Einblicke in die Pathogenese neurodegenerativer Erkrankungen: Schwerpunkt auf mitochondrialer Dysfunktion und oxidativem Stress, Teil 2

Mehrere posttranslationale Modifikationen regulieren auch die mitochondriale Dynamik. Die Drp1-Phosphorylierung kann je nach Phosphorylierungsstelle entweder Spaltung oder Fusion stimulieren [100,101].

Mit der kontinuierlichen Weiterentwicklung der Neurowissenschaften haben immer mehr Studien gezeigt, dass zwischen der mitochondrialen Dynamik und dem Gedächtnis ein enger Zusammenhang besteht, der eine positive und fortschrittliche Bedeutung hat.

Mitochondrien sind ein wichtiges Organ in Zellen mit zwei Hauptfunktionen: zum einen die Energieversorgung der Zellen und zum anderen die Regulierung der Zellentwicklung und der Lebensaktivitäten. Die Funktion der Mitochondrien hängt nicht nur mit der Zellgesundheit zusammen, sondern steht auch in engem Zusammenhang mit der physischen Gesundheit des menschlichen Körpers. Das menschliche Gedächtnis ist eines davon.

Studien haben ergeben, dass im menschlichen Gehirn viele Veränderungen in der mitochondrialen Dynamik stattgefunden haben, wie z. B. eine erhöhte mitochondriale Dichte, mitochondriale Migration und mitochondriale Regeneration. Diese Veränderungen hängen nicht nur mit der Gesundheit der Neuronen im Gehirn zusammen, sondern stehen auch in engem Zusammenhang mit der Verbesserung des Gehirngedächtnisses.

Insbesondere kann die mitochondriale Dynamik die Informationsübertragung zwischen Gehirnneuronen fördern und dadurch die Bildung, Festigung und Erneuerung von Gedächtnis und Lernen fördern. Darüber hinaus können Extremsportarten und andere Sportarten die Erhöhung der Mitochondriendichte fördern und dadurch das Gedächtnis und die kognitiven Fähigkeiten des Gehirns verbessern.

Daher sollten wir uns aktiv an einigen Aktivitäten beteiligen, die der körperlichen Gesundheit zuträglich sind, wie Bewegung, Fitness, Entwicklung guter Essgewohnheiten usw., um die Entwicklung der mitochondrialen Dynamik zu fördern und das Gedächtnis und die kognitiven Fähigkeiten zu verbessern. Gleichzeitig sollten wir auch auf Ruhe achten, Stress abbauen, die Gesundheit erhalten und so das zukünftige Leben aktiv gestalten.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass ein enger Zusammenhang zwischen der mitochondrialen Dynamik und dem Gedächtnis besteht. Ein aktiver Lebensstil und gesunde Gewohnheiten wirken sich positiv auf die Entwicklung der mitochondrialen Dynamik aus und verbessern dadurch das Gedächtnis und die kognitiven Fähigkeiten des Gehirns. Es ist ersichtlich, dass wir das Gedächtnis verbessern müssen, und Cistanche kann das Gedächtnis erheblich verbessern, da Cistanche antioxidative, entzündungshemmende und Anti-Aging-Wirkungen hat, die dazu beitragen können, oxidative und entzündliche Reaktionen im Gehirn zu reduzieren und so die Gesundheit des Gehirns zu schützen Nervensystem. Darüber hinaus kann Cistanche auch das Wachstum und die Reparatur von Nervenzellen fördern und dadurch die Konnektivität und Funktion neuronaler Netzwerke verbessern. Diese Effekte können dazu beitragen, das Gedächtnis, die Lernfähigkeit und die Denkgeschwindigkeit zu verbessern und können auch das Auftreten kognitiver Dysfunktionen und neurodegenerativer Erkrankungen verhindern.

Klicken Sie auf Möglichkeiten zur Verbesserung der Gehirnfunktion

Die Phosphorylierung von MFF erhöht die Rekrutierung von Drp1 und die anschließende mitochondriale Spaltung [102], während die Ubiquitinierung von acetyliertem Mfn1 seinen proteasomalen Abbau fördert [103]; Die Phosphorylierung von Mfn1 durch ERK hemmt die Mitochondrienfusion und fördert so die Apoptose [104].

Bestimmte Nährstoffzustände regulieren indirekt auch das Gleichgewicht zwischen diesen beiden Prozessen. Während Hunger zu fusionierten und verlängerten Mitochondrien führt, geht eine nährstoffreiche Umgebung mit fragmentierten Mitochondrien einher [105,106].

