengesteld uit amyloïde aggregaten van A en intracellulaire neurofibrillaire kluwens (NFT's) gevormd door gepaarde spiraalvormige amyloïde filamenten (PHF's) van hypergefosforyleerd tau (p-tau) eiwit [2,27].

A is een kort peptide dat wordt gegenereerd door de splitsing van een grotere transmembraanprecursor, het amyloïde precursoreiwit (APP) genoemd, door de opeenvolgende splitsing van de - en -secretasen en vrijgegeven in de extracellulaire ruimte [2,33].

Dit proces kan A-isovormen van verschillende lengtes genereren (Tabel 1), die verschillende graden van toxiciteit hebben in de context van AD [34]. De meest voorkomende A-isovormen zijn de 40- en 42-residu longones, doorgaans respectievelijk A 40 en A 42 genoemd. A 40 is de meest voorkomende variant in de plaques (~80% tot 90%) en is ook aanwezig in de hersenen van gezonde mensen.

A42 heeft een veel grotere neiging om te aggregeren, en een toename van de A42/A40-verhoudingen wordt geassocieerd met AD en andere vormen van dementie [30,34] (Tabel 2). Naast splitsing zijn genetische mutaties (A692G, E693Q in het APP-gen [35,36], Tabel 2) en vele andere PTM's van A in verband gebracht met AD, waaronder oxidatie, fosforylatie, glycosylatie en isomerisatie [30].

Studies tonen het optreden aan van acetylering (bijv. Lys16 en Lys28), fosforylering (bijv. Ser8 en Ser26), nitrering (bijv. Tyr10), pyroglutamaat (bijv. Glu3 en Glu11), isomerisatie (bijv. Asp1 en Asp7) en racemisatie (bijv. , Asp1, Asp23 en Ser26) in de context van ziekte [30,37-39] (Tabel 1).

Het is vermeldenswaard dat cognitieve achteruitgang meer correleert met oplosbare tussenvormen van A dan met de mate van amyloïdeafzettingen [16]. Tau is een belangrijk microtubuli-geassocieerd eiwit dat de inneuronen van de microtubuli stabiliseert [2,40]. In menselijke hersenen bestaat tau als zes verschillende isovormen die drie of vier microtubuli-bindende herhalingen dragen (R). Deze isovormen worden respectievelijk 3R en 4R genoemd.

Er is gevonden dat de aanwezigheid van 3R of 4R of zowel 3R als 4R amyloïden ziektespecifiek is. Bij AD, ALS, FT, D en Parkinsonisme zijn bijvoorbeeld zowel 3R- als 4R-amyloïden aanwezig, terwijl bij corticobasale degeneraties en de ziekte van Pick alleen respectievelijk 4R- en 3R-amyloïden worden aangetroffen [41,42]. Tau ondergaat PTM's, met name fosforylatie [40].

Pathologische hyperfosforylering vermindert de tau-affiniteit voor microtubuli en zorgt ervoor dat ze loskomen van microtubuli, wat resulteert in de vorming van PHF's en NFT's [2].

Tot op heden zijn 85 potentiële fosforyleringsplaatsen van tau geïdentificeerd [40]. Bovendien hebben moleculaire en cellulaire onderzoeken aangetoond dat acetylering (bijv. Lys174, Lys274 en Lys280), oxidatie (bijv. Cys322), nitrering (bijv. Tyr29), glycatie (bijv. Lys87, Lys132 en Lys150), afknotting (bijv. bij Asp13 en Lys150) Asp421 en Glu391) en ubiquitinatie (bijv. Lys48 en Lys63) hebben ook invloed op de tau-aggregatie [27] (Tabel 1).

3.2. -Syn in PD

In tegenstelling tot AD heeft Parkinson vooral invloed op het motorsysteem, waardoor trillingen, stijfheid, bradykinesie en posturale instabiliteit ontstaan ​​[2]. Het pathologische kenmerk van de ziekte van Parkinson is het voorkomen van cytoplasmatische amyloïde-insluitsels, bekend als Lewy bodies (LBs) en Lewy-neurieten (LNs). LBs en LNs bestaan ​​uit amyloïdeaggregaten, waarvan de hoofdcomponent -syn is [43].

-Syn bevat 140 residuen met een positief geladen N-terminaal gebied, een centraal gebied dat gevoelig is voor aggregatie, n,n, en een negatief geladen C-terminaal gebied [44,45].

Duplicaties of tripplicaties op het -syn-chromosoomgebied (4q21-23) en mutaties waaronder A53T, G51D, H50Q, E46K en A30P in de -syn-sequentie, gebieden die verband houden met vroege ziekte van Parkinson [46-48] (Tabel 2 ). -Syn behoort tot een eiwitfamilie die ook - en -synucleïnes omvat met een gelijkenis van 55%-62%. -Synucleïne heeft een verminderde neiging tot aggregatie en er is ontdekt dat het de aggregatie van -syn als een natuurlijke remmer onderdrukt, terwijl geoxideerd -synucleïne de aggregatie van -syn kan initiëren [49,50].

Van verschillende PTM's is bekend dat ze de aggregatie van -syn beïnvloeden, geassocieerd zijn met PD [28,] en diagnostisch potentieel hebben [51] (Tabel 1).

