La diafonia tra diversi percorsi di riparazione del DNA contribuisce alle malattie neurodegenerative Parte 3

5.1. DDR e autofagia

Una rimozione aggregata inefficiente che indica un'autofagia difettosa è una delle caratteristiche comuni delle NDD. Durante la patogenesi dell'AD, sono stati dimostrati sia una ridotta sintesi degli autofagosomi che una ridotta clearance dei substrati autofagici [152-154].

L’autofagia è un processo di auto-decomposizione e riciclaggio delle cellule, che può aiutarci a rimuovere organelli e proteine ​​invecchiati, danneggiati e inutili. Tuttavia, con l'avanzare dell'età e delle cattive abitudini di vita, la funzione autofagica del corpo umano diminuisce gradualmente, il che può danneggiare la nostra salute e la nostra memoria.

Gli studi hanno dimostrato che esiste una stretta relazione tra autofagia e memoria. Il declino della funzione autofagica porterà all'accumulo di spazzatura nelle cellule cerebrali, influenzando così il normale metabolismo e la trasmissione del segnale nelle cellule, portando alla perdita di memoria e al deterioramento cognitivo. Il normale processo di autofagia può promuovere la rigenerazione e il rinnovamento delle cellule cerebrali, mantenere la salute delle cellule cerebrali e quindi aiutare a migliorare la memoria e le capacità cognitive.

Pertanto, dobbiamo mantenere attivamente la funzione autofagica e migliorare il nostro livello di autofagia attraverso buone abitudini di vita e aggiustamenti dietetici. Ad esempio, dovremmo evitare l’assunzione eccessiva di cibi malsani, come quelli ad alto contenuto di zuccheri e grassi, e mangiare più frutta e verdura, cereali integrali e altri alimenti ricchi di antiossidanti e cellulosa, che possono aiutare a ridurre la generazione di radicali liberi e promuovere la salute. processo di autofagia. Inoltre, dovremmo mantenere un esercizio fisico moderato, mantenere un umore felice, evitare stress e ansia eccessivi, ecc., Il che aiuterà a migliorare l’autofagia e a mantenere un cervello sano e una buona memoria.

In generale, esiste effettivamente una stretta relazione tra autofagia e memoria, ma possiamo mantenere il nostro livello di autofagia attraverso il corretto stile di vita e aggiustamenti della dieta, proteggere il nostro cervello e la memoria e procedere verso una vita più sana e positiva. Si vede che abbiamo bisogno di migliorare la nostra memoria, e la Cistanche può migliorare significativamente la memoria perché la Cistanche può anche regolare l'equilibrio dei neurotrasmettitori, come ad esempio aumentare i livelli di acetilcolina e i fattori di crescita, che sono molto importanti per la memoria e l'apprendimento. Inoltre, Cistanche può anche migliorare il flusso sanguigno e promuovere l'apporto di ossigeno, il che può garantire che il cervello ottenga nutrimento ed energia sufficienti, migliorando così la vitalità e la resistenza del cervello.

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L'accumulo di -SYN nel PD indica un'autofagia disfunzionale mediata da chaperone (CMA), un importante contributo alla degradazione autofagica di -SYN [155].

Mutazioni in molti recettori autofagici, tra cui SQSTM1/p62 [155], OPTN e UBQLN2, sono state associate alla patogenesi della SLA [156-158]. Le associazioni tra DDR e autofagia come causa diretta di NDD non sono ancora ben consolidate, sebbene la letteratura suggerisca connessioni indirette tra il meccanismo di riparazione del DNA e l'autofagia attraverso varie vie non esclusive [159-161].

L’attivazione dell’ATM può causare l’induzione dell’autofagia attraverso la proteina chinasi attivata da 50 AMP (AMPK) in risposta ai ROS [162,163]. Mentre i neuroni Atm−/− mostrano un'autofagia anormale, l'ATM stessa viene elaborata attraverso la degradazione autofagica [164]. I topi knockout per Parp1 sottoposti a fame acuta hanno mostrato un'autofagia epatica carente, il che implica un ruolo fisiologico per PARP1 nell'autofagia indotta dalla fame [165].

Il collegamento tra DDR e autofagia sembra bidirezionale, poiché l'eliminazione di BECLIN1, una proteina coinvolta nell'induzione dell'autofagia, ha ridotto l'attività e i livelli delle proteine ​​cruciali HR e NHEJ e ha anche attenuato la formazione di complessi DNA-PK [166,167].