3.4. Autophagie

Autophagie ist ein weiterer wesentlicher Schritt zur Aufrechterhaltung des Gleichgewichts zwischen Proteinsynthese und -clearance, Organellenbiogenese und -abbau und fördert so die Zellgesundheit [107]. Basierend darauf, wie die Zielfracht zum Abbau von Tolysosomen transportiert wird, kann Autophagie in folgende Kategorien eingeteilt werden [107,108]:

- Makroautophagie, bei der sich das Autophagosom, ein doppelmembraniges Vesikel, bildet und mit Lysosomen verschmilzt, woraufhin ihr Inhalt durch die sauren Hydrolasen der Lysosomen abgebaut wird;

- Mikroautophagie, ein Prozess, bei dem sich Lysosomen um verschiedene zytosolische Verbindungen wickeln, die nach der Rückbildung der Membran abgebaut werden [109];

- Chaperon-vermittelte Autophagie, ein Prozess, bei dem Chaperone an beschädigte Proteine ​​und Rezeptoren auf der lysosomalen Membran binden, gefolgt von der Translokation des Proteins in das Lysosom zum Abbau [110].

Die Autophagie geschädigter Mitochondrien wird auch als Mitophagie bezeichnet. Der erste Schritt bei der Initiierung der Mitophagie ist die Bildung einer Isolationsmembran, des Autophagosoms, das vermutlich von MAMs, Membranen des ER oder der Plasmamembran stammt [111,112], gefolgt von der Aktivierung des Präinitiationskomplexes, der ULK1 enthält (Unc{{ 4}}wie Kinase1, Atg 13 und 101 (Autophagie-bezogene Proteine) und FIP200 (fokaler Adhäsionskinase-Familieninteraktionspartner 200) [113]. Der Präinitiationskomplex rekrutiert Klasse-III-Phosphatidylinositid-3--Kinase (PI3K). beclin1, Atg 14, Autophagie und Beclin 1-Regulator (AMBRA1) sowie vaskuläre Proteinsortierung 34 und 15 (Vps 34 und 15), um Phosphatidylinositol3-phosphat (PI3P) zu produzieren.

Pi3P wird auch als Initiationskomplex bezeichnet [114]. Nach der Aktivierung verlagern sich beide Komplexe zur Keimbildungsstelle des Phagophors [108]. PI3P wird erkannt und interagiert mit anderen IM-lokalisierten Proteinen, wie dem WD-Repeat-Protein, das mit Phosphoinositid (WIPI) und FYVE-Domänen enthaltenden Proteinen interagiert [115], und führt zu einer Reihe von Konjugationen von Atgs am Phagophor, die in der Spaltung von Pro-LC3 gipfeln (leichte Kette 3) durch Atg4 zu LC3-I, weiter umgewandelt durch Phosphatidylethanolamin zu LC3-II, was zur Verlängerung und Schließung der Isolationsmembran führt [116,117].

Es wird angenommen, dass das Υ-Aminobuttersäure-Typ-A-Rezeptor-assoziierte Protein (GABARAP) und das GABARAP-like1-Protein (GABARAPL1) eine ähnliche Rolle wie LC3 bei der Autophagosomenexpansion spielen [118].

Das Signalprotein mTOR (mammalian target of rapamycin) moduliert die Autophagie stark. Die Hemmung von mTOR, wie sie beim Hungern auftritt, dephosphoryliert und aktiviert Atg13 und löst so den Mitophagieprozess aus [119].

Wenn Wachstumsfaktoren und Zellnährstoffe reichlich vorhanden sind, phosphoryliert mTOR Atg 13 und verhindert so dessen Bindung an ULK1 und die Rekrutierung von FIP200 [107]. Die Fusion von Autophagosomen zu Lysosomen wird durch Rab7 und LAMP-2, ein lysosomales Transmembranprotein, vermittelt [120,121]. Nach der Fusion bauen lysosomale Enzyme, hauptsächlich Cathepsine, den autophagosomalen Inhalt ab [122].

Bei der nicht rezeptorvermittelten Mitophagie aktiviert der Mitophagie-Induktionsprozess die PTEN-induzierte Kinase 1 (PINK1), die sich auf dem OMM ansammelt und Parkin rekrutiert und phosphoryliert [123,124]. Parkin reichert sich auf dem OMM an und ubiquitiniert OMM-Proteine, was zu einer erhöhten Aktivität von PINK1 und einer stärkeren Parkin-Rekrutierung führt [113].

Zu den von Parkin ubiquitinierten Proteinen gehören die spannungsabhängigen Anionenkanäle 1 (VDAC1), Mfn1 und Mfn2 sowie TOM20 (Translokase der äußeren Mitochondrienmembran 20), die die Mitochondrienfusion steuern.

Die Ubiquitinierung von Mfn1/2 blockiert den Fusionsprozess und ermöglicht die Isolierung der kleinen und beschädigten Mitochondrien [125].

