Modulazione delle sirtuine: una strategia promettente per i disturbi neurocognitivi associati all'HIV Parte 1

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Il disturbo neurocognitivo associato all’HIV (HAND) è una delle maggiori preoccupazioni poiché persiste nel 40% di questa popolazione. Oggigiorno si ritiene che la neuropatogenesi della HAND sia causata dalle cellule infette che attraversano la barriera ematoencefalica e producono proteine ​​virali che possono essere secrete e interiorizzate nei neuroni portando all'interruzione dei processi cellulari.

Negli ultimi anni, gli studi hanno dimostrato che le proteine ​​virali sono strettamente correlate alla memoria.

Innanzitutto, le proteine ​​virali possono stimolare la crescita e lo sviluppo dei neuroni cerebrali, migliorare la connettività e la plasticità dei neuroni e quindi migliorare la memoria.

In secondo luogo, le proteine ​​virali possono attivare i neuroni nel cervello, stimolare l’eccitazione di più neuroni, promuovere la connessione e la trasmissione di informazioni tra i neuroni e aiutare a rafforzare la memoria e la capacità di apprendimento.

Inoltre, le proteine ​​virali possono anche influenzare il sistema immunitario umano, promuovere il normale metabolismo del corpo e aiutare a mantenere l'equilibrio corporeo, influenzando così lo stato mentale delle persone e migliorando la memoria.

Ma va anche sottolineato che le persone che sono sotto alta pressione per lungo tempo sono soggette a una diminuzione dell'immunità. Pertanto, anche un ragionevole controllo dello stress e il mantenimento di buone abitudini di vita sono fattori importanti per migliorare la memoria.

In sintesi, l’impatto delle proteine ​​virali sul corpo umano è multiforme, ma nel complesso ha un effetto promotore sulla memoria umana. Nella vita quotidiana, dovremmo prestare attenzione al mantenimento di una buona salute, al miglioramento della resistenza e al raggiungimento dello stato migliore del ruolo delle proteine ​​virali. Allo stesso tempo, dobbiamo anche mantenere un atteggiamento positivo, affrontare la vita e il lavoro con un atteggiamento ottimista e credere che possiamo migliorare la nostra memoria e ottenere risultati migliori. Si può vedere che dobbiamo migliorare la memoria e Cistanche può migliorare significativamente la memoria perché Cistanche è una medicina tradizionale cinese con molti effetti unici, uno dei quali è quello di migliorare la memoria. L'effetto di Cistanche deriva dai vari principi attivi che contiene, tra cui acido tannico, polisaccaridi, glicosidi flavonoidi, ecc. Questi ingredienti possono promuovere la salute del cervello in molti modi.

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Le prove indicano proteine ​​virali come Tat come l’agente causale dell’alterazione neuronale e quindi della HAND. I tratti distintivi della neurodegenerazione indotta da Tat sono lo stress del reticolo endoplasmatico e la disfunzione mitocondriale.

Le sirtuine (SIRT) sono deacetilasi NAD+-dipendenti coinvolte nella biogenesi dei mitocondri, nella risposta proteica non ripiegata e nel percorso dell'apoptosi intrinseca. L'interazione con queste deacetilasi provoca l'inibizione di SIRT1 e SIRT3. Gli studi hanno rivelato che l'attivazione della SIRT promuove la neuroprotezione nelle malattie neurodegenerative come l'Alzheimer e il morbo di Parkinson.

Pertanto, questa recensione si concentra sui meccanismi di neurotossicità indotta da Tat che coinvolgono le SIRT come regolatori chiave e sulla loro modulazione come strategia terapeutica per affrontare la MANO e quindi migliorare la qualità della vita delle persone che vivono con l’HIV.

Parole chiave: sirtuina; SIRT1; SIRT3; SIRT2; HIV; resveratrolo; stress ER; disfunzione mitocondriale; neurodegenerazione; MANO.

1. Introduzione

Nel 2020, il virus dell’immunodeficienza umana (HIV) ha infettato più di 37 milioni di persone in tutto il mondo e il 73% di questa popolazione era sottoposta a terapia antiretrovirale [1]. Questo trattamento antiretrovirale combinato (cART) ha allungato la loro durata di vita.

Tuttavia, sono emerse comorbilità, che provocano cambiamenti nel sistema nervoso centrale (SNC). Le tecniche di neuroimaging hanno fornito prove di cambiamenti morfologici nel cervello di persone che vivono con l'HIV (PLWH).

Inoltre, i rapporti hanno mostrato la presenza dell’HIV nel liquido cerebrospinale e nei tessuti cerebrali post mortem anche quando la carica virale non era rilevabile nel sangue [2].

