Crosstalk entre diferentes vias de reparo de DNA contribui para doenças neurodegenerativas Parte 3

5.1. DDR e Autofagia

A depuração agregada ineficiente, indicando autofagia defeituosa, é uma das características comuns dos NDDs. Durante a patogênese da DA, foram demonstradas tanto a síntese prejudicada de autofagossoma quanto a redução da depuração de substratos autofágicos [152–154].

A autofagia é um processo de autodecomposição e reciclagem de células, que pode nos ajudar a remover organelas e proteínas envelhecidas, danificadas e inúteis. Porém, com o aumento da idade e os maus hábitos de vida, a função de autofagia do corpo humano diminui gradativamente, o que pode prejudicar a saúde e a memória.

Estudos mostraram que existe uma estreita relação entre autofagia e memória. O declínio da função autofagia levará ao acúmulo de lixo nas células cerebrais, afetando assim o metabolismo normal e a transmissão de sinais nas células, levando à perda de memória e comprometimento cognitivo. O processo normal de autofagia pode promover a regeneração e renovação das células cerebrais, manter a saúde das células cerebrais e, assim, ajudar a melhorar a memória e a capacidade cognitiva.

Portanto, devemos manter ativamente a função de autofagia e melhorar nosso nível de autofagia por meio de bons hábitos de vida e ajustes dietéticos. Por exemplo, devemos evitar a ingestão excessiva de alimentos pouco saudáveis, como o elevado teor de açúcar e gordura, e comer mais frutas e vegetais, cereais integrais e outros alimentos ricos em antioxidantes e celulose, o que pode ajudar a reduzir a geração de radicais livres e promover a processo de autofagia. Além disso, devemos manter exercícios moderados, manter o bom humor, evitar estresse e ansiedade excessivos, etc., o que ajudará a melhorar a autofagia e a manter um cérebro saudável e uma boa memória.

Em geral, existe de fato uma estreita relação entre autofagia e memória, mas podemos manter nosso nível de autofagia através do estilo de vida correto e do ajuste da dieta, proteger nosso cérebro e memória e avançar em direção a uma vida mais saudável e positiva. Percebe-se que precisamos melhorar nossa memória, e Cistanche pode melhorar significativamente a memória porque Cistanche também pode regular o equilíbrio dos neurotransmissores, como aumentar os níveis de acetilcolina e fatores de crescimento, que são muito importantes para a memória e o aprendizado. Além disso, Cistanche também pode melhorar o fluxo sanguíneo e promover o fornecimento de oxigênio, o que pode garantir que o cérebro obtenha nutrição e energia suficientes, melhorando assim a vitalidade e a resistência do cérebro.

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O acúmulo de -SYN na DP indica autofagia disfuncional mediada por acompanhantes (CMA), um importante contribuidor para a degradação autofágica de -SYN (155).

Mutações em muitos autofagirreceptores, incluindo SQSTM1/p62 [155], OPTN e UBQLN2, foram associadas à patogênese da ELA [156–158]. As associações entre DDR e autofagia como causa direta de NDDs ainda não estão bem estabelecidas, embora a literatura sugira conexões indiretas entre a maquinaria de reparo do DNA e a autofagia através de várias rotas não exclusivas (159–161).

A ativação de ATM pode causar indução de autofagia através da proteína quinase ativada por 50 AMP (AMPK) em resposta a ROS [162,163]. Enquanto os neurônios Atm -/- mostram autofagia anormal, o próprio ATM é processado através da degradação autofágica (164). Camundongos knockout para Parp1 submetidos à fome aguda exibiram autofagia hepática deficiente, implicando um papel fisiológico para PARP1 na autofagia induzida pela fome (165).

A ligação entre DDR e autofagia parece bidirecional, pois a eliminação de BECLIN1, uma proteína envolvida na indução de autofagia, reduziu a atividade e os níveis de proteínas cruciais HR e NHEJ, e também atenuou a formação de complexos DNA-PK [166,167].

Foi demonstrado que o SQSTM1/p62 regula a relação entre HR e NHEJ, promovendo este último após a radiação (168). O CMA regula os níveis de CHK1 e previne a hiperfosforilação e a desestabilização do complexo MRN (169). O produto de tradução do gene associado à resistência à irradiação ultravioleta (UVRAG), um importante participante na iniciação da autofagia, patrulha a atividade de reparo do DSB por meio da ligação direta ao DNA-PK no NHEJ (170).

Curiosamente, os danos no DNA podem induzir a mitofagia, que pode desempenhar um papel na proteção das células contra a morte celular induzida por danos no DNA (171). Embora não tenha sido explorado para DDR, nosso grupo mostrou recentemente a indução de autofagia pró-sobrevivência mediada por estresse endoplasmático (estresse ER) após indução de ERO induzida por radiação (172).