È stato dimostrato che SQSTM1/p62 regola il rapporto tra HR e NHEJ promuovendo quest'ultimo in seguito alla radiazione [168]. La CMA regola i livelli di CHK1 e previene l'iperfosforilazione e la destabilizzazione del complesso MRN [169]. Il prodotto di traduzione del gene associato alla resistenza all'irradiazione ultravioletta (UVRAG), un attore importante nell'inizio dell'autofagia, pattuglia l'attività di riparazione del DSB attraverso il legame diretto al DNA-PK in NHEJ [170].

È interessante notare che il danno al DNA potrebbe indurre la mitofagia, che potrebbe svolgere un ruolo nella protezione delle cellule dalla morte cellulare indotta dal danno al DNA [171]. Sebbene non sia stato esplorato per la DDR, il nostro gruppo ha recentemente mostrato l'induzione dello stress endoplasmatico (stress ER) mediato dall'autofagia pro-sopravvivenza dopo l'induzione di ROS indotta da radiazioni [172].+

5.2. DDR e neuroinfiammazione

La neuroinfiammazione è un altro fenomeno comune notato in diversi NDD. Si ritiene che operi un circolo vizioso, che coinvolge neuroinfiammazione, stress ossidativo e neurodegenerazione [173,174].

L'infiammazione può essa stessa indurre danni al DNA attraverso la generazione di ROS e di specie reattive dell'azoto (RNS). L'infiammazione non solo aumenta le lesioni mutagene del DNA, come 8-nitroguanidina e 8-oxoG, ma ha anche un impatto negativo sulla capacità di riparazione del DNA inibendo molti importanti enzimi di riparazione del DNA [175,176].

La scoperta fondamentale della guanosina monofosfato-adenosina monofosfato ciclico (GMP-AMP) sintasi (cGAS) come sensore del DNA citosolico dei mammiferi da parte di Sun et al. ha stabilito collegamenti diretti tra DNA danneggiato e neuroinfiammazione [177].

Dopo essersi legato al DNA citosolico, cGAS converte ATP e GTP in GMP-AMP ciclico (cGMP), che si lega e attiva la proteina stimolatrice del reticolo endoplasmatico dei geni dell'interferone (STING), inducendo infine la produzione di interferoni di tipo I attraverso i fattori di trascrizione NF-kB e IRF3 [178].

L'attivazione di cGAS-STING è stata osservata in diversi NDD: in un modello di ratto con deficit di Atm con fenotipi neuroinfiammatori e neurodegenerativi, è stato osservato un accumulo di DNA citosolico che porta a livelli aumentati di TBK1 fosforilato (indicativo dell'attivazione di STING) in vari tipi di cellule, comprese le microglia [179].

Xu et al. hanno dimostrato che cGAMP può sopprimere l’AD elevando i livelli di TREM2 [180]. Nei motoneuroni dei pazienti affetti da SLA derivati ​​da iPSC, TDP-43 ha innescato il rilascio di mtDNA, portando all'attivazione di cGAS-STING, ed è stata dimostrata neuroinfiammazione [181].

L'induzione di IL6 in risposta al mtDNA libero circolante è stata segnalata nel siero di pazienti con Parkinson [182]. Pertanto, l’infiammazione mediata da cGAS-STING emerge come un’altra caratteristica comune delle NDD.

In sintesi, le singole proteine ​​DDR possono essere coinvolte in più di un NDD (Figura 2) e possono indurre caratteristiche neurodegenerative attraverso la loro interazione con vari processi cellulari (Figura 3).

6. Sistemi modello per lo studio delle NDD e delle terapie

Sebbene il tessuto cerebrale post-mortem sia utile per mappare le principali differenze strutturali o molecolari nei marcatori DDR negli ultimi stadi delle NDD, ha un potere limitato per spiegare i meccanismi della malattia.

Pertanto, i modelli animali rimangono strumenti essenziali per studiare i meccanismi che guidano la neurodegenerazione in una prospettiva del corso della vita. Una selezione di studi che collegano DDR a NDD utilizzando vari sistemi modello discussi sopra o che suggeriscono modelli appropriati per studiare questa diafonia è riassunta nella Tabella 1.

