Нейродегенеративные расстройства (НДД) представляют собой совокупность патологических состояний, возникающих из-за медленно прогрессирующей и необратимой дисфункции с последующей гибелью нейронов и синапсов в отдельных областях нервной системы, которые определяют клинические проявления и течение. Основные механизмы развития нейродегенерации считаются многофакторными, обусловленными генетическими, экологическими и эндогенными факторами, связанными со старением. Однако роль этих факторов в патогенезе и основные молекулярные механизмы нейодегенерации к настоящему времени раскрыты не полностью [1, 2]. В настоящее время нейродегенеративные заболевания классифицируются на основе генетических факторов и (или) по типу дефектов, возникающих в белках (рисунок 1). Взяв за основу конформационные изменения белков, эти расстройства обозначаются как заболевания, связанные с неправильной укладкой структуры белков в пространстве, или протеинопатиями [3, 4].
Общие патогенные механизмы, лежащие в основе многих нейродегенеративных заболеваний, включают в себя следующие факторы:
1. Аномальный процессинг и фолдинг белка, дефектная деградация
белков, протеасомная дисфункциея;
2. Несовершенства (дефекты) функционирования шаперонов;
3. Окислительный стресс и образование свободных радикалов / активных форм кислорода (АФК);
4. Нарушение биоэнергетики нейронов, дисфункции митохондрий и повреждение ДНК;
5. Фрагментация аппарата Гольджи нейронов;
6. Нарушение внутриклеточного / аксонального транспорта (4 и 5 факторы могут рассматриваться как вторичные эффекты);
7. Дисфункция нейротрофинов (НТФ);
8. Аутоиммунные процессы в нервной системе.
Эти механизмы взаимосвязаны в сложных патологических каскадах и в конечном итоге приводят к дисфункции нервных клеток и их гибели.
Целью работы является обобщение современных представлений о молекулярных механизмах развития нейродегенеративных патологий. Исходя из цели работы, были поставлены следующие задачи:
1. Проанализировать сведения об участии в развитии нейродегенеративных нарушений посттрансляционной модификации белков;
2. Выявить роль окислительного стресса в развитии нейродегенераций;
3. Определить роль нейротрофинов и нейровоспалительных процессов в этиологии и патогенезе нейродегенеративных заболеваний.
Выпускная квалификационная работа написана на 112 листах, содержит 6 рисунков и список литературы на русском и английском языках из 463 источников.
Нейродегенеративные заболевания являются одной из ведущих причин инвалидности и смертности во всем мире. Ожидается, что социально-экономическое бремя, связанное с данной категорией болезней, будет возрастать по мере неуклонного увеличения продолжительности жизни. Несмотря на десятилетия клинических и фундаментальных исследований, большинство стратегий, разработанных для лечения дегенеративных заболеваний головного мозга, являются паллиативными. Это неудивительно, поскольку нейродегенерация прогрессирует "молча" в течение десятилетий, прежде чем симптомы будут выявлены. Важно отметить, что концептуальные модели, используемые для изучения нейродегенерации, были построены ретроспективно, основываясь на признаках и симптомах, уже имеющихся у пациентов. Это является обстоятельством, которое может подменять причины и следствия. Следовательно, для обеспечения возможности их своевременной профилактики и лечения необходимы новаторские подходы, изменяющие парадигму взглядов на этиологию этих заболеваний. В целом выделяется несколько альтернативных, не противоречащих друг другу взгляда на различные этиологические механизмы нейродегенерации. Во-первых предполагается, что нейродегенерация является вторичным результатом первичных сердечно-сосудистых патологий, нарушающих важнейшие гомеостатические взаимодействия между сосудистой системой и мозгом, что приводит к когнитивным нарушениям, деменции и цереброваскулярным патологиям, таким как инсульт. Во-вторых предполагается, что персистенция стареющих клеток в нейрональных цепях может способствовать, наряду с системными метаболическими заболеваниями, возникновению нейродегенерации. В- третьих, считается, что нейродегенерация может начаться в ответ на измененные трофические взаимодействия периферических тканей и мозга, установленные через связи, соединяющие периферические органы с центральными нейрональными структурами. Для уточнения этиологии нейродегенераций необходим комплексный, междисциплинарный концептуальный исследовательский подход, основанный на изучении мультимодальных аспектов физиологии, патофизиологии и биохимии. Они включает в себя использование соответствующих концептуальных моделей на экспериментальных животных и использование невостребованных в настоящее время сведений, полученных из клинических картин течения заболеваний. В целом, уточнение этиологических путей и новые экспериментальные данные станут важными инструментами для будущих междисциплинарных исследований, направленных на глубокое раскрытие молекулярных механизмов развития нейродегенеративных заболеваний, их раннюю диагностику и разработку методов лечения нейродегенеративных заболеваний, направленных на причину их возникновения с возможностью отказа от паллиативной терапии.