Die ubiquitinierten Proteine ​​rekrutieren Autophagie-Adapterproteine ​​wie OPTN (Optineurin), NBR1 (Nachbar BRCA1), TAX1BP1 (Tax-1-Bindungsprotein), NDP52 (Kernpunktprotein52) oder Sequestosom-1, die interagieren mit Autophagosomenproteinen wie GABARAP oder LC3 über LC3-interagierende Regionen (LIR), um die Bildung und Fusion von Autophagosomen mit Lysosomen zu vermitteln [126,127]. Abbildung 2 zeigt schematisch den Mitophagieprozess.

Abbildung 2. Schematische Darstellung der Mitophagie. Der Mitophagie-Induktionsprozess aktiviert PINK1, das sich auf dem OMM ansammelt und Parkin rekrutiert und phosphoryliert.

Letzteres ubiquitiniert OMM-Proteine ​​wie Mitofusine 1 und 2 (Mfn), spannungsabhängige Anionenkanäle 1 (VDAC1) und TOM20 (Translokase der äußeren Mitochondrienmembran 20).

Die Autophagosomenbildung beginnt mit der Aktivierung des Präinitiationskomplexes, der ULK1 (Unc-51-like Kinase 1), Atg 13 und 101 (Autophagie-bezogene Proteine) und FIP200 (Interaktionspartner 200 der Focal Adhäsion Kinase Family) enthält, und setzt sich fort Rekrutierung von Klasse-III-Phosphatidylinositid-3--Kinase (PI3K), Beclin1, Atg 14, AMBA1 (Autophagie und Beclin-1-Regulator) und Vps 34 und 15 (vaskuläre Proteinsortierung), was zur Produktion von Phosphatidylinositol 3- führt. Phosphat (PI3P).

Die ubiquitinierten Proteine ​​rekrutieren Autophagie-Adapterproteine, wie das benachbarte BRCA1-Gen (NBR1), Optineurin (OPTN), das Tax-1-bindende Protein (TAX1BP1), das Nuclear Dot Protein 52 (NDP52) oder das Sequestosom-1 interagieren mit Autophagosomenproteinen wie GABARAP oder LC3, um die Bildung von Autophagosomen zu vermitteln. Die Fusion des Autophagosoms mit Lysosomen wird durch LC3, Rab7, LRRK2 und LAMP-2 vermittelt (siehe Text).

Es gibt jedoch auch Parkin-unabhängige Wege der Mitophagie [113], beispielsweise die rezeptorvermittelte Mitophagie. Die am häufigsten untersuchten Proteine, die an der rezeptorvermittelten Mitophagie beteiligt sind, sind AMBRA1, FUNDC1 (FUN14-Domänen enthaltendes Protein 1), NIX (Nip3-likeprotein) und BNIP3, die sich auf dem OMM befinden, sowie Cardiolipin und Prohibitin 2 (PHB2). )auf dem IMM [113].

Diese Rezeptoren können Parkin-unabhängig an LC3 binden [128] und Mitophagie auslösen. Ihre Transkription kann unter verschiedenen Bedingungen aktiviert werden. Beispielsweise wird die Transkription von BNIP3 und NIX durch Hypoxie über den Hypoxie-induzierbaren Faktor 1 alpha (HIF1) aktiviert [129], der nach Phosphorylierung eine hohe Bindungsaffinität für LC3 aufweist [130]. Die Dephosphorylierung von FUNDC1 durch Hypoxie erleichtert seine Bindung an LC3 [131].

In den letzten Jahren haben Forscher gezeigt, dass Mitochondrien aus Zellen herausgedrückt und durch Endozytose oder Phagozytose von benachbarten Zellen aufgenommen werden können, wo sie schließlich eine Mitophagie durchlaufen, ein Phänomen, das als transzelluläre Mitophagie bezeichnet wird [113,132].

Es ist vernünftig anzunehmen, dass die Übertragung von Mitochondrien zurück in das Zellsoma von Dendriten oder Axonen energetisch ungünstig wäre, weshalb Neuronen Mitochondrien an Synapsen freisetzen, um von Gliazellen abgebaut zu werden [133].

Gliazellen wiederum können Mitochondrien auf Neuronen übertragen und diese vor Hypoxie und energetischem Versagen schützen [134]. Die genauen Wege für den mitochondrialen Transfer werden noch untersucht, aber einige Studien deuten auf eine wichtige Rolle eines Proteins hin, das Mitochondrien mit zytoskelettalen Motorproteinen verbindet, nämlich MIRO1 [135], während andere eine Beteiligung von astrozytischem GFAP (gliales saures fibrilläres Protein) und neuronalem UCP2 (Entkopplungsprotein 2) zeigten ) [136]. Eine andere Möglichkeit zur Entsorgung beschädigter Mitochondrien wurde 1992 identifiziert [137] und Mitoptose genannt.

