Makroautofagi dan Mitofagi pada Gangguan Neurodegeneratif: Fokus Pada Intervensi Terapeutik Bagian 1

Abstrak:

Makroautofagi, sebuah mekanisme kontrol kualitas, adalah jalur degradasi lisosom agregat protein, patogen, dan organel yang rusak yang dilestarikan secara evolusioner.

Protein merupakan salah satu nutrisi yang dibutuhkan oleh tubuh manusia. Ini tidak hanya merupakan sumber penting komposisi tubuh tetapi juga berkaitan erat dengan perkembangan otak dan kemampuan kognitif. Protein memainkan peran yang sangat penting di otak. Ini tidak hanya membantu pembentukan dan pemeliharaan sel-sel otak tetapi juga membantu proses pembelajaran dan memori otak.

Protein merupakan salah satu komponen penting sel otak. Ini dapat membantu pertumbuhan dan perbaikan sel, meningkatkan koneksi dan komunikasi antar neuron, dan dengan demikian membantu orang memperkuat ingatan mereka. Selain itu, protein juga dapat menghasilkan beberapa zat penting seperti neurotransmitter yang berperan dalam transmisi informasi di otak dan membantu meningkatkan fungsi otak.

Dari segi makanan, makanan yang kaya protein antara lain daging, ikan, telur, kacang-kacangan, dll. Ketika seseorang mengonsumsi cukup protein, mereka dapat memperoleh pasokan nutrisi yang lebih memadai untuk otak, sehingga mendorong perkembangan normal otak, dan meningkatkan kemampuan kognitif. , dan membantu orang belajar dan mengingat dengan lebih baik.

Pada saat yang sama, agar protein dapat berperan penuh, masyarakat juga perlu mengontrol keseimbangan pola makan, lebih banyak mengonsumsi buah dan sayur, menghindari asupan makanan tinggi lemak dan garam berlebihan, serta menjaga kebiasaan hidup dan mentalitas yang baik. , untuk memaksimalkan fungsi protein di otak.

Oleh karena itu, kita dapat menyimpulkan bahwa protein berkaitan erat dengan memori. Asupan kaya protein tidak hanya bermanfaat bagi kesehatan fisik tetapi juga dapat mendorong orang untuk belajar dan mengingat lebih baik, menambah banyak warna dalam hidup kita. Terlihat bahwa kita perlu meningkatkan daya ingat. Cistanche dapat meningkatkan daya ingat secara signifikan karena Cistanche memiliki efek antioksidan, antiinflamasi, dan anti penuaan, yang dapat membantu mengurangi reaksi oksidasi dan inflamasi di otak, sehingga melindungi kesehatan sistem saraf. Selain itu, Cistanche juga dapat mendorong pertumbuhan dan perbaikan sel saraf, sehingga meningkatkan konektivitas dan fungsi jaringan saraf. Efek tersebut dapat membantu meningkatkan daya ingat, kemampuan belajar, dan kecepatan berpikir, serta dapat mencegah terjadinya disfungsi kognitif dan penyakit neurodegeneratif.

Klik tahu cara meningkatkan fungsi otak

Sebagai bagian dari peran homeostatisnya yang penting, deregulasi makroautofag dikaitkan dengan berbagai kelainan pada manusia, termasuk penyakit neurodegeneratif. Ada beberapa bukti yang mengaitkan kesalahan lipatan protein dan disfungsi mitokondria dalam etiologi penyakit Alzheimer, Parkinson, dan Huntington.

Makroautofagi telah terlibat dalam degradasi agregat protein yang berbeda seperti A, tau, alpha-synuclein ( -syn), dan perburuan mutan (mHtt) dan dalam pembersihan mitokondria yang disfungsional.

Dengan mempertimbangkan hal ini, menargetkan autophagy mungkin merupakan strategi terapi yang efektif untuk menghilangkan agregat protein dan meningkatkan fungsi mitokondria pada gangguan ini.

