文摘
阿尔茨海默病(AD)和帕金森病(PD)的两个最常见的原因是疾病在老年群体中痴呆。都是蛋白质错误折叠的疾病特点是蛋白质的存在存款在大脑中。尽管越来越多的证据表明氧化应激对神经元死亡至关重要,其确切作用在疾病病因和发展尚未完全了解。出芽酵母酿酒酵母股票守恒与所有真核细胞生物过程,包括神经元。这个事实与简单和快速的基因操纵的可能性突出这种生物作为一个有价值的工具解开复杂的神经退化和基本机制。在这篇文章中,我们总结的最新知识氧化应激在神经退行性疾病的作用,强调AD和PD。此外,我们提供了一个概述的工作进行研究AD和PD在酵母、集中使用这个模型来理解这两种疾病的氧化应激的影响。
1。介绍
错误折叠的蛋白质通常是不溶性,倾向于形成长线性或纤维总量称为淀粉样蛋白沉积。Amyloid-like蛋白质纤维是一种众所周知的与年龄相关的神经退行性疾病的病理特点,包括阿尔茨海默病(AD)和帕金森病(PD)。阿尔茨海默病和帕金森疾病是最常见的形式的痴呆,目前在全世界影响30和400万人。在广告中,β-淀粉样蛋白(Aβ)肽主要细胞外地累积到一定程度,而在PD,α-核蛋白(αsyn)蛋白质积累,在神经元,在路易小体(磅)和路易探明(LN)。虽然有大量的因素干涉那些病态的口供,很明显,氧化应激可能在神经细胞死亡中起关键作用在神经退行性疾病1- - - - - -3]。
活性氧(ROS)是化学活性分子包含所有需氧细胞氧气和生产。氧化应激发生在ROS的生成系统中超过系统中和,消除他们的能力。所有生物已经开发出适应性对氧化应激的反应,包括防御性酶和分子chaperones-the表达式被逆境应答的转录精心策划的因素以及抗氧化分子(4]。过多的活性氧的生产,和随之而来的混乱的细胞氧化还原平衡,驱动器的氧化生物大分子,如DNA,蛋白质,碳水化合物,和脂肪,可能导致失败的生物功能4]。
许多活性氧具有未成对电子,因此自由基。自由基的生成与微量金属的参与密切相关,特别是铜和铁5,6]。应对这种潜在风险,胞质自由金属的浓度准确控制通过调节它们的吸收,存储,和动员,为了保持redox-active金属在正常生理极限(7,8]。细胞内,“自由池”的铜和铁通过有效隔离,避免金属结合蛋白(5,9]。的chelatable redox-active铁构成所谓的不稳定铁池(唇),作为一个瞬态的铁来源(5,9,10]。然而,当细胞接受压力条件下,过多的超氧化物阴离子自由基作为氧化剂Fe-S集群的几种酶,释放“自由铁。“释放铁可以参与芬顿反应类型,生产高活性氢氧自由基(11]。
在氧化破裂触发在炎症过程中,免疫系统的细胞产生一氧化氮(NO)和超氧化物阴离子自由基。一氧化氮是由NO合酶家族的酶。没有可以直接反应其生物目标,众所周知,调节各种酶的催化活性主要由与Fe-S集群交互、氧化铜矿中心,血红素,酪氨酰激进分子(12]。还没有与过氧化物离子反应()或氧形成了激进的过氧硝酸盐氮()。活性氮物种(RNS)高活性生物大分子和被认为是负责NO-mediated细胞死亡。
本文的目的是提供一个概述氧化应激在神经退行性疾病中的作用,强调AD和PD。尽管在酵母,没有神经系统的多项研究表明,这个真核单细胞有机体是一个合适的模型系统了解神经退行性疾病的分子机制。这些研究的知识总结。最后,我们将讨论如何酵母模型已经或可能用于扩展我们的理解在氧化应激在AD和PD的角色。
2。氧化应激和神经退行性疾病
人类的大脑负责大约20%的我们的身体耗氧量,从而受到高新陈代谢派生的ROS水平(13,14]。越来越多的证据表明氧化应激参与了神经系统疾病的病因和发病机理。大脑的脂质双分子层富含多不饱和脂肪酸和氧气,因此极易受到脂质过氧化反应,一个复杂的过程,涉及的多不饱和脂肪酸与自由基相互作用导致活性亲电醛的生产。脂质过氧化作用发生在一些神经退行性疾病(15]。氧化应激在这些疾病的证据进一步增加支持DNA氧化产品(通常是RNA)基地和氧化蛋白质损失在大脑的特定区域(4]。破坏细胞的组件可以诱导细胞反应的多样性通过一代的二次反应物种通过细胞凋亡和坏死,最终导致细胞死亡(16- - - - - -18]。线粒体是ROS的中心生产。大约90%的哺乳动物耗氧量是线粒体,线粒体中特别重要的神经元由于他们的高要求的能量。这个事实,一起观察线粒体扰动发生在多个神经退行性疾病(19),表明神经退行性疾病是线粒体疾病。