Es ermöglicht den Zellen, Mitochondrien abzubauen, ohne das MPTP zu öffnen und Apoptose auszulösen [113]. Die Mitoptose wird wahrscheinlich durch Depolarisation der Mitochondrienmembran, Schädigung der mitochondrialen DNA (mtDNA) und ROS aktiviert (113).

Die genauen Mechanismen der Mitoptose erfordern weitere Untersuchungen, es wurden jedoch mehrere Situationen beschrieben, wie z. B. Schwellung und Fragmentierung von Cristae, gefolgt von der zytoplasmatischen Extrusion von Cristae-Fragmenten durch Platzen des OMM [138], oder Verschlechterung der Cristae durch Verschmelzung des IMM unter Erhalt des intakten OMM [138].

ROS spielen eine Schlüsselrolle bei der Regulierung der Autophagie und Mitophagie. Ein oben erwähnter Weg ist der mTOR-Weg. Eine Aminosäuren-reiche Umgebung führt zur Translokation des mTOR-Komplexes 1 (mTORC1) zur lysosomalen Oberfläche, wo er mit Rhe interagiert und mTOR aktiviert [139], während mTOR im Hungerzustand mit LC3 kolokalisiert und die Autophagie initiiert [140].

Wenn man bedenkt, dass die Oxidation von mTOR seine Aktivität hemmt, ist es sehr wahrscheinlich, dass ROS diesen Schritt reguliert [141]. Darüber hinaus hemmt die S-Nitrosierung von IκB-Kinase und JNK1 durch Stickstoffmonoxid deren Aktivität, was wiederum die Inaktivierung von mTOR und die Freisetzung von Beclin aus dem Beclin-Bcl-2-Komplex verhindert [93,142].

Ein weiterer Weg ist der Beclin-1-Klasse-III-PI3K-Komplex mit einer Reihe von Cofaktoren wie AMBRA1, Bax-Interacting Factor 1 (Bif-1) oder Rubicon (RUN-Domänen- und Cystein-reiche Domänen enthaltendes Beclin). -1-interagierendes Protein) [143]. Weitere Regulatoren der Autophagie sind der IP3-Rezeptor, AMPK (50-AMP-aktivierte Proteinkinase) und DAPK (death-associatedprotein kinase) [144,145].

ROS und reaktive Stickstoffspezies induzieren posttranslationale Proteinmodifikationen, die auch die Aktivität von Transkriptionsfaktoren regulieren. Beispielsweise führen Modifikationen von Keap1 im Weg Nrf2 (Nuklearfaktor-Erythroid 2-verwandter Faktor 2)/Keap1 (Kelch-like enoyl-CoA hydratase-associatedprotein 1) zur Freisetzung von Nrf2, das an ARE( Antioxidans-Reaktionselement) und wandert in den Zellkern, wo es die Transkription antioxidativer Enzymgene und Proteine ​​wie p62 oder p53 aktiviert.

Während p62 die Autophagie aktiviert [146,147], ist p5 über TIGAR (Tumorprotein 53-induzierte Glykolyse und Apoptose-Regulator) bzw. DRAM (schadensregulierter Autophagie-Modulator) mit autophagiehemmenden und -fördernden Genen verbunden [148,149].

Eine beeinträchtigte Autophagieregulation führt wiederum zu erhöhtem oxidativem Stress und einer Akkumulation ubiquitinierter Proteine, wobei letzteres eine mitochondriale Dysfunktion verursacht und die ROS-Erzeugung in einer Feed-Forward-Schleife weiter steigert [93].

4. Das Gehirn und oxidativer Stress

Sauerstoff ist für die ordnungsgemäße Zellfunktion von entscheidender Bedeutung und an der Erzeugung von ATP beteiligt [61]. Leider kann Sauerstoff aufgrund des einwertigen metabolischen Reduktionsstatus, bei dem sich die beiden freien Elektronen des Sauerstoffs parallel drehen, jeweils nur ein Elektron aufnehmen [150], was zur Entstehung von Arten mit einem ungepaarten Elektron führt, die für sich allein existieren können. von Halliwell als freie Radikale definiert [151].

Bei den Sauerstoffderivaten handelt es sich entweder um freie Radikale wie das Superoxidanion (•O2−), Hydroxylradikale (HO•), Hydroperoxylradikale (HO2•) und Peroxylradikale (ROO•) oder um Nichtradikale, die in Radikale umgewandelt werden können, wie z als Wasserstoffperoxid (H2O2) [61,152].