1. Jellinger KA. Recent advances in our understanding of neurodegeneration. J Neural Transm. 2009;116:1111-62.
2. Skovronsky DM, Lee VM-Y, Trojanowski JQ. Neurodegenerative diseases: new concepts of pathogenesis and their therapeutic implications. Annu Rev Pathol Mech Dis. 2006; 1:151-70.
3. Golde TE, Miller VM. Proteinopathy-induced neuronal senescence: a hypothesis for brain failure in Alzheimer’s and other neurodegenerative diseases. Alzheimers Res Ther. 2009;1:5.
4. Uversky VN. Intrinsic disorder in proteins associated with neurodegenerative diseases. Front Biosci. 2009;14:5188-238.
5. Herczenik E, Gebbink MF. Molecular and cellular aspects of protein misfolding and disease. FASEB J. 2008;22:2115-33.
6. Ovadi J, Orosz F. Protein folding and misfolding: neurodegenerative diseases. Netherlands: Springer; 2009. p. 274.
7. Dickson DW. Neuropathology of non-Alzheimer degenerative disorders. Int J Clin Exp Pathol. 2010;3:1-22.
8. Kovacs GG, Budka H. Protein-based neuropathology and molecular classification of human neurodegenerative diseases. In: Ovadi J, Orosz F, editors. Protein folding and misfolding: neurodegenerative diseases. Netherlands: Springer; 2009. pp. 251-72.
9. Migliore L, Coppede F. Genetics, environmental factors and the emerging role of epigenetics in neurodegenerative diseases. Mutat Res. 2009;667:82-97.
10. Palop JJ, Chin J, Mucke L. A network dysfunction perspective on neurodegenerative diseases. Nature. 2006;443:768-73.
11. Seeley WW, Crawford RK, Zhou J, et al. Neurodegenerative diseases target large-scale human brain networks. Neuron. 2009;62:42-52.
12. Ecroyd H, Carver JA. Unraveling the mysteries of protein folding and misfolding. IUBMB Life. 2008;60:769-74.
13. Morris AM, Watzky MA, Finke RG. Protein aggregation kinetics, mechanism, and curve-fitting: a review of the literature. Biochim Biophys Acta. 2009;1794:375-97.
14. Israeli E, Sharon R. Beta-synuclein occurs in vivo in lipid-associated oligomers and forms hetero-oligomers with alpha-synuclein. J Neurochem. 2009;108:465-74.
15. Selkoe DJ. Soluble oligomers of the amyloid beta-protein impair synaptic plasticity and behavior. Behav Brain Res. 2008;192:106-13.
16. Soto C, Estrada LD. Protein misfolding and neurodegeneration. Arch Neurol. 2008;65:184-9.
17. Aguzzi A, Sigurdson C, Heikenwaelder M. Molecular mechanisms of prion pathogenesis. Annu Rev Pathol. 2008;3:11-40.
18. Lafaye P, Achour I, England P, et al. Single-domain antibodies recognize selectively small oligomeric forms of amyloid beta, prevent Abeta- induced neurotoxicity and inhibit fibril formation. Mol Immunol. 2009;46:695- 704.
19. Moore RA, Taubner LM, Priola SA. Prion protein misfolding and disease. Curr Opin Struct Biol. 2009;19:14-22.
20. Williams AJ, Paulson HL. Polyglutamine neurodegeneration: protein misfolding revisited. Trends Neurosci. 2008;31:521-8.
21. Xia W, Yang T, Shankar G, et al. A specific enzyme-linked immunosorbent assay for measuring beta-amyloid protein oligomers in human plasma and brain tissue of patients with Alzheimer disease. Arch Neurol. 2009;66:190-9.
22. Tomic JL, Pensalfini A, Head E, et al. Soluble fibrillar oligomer levels are elevated in Alzheimer’s disease brain and correlate with cognitive dysfunction. Neurobiol Dis. 2009;35:352-8.
23. Harmeier A, Wozny C, Rost BR, et al. Role of amyloid-beta glycine 33 in oligomerization, toxicity, and neuronal plasticity. J Neurosci. 2009;29:7582-90.