Tinjauan ini menjelaskan pemahaman kita saat ini tentang peran makroautofagi dalam gangguan neurodegeneratif dan berfokus pada strategi yang mungkin untuk modulasi terapeutiknya.

Kata Kunci : gangguan neurodegeneratif; autofagi; disfungsi mitokondria mitofag; protein mutan; strategi terapeutik.

1. Sekilas tentang Autophagy

Autophagy adalah proses degradasi diri intraseluler yang penting yang mempertahankan homeostasis intraseluler melalui degradasi dan daur ulang makromolekul beracun dan organel yang rusak [1].

Banyak pengetahuan terkini tentang autophagy ditemukan pada model ragi atau sel non-terpolarisasi [2]. Proses ini terjadi pada tingkat basal di hampir semua sel mamalia dan dapat distimulasi sebagai respons terhadap kelaparan, menyediakan sel dengan bahan penyusun protein dan lipid baru. Autophagy memainkan peran penting dalam pembersihan agregat protein dan patogen serta regulasi peradangan dan imunitas [3,4].

Karena alasan ini, deregulasi autophagy terlibat dalam beberapa kondisi patologis, termasuk gangguan neurodegeneratif. Autophagy mengambil peran penting dalam neuron karena sel-sel ini sangat sensitif terhadap akumulasi protein yang salah lipatan.

Neuron mengandalkan transportasi anterograde dan retrograde untuk memenuhi kebutuhan metabolisme dan dengan demikian pembentukan agregat tidak hanya menghilangkan fungsi neuron yang benar tetapi juga mengganggu komunikasi dengan lingkungan sekitarnya.

Oleh karena itu, interaksi antara autophagy dan neurodegenerasi memerlukan pemahaman yang lebih mendalam tentang jalur regulasi dan berbagai langkah yang terlibat dalam setiap proses.

Autophagy dapat dibagi menjadi tiga jenis utama, sesuai dengan pengiriman muatan ke lisosom: makroautophagy, microautophagy, dan chaperone-mediated autophagy (CMA). Dalam makroautofagi, muatan sitoplasma ditelan oleh vesikel membran ganda yang sedang tumbuh, yang setelah penutupan (autofagosom), menyatu dengan lisosom untuk degradasi (autolisosom) [5].

Prosesnya rumit dan melibatkan sekelompok protein terkait autofagi spesifik yang bertindak dalam fluks terpadu, dan dapat terjadi secara acak (bulkmacroautophagy) atau selektif melalui adaptor tertentu. Dalam mikroautofagi, muatan (kebanyakan protein) langsung diinternalisasi melalui invaginasi membran lisosom dan vesikel endosom [6].

CMA adalah proses selektif dimana protein dengan motif penargetan spesifik (motif pentapeptida KFERQ) dikenali oleh sitosol chaperoneheat shock serumpun 70 (Hsc70) dan co-chaperone-nya, membantu translokasi muatan ke dalam lumen lisosom melalui protein membran terkait lisosom. Reseptor 2A (LAMP2A) [7].

CMA merupakan jalur degradasi yang dimediasi lisosom alternatif yang dapat diregulasi ketika terjadi penyumbatan makroautofag [8]. Untuk cakupan tinjauan ini, makroautofagi dan autofagi selektif mitokondria, yang dikenal sebagai mitofag, akan dirinci dan dieksplorasi lebih lanjut dalam konteks fungsi saraf dan degenerasi saraf (Gambar 1).

1.1. Makroautofagi

Makroautofagi adalah proses yang kompleks dan berurutan dimulai dengan pembentukan autofagosom dan menelan muatan, diikuti oleh penutupan dan pematangan, dan akhirnya fusi dengan lisosom untuk degradasi. Masing-masing langkah ini melibatkan protein terkait autophagy (ATG) berbeda yang secara mekanis mengoordinasikan fluks autophagic sepanjang autophagosomebiogenesis dan fusi dengan lisosom [9].