Redoxsignale werden im Gehirn häufig genutzt [153] und sind an der Signaltransduktion und Gentranskription beteiligt. Beispielsweise regulieren NADPH-Oxidasen (NOXs) die langfristige Potenzierung des Hippocampus [154], und von NOX2- abgeleitetes Superoxid und Wasserstoffperoxid regulieren das Wachstum von Hippocampus-Vorläuferzellen im erwachsenen Gehirn über den Phosphatidylinositol-3-Kinase (PI3K)/Akt-Signalweg [155].

In ähnlicher Weise spielt NOX-abgeleitetes H2O2 eine vorteilhafte Rolle bei der axonalen Regeneration und der axonalen Pfadfindung während der Verkabelung des sich entwickelnden Gehirns [156,157]. Als Folge der Hypoxie führt die von Mitochondrien abgeleitete Superoxid-induzierte Signalübertragung zu adaptiven Reaktionen [158].

Um die möglichen schädlichen Auswirkungen übermäßiger freier Radikale auszugleichen, verfügen die biologischen Systeme über eine Reihe antioxidativer Abwehrmechanismen, die in enzymatische Abwehrmechanismen (Superoxiddismutasen, Katalase, Glutathionperoxidasen, Glutathiontransferasen, Thioredoxine und Peroxiredoxin) und nichtenzymatische Abwehrmechanismen unterteilt werden können. wie Vitamin A, C, E, Beta-Carotin oder Glutathion [159].

Immer wenn die Geschwindigkeit der Produktion freier Radikale die Fähigkeit des biologischen Systems übersteigt, diese zu neutralisieren, kommt es zu oxidativem Stress.

4.1. Anfälligkeit des Gehirns gegenüber oxidativem Stress

Das Nervensystem reagiert aus einer Reihe von Gründen sehr empfindlich auf oxidativen Stress [153,160–162]: – Aktionspotentiale verursachen einen Kalziumeinstrom und erhöhen die intrazelluläre Kalziumkonzentration von etwa 0,001 µm auf etwa 100 µm [ 163].

Ein hoher intrazellulärer Ca2+-Gehalt aktiviert nNOS (neuronale Stickoxidsynthase) und führt zur Bildung von NO (Stickoxid) [164], das an Cytochrom-C-Oxidase bindet und die Mitochondrienatmung hemmt [165]. Mitochondrien versuchen, intrazelluläres Kalzium zu puffern, aber die anschließende Kalziumüberladung führt zu einer verlängerten Öffnung des MPTP und hemmt die ATP-Erzeugung, was Apoptose auslöst [166].

Das Gehirn hat einen sehr hohen Energiebedarf, um die Ionengradienten aufrechtzuerhalten und die synaptische Übertragung zu unterstützen [19] und ist für die Erzeugung der erforderlichen Energie hauptsächlich auf synaptische Mitochondrien angewiesen [167]. Beispielsweise erfordert die Freisetzung von Neurotransmittern aus Vesikel 1,64 × 105 ATP/s/Vesikel [19].

- Das Gehirn verfügt über eine geringe antioxidative Abwehr. Neuronale Zellen haben 50-mal weniger Katalase als Hepatozyten [168], während das zytosolische Glutathion in Neuronen im Vergleich zu anderen Zellen etwa 50 % niedriger ist [153], was die Peroxiredoxinaktivität verringern könnte [169]. – Mikroglia, die Immunzellen des Gehirns, sind werden durch H2O2 aktiviert [170] und produzieren über NADPH-Oxidase-Isoformen Superoxid, das zur Abtötung von Bakterien benötigt wird [171].

- Der Metabolismus von Neurotransmittern, wie zum Beispiel der Dopamin-Metabolismus über Monoaminoxidasen, erzeugt ROS [153,172]. - Neurotransmitter, wie zum Beispiel Dopamin, Serotonin oder Adrenalin, können autooxidieren und Superoxid erzeugen [173,174].

- Das Gehirn ist mit redoxaktiven Übergangsmetallen wie Cu+ oder Fe2+ angereichert [175]. Eisen ist ein Katalysator in der Fenton-Reaktion, die Hydroxylradikale erzeugt, und katalysiert auch die Erzeugung von Peroxyl- und Alkoxylradikalen, wodurch es zur Ferroptose beiträgt, einer Form des Zelltods, die von Lipidperoxidation und Fe2+ abhängt [176]. Cu+ ist ein Cofaktor für Cu/ZnSOD und wichtig für die Zellsignalisierung [177,178], verstärkt aber die kupferkatalysierte Fenton-Reaktion [175].