24. Kim J, Onstead L, Randle S, et al. Abeta40 inhibits amyloid deposition in vivo. J Neurosci. 2007;27:627-33.
25. Schmidt M, Sachse C, Richter W, et al. Comparison of Alzheimer Abeta(1-40) and Abeta(1-42) amyloid fibrils reveals similar proto filament structures. Proc Natl Acad Sci USA. 2009;106:19813-8.
26. Lauren J, Gimbel DA, Nygaard HB, et al. Cellular prion protein mediates impairment of synaptic plasticity by amyloid-beta oligomers. Nature. 2009;457:1128-32.
27. Shankar GM, Li S, Mehta TH, et al. Amyloid-beta protein dimers isolated directly from Alzheimer’s brains impair synaptic plasticity and memory. Nat Med. 2008;14:837-42.
28. Abramov E, Dolev I, Fogel H, et al. Amyloid-beta as a positive endogenous regulator of release probability at hippocampal synapses. Nat Neurosci. 2009;12:1567-76.
29. Nygaard HB, Strittmatter SM. Cellular prion protein mediates the toxicity of beta-amyloid oligomers: implications for Alzheimer disease. Arch Neurol. 2009;66:1325-8.
30. Nimmrich V, Ebert U. Is Alzheimer’s disease a result of presynaptic failure? Synaptic dysfunctions induced by oligomeric beta-amyloid. Rev Neurosci. 2009;20:1-12.
31. Dinamarca MC, Colombres M, Cerpa W, et al. Beta-amyloid oligomers affect the structure and function of the postsynaptic region: role of the Wnt signaling pathway. Neurodegener Dis. 2008;5:149-52.
32. Moreno H, Yu E, Pigino G, et al. Synaptic transmission block by presynaptic injection of oligomeric amyloid beta. Proc Natl Acad Sci USA. 2009;106:5901-6.
33. Deshpande A, Kawai H, Metherate R, et al. A role for synaptic zinc in activity-dependent Abeta oligomer formation and accumulation at excitatory synapses. J Neurosci. 2009;29:4004-15.
34. Wang Z, Wang B, Yang L, et al. Presynaptic and postsynaptic interaction of the amyloid precursor protein promotes peripheral and central synaptogenesis. J Neurosci. 2009;29:10788-801.
35. Hoe HS, Fu Z, Makarova A, et al. The effects of amyloid precursor protein on postsynaptic composition and activity. J Biol Chem. 2009;284:8495- 506.
36. Noguchi A, Matsumura S, Dezawa M, et al. Isolation and characterization of patient-derived, toxic, high mass amyloid beta-protein (Abeta) assembly from Alzheimer disease brains. J Biol Chem. 2009;284:32895-905.
37. Gunzburg MJ, Perugini MA, Howlett GJ. Structural basis for the recognition and cross-linking of amyloid fibrils by human apolipoprotein E. J Biol Chem. 2007;282:35831-41.
38. Vintem AP, Henriques AG, Da Cruz ESOA, et al. PP1 inhibition by Abeta peptide as a potential pathological mechanism in Alzheimer’s disease. Neurotoxicol Teratol. 2009;31:85-8.
39. Karlnoski RA, Rosenthal A, Kobayashi D, et al. Suppression of amyloid deposition leads to long-term reductions in Alzheimer’s pathologies in Tg2576 mice. J Neurosci. 2009;29:4964-71.
40. Huang HC, Jiang ZF. Accumulated amyloid-beta peptide and hyperphosphorylated tau protein: relationship and links in Alzheimer’s disease. J Alzheimers Dis. 2009;16:15-27.
41. De Felice FG, Wu D, Lambert MP, et al. Alzheimer’s disease-type neuronal tau hyperphosphorylation induced by A beta oligomers. Neurobiol Aging. 2008;29:1334-47.
42. Kellner A, Matschke J, Bernreuther C, et al. Autoantibodies against beta-amyloid are common in Alzheimer’s disease and help control plaque burden. Ann Neurol. 2009;65:24-31.
43. Meli G, Visintin M, Cannistraci I, et al. Direct in vivo intracellular selection of conformation-sensitive antibody domains targeting Alzheimer’s amyloid-beta oligomers. J Mol Biol. 2009;387:584-606.
44. Relini A, Cavalleri O, Rolandi R, et al. The two-fold aspect of the interplay of amyloidogenic proteins with lipid membranes. Chem Phys Lipids. 2009;158:1-9.
45. Oddo S, Caccamo A, Smith IF, et al. A dynamic relationship between intracellular and extracellular pools of Abeta. Am J Pathol. 2006;168:184-94.