3所示。阿尔茨海默氏症和氧化应激
阿尔茨海默病(AD)是一种与年龄相关的进行性神经退行性疾病引起的严重的神经退化海马体和大脑皮层区域的影响个人的20.]。
AD病理特征包括细胞外淀粉样斑块和胞内聚合物(神经原纤维缠结)。淀粉样斑块的主要成分是淀粉样肽β,导致蛋白质水解的淀粉样前体蛋白(APP)。应用是一种广泛表达跨膜蛋白发挥重要作用在神经元生长和存活21,22]。应用蛋白水解作用形成了一个β肽包括顺序动作天门冬氨酸蛋白酶BACE1 (β分泌酶)和γ分泌酶,multiprotein复杂23]。的长度β肽可能从39 43个氨基酸残基,由于不同γ分泌酶乳沟网站。一个β似乎是展开的,在生理条件下24]。在淀粉样斑块,是一种最常见的物种β40,β42岁,后者是最容易聚合(23]。神经原纤维缠结是由过度磷酸化tau蛋白质,microtubule-binding蛋白被认为是参与微管稳定和在大脑中调节轴突运输25]。
阿尔茨海默病的病因不是很清楚,除了一小部分案件都与家族基因突变(26]。提出了一些假设,目的是解释疾病的零星的形成的原因。一个广泛讨论的假设假设的淀粉样蛋白沉积β肽是广告的病原体27]。支持的“淀粉”理论进一步联系应用基因的突变和一些遗传疾病的形式(26]。
一个β毒性是依赖β的构象状态,肽长度和浓度(28,29日]。此外,它被描述β毒性也相关β形成氢过氧化物和自由基的能力(30.,31日]。这些发现支持的重要的脂质过氧化作用,DNA蛋白质氧化,氧化中观察到广告的大脑(29日,32,33]。此外,两个因素强化氧化应激在AD发病机制中的作用:增强剂增加β即生产,而一些抗氧化剂,维生素E,褪黑素,和一些自由基的清道夫,能保护神经元免受β全身毒性(34]。
有趣的是,一个β肽不是有毒的氧化还原金属离子的缺乏,和许多最近的研究表明biometals发展或进展的阿尔茨海默病(6,35- - - - - -37]。因此,复杂的技术显示的overaccumulation铜,铁,锌与周围组织中的淀粉样蛋白斑块中(38]。一个βredox-active金属具有较高的亲和力,能够减少,从而导致过氧化氢和氧化淀粉样蛋白的形成(6]。巴特菲尔德和布什提出,单一蛋氨酸残留物(Met35)β42是肽的氧化和神经毒性特性的关键(39,40]。替换Met35呈现β肽nonoxidative和nonneurotoxic40]。的硫原子Met35非常容易氧化,形成硫化激进的大都会●+和减少铜(II)对其活性高low-valency形式(5,40]。大都会●+激进的能够快速接受和超氧化物离子反应,形成的蛋氨酸亚砜(我)。在广告老年斑,的一个重要部分β有Met35换上的形式(41]。
广告的另一个研究氧化应激源是线粒体损伤和随之而来的功能异常,ROS的产生。事实上,它表明,神经元在广告展览的比例明显高于受损的线粒体而aged-matched集团(42]。此外,线粒体功能障碍的病因已广泛涉及广告,年初以来线粒体功能障碍和氧化应激可能之前β生产过剩和沉积43]。广告也炎症可以诱发氧化损伤,特别是通过小胶质细胞,从而增加了活性氧,RNS形成和产生的损伤脂质,蛋白质和核酸(44- - - - - -46]。
4所示。帕金森病和氧化应激
帕金森病是一种与年龄相关的神经退行性疾病影响中枢神经系统。它的特点是进步的黑多巴胺能神经元的变性黑质致密部,这是负责运动症状的病理过程归因于PD (47]。疾病的病理特征的存在蛋白质的胞质内含物为路易小体和路易探明。这些主要是由突触前的蛋白质α-核蛋白(αsyn) [48)与蛋白酶体和溶酶体单元以及分子伴侣’(49]。