Inisiasi autophagy diatur oleh status fosforilasi unc-51-like autophagy activating kinase 1 (ULK1), yang diatur oleh target mamalia hulu dari rapamycin complex 1 (mTORC1) [10].mTORC1 aktif dalam makanan kaya nutrisi kondisi atau ketika jalur PI3K/Akt distimulasi oleh faktor pertumbuhan (misalnya, faktor pertumbuhan mirip insulin-1, IGF1).

mTORC1 aktif memfosforilasi ULK1 dan ATG13, komponen kompleks inisiasi ULK1 (juga disusun oleh protein yang berinteraksi dengan keluarga ATG101 dan FAK kinase dengan 200 kDa, FIP200) [11] menekan autophagy. Dalam kondisi kekurangan nutrisi, mTORC1 dinonaktifkan, memfasilitasi autofosforilasi ULK1 [12].

Selain itu, ketika status energi seluler rendah, AMP mengaktifkan AMPK, yang pada gilirannya menghambat mTORC1 dan memfosforilasi ULK1, sehingga mendorong autophagy [12,13]. Setelah ULK1 diaktifkan, ia memfosforilasi ATG13 dan FIP200, sehingga mengaktifkan seluruh kompleks inisiasi ULK1 [14].

Setelah aktivasi kompleks ULK1, ia bertranslokasi ke omegasom (daerah spesifik di retikulum endoplasma (ER), memulai perakitan membran fagofor untuk biogenesis autofagosom [15].

Di omegasome,ULK1 mendorong perekrutan dan aktivasi fosfatidilinositol kelas III 3-kinasecomplex (PI3PK, disusun oleh penyortiran protein vakuolar 34, beclin-1, fosfoinositida-3-subunit pengatur kinase 4, dan ATG14L) melalui fosforilasi Beclin-1 [15,16].PI3PK bertanggung jawab atas pembentukan ekspansi forfagofor fosfatidilinositol-3 fosfat (PI3P) [17].

Sumber awal membran untuk nukleasi fagofor termasuk vesikel COPII, reservoir vesikel ATG9, dan membran ER-omegasome itu sendiri [18]. ATG9 adalah glikoprotein transmembran yang bersiklus antara jaringan trans-Golgi (TGN) dan sistem endosom melalui daur ulang endosom [19] dan direkrut menjadi omegasome melalui induksi autophagy, sehingga mengantarkan membran ke fagofor yang baru lahir [20,21].

Selain itu, ATG9 berpindah ke dan dari membran plasma, yang terakhir melalui proses yang dimediasi clathrin [22]. Perdagangan ATG9 antar membran bergantung pada fosforilasi yang dimediasi ULK1-dalam kondisi basal dan penginduksi autophagy [23]. Sumber membran lain, seperti mitokondria, kompleks Golgi, dan membran plasma, juga telah diusulkan untuk berpartisipasi dalam nukleasi dan ekspansi vesikel [24-26].

Reseptor protein pelekatan faktor sensitif N-etilmaleimida terlarut spesifik (SNAREs) dan faktor penambatan lainnya terlibat dalam fusi membran yang berasal dari Golgi, endosom, atau membran plasma dengan membran omegasome [15] yang mempertahankan pertumbuhan vesikel.

Generasi PI3P sangat penting untuk nukleasi vesikel fagofor, rekrutmen protein pengikat PI3P yang terlibat dalam ekspansi fagofor, dan pembentukan kelengkungan serta rekrutmen protein ATG hilir (27). Perekrutan efektor PI3P seperti protein yang berinteraksi dengan fosfoinositida domain berulang (WIPIs) WD ke theomegasome sangat penting untuk biogenesis autophagosome dan fluks autophagic [27,28].

Alfy, protein yang mengandung domain FYVE scaffolding besar, adalah efektor PI3P yang menargetkan agregat yang ada di mana-mana ke autophagosome, sehingga berpartisipasi dalam autophagy selektif (29).