Collettivamente, queste alterazioni sono denominate disturbi neurocognitivi associati all'HIV (HAND) e sono classificate a seconda della gravità secondo i criteri di Frascati come deterioramento neurocognitivo asintomatico (ANI), disturbo neurocognitivo lieve (MND) o demenza associata all'HIV (HAD) [3] . La prevalenza globale della MANO è stata stimata intorno al 40%, con la forma più lieve che è la più comune tra i pazienti con MANO [4,5].

I criteri di Frascati sono stati ampiamente utilizzati per identificare ciascun livello di HAND; applicano test neuropsicologici ed escludono qualsiasi condizione di comorbilità che potrebbe causare disturbi cognitivi.

ANI e MND vengono diagnosticati quando la prestazione di un minimo di due domini cognitivi è almeno 1 SD inferiore alla media, valutando non meno di cinque domini cognitivi, che possono includere attenzione, linguaggio, funzioni esecutive e motorie, memoria di lavoro, velocità di elaborazione delle informazioni e apprendimento. Tuttavia, nell'ANI, le attività quotidiane non sono influenzate, mentre i pazienti affetti da MND mostrano lievi compromissioni nelle attività quotidiane.

Infine, le persone con diagnosi di HAD hanno una performance di 2 DS inferiore alla media in due domini cognitivi ed evidenti difficoltà nello svolgimento delle attività quotidiane [3,6].

La MANO provoca uno spettro di deterioramento cognitivo, disfunzione motoria e disturbi comportamentali ed emotivi [7–14]. Il rischio di sviluppare la MANO dipende dalla conta dei CD4+, dal momento dell'infezione, dalla carica virale plasmatica e dalla storia di AIDS -definire la malattia [15]. Al giorno d’oggi, si ritiene che la HAND sia causata dalla neurotossicità della cART, le proteine ​​virali secrete dalle cellule infette, o da una combinazione di entrambi [2].

L’HIV non può infettare il neurone, ma può attraversare la BBB attraverso monociti infetti che producono proteine ​​virali che provocano neurotossicità [16]. In modelli animali e linee cellulari, è stato osservato che il transattivatore della trascrizione (Tat) induce alterazioni nel sistema nervoso centrale [17 –21].

Un segno distintivo nella neurodegenerazione indotta da Tat è lo stress del reticolo endoplasmatico (ER) [22,23] e la disfunzione mitocondriale, che è caratterizzata da interruzioni nella mitofagia [18], nel mtDNA [20], nella fusione e fissione [24] e nel metabolismo energetico [25, 26]. Le SIRT, deacetilasi NAD+-dipendenti, sono coinvolte nei meccanismi molecolari di questi processi mitocondriali [27,28].

Inoltre, i dati hanno rivelato un’interazione crociata tra Tat e SIRT, causandone l’inattivazione [29-31]. In questa recensione, ci concentriamo sugli approcci utilizzati dalla proteina virale Tat per indurre neurotossicità attraverso l’interruzione dei percorsi regolati dai SIRT.

Al contrario, proponiamo l'uso di modulatori SIRT come precursori NAD+ e composti naturali e sintetici, come possibile strategia terapeutica, insieme all'ART, per migliorare i deficit cognitivi nella PLWH; quindi, attualmente, non esiste un trattamento efficace per affrontare questa malattia (Figura 1).

2. MANO e l'esposizione a lungo termine all'ART

La prevalenza della HAND, anche nell’era dell’ART, ha indirizzato l’attenzione verso gli antiretrovirali con maggiore efficacia di penetrazione nel sistema nervoso centrale (CPE), aspettandosi che questa classificazione avrebbe affrontato il problema [32].

Tuttavia, trattamenti con questa caratteristica si sono rivelati associati alla MANO, in particolare efavirenz [33–35]. Inoltre, altri antiretrovirali con diversi CPE sono stati segnalati come agenti neurotossici [36-38].

I meccanismi che governano la neurotossicità indotta dall’ART dipendono dalla classe del farmaco. Inizialmente, si è scoperto che gli inibitori nucleosidici della trascrittasi inversa (NRTI) causano aberrazioni mitocondriali mediante l'esaurimento del mtDNA a causa dell'analogia del sito attivo della trascrittasi inversa dell'HIV e della DNA polimerasi gamma (PolG) che causa l'inibizione della replicazione del mtDNA [39 ], che può essere correlato all'interruzione della biogenesi mitocondriale. Inoltre, l'esposizione agli inibitori della proteasi come il lopinavir ha mostrato un aumento dello stress ossidativo mediato da alti livelli di ROS nelle cellule neurali e l'attivazione della risposta antiossidante endogena [38].