- Das Gehirn ist besonders reich an Cholesterin, das einer Autooxidation unterliegen kann [179], und Gehirnzellen haben ein höheres Verhältnis von Membranoberfläche zu Zytoplasmavolumen, da die Zellmembranen reich an mehrfach ungesättigten Fettsäuren (PUFA) sind, die durch freie Peroxidation sehr anfällig sind Radikaler Angriff [153].- Gehirnentwicklung und Plastizität beruhen auf nicht-kodierenden RNAs (lange nicht-kodierende RNAs und microRNAs) [180], aber diesen Molekülen fehlen schützende Histone und sie werden leicht oxidiert [181]. Oxidierte Boten-RNA führt zu verkürzten und mutierten Proteinen, die anfällig für Fehlfaltungen sind [182].

4.2. Quellen freier Radikale

Überschüssige freie Radikale können aus vielen Quellen entstehen.

4.2.1. Mitochondrien und oxidativer Stress

Mitochondrien gelten traditionell als Hauptquellen für ROS. Mindestens 10 potenzielle Quellen der ROS-Produktion wurden identifiziert [183], aber die Komplexe I (NADH-Dehydrogenase) und III (Ubichinon-Cytochrom-C-Reduktase) des ETC [184] sind die wichtigsten.

Die Übertragung von Elektronen auf Coenzym Q oder Ubichinon durch die Komplexe I und II führt zu Ubiquinol (reduziertes Ubichinon, QH2), das Coenzym Q über das Semichinon-Anion (•Q−) regeneriert, ein instabiles Zwischenprodukt, das Elektronen auf molekularen Sauerstoff übertragen kann, was zur Bildung von Superoxid führt [60]. Da es sich um eine nicht-enzymatische Reaktion handelt, führen höhere Stoffwechselraten zu einer erhöhten Superoxidproduktion [185].

Superoxid ist äußerst instabil und wird durch die mitochondriale Superoxiddismutase 2 (SOD2, Mangan-SOD) und die zytosolische SOD1 (Kupfer-Zink-SOD) in das stabilere Wasserstoffperoxid (H2O2) umgewandelt.

Letzteres kann das IMM durch Aquaporinkanäle verlassen und durch das OMMin in das Zytoplasma diffundieren, wo es der Redoxsignalisierung dient oder durch Katalase, Glutathionperoxidasen und Peroxiredoxine weiter zu Wasser reduziert wird [186–189]. Andere mitochondriale Komponenten, die zur ROS-Bildung beitragen, sind Monoaminoxidase, Glycerinphosphatdehydrogenase, -Ketoglutaratdehydrogenase und p66shc [60,183,190].

Die mitochondriale ROS-Produktion unterliegt Schwankungen, die durch Stoffwechselfaktoren hervorgerufen werden. Beispielsweise beeinflusst das NADH/NAD+-Verhältnis die Rate der ROS-Erzeugung, die nahezu linear mit der NADH-Reduktion zunimmt [191]. Der Succinatspiegel kann selbst unter normalen Bedingungen zwischen 0,3 und 1 mM schwanken [192], wobei erhöhte Succinatkonzentrationen die mitochondriale ROS-Erzeugung stark steigern [183,193].

Die Geschwindigkeit der ROS-Produktion wird auch durch das mitochondriale Membranpotential beeinflusst [183]. Die aktive mitochondriale Phosphorylierung von ADP oder die mitochondriale Calciumaufnahme verringert das Membranpotential, was das Redoxpotential des ETC beeinflusst und die ROS-Produktion verringert [194]. Sauerstoffmangel oder Ischämie erhöhen die mitochondriale ROS-Erzeugung erheblich [195], obwohl dieser Effekt möglicherweise nicht den Mitochondrien an sich zugeschrieben wird, sondern eher den Signalwegen, die durch Hypoxie ausgelöst werden [196].

4.2.2. NADPH-Oxidase als Quelle für ROS

NADPH-Oxidase (NOX) wurde erstmals in Phagozyten beschrieben [197], danach wurden sieben NOX-Gene identifiziert: NOX 1–5 und DUOX 1 und 2 [198]. Das Gehirn exprimiert hauptsächlich NOX2 und NOX4, die beide im Cortex und im CA1-Hippocampalabereich beschrieben werden [199].

Der NOX2-Enzymkomplex besteht aus einem membrangebundenen Cytochrom b558, mehreren zytosolischen Proteinen und dem Rac-G-Protein. Nach der Phosphorylierung der zytosolischen Proteine ​​und der Aktivierung von Rac wandert das Enzym zur Membran und bildet mit Cytochrom b558 aktives NOX2 [200]. Darüber hinaus überträgt NOX2 Protonen über die Membran und führt zur Bildung von Superoxid [198].

NOX4 produziert hauptsächlich H2O2, das als zweiter Botenstoff für die Zellproliferation und -differenzierung verwendet wird [201].

