Ανάπτυξη Θεραπείας για Νωτιαία Μυϊκή Ατροφία: Προοπτικές για Μυϊκές Δυστροφίες και Νευροεκφυλιστικές Διαταραχές Μέρος 2

Η κυτταρική και μοριακή λειτουργία του SMN

Η πρωτεΐνη SMN εκφράζεται παντού και δεν βρίσκεται μόνο στο νευρικό σύστημα, ειδικά στους κινητικούς νευρώνες. Το SMN δρα σε ένα πρωτεϊνικό σύμπλεγμα που μεσολαβεί στη συγκρότηση του snRNP αντισωμικού [91, 176, 194, 233].

Το νευρικό σύστημα είναι ένα πολύπλοκο βιολογικό σύστημα που ελέγχει διάφορες δραστηριότητες του ανθρώπινου σώματος, συμπεριλαμβανομένης της σκέψης, της δράσης και της μνήμης. Για βελτιωμένη μνήμη, η υγεία του νευρικού συστήματος είναι κρίσιμη.

Η σύνδεση μεταξύ του νευρικού συστήματος και της μνήμης αντιπροσωπεύεται από τους νευρώνες στον εγκέφαλο, οι οποίοι είναι υπεύθυνοι για τη μετάδοση πληροφοριών και τη δημιουργία συνδέσεων στον εγκέφαλο. Όταν μαθαίνουμε ή βιώνουμε κάτι, οι νευρώνες στον εγκέφαλο σχηματίζουν νέες συνδέσεις, βοηθώντας μας να θυμόμαστε περισσότερες πληροφορίες.

Ταυτόχρονα, το νευρικό σύστημα μπορεί επίσης να παίξει σημαντικό ρόλο στη διαδικασία της μνήμης μας. Η μνήμη στο μυαλό αποτελείται από τις συνδέσεις και τις συγχρονισμένες δραστηριότητες ενός μεγάλου αριθμού νευρώνων. Το νευρικό σύστημα μας βοηθά να ενισχύσουμε και να εδραιώσουμε αυτές τις αναμνήσεις, καθιστώντας τις πιο γερές και μακροχρόνιες.

Ωστόσο, ορισμένες νευρολογικές διαταραχές μπορούν επίσης να επηρεάσουν τη μνήμη μας. Για παράδειγμα, το χρόνιο στρες ή η έλλειψη ύπνου μπορεί να εμποδίσει τη φυσιολογική λειτουργία του νευρικού συστήματος και να προκαλέσει μείωση της μνήμης μας. Επομένως, πρέπει να λάβουμε κάποια προληπτικά μέτρα για να διατηρήσουμε το νευρικό μας σύστημα υγιές.

Ορισμένες συνήθειες υγιεινού τρόπου ζωής, όπως ο επαρκής ύπνος, η σωστή άσκηση και μια ισορροπημένη διατροφή, είναι πολύ ευεργετικές για την υγεία του νευρικού συστήματος. Επιπλέον, το να διαβάζουμε περισσότερο, να μαθαίνουμε περισσότερες νέες γνώσεις και να προκαλούμε περισσότερο τον εαυτό μας μπορεί επίσης να τονώσει τη δραστηριότητα του νευρικού συστήματος και να μας βοηθήσει να βελτιώσουμε τη μνήμη μας.

Εν ολίγοις, η σύνδεση μεταξύ του νευρικού συστήματος και της μνήμης είναι πολύ στενή και η διατήρηση της υγείας του νευρικού συστήματος είναι πολύ σημαντική για τη μνήμη μας. Εφόσον λαμβάνουμε τα κατάλληλα μέτρα και διατηρούμε ενεργά μια υγιή και ικανοποιητική ζωή, σίγουρα θα έχουμε καλύτερες αναμνήσεις. Μπορεί να φανεί ότι πρέπει να βελτιώσουμε τη μνήμη και το Cistanche deserticola μπορεί να βελτιώσει σημαντικά τη μνήμη, επειδή το Cistanche deserticola είναι ένα παραδοσιακό κινέζικο φαρμακευτικό υλικό που έχει πολλά μοναδικά αποτελέσματα, ένα από τα οποία είναι η βελτίωση της μνήμης. Η αποτελεσματικότητα του Cistanche deserticola προέρχεται από τα πολλαπλά ενεργά συστατικά που περιέχει, όπως ταννικό οξύ, πολυσακχαρίτες, φλαβονοειδή γλυκοσίδες κ.λπ. Αυτά τα συστατικά μπορούν να προάγουν την υγεία του εγκεφάλου μέσω ποικίλων οδών.