Nel caso del ritonavir, è stato scoperto che induce stress nel reticolo endoplasmatico (ER) e permeabilizzazione della membrana esterna mitocondriale (MOMP) [40]. Infine, i dati che suggeriscono un miglioramento delle prestazioni cognitive mediato da ART sono ancora controversi [38,41,42] ; quindi, alcuni studi non hanno trovato un'associazione benefica, mentre Siangphoe et al. [42] hanno concluso in una meta-analisi che l’ART riduce il rischio di sviluppare disturbi neuronali come la HAND. Tuttavia, lo studio non ha incluso nell'analisi il tipo di ART di ciascun paziente, il che solleva la questione se qualche antiretrovirale specifico o una combinazione di essi stia causando un deficit neurocognitivo.

Inoltre, la diagnosi di HAND non è stata eseguita sulla stessa scala, con conseguente possibile variazione al momento dell'identificazione di queste condizioni e della sensibilità del test cognitivo per rilevare l'ANI [42].

Come discusso in precedenza, la convivenza con l’HIV sembra contribuire allo sviluppo del deterioramento neurocognitivo, che sembra convergere con l’esposizione alla terapia antiretrovirale e alla sua tossicità. Pertanto, particolare attenzione deve essere posta ai farmaci adiuvanti per un'adeguata prevenzione o trattamento della MANO, considerando non solo gli effetti collaterali della ART ma anche le concomitanti alterazioni cellulari indotte da proteine ​​virali, come Tat.

3. Transattivatore della trascrizione Tat

Tat, una piccola proteina regolatrice, è codificata nel gene del genoma dell'HIV da due esoni separati che, dopo lo splicing alternativo, la proteina può essere completamente generata. La lunghezza dipende dal ceppo virale, che varia da 86 a 101 amminoacidi. È composto da un nucleo N-terminale acido o ricco di prolina, ricco di cisteina e idrofobico; domini basici e ricchi di glutammina; e un motivo RGD.

Questo ha una variabilità dei residui, che causa una serie di risultati di attivazione e inibitori sulle proteine ​​ospiti e sull'espressione genica. Solo il residuo W11 e la sequenza 49RKKRRQRRR57 sono residui ben conservati a causa della funzione essenziale di secrezione e assorbimento delle cellule astanti Tat [43].

Secrezione e internalizzazione di Tat

Le cellule infette che penetrano la barriera emato-encefalica (BBB) ​​possono rilasciare la proteina virale Tat in modo non convenzionale perché manca un peptide segnale per transitare attraverso l'apparato del Golgi o il reticolo endoplasmatico [44].

Una volta che Tat viene reclutato nella membrana cellulare, il suo dominio di base e il residuo W11 interagiscono con il fosfatidilinositolo-4,5-bisfosfato (PI(4,5)P2) [45]. I meccanismi successivi non sono stati completamente chiariti. Da un lato, alcuni studi hanno dimostrato che Tat può oligomerizzare e formare pore nella membrana plasmatica.

D'altro canto, il legame con PI(4,5)P2 consente l'inserimento del residuo W11 nella membrana cellulare; quindi, viene traslocato nella matrice extracellulare mediante un processo non chiaro [44–46]. Infine, gli studi hanno riportato che gli esosomi contenevano Tat [44,47]; tuttavia, Tat esosomale sembra aver perso la sua proprietà di neurotossicità [19].

Tat extracellulare entra nella cellula per endocitosi. Dopo l'internalizzazione, Tat si trasloca nel citoplasma cellulare. Il cambiamento conformazionale avviene a seguito del basso pH, consentendo l'esposizione del residuo W11, che interagisce con la membrana endosomiale [48].

Inoltre, il calcio proveniente dai canali a due pori residenti nell'endolisosoma aiuta Tat per quanto riguarda la fuga dell'endolisosoma [49]. Inoltre, Ruiz et al. hanno trovato una riduzione del 70% nell'assorbimento di Tat da parte delle cellule circostanti mediata dalla sostituzione nel dominio di base (R57S), dimostrando la relazione chiave del residuo R57 nell'internalizzazione cellulare di Tat [50].

Tanget al. ha attribuito il danno sinaptico indotto da Tat alla sua capacità di penetrare nelle membrane cellulari [19]. In effetti, una breve sequenza di Tat viene utilizzata come peptide che penetra nelle cellule per fornire farmaci in altre malattie come il cancro [51].