NOX wurde in Neuronen, Astrozyten und Mikroglia beschrieben [202], während sich NOX-Isoformen auf zellulärer Ebene im endoplasmatischen Retikulum, im Zellkern, in der Plasmamembran und in den Mitochondrien lokalisieren [203,204]. Die durch aktiviertes NOX erzeugten ROS können die Mitochondrienmembran depolarisieren und zusammen mit Kalzium zur Öffnung des MPTP führen [205] sowie Phospholipase C aktivieren, was zu Veränderungen der Membranstruktur führt [198].

4.2.3. Monoaminoxidase als Quelle für ROS

Die Monoaminoxidasen (MAO A und B) sind Flavoenzyme im OMM, die Amin-Neurotransmitter wie Serotonin, Adrenalin und Dopamin katabolisieren [206].

MAO-A wird in Neuronen exprimiert, während MAO A und B in Gliazellen vorkommen [198]. Sie nutzen FAD zum Abbau von Monoaminen, einem Prozess, bei dem Aldehyde entstehen, während H2O2 aus dem FAD-FADH2-Zyklus entsteht [198].

4.2.4. Peroxisomen und ROS-Produktion

Obwohl der wichtigste peroxisomale Stoffwechselprozess, der zur H2O2-Erzeugung führt, die Oxidation freier Fettsäuren ist [60], sind mehrere andere peroxisomale Enzyme wie Xanthinoxidase, D-Aspartat-Oxidase, Acyl-CoA-Oxidasen, D-Aminosäure-Oxidase, Urat-Oxidase oder L - -Hydroxyoxidase kann eine Vielzahl von ROS produzieren, wie zum Beispiel Superoxid, Wasserstoffperoxid, Stickoxid oder Hydroxylradikale [207].

4.2.5. Exogene Quellen von ROS

Zusätzlich zu den zahlreichen Quellen endogener ROS können exogene ROS den oxidativen Stress verstärken. Die häufigsten Ursachen sind Wasser- und Luftverschmutzung, ultraviolettes Licht, Alkohol- und Tabakrauch, Pestizide, industrielle Lösungsmittel, ungesunde Ernährung (mit geräuchertem Fleisch, fettreiche Ernährung), Belastung durch Schwermetalle oder Übergangsmetalle (Fe, Cr, Co, Cu). ,Hg, Pb, As) sowie bestimmte Medikamente wie Doxorubicin, Bleomycin, Metronidazol oder sogar Paracetamol [60].

4.3. Ziele von ROS

Die hochreaktiven freien Radikale schädigen Proteine, Lipide und Nukleinsäuren [152].

4.3.1. Proteine ​​und ROS

Proteine ​​können durch Radikale wie Superoxid-, Hydroxylradikale, Peroxyl-, Hydroperoxyl- oder Alkoxylradikale sowie durch nichtradikale Spezies oder Singulettsauerstoff oxidiert werden [208].

Die Oxidation von Aminosäuren wie Lysin, Arginin, Prolin oder Threonin führt zu Carbonylderivaten, die als Marker für oxidativen Stress dienen [209]. Methionin und Cystein sind als schwefelhaltige Aminosäuren sehr anfällig für Oxidation, was zu Disulfiden und Methioninsulfoxid führt [210].

Proteinoxidation führt zu Protein-Protein-Vernetzungen, Funktionsveränderungen, Verlust der enzymatischen Aktivität und funktionellen Modifikationen von Rezeptor- und Transportproteinen [211].

Darüber hinaus hemmen Wasserstoffperoxid und Hydroxylradikale die Glutamataufnahme durch Astrozyten und erhöhen so die Exzitotoxizität [212]. Infolgedessen müssen diese veränderten Proteine ​​entweder über den Autophagie-Lysosom-Weg oder über das Ubiquitin-Proteasom-System beseitigt werden [213,214].

Das Ubiquitin-Proteasomal-System (UPS), der Hauptabbauweg von ubiquitinierten fehlgefalteten Proteinen und kurzlebigen Signalmolekülen, enthält eine 19S-Untereinheit und einen katalytisch aktiven 20S-Kern [215]. Die regulatorische Kappe mit Chaperonproteinen entfaltet das Zielprotein und entfernt in einem ATP-abhängigen Prozess den Ubiquitin-Tag. Anschließend wird das Zielprotein in den katalytischen Kern eingespeist und von den proteasomalen Enzymen abgebaut.

Bei starkem Stress ist das UPS überlastet und der Autophagie-Lysosomen-Weg kompensiert den erhöhten Proteinschaden [107]. Eine Reihe von Autophagie-Rezeptoren wie p62, NDP52 oder NBR1 erkennen die Ubiquitineinheit und zielen durch Bindung mit markierten Proteinen an das Autophagosom ab zu Atg8/LC3 [216,217].