Κάντε κλικ στο Μάθετε 10 τρόπους για να βελτιώσετε τη μνήμη

Το κλασικό νοκ-άουτ του γονιδίου Smn σε ποντίκια προκαλεί πρώιμη εμβρυονική θνησιμότητα [264], η οποία είναι σύμφωνη με τον θεμελιώδη ρόλο του Smn σε όλους τους τύπους κυττάρων ως βασικής κυτταρικής πρωτεΐνης για την επεξεργασία πριν από το mRNA.

Ποντίκια με ομόζυγο νοκ-άουτ ενδογενούς Smn με 2 επιπλέον διαγονιδιακά αντίγραφα ανθρώπινου SMN2 αναπτύσσουν σοβαρό SMA, μιμούμενοι έτσι το SMA τύπου 1 στους ανθρώπους [208].

Ωστόσο, τα επίπεδα mRNA στα περισσότερα όργανα αυτών των ποντικών, συμπεριλαμβανομένου του εγκεφάλου, φαίνονται φυσιολογικά και το μάτισμα της καθορισμένης μεταγραφής δεν επηρεάζεται [140]. Αυτό δείχνει ότι η επεξεργασία των προ-mRNAs συμπεριλαμβανομένου του ματίσματος γενικά δεν επηρεάζεται στο SMA.

Ωστόσο, δεν μπορεί να αποκλειστεί ότι λίγα μεταγραφήματα απαιτούν υψηλά επίπεδα πρωτεΐνης SMN και συμπλόκου SMN, επομένως τα επίπεδα SMN που μπορούν να παραχθούν από έως και τέσσερα αντίγραφα SMN2 δεν είναι επαρκή σε τέτοια κύτταρα.

Μελέτες στο Drosophila έχουν αποδείξει ότι συγκεκριμένες μεταγραφές που απαιτούν το μικρό σύμπλεγμα ματίσματος U11/12 φαίνονται πιο ευάλωτες στην εξάντληση Smn [132, 177,181] από την πλειονότητα των μεταγραφών που υποβάλλονται σε επεξεργασία μέσω των U1, 2, 4, 5, {{9} εξαρτώμενο μείζον σύμπλεγμα ματοσωμάτων. Ωστόσο, αυτά τα ευρήματα αμφισβητήθηκαν από την παρατήρηση ότι η ανάπτυξη των πατατών με ανεπάρκεια Smn, γενικά, καθυστερεί και ότι η εξαρτώμενη από το U11/{12}}προ-mRNA μάτισμα κατά τη διάρκεια της φυσιολογικής ανάπτυξης συμβαίνει μόνο σε μεταγενέστερα προνυμφικά στάδια [98].

Έτσι, τα χαμηλότερα επίπεδα U11/12 δευτερεύουσες τροποποιήσεις mRNA που εξαρτώνται από σύμπλοκο ματίσματος θα μπορούσαν να αντικατοπτρίζουν μια καθυστέρηση στην ανάπτυξη των προνυμφών σε ελλείψεις Smn. Παρόλο που το U11/12, καθώς και η κατακράτηση του εξαρτώμενου ιντρονίου U{{6}, έχει παρατηρηθεί σε μεταγραφές σε μύγες και ποντίκια με έλλειψη Smn, μόνο μερικά επιβεβαιώθηκαν με δυνατότητα αναπαραγωγής, όπως τα TMEM41B/Stasimon και Mdm2/4[66, 181, 275 , 300].

Παρά την παρατήρηση ότι η αποκατάσταση της έκφρασης Mdm2/4 βελτίωσε τις κινητικές λειτουργίες σε κάποιο βαθμό, αυτή η αποκατάσταση του Mdm2/4 δεν επηρέασε ευεργετικά την επιβίωση των ποντικών SMA [300].

Εκτός από τα στοιχεία του κλασικού συμπλέγματος SMN, έχουν εντοπιστεί επιπλέον συνεργάτες αλληλεπίδρασης SMN. Μεταξύ των hnRNP R [256], TDP-43 [296], FUS [323] και HuD[82], τα οποία εμπλέκονται σε πολλές νευρωνικές λειτουργίες, συμπεριλαμβανομένης της ρύθμισης μεταγραφής, της πυρηνικής προεπεξεργασίας mRNA, της πυρηνικής εξαγωγής και της υποκυτταρικής μεταφοράς πολλών mRNA [4, 18, 81, 82, 102, 104, 110, 218, 255, 325.326].