Come risulta evidente dalla discussione precedente, i roditori rimangono gli animali modello più ampiamente utilizzati. Per l'AD, ad esempio, esistono più di duecento diversi modelli di roditori (https://www.alzforum.org/research-models/search (accesso il 19 febbraio 2021)).

Tuttavia, nessun modello ricapitola tutti i cardinali fenotipi osservati nelle malattie umane, illustrando la necessità di modelli migliori per modellare le NDD umane.

Gli animali invertebrati sono relativamente poco costosi da mantenere e hanno una durata di vita e un ciclo riproduttivo brevi. Queste proprietà rendono i modelli non vertebrati suscettibili di screening farmacologico e genetico.

Il nematode Caenorhabditis elegans (C. elegans) è un esempio di un animale il cui corpo trasparente consente il monitoraggio della neurodegenerazione in vivo. Sono disponibili modelli animali umanizzati in cui animali transgenici esprimono -SYN umano [187,188], A 1–42, TAU [189,190 ], TDP-43 e SOD1 [191–193].

L'esistenza di test comportamentali rende possibile studiare la vitalità e la funzionalità dei singoli neuroni durante il corso della vita naturale. Pertanto, gli animali semplici offrono eccellenti opportunità per studiare gli effetti combinati dei fattori di rischio genetici e ambientali in combinazione con l’invecchiamento, il fattore di rischio più importante per l’NDD.

Per quanto riguarda il contributo della DDR, C. elegans ha una minore ridondanza di geni riparatori del DNA, il che lo rende un ottimo strumento per definire se e come le proteine ​​riparatrici del DNA influenzano la neurodegenerazione. Una limitazione di C. elegans è che non ha un cervello. Pertanto, sono necessari modelli di vertebrati. Di questi, il Danio rerio (D. rerio) è sempre più popolare poiché ha un sistema vascolare e un cervello separati da una barriera emato-encefalica [194-196].

Lo sviluppo della tecnologia iPSC umana ha aperto le porte alla modellizzazione di malattie cerebrali complesse. Sono disponibili protocolli consolidati per generare vari tipi di cellule cerebrali da iPSC derivate dal paziente in colture monostrato bidimensionali (2D) e utilizzarle per modellare AD [197,198], SLA [199-201] e PD [202,203].

La possibilità di introdurre l'editing genomico nelle iPSC (ad esempio, tramite CRISPR/CAS9) aumenta ulteriormente il potenziale di queste cellule per studiare i ruoli specifici dei singoli geni. Inoltre, il ruolo di altri tipi di cellule cerebrali (comprese le cellule gliali, anch'esse derivate da iPSC) può essere studiato in sistemi di co-coltura recentemente sviluppati [204].

Tuttavia, i sistemi di coltura 2D non ricapitolano la complessità del cervello e fenotipi come l’aggregazione delle proteine ​​extracellulari sono difficili da osservare. Pertanto, gli iPSC 2D non sono la scelta preferita per modellare gli NDD.

L'auto-organizzazione dei corpi embrionali da iPSC, i cosiddetti modelli organoidi 3D, può consentirci di studiare lo sviluppo cellulare e le interazioni intercellulari all'interno di un microambiente cerebrale umano 3D [205].

I progressi nei sistemi di coltura 3D hanno portato alla formazione di più tipi di cellule cerebrali e specifiche regioni cerebrali in questi organoidi (mini-cervelli) [206]. Organoidi corticali del prosencefalo, organoidi del mesencefalo e sferoidi dei motoneuroni derivati ​​da AD e HD, PD e le iPSC dei pazienti affetti da SLA, rispettivamente, possono mostrare i fenotipi dei tessuti cardinali e possono, quindi, essere molto utili per comprendere questi complessi NDD (Figura 4) [207-213].

Figura 4. Il potenziale degli iPSC 2D e degli organoidi 3D per modellare gli NDD. I fibroblasti cutanei derivati ​​da pazienti con NDD possono essere programmati in iPSC. Queste iPSC possono essere differenziate in vari tipi di cellule cerebrali inclusi diversi tipi di neuroni, microglia, ecc.

Gli organoidi 3D derivati ​​da iPSC contengono la maggior parte dei tipi di cellule cerebrali (ad eccezione della microglia e del sistema vascolare, che possono essere co-coltivati ​​con organoidi 3D) e possono mostrare i principali fenotipi della malattia. Sono state anche mostrate varie applicazioni di questi sistemi modello. Creato con BioRender.com.