FOXO3 (Forkhead Box O3) ist ein durch oxidativen Stress aktivierter Transkriptionsfaktor, der die Transkription von Genen reguliert, die am proteasomalen und autophagischen Proteinabbau beteiligt sind [218]. Darüber hinaus tragen Parkin, Ubiquitin-Ligasen und CHIP (C-Terminus des Hsc70-interagierenden Proteins) sowohl zum proteasomalen als auch zum autophagosomalen Abbau von Proteinen bei [107,219].

Die relativen Konzentrationen zwischen BAG (Bcl-2-assoziiertes Transgen) 1 und BAG3, Co-Chaperon-Proteinen, lenken den zellulären Proteinabbauweg in Richtung des proteasomalen oder phagosomalen Wegs [220].

4.3.2. Lipide und ROS

Freie Radikale oder nichtradikale oxidative Spezies greifen die CC-Doppelbindungen von Lipiden an, weshalb mehrfach ungesättigte Fettsäuren sehr anfällig für oxidative Angriffe sind [221].

In der Anfangsphase interagiert ein freies Radikal mit einer Methylengruppe in der Fettsäure und erzeugt durch Dissoziation eines Wasserstoffatoms ein Lipidradikal [222]. Darüber hinaus reagieren die Lipidradikale mit molekularem O2 unter Bildung von Peroxylradikalen (ROO•) [223], die eine Kette selbsttragender Reaktionen auslösen, die den Prozess verstärken.

Dabei entstehen zyklische Peroxide und Hydroperoxide, die weiter zu Aldehyden abgebaut werden können, wobei die Endprodukte Malondialdehyd (MDA), Hydroxynonenal (HNE) und Acrolein sind [224].

Der Prozess wird entweder durch die Wechselwirkung von Lipidradikalen mit Lipidperoxiden beendet, was zu nicht reaktiven stabilen Spezies führt [221], oder durch das Eingreifen endogener oder exogener Antioxidantien (Vitamine C und E) [222,225].

In geringen Konzentrationen spielt 4-HNE eine wichtige homöostatische Rolle, indem es als Signalmolekül fungiert und die Genexpression moduliert, indem es posttranslationale Proteinmodifikationen induziert.

Die häufigsten Ziele sind Thiolreste [225]. Durch die Interaktion mit Cysteinthiolen in Keap1 führt 4-HNE zur Freisetzung von Nrf2, das nach der Translokation in den Kern die Expression von ARE-Genen wie Glutathion-S-Transferase, NADPH-abhängiger Chinonreduktase oder Hämoxygenase aktiviert{ {7}} [226]. Ein weiteres Ziel von 4-HNE ist NF-κB, ein Transkriptionsfaktor für proinflammatorische Zytokine, der normalerweise durch Bindung an IκB (Inhibitor Kappa B) im Ruhezustand gehalten wird.

Unter zellulärem Stress phosphoryliert die IκB-Kinase IκB und erleichtert so die Freisetzung von NF-κB, einem Transkriptionsfaktor, der die Transkription von antiapoptotischen Bcl-2-Proteinen und entzündlichen Zytokinen wie Interleukin-6 (IL-6) vermittelt. .

4-HNE hemmt die IκB-Kinase und verhindert so die IκB-Phosphorylierung und die NF-κB-Kerntranslokation [227]. Als Folge der Membranlipidperoxidation verändert die Membran jedoch ihre Permeabilität, erhöht ihre Steifigkeit und kann sogar ihre Integrität verlieren [228] .

Darüber hinaus sind Lipidperoxidationsprodukte an komplexen Signalwegen beteiligt. Die intrazelluläre Akkumulation von 4-HNE kann sowohl über den intrinsischen als auch den extrinsischen Weg zur Apoptose führen [225]. 4-HNE erhöht die Expression von p53, gefolgt von der Aktivierung von p21, JNK, Bax und Caspase 3 [229], was zu Caspase-vermittelter Apoptose führt.

Darüber hinaus initiiert 4-HNEIN die Bindung des todesassoziierten Proteins Daxx an die intrazelluläre Oberfläche von Fas [230] und ist dadurch an der Modulation des extrinsischen Apoptosewegs durch die nachgeschalteten Signalproteine ​​ASK1 und JNK beteiligt [225].

Darüber hinaus können hohe Mengen an HNE Konjugate mit JNK bilden, die für die Histonmodifikation und die Erleichterung der Kerntranslokation verantwortlich sind [231], oder JNK durch SPKK1-Aktivierung (stressaktivierte Proteinkinasekinase -1) aktivieren [232]. In ähnlicher Weise kann HNE ERK über die Aktivierung von MEK1/2 und p38MAPK (Mitogen-aktivierte Proteinkinase) aktivieren [233,234].

For more information:1950477648nn@gmail.com