Deze omvatten N-terminale acetylering, verschillende afknottingen aan de N-terminus (bijv. -syn7-140, 14-140, 40-140 en 72–140 gevonden in vitro, 5–140 en 68 –140 gevonden in vivo en meerdere in beide) en C-terminus (bijv. -syn1-115, 1-119, 1-122, 1-124, 1-125, {{ 19}},1-133 en 1-135), fosforylatie van Ser87 en Ser129, oxidatie van Met1, Met5, Met116 en Met127, sumolyatie van Lys96 en Lys102, nitrering van Tyr39, Tyr125 en Tyr133, en ubiquitinatie van Lys6 Lys10, Lys12 Lys21, Lys23, Lys43 en Lys96 [28,52,53] (Tabel 1).

3.3. TDP-43 en FUS bij ALS en FTD

ALS en FTD zijn neurodegeneratieve ziekten met overlappende mechanismen. ALS tast de bovenste en onderste neuronen aan, waardoor de spiercontrole verloren gaat. FTD is een vorm van dementie die verband houdt met de degeneratie van de frontale en voorste temporale kwabben [54].

Ongeveer 97% van de ALS- en 45% van de FTD-gevallen zijn geassocieerd met de aanwezigheid van insluitsels van aggregaten van ubiquitinated, hypergefosforyleerde en C-terminaal afgeknotte TDP-43 in het cytoplasma van neuronen en gliacellen [29].

TDP-43 is een ribonucleoproteïne met een lengte van 414 residuen dat in staat is onder pathologische omstandigheden amyloïde-achtige aggregaten en condensaten (dat wil zeggen stresskorrels) [9] te vormen. Het bestaat uit een N-terminaal kanaal met een nucleair lokalisatiesignaal, twee RNA-herkenningsmotieven, een nucleair exportsignaal en een ongeordend C-terminaal gebied [29].

Er is gerapporteerd dat al deze regio's een cruciale rol spelen bij de aggregatie van het eiwit [55-57]. Er zijn verschillende TDP-43-mutaties geïdentificeerd in zowel sporadische als familiale gevallen van ALS en FTD, waaronder G294A, Q331K, M337V [58] en K181E [59] (Tabel 2). Net als bij A en -syn spelen PTM's van TDP-43 ook een sleutelrol bij de aggregatie van het eiwit en de ziekteprogressie.

Het is vermeldenswaard dat de afgeknotte C-terminale fragmenten van 25 kDa en 35 kDa vaak worden aangetroffen in pathologische aggregaten bij ALS-patiënten [29,31,54]. Ubiquitinatie is ook een typische wijziging van TDP-43 insluitsels [31]. Ten slotte worden afwijkende fosforylering, acetylering en oxidatie van TDP-43 vaak geassocieerd met de mislokalisatie en afwijkende aggregatie van het eiwit [29] (Tabel 1).

ALS en FTD worden ook geassocieerd met een ander RNA/DNA-bindend eiwit, FUS. FUS is een eiwit met een lengte van 526 residuen, gemaakt door een N-terminaal transcriptioneel activeringsdomein en een C-terminaal domein, dat interageert met transcriptionele factoren en ook een nucleair lokalisatiesignaal omvat [60,61].

Beide domeinen bevatten gebieden met een lage complexiteit en spelen een rol bij de vorming van condensaten en hydrogels [62]. Er worden meer dan 50 mutaties (bijv. R521C, R521H [63]) van FUS gerapporteerd bij ALS/FTD-gevallen.

In tegenstelling tot TDP-43 wordt FUS over het algemeen aangetroffen als een eiwit met de volledige lengte in de aggregaten [61]. Fosforylatie vindt plaats in de prionachtige domeinen van FUS en er is aangetoond dat het het fasescheidings- en aggregatiepatroon ervan beïnvloedt, terwijl mutaties en PTM's (voornamelijk methylatie en fosforylatie) op het C-terminale domein de nucleaire/cytoplasmalokalisatie ervan reguleren [61,64].

Ondanks de duidelijke pathologische rol van FUS worden ALS/FTD-fenotypes minder vaak geassocieerd met FUS dan met TDP-43 disfuncties [61,65]. De rol van FUS als biomarker moet dus nog worden bepaald.

4. Diagnostisch potentieel van genetische, structurele en chemische kenmerken van amyloïdogene eiwitten

Er zijn verschillende detectiebenaderingen gebruikt om amyloïdogene eiwitten in biologische monsters te kwantificeren en om het verband tussen deze eiwitten en neurodegeneratieve ziekten te bepalen.

Sommige van deze strategieën zijn gericht op het kwantificeren van de veranderingen in de expressieniveaus/concentratie van amyloïdogene eiwitten, ongeacht hun conformatie of modificatie (Tabel 2). Sommige andere benaderingen richten zich in plaats daarvan op het onderzoeken van specifieke structurele (bijvoorbeeld geaggregeerde toestanden) of chemische (dat wil zeggen PTM) eigenschappen van amyloïdogene eiwitten (Tabel 1).

Al deze benaderingen analyseren verschillende delen van het lichaam. Technieken, zoals positronemissietomografie (PET), kunnen eiwitten rechtstreeks in het centrale zenuwstelsel (CZS) onderzoeken, bijvoorbeeld in de hersenen [2,44,66].

Amyloïdogene eiwitten kunnen echter ook in andere, beter toegankelijke delen van het lichaam worden gedetecteerd. In deze sectie bespreken we bevindingen die zijn verkregen uit de analyse van zowel hersenweefsel als toegankelijke lichaamsvloeistoffen, voornamelijk met behulp van immunoassays, zoals immunoblotting en enzym-gekoppelde immunosorbent assays (ELISA).

De vloeistoffen die in beschouwing worden genomen omvatten het hersenvocht (CSF), dat in direct contact staat met het extracellulaire deel van de hersenen en als zodanig een optimale vloeistof is voor metingen van het hersenmetabolisme [44].

For more information:1950477648nn@gmail.com