Συγκεκριμένα, η αξονική μετατόπιση του -actinmRNA διαταράσσεται σοβαρά σε νευρώνες με έλλειψη Smn- [255], hnRNP R-[102] και TDP-43- [33]. Ο εταίρος αλληλεπίδρασης HnRNP R asan του SMN βρίσκεται στον πυρήνα και στο κυτταρόπλασμα, συμπεριλαμβανομένων των αξόνων των κινητικών νευρώνων [68,256]. Εμπλέκεται στην υποκυτταρική μεταφορά του mRNA και άλλων τύπων RNA στους άξονες [32, 34, 261].

Ρύθμιση της έκφρασης SMN κατά την ανάπτυξη

Η αναπτυξιακή έκφραση του SMN σε ποντίκια και ανθρώπους παρουσιάζει μοναδικά δυναμικά χαρακτηριστικά. Τα επίπεδα πρωτεΐνης SMN είναι υψηλά κατά την προγεννητική ανάπτυξη και μειώνονται κατά τα πρώιμα περιγεννητικά στάδια [20, 38, 97, 140, 144, 240,241].

Στο αίμα, υψηλότερα επίπεδα έκφρασης SMN βρίσκονται σε μικρά παιδιά σε σύγκριση με τους ενήλικες [309, 330]. Το διάμεσο επίπεδο πρωτεΐνης SMN ήταν 2.{3}}φορές υψηλότερο σε προγεννητικά υγιή άτομα σε σύγκριση με πρώιμα μεταγεννητικά παιδιά μικρότερα των 3 μηνών.

Αυτή η διαφορά αυξάνεται κατά την ανάπτυξη. Τα επίπεδα πρωτεΐνης SMN είναι περίπου 6.5-πλάσια μειωμένα σε δείγματα ανθρώπινου ιστού νεκροψίας (οσφυϊκός ή θωρακικός νωτιαίος μυελός) σε άτομα ηλικίας 3 μηνών έως 14 ετών [240, 241] σε σύγκριση με δείγματα από εμβρυϊκά στάδια. Τα επίπεδα SMN είναι τέσσερις φορές χαμηλότερα σε δείγματα ανθρώπινου νωτιαίου μυελού από ασθενείς με SMA στα μεταγεννητικά στάδια (έως 3 μηνών) σε σύγκριση με υγιή άτομα.

Η μείωση των υψηλών επιπέδων προγεννητικής πρωτεΐνης SMN στα πρώιμα μεταγεννητικά στάδια παρατηρήθηκε επίσης στον μετωπιαίο φλοιό, το διάφραγμα και τους σκελετικούς μύες [240, 241]. Τα επίπεδα πρωτεΐνης SMN συσχετίζονται μόνο μέτρια με τα επίπεδα μεταγραφής ολικού SMN1 και SMN2 mRNA σε δείγματα προγεννητικού ιστού.

Η μείωση των διάμεσων επιπέδων SMN2 πλήρους μήκους mRNA του SMN1 στα πρώιμα μεταγεννητικά στάδια σε ιστούς από υγιείς μάρτυρες είναι ήπια σε σύγκριση με το επίπεδο της πρωτεΐνης [240, 241]. Αυτό υποδεικνύει ότι τα επίπεδα πρωτεΐνης SMN μειώνονται στα πρώιμα μεταγεννητικά στάδια ανεξάρτητα από τη δραστηριότητα του προαγωγέα SMN [71, 206, 207, 257] μέσω μεταμεταγραφικών μηχανισμών [53, 149]. Στα ποντίκια, τα επίπεδα πρωτεΐνης Smn μειώνονται στο νωτιαίο μυελό μεταξύ της εμβρυϊκής ημέρας (Ε) 14 και 19.

Αυτή η περίοδος ακολουθείται από περαιτέρω μείωση μεταξύ των μεταγεννητικών ημερών (P) 5 και 15 [140]. Προς το παρόν, οι μηχανισμοί που ρυθμίζουν την έκφραση του SMN σε μεταμεταγραφικό και μεταμεταφραστικό επίπεδο δεν έχουν επιλυθεί πλήρως. Τόσο ο μεταφραστικός έλεγχος όσο και η ρύθμιση της αποικοδόμησης της πρωτεΐνης Smn θα μπορούσαν να παίξουν κάποιο ρόλο.