46. LaFerla FM, Green KN, Oddo S. Intracellular amyloid-beta in Alzheimer’s disease. Nat Rev Neurosci. 2007;8:499-509.
47. Savioz A, Leuba G, Vallet PG, et al. Contribution of neural networks to Alzheimer disease’s progression. Brain Res Bull. 2009;80:309-14.
48. Sahara N, Maeda S, Takashima A. Tau oligomerization: a role for tau aggregation intermediates linked to neurodegeneration. Curr Alzheimer Res. 2008;5:591-8.
49. Brunden KR, Trojanowski JQ, Lee VM. Evidence that non-fibrillar tau causes pathology linked to neurodegeneration and behavioral impairments. J Alzheimers Dis. 2008;14:393-9.
50. Small SA, Duff K. Linking Abeta and tau in late-onset Alzheimer’s disease: a dual pathway hypothesis. Neuron. 2008;60:534-42.
51. Barrantes A, Sotres J, Hernando-Perez M, et al. Tau aggregation followed by atomic force microscopy and surface plasmon resonance, and single molecule tau-tau interaction probed by atomic force spectroscopy. J Alzheimers Dis. 2009;18:141-51.
52. Frost B, Jacks RL, Diamond MI. Propagation of tau misfolding from the outside to the inside of a cell. J Biol Chem. 2009;284:12845-52.
53. Ren PH, Lauckner JE, Kachirskaia I, et al. Cytoplasmic penetration and persistent infection of mammalian cells by polyglutamine aggregates. Nat Cell Biol. 2009;11:219-25.
54. Clavaguera F, Bolmont T, Crowther RA, et al. Transmission and spreading of tauopathy in transgenic mouse brain. Nat Cell Biol. 2009;11:909-13.
55. Jeganathan S, Von Bergen M, Mandelkow EM, et al. The natively unfolded character of tau and its aggregation to Alzheimer-like paired helical filaments. Biochemistry. 2008;47:10526-39.
56. Kazantsev AG, Kolchinsky AM. Central role of alpha-synuclein oligomers in neurodegeneration in Parkinson disease. Arch Neurol. 2008;65:1577- 81.
57. Uversky VN. Neuropathology, biochemistry, and biophysics of alpha- synuclein aggregation. J Neurochem. 2007;103:17-37.
58. Waxman EA, Giasson BI. Molecular mechanisms of alpha-synuclein neurodegeneration. Biochim Biophys Acta. 2009;1792:616-24.
59. Crews L, Tsigelny I, Hashimoto M, et al. Role of synucleins in Alzheimer’s disease. Neurotox Res. 2009;16:306-17.
60. Cullen V, Lindfors M, Ng J, et al. Cathepsin D expression level affects alpha-synuclein processing, aggregation, and toxicity in vivo. Mol Brain. 2009 Doi: 10.1186/1756-6606-2-5.
61. Duka T, Duka V, Joyce JN, et al. Alpha-Synuclein contributes to GSK- 3beta-catalyzed Tau phosphorylation in Parkinson’s disease models. FASEB J. 2009;23:2820-30.
62. Paleologou KE, Kragh CL, Mann DM, et al. Detection of elevated levels of soluble alpha-synuclein oligomers in post-mortem brain extracts from patients with dementia with Lewy bodies. Brain. 2009;132:1093-101.
63. Danzer KM, Krebs SK, Wolff M, et al. Seeding induced by alpha- synuclein oligomers provides evidence for spreading of alpha-synuclein pathology. J Neurochem. 2009;111:192-203.
64. Luk KC, Song C, O’Brien P, et al. Exogenous alpha-synuclein fibrils seed the formation of Lewy body-like intracellular inclusions in cultured cells. Proc Natl Acad Sci USA. 2009;106:20051-6.
65. Desplats P, Lee HJ, Bae EJ, et al. Inclusion formation and neuronal cell death through neuron-to-neuron transmission of alpha-synuclein. Proc Natl Acad Sci USA. 2009;106:13010-5.
66. Li C, Lutz EA, Slade KM, et al. 19F NMR studies of alpha-synuclein conformation and fibrillation. Biochemistry. 2009;48:8578-84.
67. Emadi S, Kasturirangan S, Wang MS, et al. Detecting morphologically distinct oligomeric forms of alpha-synuclein. J Biol Chem. 2009;284:11048-58.
68. Banci L, Bertini I, Boca M, et al. Structural and dynamic aspects related to oligomerization of apo SOD1 and its mutants. Proc Natl Acad Sci USA. 2009;106:6980-5.
69. Kwiatkowski TJ, Jr, Bosco DA, Leclerc AL, et al. Mutations in the FUS/TLS gene on chromosome 16 cause familial amyotrophic lateral sclerosis. Science. 2009;323:1205-8.