无处不在的αsyn大脑蛋白质与遗传和零星的PD。其编码基因,SNCA,是第一个与疾病相关的遗传因素,出于这个原因,许多工作在PD收敛吗αsyn [50]。αsyn被证明与脂质膜,加速淀粉样原纤维形成(51),它提出了调节突触的突触囊泡的动力学(52]。的确,αsyn展品的构象被其结构可塑性很大程度上依赖于周围的环境。的单体的αsyn本身是一个典型的蛋白质在生理条件下(53,54]。然而,在特定条件下,如细胞内水平的增加,αsyn可以采用不同的构象,包括一些α螺旋和β单物种折叠两单体和低聚物的状态(不同程度55]。
尽管PD公认是多因素的疾病,大量的证据在PD的发病机制涉及氧化应激。结论性的PD和氧化应激之间的联系是由氧化损伤的增加糖,脂质、核酸和蛋白质中观察到后期多巴胺能神经元内黑质致密部PD的大脑(6,56,57]。
Auluck等人提出的障碍αsyn函数导致当地积累,有利于形成有毒的寡聚物种干扰ER-to-Golgi走私、线粒体turnover-through mitophagy-and产生氧化应激的废除。此外,异常的相互作用αsyn与细胞质膜已经涉及保留含有儿茶酚胺的神经递质产生细胞毒性通过多巴胺加合物和ROS的生成52]。这种效果强的含铁丰富的环境,因为它是路易斯的情况下身体的神经元装饰黑质PD患者的58- - - - - -61年]。的确,众所周知,多巴胺是铁和再生菲能够协调2 +,可能提供一个同样重要的氢氧自由基来源生产(62年]。
线粒体被宣称为主导网站在PD氧化stress-driven起始和传播。这种细胞器在PD的直接含义是首先提出了线粒体的使用复杂我注射(CI)抑制剂MPTP药物(6-tetrahydropyridine 1-methyl-4-phenyl-1、2、3)63年,64年]。这种化学物质模仿人类PD动物模型和人类与帕金森症的发展受到意外接触(65年]。进一步在PD确凿的线粒体的相关性,结果表明:著名的CI抑制剂鱼藤酮诱导多巴胺能细胞的死亡66年- - - - - -69年]。此外,损耗的抗氧化肽谷胱甘肽(GSH)在帕金森病细胞,这可能是由于降低其合成和回收70年),已与线粒体CI活动的减少,导致线粒体功能障碍(71年,72年]。此外,有缺陷的线粒体CI函数是观察到的黑质PD的大脑(73年,74年]。最近的研究也表明,αsyn单体和低聚物与内线粒体膜,在那里他们可以身体与CI,从而干扰线粒体功能和增加自由基的生产(72年,75年]。进一步强调线粒体功能障碍和氧化应激的相关性疾病的病理过程,在家族例PD相关的几个基因编码显示线粒体蛋白质或mitochondria-associated蛋白质(6,76年]。在后者DJ-1,结构性同源蛋白大肠杆菌女伴Hsp31和被认为有保护作用对氧化应激(77年]。氧化应激条件下,DJ-1搬迁到线粒体,影响特定的神经元数量的敏感性化合物针对线粒体CI,即注射鱼藤酮,百草枯和MPTP药物(6,78年- - - - - -80年]。
一些证据支持以及不平衡的一代RNS PD病理的一个特性。首先,硝化αsyn在磅PD细胞积累。其次,对多巴胺能细胞的治疗与RNS抑制剂阻止线粒体CI抑制(6),这表明RNS本身有一个角色在PD的线粒体功能障碍和ROS生成。最后,神经胶质细胞内黑质展览没有水平增加(81年),可能由于干扰素-的积累γ(IFN -γ)[82年),一个细胞因子促进大脑RNS的感应。
5。酿酒酵母作为生物模型研究神经退行性疾病
出芽酵母酿酒酵母介绍了作为一个实验生物midthirties的20世纪。从那时起,其潜在的生物模型一直在利用生物学的许多领域(83年]。尽管缺乏生理哺乳动物神经系统的复杂性,酵母最近被用于研究神经退行性疾病,如阿尔茨海默病和帕金森疾病。这成为可能由于强大的酵母基因工具的发展以及高保护的基本生物过程和途径与神经退化包括蛋白质折叠、细胞贩运和分泌84年]。值得注意的是五分之一的酵母基因与人类疾病相关的同源基因家族成员(85年]。这是一个需要考虑的重要方面研究人类疾病在酵母。如果一个同系物的基因与疾病存在于酵母基因组,一个独特的机会来直接研究它的功能是提供,通过其删除或超表达。否则,如果疾病相关基因没有酵母,仍然可以通过不同的表达式进行功能分析(86年,87年]。同样重要的“人性化”酵母被用作高通量筛查平台化合物的治疗潜力。