Sembra che Tat utilizzi strategie diverse per entrare e uscire dalla cellula, il che lo rende un obiettivo significativo per la prevenzione delle alterazioni neuronali. Pertanto, abbiamo dettagliato i meccanismi coinvolti nelle sezioni seguenti.

4. Tat e mitocondri

I mitocondri sono organelli coinvolti in diversi processi cellulari, tra cui la produzione di energia attraverso la fosforilazione ossidativa, la segnalazione dell’apoptosi, l’omeostasi del calcio [52] e la regolazione dell’invecchiamento cellulare [53].

Gli studi si sono concentrati sul ruolo dei mitocondri nei disturbi neuronali non solo nella malattia di Parkinson (PD) o nella malattia di Alzheimer (AD) [54] ma anche nella MANO [55]. Sanna et al. [56] hanno dimostrato la presenza di disfunzione mitocondriale mediata da un elevato carico di RNA dell'HIV, che è stato determinato da bassi livelli di ciclo TCA e di proteina di fosforilazione ossidativa nelle regioni cerebrali dei pazienti affetti da HIV [56].

È stato osservato che Tat rimaneva vicino ai mitocondri [57,58], suggerendo che la distribuzione cellulare è correlata alle alterazioni degli organelli. Di conseguenza, altri risultati hanno rivelato che le cellule esposte al Tatex presentano danni al mtDNA [20,59] e alterazioni nei suoi modelli di metilazione [60], riduzione del potenziale della membrana mitocondriale [23] cambiamenti nelle dimensioni e nella morfologia dell'organello, attivazione della fusione-fissione [24], aumento ROS mitocondriali [61,62], interruzione della mitofagia [17,57], disregolazione delle funzioni mitocondriali [17,61] disturbo dell'omeostasi del calcio [61,63,64] e attivazione dell'apoptosi [23,58,61,65,66].

4.1. Tat e dinamica della fusione-fissione

I mitocondri sono un organello altamente dinamico che subisce fusione e fissione per mantenere i processi funzionali. Nei neuroni, la domanda energetica innesca la distribuzione mediata dalla fusione/fissione dei mitocondri agli assoni e ai dendriti.

La fusione dell'OM è regolata dalle GTPasi mitofusina 1 e 2 (MFN1, MFN2), mentre la fusione della membrana internomitocondriale (IMM) è controllata dalla proteina 1 dell'atrofia ottica (OPA1).

Nel frattempo, gli eventi di divisione mitocondriale sono mediati dalla proteina 1 correlata alla dinamina (DRP1), una GTPasi della superfamiglia delle dinamine. È stato osservato nei topi knockout Drp1 e Mnf2 che le cellule non erano in grado di distribuire correttamente i mitocondri [67].

I topi Tat-Tg hanno mostrato piccoli mitocondri frammentati e i neuroni corticali esposti a Tat hanno mostrato un aumento di DRP1 e calcineurina, suggerendo che Tat induce la frammentazione mitocondriale mediante disregolazione dell'omeostasi del Ca2+, che innesca l'attivazione di DRP1 mediata dalla calcineurina [24].

4.2. Interruzione della mitofagia

I mitocondri sono la centrale elettrica della cellula e quindi il loro mantenimento è fondamentale per la fisiologia cellulare. I mitocondri danneggiati attivano percorsi di controllo della qualità per ripristinare la rete mitocondriale e il metabolismo energetico.

Quando i mitocondri disfunzionali persistono, le cellule vanno incontro a mitofagia, che comporta la degradazione di organelli aberranti [68]. La presunta chinasi 1 (PINK1) indotta dall'omologo della fosfatasi e della tensina (PTEN) è un regolatore cruciale della mitofagia. Durante le condizioni basali, PINK1 viene traslocato nella membrana mitocondriale interna e degradato.

Tuttavia, in caso di perdita del potenziale della membrana mitocondriale, PINK1 si accumula nell'OMM, dove avvia la formazione del mitofagosoma. Per etichettare i mitocondri non funzionali, PINK1 si autofosforila e recluta la parkina sulla superficie dei mitocondri.

Quindi, l'ubiquitinazione delle proteine ​​nell'OMM avviene mediante l'attività della parkina E3 ligasi, seguita dalla mobilitazione dei recettori dell'autofagia come il sequestoma 1 (SQSTM1) per racchiudere i mitocondri danneggiati nel mitofagosoma [68]. Nella microglia del topo, Tat aumenta l'espressione di PINK, indicando l'attivazione della mitofagia.