70. Neumann M, Sampathu DM, Kwong LK, et al. Ubiquitinated TDP-43 in frontotemporal lobar degeneration and amyotrophic lateral sclerosis. Science. 2006;314:130-3.
71. Liu HN, Sanelli T, Horne P, et al. Lack of evidence of monomer/misfolded superoxide dismutase-1 in sporadic amyotrophic lateral sclerosis. Ann Neurol. 2009;66:75-80.
72. Alberti S, Halfmann R, King O, et al. A systematic survey identifies prions and illuminates sequence features of prionogenic proteins. Cell. 2009;137:146-58.
73. Fontaine SN, Brown DR. Mechanisms of prion protein aggregation. Protein Pept Lett. 2009;16:14-26.
74. Kellett KA, Hooper NM. Prion protein and Alzheimer disease. Prion. 2009;3:190-4.
75. Matilla-Duenas A, Sanchez I, Corral-Juan M, et al. Cellular and molecular pathways triggering neurodegeneration in the spinocerebellar ataxias. Cerebellum. 2009 Doi: 10.1007/s12311-009-0144-2.
76. Schwartz AL, Ciechanover A. Targeting proteins for destruction by the ubiquitin system: implications for human pathobiology. Ann Rev Pharmacol Toxicol. 2009;49:73-96.
77. Muchowski PJ, Wacker JL. Modulation of neurodegeneration by molecular chaperones. Nat Rev Neurosci. 2005;6:11-22.
78. Hartl FU, Hayer-Hartl M. Converging concepts of protein folding in vitro and in vivo. Nat Struct Mol Biol. 2009;16:574-81.
79. Kubota H. Quality control against misfolded proteins in the cytosol: a network for cell survival. J Biochem. 2009;146:609-16.
80. Scheper W, Hoozemans JJ. Endoplasmic reticulum protein quality control in neurodegenerative disease: the good, the bad and the therapy. Curr Med Chem. 2009;16:615-26.
81. Eliezer D. Biophysical characterization of intrinsically disordered proteins. Curr Opin Struct Biol. 2009;19:23-30.
82. Mendoza-Espinosa P, Garcia-Gonzalez V, Moreno A, et al. Disorder- to-order conformational transitions in protein structure and its relationship to disease. Mol Cell Biochem. 2009;330:105-20.
83. Balch WE, Morimoto RI, Dillin A, et al. Adapting proteostasis for disease intervention. Science. 2008;319:916-9.
84. Winklhofer KF, Tatzelt J, Haass C. The two faces of protein misfolding: gain- and loss-of-function in neurodegenerative diseases. EMBO J. 2008;27:336-49.
85. Mirzaei H, Regnier F. Protein:protein aggregation induced by protein oxidation. J Chromatogr B Analyt Technol Biomed Life Sci. 2008;873:8-14.
86. Hutt DM, Powers ET, Balch WE. The proteostasis boundary in misfolding diseases of membrane traffic. FEBS Lett. 2009;583:2639-46.
87. Powers ET, Morimoto RI, Dillin A, et al. Biological and chemical approaches to diseases of proteostasis deficiency. Annu Rev Biochem. 2009;78:959-91.
88. Arndt V, Rogon C, Hohfeld J. To be, or not to be-molecular chaperones in protein degradation. Cell Mol Life Sci. 2007;64:2525-41.
89. Broadley SA, Hartl FU. The role of molecular chaperones in human misfolding diseases. FEBS Lett. 2009;583:2647-53.
90. Roelofs J, Park S, Haas W, et al. Chaperone-mediated pathway of proteasome regulatory particle assembly. Nature. 2009;459:861-5.
91. Kalmar B, Greensmith L. Induction of heat shock proteins for protection against oxidative stress. Adv Drug Deliv Rev. 2009;61:310-8.
92. Calderwood SK, Murshid A, Prince T. The shock of aging: molecular chaperones and the heat shock response in longevity and aging-a mini-review. Gerontology. 2009;55:550-8.
93. Goldbaum O, Riedel M, Stahnke T, et al. The small heat shock protein HSP25 protects astrocytes against stress induced by proteasomal inhibition. Glia. 2009;57:1566-77.
94. Roodveldt C, Bertoncini CW, Andersson A, et al. Chaperone proteostasis in Parkinson’s disease: stabilization of the Hsp70/alpha-synuclein complex by Hip. EMBO J. 2009;28:3758-70.
95. Malhotra JD, Kaufman RJ. The endoplasmic reticulum and the unfolded protein response. Semin Cell Dev Biol. 2007;18:716-31.