Therapieentwicklung für spinale Muskelatrophie: Perspektiven für Muskeldystrophien und neurodegenerative Erkrankungen Teil 2

Die zelluläre und molekulare Funktion von SMN

Das SMN-Protein wird allgegenwärtig exprimiert und kommt nicht nur im Nervensystem vor, insbesondere in Motoneuronen. SMN wirkt in einem Proteinkomplex, der die snRNP-Assemblierung im Spleißosom vermittelt [91, 176, 194, 233].

Das Nervensystem ist ein komplexes biologisches System, das verschiedene Aktivitäten des menschlichen Körpers steuert, darunter Denken, Handeln und Gedächtnis. Für ein verbessertes Gedächtnis ist die Gesundheit des Nervensystems von entscheidender Bedeutung.

Die Verbindung zwischen dem Nervensystem und dem Gedächtnis wird durch die Neuronen im Gehirn dargestellt, die für die Übertragung von Informationen und die Herstellung von Verbindungen im Gehirn verantwortlich sind. Wenn wir etwas lernen oder erleben, stellen Neuronen im Gehirn neue Verbindungen her und helfen uns, uns an mehr Informationen zu erinnern.

Gleichzeitig kann das Nervensystem auch eine wichtige Rolle in unserem Gedächtnisprozess spielen. Das Gedächtnis im Gehirn besteht aus den Verbindungen und synchronisierten Aktivitäten einer großen Anzahl von Neuronen. Das Nervensystem hilft uns, diese Erinnerungen zu stärken und zu festigen, wodurch sie robuster und langlebiger werden.

Einige neurologische Störungen können jedoch auch unser Gedächtnis beeinträchtigen. Beispielsweise können chronischer Stress oder Schlafmangel die normale Funktion des Nervensystems beeinträchtigen und dazu führen, dass unser Gedächtnis nachlässt. Daher müssen wir einige proaktive Maßnahmen ergreifen, um unser Nervensystem gesund zu halten.

Einige gesunde Lebensgewohnheiten wie ausreichend Schlaf, richtige Bewegung und eine ausgewogene Ernährung wirken sich sehr positiv auf die Gesundheit des Nervensystems aus. Darüber hinaus kann mehr Lesen, mehr neues Wissen und mehr Herausforderungen auch die Aktivität des Nervensystems stimulieren und uns helfen, unser Gedächtnis zu verbessern.

Kurz gesagt, die Verbindung zwischen dem Nervensystem und dem Gedächtnis ist sehr eng und die Gesunderhaltung des Nervensystems ist für unser Gedächtnis sehr wichtig. Solange wir entsprechende Maßnahmen ergreifen und uns aktiv für ein gesundes und erfülltes Leben einsetzen, werden wir sicherlich bessere Erinnerungen haben. Es ist ersichtlich, dass wir das Gedächtnis verbessern müssen, und Cistanche deserticola kann das Gedächtnis erheblich verbessern, da Cistanche deserticola ein traditionelles chinesisches Arzneimittel ist, das viele einzigartige Wirkungen hat, darunter die Verbesserung des Gedächtnisses. Die Wirksamkeit von Cistanche deserticola beruht auf den zahlreichen darin enthaltenen Wirkstoffen, darunter Gerbsäure, Polysaccharide, Flavonoidglykoside usw. Diese Inhaltsstoffe können die Gesundheit des Gehirns auf verschiedene Weise fördern.

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Der klassische Smn-Gen-Knockout bei Mäusen führt zu einer frühen Embryonicletalität [264], was mit der grundlegenden Rolle von Smn in allen Zelltypen als essentielles zelluläres Protein für die Prä-mRNA-Verarbeitung übereinstimmt.

Mäuse mit homozygotem Knockout von endogenem Smn mit 2 zusätzlichen transgenen Kopien von menschlichem SMN2 entwickeln schwere SMA und ahmen somit SMA Typ 1 beim Menschen nach [208].

Allerdings scheinen die mRNA-Spiegel in den meisten Organen dieser Mäuse, einschließlich des Gehirns, normal zu sein und das Spleißen definierter Transkripte bleibt davon unberührt [140]. Dies weist darauf hin, dass die Verarbeitung von Prä-mRNAs, einschließlich des Spleißens im Allgemeinen, bei SMA nicht beeinträchtigt ist.