Η αστάθεια της πρωτεΐνης SMNΔ7 διαμεσολαβείται από ένα σηματοδοτημένο degron αποικοδόμησης (SMNΔ7-DEG) που δημιουργείται από το τότε νέο C-άκρο στην κολοβωμένη πρωτεΐνη από το γονίδιο SMN2 [45]. Η απενεργοποίηση του SMNΔ7-DEG από μια σημειακή μετάλλαξη σταθεροποιεί το SMNΔ7, το οποίο με τη σειρά του μπορεί να αντισταθμίσει την απώλεια SMN στις κυτταρικές σειρές.

SMA: κινητική και νευρομυϊκή παθολογία

Όπως αναφέρθηκε προηγουμένως, τα σχετικά επίπεδα πρωτεΐνης SMN είναι τα υψηλότερα στα προγεννητικά στάδια στους ανθρώπους και στα ποντίκια (1 εβδομάδα πριν τη γέννηση) [140, 240, 241] υποδηλώνοντας έναν κρίσιμο ρόλο της ενδοκυτταρικής διαφοροποίησης του SMN. Στους κινητικούς νευρώνες, αυτή η περίοδος υψηλών επιπέδων πρωτεΐνης SMN συμπίπτει με το αναπτυξιακό στάδιο όταν αυτοί οι νευρώνες αναπτύσσουν άξονες και σχηματίζουν συναπτικές επαφές με σκελετικές/γραμμωτές μυϊκές ίνες για να δημιουργήσουν νευρομυϊκές τελικές πλάκες.

Αυτά τα ευρήματα υποδηλώνουν ότι υψηλές ποσότητες πρωτεΐνης SMN είναι απαραίτητες για τη σωστή ανάπτυξη του νευρομυϊκού συστήματος [38,140, ​​141]. Κατά την πρώιμη προγεννητική ανάπτυξη, περίπου οι μισοί από τους μεταμιτωτικούς κινητικούς νευρώνες που έχουν δημιουργηθεί αρχικά στο νωτιαίο μυελό υφίστανται φυσιολογικό κυτταρικό θάνατο. Ο αναπτυξιακός κυτταρικός θάνατος ελέγχεται από νευροτροφικούς παράγοντες [11, 116, 129, 234, 265, 266, 268].

Σε ανθρώπους καθώς και σε ποντίκια, η ανεπάρκεια SMN δεν ενισχύει την απώλεια κινητικών νευρώνων κατά τη διάρκεια αυτής της κρίσιμης αναπτυξιακής περιόδου. Αυτή η αναπτυξιακή περίοδος φυσιολογικού θανάτου των κινητικών νευρώνων ακολουθείται από τις συνάψεις που εξαλείφονται όταν εξαλείφονται οι υπεράριθμες συνάψεις [173], έτσι ώστε μια μυϊκή ίνα να λαμβάνει συναπτικίνη μόνο από έναν κινητικό νευρώνα.

Αυτό το χρονικό παράθυρο της πολυσυναπτικής εξάλειψης συμπίπτει με την επιδείνωση της κινητικής λειτουργίας και τον εκφυλισμό των κινητικών νευρώνων τουλάχιστον σε μοντέλα ποντικών SMA τύπου 1 και 2 [103, 126, 166]. Κατά τη διάρκεια αυτού του σταδίου, περίπου το 17-29% των κινητικών νευρώνων χάνονται σε μοντέλα SMA τύπου 1 ποντίκια σε σύγκριση με υγιή θηλυκά [208]. Η απώλεια κινητικών νευρώνων συνεχίζεται μετά από αυτά τα πρώιμα μεταγεννητικά στάδια. Σε ετερόζυγα ποντίκια Smn στα οποία διαγράφεται μόνο ένα αλληλόμορφο του Smn, με αποτέλεσμα την μείωση του 50% των επιπέδων πρωτεΐνης Smn, περίπου το 50% των κινητικών νευρώνων χάνεται σε ένα στάδιο 12 μηνών [140, 274].

Ομοίως σε παιδιά με SMA τύπου 1, σοβαρή απώλεια κινητικών νευρώνων έχει παρατηρηθεί στο τελικό στάδιο της νόσου. Στην ηλικία των 5–22 μηνών, η απώλεια κινητικών νευρώνων σε ασθενείς με τύπου 1SMA αυξάνεται σε περισσότερο από 70% [272]. Όταν οι κινητικοί νευρώνες απομονώνονται από το εμβρυϊκόSmn−/−. Ποντίκια SMN2 και καλλιεργήθηκαν για περιόδους έως 7 ημέρες, ο κυτταρικός θάνατος δεν ενισχύεται αλλά η επέκταση του άξονα μεταβάλλεται σημαντικά.