5.2. DDR e neuroinflamação

A neuroinflamação é outro fenômeno comum observado em diferentes NDDs. Acredita-se que o ciclo vicioso opere, envolvendo neuroinflamação, estresse oxidativo e neurodegeneração [173,174].

A própria inflamação pode induzir danos ao DNA através da geração de ROS e espécies reativas de nitrogênio (RNS). A inflamação aumenta não apenas as lesões mutagênicas do DNA, como 8-nitroguanidina e 8-oxoG, mas também impacta negativamente a capacidade de reparo do DNA ao inibir muitas enzimas importantes de reparo do DNA [175,176].

A descoberta seminal da sintase cíclica de guanosina monofosfato-adenosina monofosfato (GMP-AMP) sintase (cGAS) como sensor de DNA citosólico de mamíferos por Sun et al. estabeleceu ligações diretas entre DNA danificado e neuroinflamação (177).

Ao se ligar ao DNA citosólico, o cGAS converte ATP e GTP em GMP-AMP cíclico (cGMP), que se liga e ativa a proteína estimuladora dos genes do interferon do retículo endoplasmático (STING), induzindo finalmente a produção de interferons tipo I através dos fatores de transcrição NF-kB e IRF3. [178].

A ativação de cGAS-STING foi observada em vários NDDs: em um modelo de rato com deficiência de Atm com fenótipos neuroinflamatórios e neurodegenerativos, um acúmulo de DNA citosólico levando a níveis aumentados de TBK1 fosforilado (indicativo de ativação de STING) foi observado em vários tipos de células, incluindo microglia [179].

Xu et al. demonstraram que o cGAMP pode suprimir a DA elevando os níveis de TREM2 (180). Neurônios motores de pacientes com ELA derivados de IniPSC, TDP -43 desencadeou a liberação de mtDNA, levando à ativação de cGAS-STING, e neuroinflamação foi demonstrada (181).

A indução de IL6 em resposta ao mtDNA livre de células circulantes foi relatada no soro de pacientes com Parkinson [182]. Assim, a inflamação mediada por cGAS-STING emerge como outra característica comum dos NDDs.

Em resumo, as proteínas DDR individuais podem estar envolvidas em mais de um NDD (Figura 2) e podem induzir características neurodegenerativas através da sua interação com vários processos celulares (Figura 3).

6. Sistemas Modelo para Estudar NDDs e Terapêutica

Embora o tecido cerebral post-mortem seja útil para mapear as principais diferenças estruturais ou moleculares nos marcadores DDR nos estágios finais dos NDDs, ele tem poder limitado para explicar os mecanismos da doença.

Assim, os modelos animais continuam a ser ferramentas essenciais para estudar os mecanismos que conduzem a neurodegeneração numa perspectiva de curso de vida. Uma seleção de estudos ligando DDR a NDDs usando vários sistemas modelo discutidos acima ou sugerindo modelos apropriados para estudar esse crosstalk está resumida na Tabela 1.

Como é evidente a partir da discussão acima, os roedores continuam a ser os animais modelo mais utilizados. Para a DA, por exemplo, existem mais de duzentos modelos diferentes de roedores (https://www.alzforum.org/research-models/search (acessado em 19 de fevereiro de 2021)).

No entanto, nenhum modelo recapitula todos os fenótipos cardinais observados em doenças humanas, ilustrando a necessidade de melhores modelos para modelar NDDs humanos.

Os animais invertebrados são relativamente baratos de manter e têm uma vida útil e um ciclo de reprodução curtos. Essas propriedades tornam os modelos não vertebrados passíveis de triagem genética e medicamentosa.

O nematóide Caenorhabditis elegans (C. elegans) é um exemplo de animal cujo corpo transparente permite o monitoramento da neurodegeneração in vivo. Estão disponíveis modelos animais humanizados nos quais animais transgênicos expressam -SYN humano [187.188], A 1–42, TAU [189.190 ], TDP-43 e SOD1 [191–193].

A existência de ensaios comportamentais permite estudar a viabilidade e funcionalidade de neurônios individuais durante o curso natural da vida. Assim, os animais simples oferecem excelentes oportunidades para estudar os efeitos combinados dos factores de risco genéticos e ambientais em conjunto com o envelhecimento, o factor de risco mais importante para o TDN.

Em relação à contribuição da DDR, C. elegans possui menos redundância de genes de reparo de DNA, tornando-se uma ótima ferramenta para definir se e como as proteínas de reparo de DNA afetam a neurodegeneração. Uma limitação de C. elegans é que ele não tem cérebro. Assim, modelos de vertebrados são necessários. Destes, Danio rerio (D. rerio) é cada vez mais popular, pois possui vasculatura e um cérebro separado por uma barreira hematoencefálica [194–196].