Es kann jedoch nicht ausgeschlossen werden, dass nur wenige Transkripte hohe Mengen an SMN-Protein und SMN-Komplex erfordern, sodass die Mengen an SMN, die aus bis zu vier Kopien von SMN2 produziert werden können, in solchen Zellen nicht ausreichen.

Studien an Drosophila haben Hinweise darauf geliefert, dass spezifische Transkripte, die den U11/12-Minor-Spleißkomplex erfordern, anfälliger für Smn-Depletion zu sein scheinen [132, 177,181] als die Mehrheit der Transkripte, die über U1, 2, 4, 5, 6- verarbeitet werden. abhängiger Hauptspleißosomenkomplex. Diese Ergebnisse wurden jedoch durch die Beobachtung in Frage gestellt, dass die Entwicklung von Smn-defizienten Jungfischen im Allgemeinen verzögert ist und dass U11/12-abhängiges prä-mRNA-Spleißen während der normalen Entwicklung erst in späteren Larvenstadien auftritt [98].

Daher könnten die geringeren Mengen an U11/12-Minor-Spleißkomplex-abhängigen mRNA-Modifikationen eine Verzögerung der Larvenentwicklung bei Smn-defizienten Tieren widerspiegeln. Obwohl U11/12 sowie U2-abhängige Intronretention in Transkripten von Smn-defizienten Fliegen und Mäusen beobachtet wurden, wurden nur wenige reproduzierbar bestätigt, wie z. B. TMEM41B/Stasimon und Mdm2/4[66, 181, 275 , 300].

Trotz der Beobachtung, dass die Wiederherstellung der Mdm2/4-Expression die motorischen Funktionen bis zu einem gewissen Grad verbesserte, hatte diese Wiederherstellung von Mdm2/4 keinen positiven Einfluss auf das Überleben von SMA-Mäusen [300].

Neben den Komponenten des klassischen SMN-Komplexes wurden weitere SMN-Interaktionspartner identifiziert; darunter hnRNP R [256], TDP-43 [296], FUS [323] und HuD[82], die an vielen neuronalen Funktionen beteiligt sind, einschließlich der Transkriptionsregulation, der nuklearen Prä-mRNA-Verarbeitung, dem nuklearen Export und dem subzellulären Transport vieler mRNAs [4, 18, 81, 82, 102, 104, 110, 218, 255, 325,326].

Insbesondere die axonale Translokation der -actinmRNA ist in Smn- [255], hnRNP R-[102] und TDP-43- [33] defizienten Neuronen stark gestört. HnRNP R als Interaktionspartner von SMN findet sich im Zellkern und im Zytosol, einschließlich Axonen von Motoneuronen [68,256]. Es ist am subzellulären Transport von mRNAs und anderen RNA-Typen in Axonen beteiligt [32, 34, 261].

Regulierung der SMN-Expression während der Entwicklung

Die entwicklungsbedingte Expression von SMN bei Mäusen und Menschen weist einzigartige dynamische Merkmale auf. Die SMN-Proteinspiegel sind während der pränatalen Entwicklung hoch und sinken im frühen Perinatalstadium [20, 38, 97, 140, 144, 240,241].

Im Blut wurden bei Kleinkindern höhere SMN-Expressionsniveaus als bei Erwachsenen gefunden [309, 330]. Der mediane SMN-Proteinspiegel war bei pränatal gesunden Personen 2,3-fach höher als bei frühpostnatalen Kindern unter 3 Monaten.

Dieser Unterschied nimmt während der Entwicklung zu. Die SMN-Proteinspiegel sind in menschlichen Autopsiegewebeproben (lumbales oder thorakales Rückenmark) bei Personen im Alter von 3 Monaten bis 14 Jahren im Vergleich zu Proben aus fötalen Stadien um etwa das 6,5-fache reduziert [240, 241]. Die SMN-Werte sind in menschlichen Rückenmarksproben von SMA-Patienten im postnatalen Stadium (bis zum Alter von 3 Monaten) im Vergleich zu gesunden Probanden um das Vierfache niedriger.