6。酵母作为研究阿尔茨海默病模型
酵母模型被广泛用于研究广告的几个分子方面,尽管酵母缺乏一些AD-associated基因。在酵母的研究主要集中在在活的有机体内应用程序处理,β齐聚反应和毒性。
外源表达人类分泌酶在酵母的使用极大地促成了人类的理解应用程序处理。它允许BACE1抑制剂的发现和促使个人的研究的每个组件的功能γ分泌酶复杂(88年]。
越来越多的证据表明,低聚物的形式的β肽,而非淀粉样原纤维,是最有毒的形式(89年- - - - - -92年]。这些发现调查的焦点转移的早期阶段β寡聚化。因此,以下描述酵母系统开发,现在不仅研究的有用工具β齐聚反应,但也理解的分子事件引发的聚合以及潜在治疗化合物的筛选影响聚合过程。
第一个研究酵母β齐聚反应使用2台混合动力分析方法β二聚作用。蛋白质-蛋白质之间的关系被融合的测量β肽LexA dna结合域和一个B42 transactivation域,然后监控的表达lacZ记者由LexA-dependent启动子(93年]。作者表明β肽能够形成二聚体,在活的有机体内在酵母细胞的细胞核。
Bagriantsev Liebman和冯·哈尔等人实施了不同的酵母模型系统,构成一个有价值的工具去找代理干扰的初始步骤β42寡聚化(94年,95年]。在这项研究中,一个的能力β42肽聚集被融合监控Sup35的中间和c端域。终止Sup35酵母转化因子可以进行自然转换成朊病毒状态,失去其功能(96年]。Sup35失去能力总当它prion-forming(氨基)域被删除。然而,插入的β肽序列代替原来的朊病毒Sup35蛋白质域恢复其聚合的能力(94年,95年]。使用这个系统,记者可以确认在活的有机体内点突变的影响,先前显示抑制β42聚合在体外(94年,97年]。此外,它表明Hsp104酵母伴侣,伴侣知道救援蛋白质聚合状态在其他酵母模型的神经退行性疾病(98年,99年),似乎相反功能的广告,保护β融合蛋白的解集和退化94年,95年]。
齐聚反应的β也是第三个酵母研究的主题,通过使用一个记者组成的吗β片段融合GFP (One hundred.]。的分析是基于这样一个前提:聚集融合蛋白抑制绿色荧光。的一个βgfp融合了导致轻微但显著减少酵母生长和诱导热休克反应(高铁),表示的并发转化的酵母βgfp和HSE2元素融合到下游lacZ基因。作者提出的假设就会引起高铁β诱导活性氧和/或错误折叠的蛋白质和建议,高铁可能是一个寻找抑制剂的进一步的研究目标β影响(One hundred.]。
最近,Treusch等人设计了一个酵母模型研究β毒性(101年]。构造窝藏的过度β42在n端片段融合到一个endoplasmatic网针对序列是由一个galactose-inducible启动子。一个β寡聚物局部分泌隔间,像在神经元,导致在酵母毒性。屏幕的遗传修饰符允许40个基因的识别,能够调节β毒性。其中12个同系物在人类3 clathrin-mediated相关被内吞作用,和7个与细胞骨架相关的功能。有趣的是,所有前基因表现的β毒性抑制和先前证明或与广告的风险因素进行验证。作者进一步证明β影响clathrin-mediated内吞作用和建议β寡聚物可能与transmembranar受体和防止其正确的目的地101年]。
7所示。酵母作为研究帕金森病的一个模型
零星的共同特征和家族性帕金森病的情况下,相关的病理过程的理解αsyn引起了特别的关注。以洞察αsyn病理学,Outeiro林奎斯特利用大量的使用的优点酿酒酵母作为一个生物模型,通过发展一个强大的“人性化”酵母系统。作为研究手段αsyn动力学在活的有机体内,作者在酵母细胞构造带有人类的野生型和突变体版本SNCA基因融合GFP (102年]。这个开创性的系统忠实地再现了PD在酵母的几个特性,允许彻底调查疾病的病理过程。三个菌株,指定为NonTox InTox, HiTox,来表达α各级syn [52]。因为它发生在复杂的真核生物模型,细胞质疫源地的样子,细胞毒性α-Syn-decorated泡积累是证明是剂量依赖102年,103年]。此外,高剂量的αsyn导致毒性、胞质脂滴的积累,泡贩卖缺陷,ER压力、热休克反应的激活,ubiquitin-proteasome通路的障碍,HiTox应变和线粒体功能障碍,因此概括所显示的病理特征的PD患者基因组编码重复或三倍SNCA轨迹(52]。