7. Conclusioni

Per riassumere, sia la difesa antiossidante che la riparazione del DNA prevengono l’accumulo di danni al DNA e quindi contrastano lo sviluppo di NDD. Un esempio di difesa antiossidante è lo scavenger superossido dismutasi1 (SOD1) che protegge i neuroni dalla neurotossicità mediata dall’amiloide (A) [214]. Sia la sovraespressione della SOD1 wild-type che le mutazioni della SOD1 sono associate a diversi NDD legati all’età [11,215,216].

Diversi studi clinici stanno prendendo di mira la SOD1 wild-type o la SOD1 mutante per prevenire l'aggregazione e l'errato ripiegamento nelle NDD, e un oligonucleotide antisenso è ora in uno studio clinico di fase III (NCT02623699).

Una piccola molecola, Arimoclomol, che promuove il corretto ripiegamento della SOD1 nel reticolo endoplasmatico (ER) [11], è in uno studio di fase III (NCT03491462). Resta da vedere se il targeting della riparazione del DNA o il DDR possano essere sviluppati come opzioni terapeutiche contro le NDD. chiarito.

Tuttavia, l’emergere dell’attivazione di PARP1 da parte di SSBa come scoperta comune nelle NDD e la disponibilità di inibitori di PARP1 suggeriscono che questa potrebbe essere una strada da perseguire. Tuttavia, prendere di mira direttamente PARP1 comporta il rischio di effetti deleteri su altre cellule e sistemi tissutali. Una conseguenza dell'iperattivazione di PARP1 è l'esaurimento del NAD+ cellulare, che è un substrato di PARP1.

Nel nostro lavoro precedente, abbiamo dimostrato che l’aumento dei livelli di NAD+ è una strategia promettente per stimolare la riparazione del DNA e prevenire la neurodegenerazione nelle malattie rare della riparazione del DNA [140,146,184]. Per esplorare ulteriormente il potenziale terapeutico della DDR, è possibile utilizzare studi interspecie in cui diversi sistemi modello vengono combinati per ricapitolare diversi aspetti di queste malattie complesse.

I modelli organoidi 3D derivati ​​da iPSC emergono come sistemi modello promettenti in grado di catturare la complessità della DDR e la sua diafonia con altri processi cellulari importanti per il mantenimento della salute neuronale.

Contributi dell'autore: Concettualizzazione, HN e KS; metodologia, SG; software, PY, TS e K.S.; convalida, SG, PY, TS, HN e KS; analisi formale, SG; indagine, SG; risorse,HN e KS; cura dei dati, SG, PY, TS e KS; scrittura-preparazione di bozze originali, SG, PY,TS, HN e KS; scrittura-revisione e editing, SG, PY, TS, HN e KS; visualizzazione, SG, HN e KS; supervisione, HN e KS; amministrazione del progetto, SG, HN e KS; acquisizione di finanziamenti, HN Tutti gli autori hanno letto e accettato la versione pubblicata del manoscritto.

Finanziamento: questa ricerca è stata finanziata dall'Autorità sanitaria regionale del sud-est (progetto n. 279922 e 2017029) e dal Consiglio norvegese per la ricerca (concessione n. 302483).

Dichiarazione del Comitato di Revisione Istituzionale: Non applicabile.

Dichiarazione di consenso informato: non applicabile.

Dichiarazione sulla disponibilità dei dati: in questo studio non sono stati creati o analizzati nuovi dati. La condivisione dei dati non si applica a questo articolo.

Ringraziamenti: Ringraziamo Ellen Tenstad @ScienceShaped, Carina Knudson e Francisco José Naranjo Galindo per l'aiuto con le illustrazioni grafiche e Evandro Fei Fang, Diana L. Bordin e Lisa Lirussi per la lettura critica del manoscritto.

SG e PY sono stati finanziati da una sovvenzione dell'Autorità sanitaria regionale del sud-est (progetto n. 279922 e 2017029) e TSG è stato finanziato da una sovvenzione del Consiglio norvegese per la ricerca (sovvenzione n. 302483).

Conflitti di interessi: confermiamo che tutti gli autori non hanno conflitti di interessi nei confronti di questo manoscritto.

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