Inoltre, i dati hanno mostrato non solo livelli più elevati di proteine ​​​​sensori mitofagiche, ma anche la loro traslocazione attiva nei mitocondri nei neuroni primari umani esposti a Tat [57]. In entrambi i gruppi di ricerca, è stato riscontrato che SQSTM1 aumenta, suggerendo un deterioramento del flusso mitofagico, che è stato confermato anche dal test accumulo di mitofagosomi osservato dal sistema reporter di fluorescenza [57].

Si suggerisce che la mitofagia incompleta potrebbe verificarsi perché la fusione dei lisosomi con i mitofagosomi è bloccata a causa della formazione di fagosomi immaturi o perché le cellule non possono bilanciare la loro degradazione alla stessa velocità con cui si formano [17]. Sembra che siano necessarie ulteriori indagini per chiarire la causa dell'ostruzione della clearance dei mitocondri danneggiati.

Il blocco del controllo di qualità dei mitocondri porta alla produzione di citochine proinfiammatorie, contribuendo alla neuroinfiammazione. Tuttavia, il silenziamento genico di pink1 provoca la prevenzione della mitofagia indotta dall'HIV-Tat e quindi l'accumulo di mitofagosomi, ma non riesce a ripristinare il tasso di produzione di ATP [17].

A questo proposito, è necessaria la ricerca del regolatore chiave delle proteine ​​mitofagiche che potrebbero essere disregolate poiché la manipolazione dei marcatori mitofagici non ha comportato il ripristino delle funzioni dei mitocondri, che a loro volta hanno provocato la neurodegenerazione.

4.3. Apoptosi indotta da Tat

I dati riportati mostrano che le cellule esposte a Tat subiscono percorsi estrinseci [65] e intrinseci di apoptosi [23]. Nel primo, il processo di segnalazione inizia nella membrana cellulare ed è innescato dalla stimolazione dei recettori della morte, seguita dall'attivazione delle caspasi per avviare la morte cellulare.

La via intrinseca dell’apoptosi viene anche chiamata via mitocondrialapoptotica perché il MOMP è necessario per attivare la segnalazione della caspasi che induce l’apoptosi [54].

Recentemente, la maggior parte degli studi ha riconosciuto il ruolo significativo della via mitocondriale nell'apoptosi indotta da Tat e la sua interazione con lo stress ER e la risposta proteica non ripiegata (UPR) [23,69,70]. La cellula, in presenza di stimoli apoptotici, trasloca BCL{ {4}}proteina X associata (BAX) dal citoplasma all'OMM, dove oligomerizza e interagisce con l'antagonista/killer di BCL-2 (BAK) agendo come pori dopo essersi legato con attivatori pro-apoptotici [71].

Le proteine ​​BH3-solo come BCL-2- mediatore interagente della morte cellulare (BIM), BH3-agonista della morte del dominio interagente (BID) e p53-modulatore sovraregolato dell'apoptosi ( PUMA) sono membri pro-apoptotici della famiglia del linfoma a cellule B 2 (Blc-2) che interagiscono con BAK e BAX portando al rilascio di proteine ​​dello spazio intermembrana come il citocromo c e quindi MOMP [71].

Di conseguenza, queste proteine ​​avviano l'attivazione della caspasi che porta all'apoptosi. Si noti che il MOMP non è solo coinvolto nell'inizio della via apoptotica, ma è anche correlato al rilascio del mtDNA e alla segnalazione proinfiammatoria. Il meccanismo di sopravvivenza è regolato dalle proteine ​​anti-apoptotiche della stessa famiglia Bcl-2 come BCL-2 e il linfoma a cellule B extra-large (BCL-XL).

Queste molecole si legano alle proteine ​​pro-apoptotiche, evitando la loro interazione con BAX/BAK e la formazione di pori [71]. Pertanto, la disregolazione delle proteine ​​BCL-2 è un'indicazione del percorso apoptotico intrinseco nonché della disfunzione mitocondriale.

Nella linea cellulare eritroleucemica esposta alla Tat (K562) [58], nelle cellule endoteliali microvascolari retiniche umane [69], nelle cellule di astroglioma [66] e nelle cellule di neuroblastoma umano [18], i livelli di mRNA di BCL-2 erano inferiori rispetto a quelli controlli. Che et al. hanno anche scoperto che i livelli proteici di BAX, BAK e citocromo c erano aumentati dalle cellule epiteliali pigmentate retiniche inumane Tat (ARPE-19) [69].

Secondo questi risultati, Tat agisce come una molecola pro-apoptotica, aumentando il MOMP provocando la formazione di macropori nell'OMM, il che è confermato anche in segnalazioni di distruzione del potenziale della membrana mitocondriale [23,58,70].

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