的αsyn酵母模型由Outeiro几个基因组的基础和林奎斯特宽,高通量分析旨在揭示PD的错综复杂。的系统筛查galactose-inducible InTox应变揭示了超表达图书馆Rab GTPase Ypt1 (Rab1)的抑制αsyn毒性(104年),强化的作用αsyn在囊泡形成和交付。此外,一个公正的全基因组屏幕的修饰符αsyn毒性进行InTox应变,使聚胺转运体的识别Tpo4 [105年),强调聚胺通路在PD发病机理的重要性。使用ResponseNet算法集成αsyn mRNA分析和全基因组基因数据,发现海藻糖可能参与保护的途径αsyn毒性可能促进错误折叠蛋白质的间隙。此外,线粒体功能障碍和氧化/ nitrosative压力也出现的后果αsyn超表达在酵母(106年]。转录组的比较HiTox和NonTox菌株提供了进一步的证据支持的假设线粒体功能障碍和氧化应激与条件相关联αsyn在高水平表达。也被证实,线粒体形态影响和活性氧积累HiTox应变进一步表明高水平的αsyn引起全球线粒体功能障碍(107年]。这可能表明,αsyn堆积的起源在PD特定神经细胞的氧化损伤。
最近,过度的αsyn在酵母显示,脂质elongases敲除的基因编码,即ELO1, ELO2,和ELO3影响细胞生长,显著降低衰老细胞的生存,也导致活性氧积累和异常蛋白质贩卖(108年]。一个类似的策略,使用不同的质粒galactose-inducible开车αsyn表达不同酿酒酵母背景,披露的意义脂肪酸合酶活性和细胞内氧化还原状态的机制αsyn毒性(109年]。
α-Syn-humanized酵母也被用来寻找化合物与治疗的潜力。在这种背景下,HiTox应变是用于高通量化学屏幕识别代理能够拯救这一毒株的健壮的毒性。一类小分子的1、2、3,4-tetrahydroquinolinones识别和恢复的形成αsyn疫源地,重建ER-to-Golgi贩卖,改善线粒体损伤,ROS限制生产,因此减少αsyn毒性不仅在酵母也在其他更复杂的PD模型(107年]。
8。结束语
尽管AD和PD都进行了广泛的研究,疾病进展或发病的确切机制在很大程度上仍是个未知数。本文中概述,几个在活的有机体内和在体外研究指向氧化应激在AD和PD发病机制中的作用。然而,一个主要原因还是简单神经退化过程的结果仍然是一个悬而未决的问题。此外,特别是关于广告,有不少矛盾的报告关于氧化应激的作用。事实上,它被描述,氧化应激可能导致增加β(14,110年),而在活的有机体内研究表明氧化应激和之间的负相关β,表明抗氧化剂的作用β(111年]。
酵母可以是一个强大的工具来澄清这些问题的几个。在这种情况下,广告的酵母模型可能在未来被用于监控β齐聚反应和毒性在氧化环境中或在缺乏ROS(缺氧)。有趣的是,酵母模型组成的β肽融合GFP已成功用于测试是否叶酸,一种抗氧化剂,可以防止β聚合(112年]。为了更好地理解与氧化应激的关系αsyn聚合,引发PD的病理过程,这将是有趣的评估的行为αsyn在氧化环境下的“人性化”NonTox应变,InTox HiTox在缺氧条件下菌株。
未来的研究将酵母和动物模型的AD和PD肯定会提供有价值的见解氧化应激在这些神经退行性疾病的作用。
确认
这项工作是支持的Fundacao对位Ciencia e Tecnologia (FCT)通过资助PTDC / BIA-MIC / 108747/2008和Pest-OE / EQB / LA0004/2011。c·皮门特尔(SFRH /桶/ 35052/2007),l . Batista-Nascimento (SFRH / BD / 39389/2007),和r·a·塞斯(SFRH /桶/ 26506/2006)被FCT奖学金支持。