Langkah selanjutnya adalah perekrutan protein rantai cahaya 1A/1B-rantai (LC3) terkait mikrotubulus ke fagofor, dibantu oleh sistem konjugasi mirip ubiquitin. Awalnya, E1 ubiquitinligase ATG7 dan E2 ubiquitin ligase ATG10 terlibat dalam konjugasi ATG12 ke ATG5 yang selanjutnya berikatan dengan ATG16L1. Kompleks ATG12 – ATG5 – ATG161L sangat penting untuk perekrutan LC3 ke membran positif PI3P [27].

Pertama, LC3 dibelah secara proteolitik di terminal-C oleh protease ATG4 yang membentuk LC3-I, yang, pada gilirannya, melalui aksi ATG3 dan ATG7 dan ATG12–ATG5–ATG161L, menghasilkan LC3-II melalui mengikat kelompok kepala theamine dari fosfatidletanolamin (PE) di membran fagofor [30,31].

Lipidasi LC3 seperti itu penting untuk perluasan dan penutupan fagofor dan pematangan autofagosom lebih lanjut [32]. Selain itu, LC3 lipidasi terlibat dalam pengenalan muatan spesifik melalui domain LIR (wilayah interaksi LC3) melalui protein adaptor selektif (33). Ekspansi dan pemanjangan fagofor tidak terdefinisi dengan baik tetapi interaksi WIPI2 dengan vesikel yang diperkaya ATG9-sangat penting untuk proses tersebut [21].

Beberapa penelitian menunjukkan bahwa protein ATG tambahan terlibat dalam langkah akhir biogenesis autofagosom, namun peran pastinya belum ditentukan dengan jelas. Studi menunjukkan bahwa cacat pada sistem konjugasi ubiquitin LC3 mengganggu penutupan autofagosom [34,35], yang berimplikasi pada kompleks ini pada langkah akhir biogenesis autofagosom.

Penutupan vesikel autofagosom dimediasi oleh mesin kompleks penyortiran endosom yang diperlukan untuk transportasi (ESCRT) [36]. Setelah penutupan, autofagosom berdisosiasi dari ER, dan pematangannya berlangsung melalui interaksi dengan beberapa vesikel endositik.

Autofagosom dapat menyatu dengan kompartemen endolisosom yang berbeda, seperti endosom akhir (LE) dan badan multivesikular (MVB), suatu fitur yang bervariasi menurut jenis sel dan kondisi fisiologis tertentu [37].

Penggabungan autofagosom dengan MVB sementara membentuk struktur perantara yang disebut amfisom yang selanjutnya akan menyatu dengan lisosom agar terdegradasi [38]. Defosforilasi PI3P pada membran autofagosom oleh fosfoinositida 3-fosfatase dari keluarga protein miotubularin diperlukan sebelum fusinya dengan lisosom [39].

Autofagosom didistribusikan secara acak ke seluruh sitoplasma, sedangkan endosom akhir dan lisosom sebagian besar ditemukan di daerah perinuklear tetapi juga di kompartemen aksonal dan dendritik neuron (40). Autofagosom bergerak sepanjang mikrotubulus menuju lisosom melalui mekanisme LC3 dan bergantung pada dynein (41). Penggabungan autofagosom dengan lisosom dibantu oleh keluarga protein yang berbeda. RabGTPase melokalisasi pada membran vesikel dan merekrut protein pengikat membran yang membantu SNARE dalam peristiwa fusi (diulas dalam [42]).

Secara konsisten, penipisan SNAREprotein menyebabkan akumulasi autofagosom di sel yang berbeda [43,44]. Di antara Rab GTPase yang mengatur pematangan autofagosom, Rab7 direkrut ke membran autofagosom dan bertindak sebagai saklar molekuler, membantu pengikatannya dengan dynein, sehingga memfasilitasi pengangkutan autofagosom dan lisosom menuju wilayah perinuklear (45). Sel knockdown Rab7- menampilkan gangguan selektif fusi autofagosom dengan lisosom, tetapi tidak dengan LE atau MVB [45,46].