O desenvolvimento da tecnologia iPSC humana abriu as portas para a modelagem de doenças cerebrais complexas. Protocolos estabelecidos estão disponíveis para gerar vários tipos de células cerebrais a partir de iPSCs derivadas de pacientes em culturas bidimensionais (2D) de monocamada e usá-los para modelar AD [197.198], ALS [199–201] e PD [202.203].

A possibilidade de introduzir a edição do genoma em iPSCs (por exemplo, via CRISPR/CAS9) aumenta ainda mais o potencial destas células para estudar os papéis específicos de genes individuais. Além disso, o papel de outros tipos de células cerebrais (incluindo células gliais, também derivadas de iPSCs) pode ser estudado em sistemas de cocultura recentemente desenvolvidos [204].

Ainda assim, os sistemas de cultura 2D não recapitulam a complexidade do cérebro, e fenótipos como a agregação de proteínas extracelulares são difíceis de observar. Assim, os iPSCs 2D não são a escolha preferida para modelar NDDs.

A auto-organização de corpos embrióides de iPSCs, os chamados modelos organoides 3D, pode nos permitir estudar o desenvolvimento celular e as interações intercelulares dentro de um microambiente 3D do cérebro humano (205).

Avanços nos sistemas de cultura 3D levaram à formação de vários tipos de células cerebrais e regiões cerebrais específicas nesses organoides (mini-cérebros) [206]. Organoides corticais do prosencéfalo, organoides do mesencéfalo e esferóides de neurônios motores derivados de AD e HD, PD e iPSCs de pacientes com ELA, respectivamente, podem mostrar os fenótipos dos tecidos cardinais e podem, portanto, ser muito úteis para a compreensão desses NDDs complexos (Figura 4) [207–213].

Figura 4. O potencial de iPSCs 2D e organoides 3D para modelar NDDs. Fibroblastos de pele derivados de pacientes com NDD podem ser reprogramados em iPSCs. Estas iPSCs podem ser diferenciadas em vários tipos de células cerebrais, incluindo diferentes tipos de neurônios, microglia, etc.

Organoides 3D derivados de iPSC contêm a maioria dos tipos de células cerebrais (exceto microglia e vasculatura, que podem ser co-cultivadas com organoides 3D) e podem apresentar fenótipos de doenças importantes. Várias aplicações desses sistemas modelo também foram mostradas. Criado com BioRender.com.

7. Conclusões

Resumindo, tanto a defesa antioxidante como a reparação do ADN previnem a acumulação de danos no ADN e, assim, contrariam o desenvolvimento de NDDs. Um exemplo de defesa antioxidante é a superóxido dismutase 1 (SOD1), que protege os neurônios contra a neurotoxicidade mediada pela amiloide (A) [214]. Tanto a superexpressão da SOD1 de tipo selvagem quanto as mutações na SOD1 estão associadas a vários NDDs relacionados à idade [11.215.216].

Vários ensaios clínicos têm como alvo a SOD1 de tipo selvagem ou SOD1 mutante para prevenir agregação e dobramento incorreto em NDDs, e um oligonucleotídeo antisense está agora em um ensaio clínico de fase III (NCT02623699).

Uma pequena molécula, Arimoclomol, que promove o dobramento adequado de SOD1 no retículo endoplasmático (ER) [11], está em um ensaio de fase III (NCT03491462). esclarecido.

No entanto, o surgimento da ativação de PARP1 por SSBas é um achado comum em NDDs e a disponibilidade de inibidores de PARP1 sugerem que este pode ser um caminho a seguir. No entanto, atingir diretamente a PARP1 acarreta riscos de efeitos deletérios em outras células e sistemas de tecidos. Uma consequência da superativação da PARP1 é a depleção do NAD+ celular, que é um substrato da PARP1.

Em nosso trabalho anterior, mostramos que aumentar os níveis de NAD+ é uma estratégia promissora para estimular o reparo do DNA e prevenir a neurodegeneração em doenças raras de reparo do DNA [140,146,184]. Para explorar ainda mais o potencial terapêutico da DDR, podem ser utilizados estudos entre espécies, onde diferentes sistemas modelo são combinados para recapitular diferentes aspectos destas doenças complexas.

Modelos organoides 3D derivados de iPSC emergem como sistemas modelo promissores que podem capturar a complexidade do DDR e seu crosstalk com outros processos celulares importantes para manter a saúde neuronal.