Eine Herunterregulierung der hohen pränatalen SMN-Proteinspiegel in frühen postnatalen Stadien wurde auch im frontalen Kortex, im Zwerchfell und in der Skelettmuskulatur beobachtet [240, 241]. Die SMN-Proteinspiegel korrelieren nur mäßig mit den gesamten SMN1- und SMN2-mRNA-Transkriptspiegeln in pränatalen Gewebeproben.

Der Rückgang der mittleren mRNA-Spiegel von SMN1 in voller Länge oder SMN2 in frühen postnatalen Stadien in Geweben gesunder Kontrollpersonen ist im Vergleich zum Proteinspiegel gering [240, 241]. Dies weist darauf hin, dass die SMN-Proteinspiegel in frühen postnatalen Stadien unabhängig von der SMN-Promotoraktivität [71, 206, 207, 257] über posttranskriptionelle Mechanismen abnehmen [53, 149]. Bei Mäusen sinken die Smn-Proteinspiegel im Rückenmark zwischen dem Embryonaltag (E)14 und 19.

Auf diesen Zeitraum folgt ein weiterer Rückgang zwischen dem 5. und 15. postnatalen Tag (P) [140]. Derzeit sind die Mechanismen, die die SMN-Expression auf posttranskriptioneller und posttranslationaler Ebene regulieren, nicht vollständig geklärt. Sowohl die translationale Kontrolle als auch die Regulierung des Smn-Proteinabbaus könnten eine Rolle spielen.

Die Instabilität des SMNΔ7-Proteins wird durch ein Abbausignal namens Degron (SMNΔ7-DEG) vermittelt, das durch den neuen C-Terminus im verkürzten Protein des SMN2-Gens erzeugt wird [45]. Die Inaktivierung von SMNΔ7-DEG durch eine Punktmutation stabilisiert SMNΔ7, was wiederum den SMN-Verlust in Zelllinien kompensieren kann.

SMA: Motoneuron und neuromuskuläre Pathologie

Wie bereits erwähnt, sind die relativen SMN-Proteinspiegel im pränatalen Stadium beim Menschen und bei Mäusen (1 Woche vor der Geburt) am höchsten [140, 240, 241], was darauf hindeutet, dass die inzelluläre Differenzierung von SMN eine entscheidende Rolle spielt. Bei Motoneuronen fällt dieser Zeitraum hoher SMN-Proteinspiegel mit dem Entwicklungsstadium zusammen, in dem diese Neuronen Axone herauswachsen lassen und synaptische Kontakte mit Skelett-/quergestreiften Muskelfasern bilden, um neuromuskuläre Endplatten zu bilden.

Diese Ergebnisse legen nahe, dass große Mengen an SMN-Protein für die ordnungsgemäße Entwicklung des neuromuskulären Systems notwendig sind [38,140, ​​141]. Während der frühen pränatalen Entwicklung erleiden etwa die Hälfte der ursprünglich im Rückenmark gebildeten postmitotischen Motoneuronen einen physiologischen Zelltod. Der Zelltod in der Entwicklung wird durch neurotrophe Faktoren kontrolliert [11, 116, 129, 234, 265, 266, 268].

Sowohl beim Menschen als auch bei Mäusen verstärkt ein SMN-Mangel den Verlust von Motoneuronen während dieser kritischen Entwicklungsphase nicht. Auf diese Entwicklungsphase des physiologischen Absterbens von Motoneuronen folgt die Eliminierung von Synapsen, wenn überzählige Synapsen eliminiert werden [173], sodass eine Muskelfaser synaptischen Input nur von einem Motoneuron erhält.

Dieses Zeitfenster der polysynaptischen Eliminierung fällt mit der Verschlechterung der motorischen Funktion und der Degeneration von Motoneuronen zusammen, zumindest in Mausmodellen von SMA Typ 1 und 2 [103, 126, 166]. In diesem Stadium gehen in Mausmodellen von SMA Typ 1 etwa 17–29 % der Motoneuronen verloren im Vergleich zu gesunden Wurfgeschwistern [208]. Der Verlust von Motoneuronen setzt sich nach diesen frühen postnatalen Stadien fort. Bei heterozygoten Smn-Mäusen, bei denen nur ein Smn-Allel deletiert ist, was zu einer Reduzierung der Smn-Proteinspiegel um 50 % führt, gehen etwa 50 % der Motoneuronen im Alter von 12 Monaten verloren [140, 274].