Αυτό το αξονικό ελάττωμα [139, 156, 255] εμφανίζεται ως εξέχον χαρακτηριστικό και παρατηρείται επίσης σε άλλα μοντέλα ζώων με έλλειψη Smn, όπως το ζέβρα[192, 317]. Η ελαττωματική ανάπτυξη του άξονα συσχετίζεται με τη μειωμένη δυναμική της ακτίνης [211, 255] και την αλλοιωμένη διεγερσιμότητα μέσω των καναλιών Ca2+ με πύλη τάσης [139].

Η θεραπεία ποντικών SMA και ελέγχου με τον διαμορφωτή διαύλων ασβεστίου R-Roscovitine έχει ως αποτέλεσμα αυξημένο αριθμό διατηρημένων και ακόμη και αναγεννημένων νευρομυϊκών συνδέσμων (NMJs) [291]. Έτσι, η ελαττωματική προσυναπτική δραστηριότητα και η μειωμένη απελευθέρωση πομπού συμβάλλουν στην παθολογία και τον εκφυλισμό των νευρομυϊκών συνδέσεων και των νευραξόνων στο SMA.

Ένα κοινό και χαρακτηριστικό παθολογικό χαρακτηριστικό του SMA είναι ότι οι εγγύς μυϊκές ομάδες φαίνονται πιο ευάλωτες από τους άπω μύες. Για παράδειγμα, οι κινήσεις του δακτύλου των μυών εμφανίζονται λιγότερο επηρεασμένες από τους τραπεζοειδείς, δελτοειδή, τετρακέφαλους ή γαστροκνήμιους μύες [69]. Αυτό φαίνεται σαν μια πρώτη αντίληψη, επειδή οι κινητικοί νευρώνες με μακρούς άξονες θεωρούνται γενικά πιο ευάλωτοι από εκείνους με μικρότερους άξονες. Ωστόσο, οι κινητικοί νευρώνες που νευρώνουν τις μυϊκές ομάδες για τον έλεγχο της θέσης δημιουργούν συνήθως μεγάλες κινητικές μονάδες με άκρως διακλαδισμένους κινητικούς άξονες έως και αρκετές χιλιάδες τερματικά.

Αντίθετα, οι κινητικές μονάδες για λεπτές κινήσεις των δακτύλων ή τη στάση είναι συνήθως μικρές. Για παράδειγμα, η κινητήρια μονάδα στους μύες των δακτύλων όπως ο πρώτος οσφυϊκός μυς είναι σε εύρος 100 [84, 115]. Αντίθετα, ο γαστροκνήμιος μυς έχει αναλογία νεύρωσης 1000–2000 μυϊκές ίνες ανά κινητικό νευρώνα [84]. Έτσι, η ευπάθεια των κινητικών νευρώνων στο SMA φαίνεται να συσχετίζεται με το μέγεθος των κινητικών μονάδων. Οι άξονες των κινητικών νευρώνων περιέχουν σχετικά υψηλά επίπεδα mRNA τα οποία μεταφέρονται σε αυτά τα απομακρυσμένα νευρωνικά διαμερίσματα, όπου μεταφράζονται τοπικά [34, 220, 261].

Τα μεταγραφήματα που κωδικοποιούν την ακτίνη, τις μιτοχονδριακές πρωτεΐνες ή τα συστατικά των προσυναπτικών ενεργών ζωνών είναι πολύ εμπλουτισμένα σε κινητικούς άξονες. Η μεταφορά αυτών των μεταγραφών φαίνεται να είναι πολύ διαταραγμένη στους κινητικούς νευρώνες Smndefcient [34, 211, 261].

Σε κάποιο βαθμό, η ελαττωματική μετατόπιση των μεταγραφών για αυτές τις πρωτεΐνες φαίνεται να αντισταθμίζεται σε κινητικούς νευρώνες με χαμηλό αριθμό αξονικών διακλαδώσεων και αντίστοιχους χαμηλούς αριθμούς νευρομυϊκών συνδέσεων που εξυπηρετούνται από αυτούς τους κλάδους.

Ωστόσο, σε κινητικούς νευρώνες μεγάλων κινητικών μονάδων, τέτοιες αντισταθμιστικές διεργασίες μπορεί να είναι περιορισμένες και, στη συνέχεια, πιθανώς να οδηγήσουν σε εκφυλισμό των προσυναπτικών διαμερισμάτων και ανάδρομο εκφυλισμό των αξόνων.

For more information:1950477648nn@gmail.com