Selain itu, protein dari subfamili GABARAP (homolog LC3) terlibat dalam pematangan autofagosom, dan penipisannya menghentikan fusi autofagosom-lisosom [47].

Setelah fusi, pengasaman autolisosomalumen oleh pompa proton atau v-ATPase mengaktifkan enzim hidrolitik lisosom [48], yang mengakibatkan degradasi muatan. Metabolit yang dihasilkan tersedia untuk digunakan kembali di dalam sel atau bertindak sebagai molekul pemberi sinyal intraseluler (Gambar 2).

Poin penting dari regulasi makroautofag adalah modifikasi pasca-translasi dari beberapa protein ATG dan non-ATG (diulas dalam [49]). Hal ini penting untuk membatasi perluasan autophagy dan mencegah degradasi konten sitoplasma yang tidak terkendali, yang akan mengganggu homeostasis intraseluler dan dapat menyebabkan kematian sel.

1.2. Fungsi Autophagy di Neuron

Kelangsungan hidup neuron bergantung pada CMA dan makroautofagi untuk menyeimbangkan tingkat protein yang salah lipatan dan organel rusak yang tidak dapat diencerkan melalui pembelahan sel dan untuk mempertahankan proses seluler dengan mendaur ulang metabolit [50].

Penghapusan agregat protein yang tidak efektif menyebabkan blokade transpor aksonal dan perubahan transkripsional yang besar; dengan demikian, autophagy sangat penting untuk mempertahankan homeostasis di seluruh sel saraf (akson, soma, dan dendrit). Di daerah sinaptik, pergantian protein yang konstan sangat diperlukan untuk memenuhi kebutuhan energi lokal yang tinggi dan untuk mempertahankan siklus sintesis dan degradasi protein fungsional [51].

Hal ini penting tidak hanya untuk mempertahankan plastisitas sinaptik [52] tetapi juga untuk mendukung homeostasis aksonal [53,54]. Memang benar, stimulasi saraf mengatur tingkat autophagy, sementara autophagy mempertahankan fungsi sinaptik pada domain pra dan pasca sinaptik (55).

Menariknya, selain dari mesin autophagy inti, beberapa protein pengatur spesifik saraf diperlukan untuk autophagy di daerah prasinaptik: Endofillin-A adalah adaptor endositik yang menghasilkan membran melengkung dan berfungsi sebagai platform untuk merekrut protein autophagic, sehingga mendorong biogenesis autophagosome [56], dan synaptojanin 1, suatu lipidfosfatase yang memediasi perdagangan vesikel sinaptik, juga diperlukan untuk autophagosomebiogenesis (57).

Di sisi lain, autophagy dapat diatur secara negatif di prasinapsis melalui Bassoon, protein perancah yang berinteraksi dengan ATG5, sehingga membuatnya tidak tersedia untuk biogenesis autophagosome [58]. Di wilayah pasca-sinaptik, autophagy sangat penting untuk mempertahankan plastisitas sinaptik.

Pada depresi jangka panjang (LTD), autophagy sangat penting untuk memediasi perdagangan dan penghapusan reseptor -amino-3-hidroksi-5-metil-4-asam isoksazolpropionat (AMPA). Menariknya, stimulasi reseptor N-metil-D-aspartat (NMDA) mengaktifkan degradasi reseptor AMPA melalui autophagy (59). Selain itu, faktor neurotropik yang diturunkan dari otak (BDNF) menekan autophagy pada neuron hipokampus, memfasilitasi potensiasi jangka panjang (LTP) dan persistensi memori pada tikus, sehingga mendukung peran autophagy dalam plastisitas sinaptik (60).

Makroautofagi neuron adalah mekanisme penting yang menghilangkan bahan intraseluler yang rusak, dan sangat efisien dalam neuron, dengan pembersihan autofagosom yang cepat, karena sejumlah besar autofagosom terakumulasi dalam neuron setelah penghambatan lisosomal (61).