Auch bei Kindern mit SMA Typ 1 wurde im Endstadium der Erkrankung ein schwerer Verlust der Motoneuronen beobachtet. Im Alter von 5–22 Monaten steigt der Verlust von Motoneuronen bei Patienten mit Typ-1-SMA auf über 70 % [272]. Wenn Motoneuronen aus embryonalem Smn–/– isoliert werden; Bei SMN2-Mäusen und einer Kultivierung über einen Zeitraum von bis zu 7 Tagen wird der Zelltod nicht verstärkt, aber die Axonverlängerung ist deutlich verändert.

Dieser axonale Defekt [139, 156, 255] erscheint als herausragendes Merkmal und wird auch in anderen Smn-defizienten Tiermodellen wie dem Zebrafisch beobachtet [192, 317]. Defektes Axonwachstum korreliert mit einer verringerten Aktindynamik [211, 255] und einer veränderten Erregbarkeit durch spannungsgesteuerte Ca2+-Kanäle [139].

Die Behandlung von SMA- und Kontrollmäusen mit dem Kalziumkanalmodulator R-Roscovitin führt zu einer erhöhten Anzahl erhaltener und sogar regenerierender neuromuskulärer Verbindungen (NMJs) [291]. Somit tragen eine fehlerhafte präsynaptische Aktivität und eine verringerte Senderfreisetzung zur Pathologie und Degeneration neuromuskulärer Verbindungen und Axone bei SMA bei.

Ein häufiges und charakteristisches pathologisches Merkmal von SMA besteht darin, dass proximale Muskelgruppen anfälliger zu sein scheinen als distale Muskeln. Beispielsweise scheinen Muskelgruppen für Fingerbewegungen weniger betroffen zu sein als die Muskeln des Trapezius, des Deltamuskels, des Quadrizeps oder des Gastrocnemius [69]. Dies erscheint auf den ersten Blick kontraintuitiv, da Motoneuronen mit langen Axonen im Allgemeinen als anfälliger gelten als solche mit kürzeren Axonen. Motoneuronen, die Muskelgruppen zur Positionskontrolle innervieren, erzeugen jedoch normalerweise große motorische Einheiten mit stark verzweigten motorischen Axonen von bis zu mehreren tausend Enden.

Im Gegensatz dazu sind die motorischen Einheiten für feine Bewegungen der Finger oder der Körperhaltung meist klein. Beispielsweise liegt die motorische Einheit der Fingermuskulatur wie des ersten Lendenmuskels im Bereich von 100 [84, 115]. Im Gegensatz dazu weist der Gastrocnemiusmuskel ein Innervationsverhältnis von 1000–2000 Muskelfasern pro Motoneuron auf [84]. Somit scheint die Anfälligkeit der Motoneuronen bei SMA mit der Größe der motorischen Einheiten zu korrelieren. Axone von Motoneuronen enthalten relativ große Mengen an mRNAs, die in diese distalen neuronalen Kompartimente transportiert werden, wo sie lokal translatiert werden [34, 220, 261].

Transkripte, die für Aktin, mitochondriale Proteine ​​oder Komponenten präsynaptischer aktiver Zonen kodieren, sind stark an motorischen Axonen angereichert. Der Transport dieser Transkripte scheint in hocheffizienten Motoneuronen stark gestört zu sein [34, 211, 261].

Bis zu einem gewissen Grad scheint eine fehlerhafte Translokation von Transkripten für diese Proteine ​​in Motoneuronen mit einer geringen Anzahl axonaler Verzweigungen und einer entsprechend geringen Anzahl neuromuskulärer Verbindungen, die von diesen Verzweigungen bedient werden, kompensiert zu werden.

In Motoneuronen großer motorischer Einheiten könnten solche Kompensationsprozesse jedoch begrenzt sein und dann wahrscheinlich zu einer Degeneration präsynaptischer Kompartimente und einer retrograden Degeneration von Axonen führen.

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