Contribuições dos Autores: Conceituação, HN e KS; metodologia, SG; software, PY, TS e KS; validação, SG, PY, TS, HN e KS; análise formal, SG; investigação, SG; recursos,HN e KS; curadoria de dados, SG, PY, TS e KS; preparação do rascunho original, SG, PY, TS, HN e KS; redação-revisão e edição, SG, PY, TS, HN e KS; visualização, SG, HN e KS; supervisão, HN e KS; administração de projetos, SG, HN e KS; aquisição de financiamento, HN Todos os autores leram e concordaram com a versão publicada do manuscrito.

Financiamento: Esta pesquisa foi financiada pela Autoridade Regional de Saúde do Sudeste (Projeto nº 279922 e 2017029) e pelo Conselho Norueguês de Pesquisa (Grant nº 302483).

Declaração do Conselho de Revisão Institucional: Não aplicável.

Termo de Consentimento Livre e Esclarecido: Não aplicável.

Declaração de disponibilidade de dados: Nenhum dado novo foi criado ou analisado neste estudo. O compartilhamento de dados não se aplica a este artigo.

Agradecimentos: Agradecemos a Ellen Tenstad @ScienceShaped, Carina Knudson e Francisco José Naranjo Galindo pela ajuda com as ilustrações gráficas e Evandro Fei Fang, Diana L. Bordin e Lisa Lirussi pela leitura crítica do manuscrito.

SG e PY foram financiados por uma doação da Autoridade Regional de Saúde do Sudeste (Projeto nº 279922 e 2017029) e o TSG foi financiado por uma doação do Conselho Norueguês de Pesquisa (Projeto nº 302483).

Conflitos de interesse: Confirmamos que todos os autores não têm conflitos de interesse em relação a este manuscrito.

Referências

1. Delaney, S.; Jarem, DA; Volle, CB; Yennie, CJ Consequências químicas e biológicas da guanina danificada por oxidação no DNA.Free Radic. Res. 2012, 46, 420–441. [RefCruz]

2.Sheng, Z.; OK, S.; Tsuchimoto, D.; Abolhassani, N.; Nomaru, H.; Sakumi, K.; Yamada, H.; Nakabeppu, Y. 8-A oxoguanina causa neurodegeneração durante o reparo por excisão de bases de DNA mediado por MUTYH. J. Clin. Investigue. 2012, 122, 4344–4361. [RefCruz]

3. Krokan, HE; Drablos, F.; Slupphaug, G. Uracil em Ocorrência de DNA, consequências e reparo. Oncogene 2002, 21, 8935–8948.[CrossRef]

4. Lindahl, T.; Nyberg, B. Taxa de depurinação de ácido desoxirribonucléico nativo. Bioquímica 1972, 11, 3610–3618. [RefCruz]

5. Chin-Chan, M.; Navarro-Yepes, J.; Quintanilla-Vega, B. Poluentes ambientais como fatores de risco para doenças neurodegenerativas: doenças de Alzheimer e Parkinson. Frente. Neurosci celular. 2015, 9, 124. [CrossRef]

6. Ramachandiran, S.; Hansen, JM; Jones, DP; Richardson, JR; Miller, GW Mecanismos divergentes de paraquat, MPP+, toxicidade de androtenona: Oxidação de tiorredoxina e ativação de caspase-3. Toxicol. Ciência. 2007, 95, 163–171. [RefCruz]

7. Hou, Y.; Dan, X.; Babbar, M.; Wei, Y.; Hasselbalch, SG; Croteau, DL; Bohr, VA Envelhecimento como fator de risco para doenças neurodegenerativas. Nat. Rev. 2019, 15, 565–581. [CrossRef] [PubMed]

8. Wyss-Coray, T. Envelhecimento, neurodegeneração e rejuvenescimento cerebral. Natureza 2016, 539, 180–186. [CrossRef] [PubMed]

9. López-Otin, C.; Blasco, MA; Perdiz, L.; Serrano, M.; Kroemer, G. As marcas do envelhecimento. Célula 2013, 153, 1194–1217. [CrossRef][PubMed]

10. Fang, EF; Scheibye-Knudsen, M.; Chua, KF; Mattson, deputado; Croteau, DL; Bohr, VA Danos ao DNA nuclear sinalizando tomitocôndrias no envelhecimento. Nat. Rev. Biol celular. 2016, 17, 308–321. [RefCruz]

11. Trist, BG; Davies, KM; Cottam, V.; Genoud, S.; Ortega, R.; Roudeau, S.; Carmona, A.; De Silva, K.; Wasinger, V.; Lewis, SJG; et al. A proteinopatia da superóxido dismutase 1 semelhante à esclerose lateral amiotrófica está associada à perda neuronal no cérebro com doença de Parkinson. Acta Neuropatol. 2017, 134, 113–127. [RefCruz]

12. Rulten, SL; Caldecott, KW Reparo de quebra de fita de DNA e neurodegeneração. Reparo de DNA 2013, 12, 558–567. [RefCruz]

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