Dalam neuron SSP dan juga sistem saraf perifer (PNS), biogenesis autofagosom dimulai di neurit dan daerah terminal sinaptik di distalakson, kemudian diangkut kembali ke sel soma dengan gerakan mundur untuk menyatu dengan lisosom aktif [62].

Autofagosom mengalami pematangan saat mereka berpindah dari distal (ujung neurit) ke proksimal (sel soma) dengan menelan organel dan muatan terlarut dan dengan meningkatkan pengasaman luminal untuk degradasi muatan yang efisien. Pada soma, terdapat populasi campuran autofagosom dengan kondisi maturasi berbeda yang berasal dari daerah distal atau dihasilkan secara lokal (63).

Autofagosom yang berasal dari distal tertahan dalam kompartemen somatodendritik dan tidak dapat kembali ke akson, sedangkan autofagosom dari soma dapat bergerak bebas antara dendrit dan soma [63].

Dalam kondisi normal, autophagosomes hampir tidak terdeteksi dalam neuron karena mereka dengan cepat berfusi dengan lisosom, menunjukkan bahwa autophagy sangat efisien dalam induksi autophagy neuron dan pembersihan autophagosome pada [64].

Autofagosom yang berasal dari akson distal mengandung kandungan sitoplasma, dan setidaknya 10% populasi mengandung fragmen mitokondria [62], mendukung peran degradasi mitokondria yang bergantung pada autofag.

Makroautofagi penting untuk pembentukan neurit selama pertumbuhannya dan juga untuk plastisitas saraf. Hilangnya fungsi ATG16L1, protein inti autophagic, cukup untuk menyebabkan efek pada pembentukan otak tikus [65]. Selain itu, penghapusan ATG9 yang spesifik pada saraf menghasilkan perkembangan saluran akson yang rusak dan pertumbuhan neurit yang kurang secara in vitro (66).

Namun, penurunan ATG dan protein terkait dengan penuaan [67] menyebabkan penurunan makroautofag yang progresif, yang mungkin berkontribusi pada timbulnya beberapa penyakit neurodegeneratif yang terlambat.

Akumulasi autofagosom dihasilkan dari ketidakseimbangan antara pembentukan dan degradasinya [68], yang telah dijelaskan pada penyakit Alzheimer (AD), penyakit Parkinson (PD), dan penyakit Huntington (HD) [69].

Meskipun mutasi genetik pada gen yang berhubungan dengan autophagy tidak dijelaskan sebagai faktor penyebab langsung penyakit neurodegeneratif, beberapa bukti mendukung bahwa gangguan dalam proses makroautophagy dan regulasinya terlibat dalam neurodegenerasi.

Memang benar, disfungsi proses autophagic seperti gangguan fusi autophagosome-lisosom [64], cacat pengasaman lisosom [70], atau cacat autophagosometransport [71,72] mengakibatkan akumulasi agregat protein beracun dan organel yang tidak berfungsi, sehingga berkontribusi terhadap degenerasi saraf.

Inaktivasi genetik ATG5, ATG7, atau FIP200 di SSP menyebabkan pembengkakan akson dan kematian neuron pada tikus, yang mengakibatkan penurunan fungsi motorik secara progresif [73-75].

Selain itu, tikus ATG5-null mati dalam satu hari setelah lahir karena kehilangan neuron yang disebabkan oleh gangguan autophagy [76]. Meskipun beberapa penelitian membuktikan pentingnya makroautophagy untuk kelangsungan hidup dan fungsi neuron, sedikit yang diketahui tentang regulasinya pada neuron dan glia .

Akumulasi protein menyimpang atau badan inklusi telah dijelaskan dengan baik pada beberapa penyakit neurodegeneratif, dan perubahan aktivitas autophagic dapat mempengaruhi homeostasis dan kelangsungan hidup neuron. Mengungkap peran autophagy dan regulasi dalam fungsi saraf dan glial akan menjadi kunci dalam menjalankan strategi terapi baru untuk menghentikan disfungsi dan degenerasi saraf.

For more information:1950477648nn@gmail.com