Macroautofagia e mitofagia em doenças neurodegenerativas: foco em intervenções terapêuticas, parte 2

2. Mitofagia

As mitocôndrias abrigam uma membrana dupla, composta por uma membrana mitocondrial interna (IMM) e uma membrana mitocondrial externa (OMM), separadas pelo espaço intramembranar.

A membrana mitocondrial interna é um componente importante da célula. Sua principal função é gerar a energia exigida pela célula e controlar o metabolismo de toda a célula. A pesquisa biológica moderna mostra que a membrana mitocondrial interna também está intimamente relacionada à capacidade cognitiva humana, especialmente à memória.

As moléculas da membrana mitocondrial interna também contêm alguns componentes relacionados à cognição e ao sistema nervoso, como proteínas de membrana e sistemas de fosforilação oxidativa. Esses componentes estão diretamente envolvidos no processo metabólico das células cerebrais, e seu status de atividade afetará a função normal dos neurônios, afetando assim a cognição e a memória humanas.

Além disso, uma molécula chamada transportador mitocondrial na membrana mitocondrial interna também desempenha um papel importante no armazenamento e recuperação da memória. Esta molécula pode ajudar os neurônios a transmitir sinais químicos entre as sinapses e fortalecer a conectividade das sinapses, conseguindo assim o armazenamento a longo prazo e a recuperação precisa da memória.

Em resumo, a ligação entre a membrana mitocondrial interna e a capacidade cognitiva e a memória já foi verificada cientificamente há muito tempo. Otimizar o estado metabólico da membrana mitocondrial interna ajuda a melhorar a eficiência de funcionamento do cérebro e melhora as habilidades cognitivas e de memória das pessoas. Portanto, podemos promover a saúde da membrana mitocondrial interna ajustando adequadamente a nossa dieta, fazendo exercício e mantendo uma boa atitude, melhorando assim a nossa memória e capacidades cognitivas. Percebe-se que precisamos melhorar a memória, e Cistanche pode melhorar significativamente a memória porque 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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Esta configuração de organela é essencial para manter um gradiente eletroquímico, permitindo que as mitocôndrias gerem a quantidade necessária de ATP para ser usada pelas células [77]. A eliminação de mitocôndrias defeituosas é um mecanismo essencial de controle de qualidade para sustentar um conjunto saudável de mitocôndrias e manter uma vida viável. rede em células neuronais [78].

Estas células são mais sensíveis a defeitos mitocondriais devido às suas altas demandas metabólicas; assim, a eliminação seletiva de organelas disfuncionais é vital para uma neurotransmissão confiável.

As mitocôndrias que são irreversivelmente danificadas ou que deixam de ser eficientes são eliminadas pela mitofagia, um mecanismo seletivo onde receptores especializados reconhecem mitocôndrias defeituosas e medeiam a carga visando vesículas autofágicas [79]. As células fazem uso de diferentes métodos para reciclar mitocôndrias defeituosas, nomeadamente vias dependentes e independentes de ubiquitina.

Principalmente, as células neuronais recorrem ao sistema de mecanismo dependente de ubiquitina controlado pela quinase 1 (PINK1)/Parkin induzida por PTEN para preservar um conjunto ativo e dinâmico de mitocôndrias.

PINK1 é uma proteína amitocondrial cujo acúmulo no OMM atua como um sensor para manter a função mitocondrial, uma vez que sinaliza mitocôndrias danificadas para degradação (80).

PINK1 exibe uma sequência de direcionamento mitocondrial, sendo assim sistematicamente importado para o IMM por complexação com translocases da membrana externa 20 e 40 (TOM20 e TOM40) (81), onde é clivado pela serina protease intramembrana presenilina associada ao tipo romboide (PARL) [ 82] e, portanto, mantidos em níveis baixos sob condições fisiológicas.

Após um determinado dano, as interações moleculares entre TOM20/40 e PINK1 diminuem, e o PINK1 se aglomera no OMM das mitocôndrias danificadas, promovendo a fosforilação da Parkin e seu subsequente recrutamento (83).

Parkin, uma ubiquitina ligase citosólicaE3, ubiquitina uma miríade de proteínas da OMM, que são reconhecidas por receptores como o p62, também denominado sequestossomo 1 (SQSTM1). p62 / SQSTM1 é o receptor de ligação à ubiquitina responsável por conduzir mitocôndrias ubiquitinadas ao local de montagem do autofagossomo, interagindo com os receptores LC3 / GABARAP da família ATG8 (84).

Esses receptores também reconhecem os motivos LIR de muitas proteínas OMM para direcionamento específico de mitocôndrias danificadas no local de montagem do autofagossomo (85). Em células neuronais, mitofagia independente de ubiquitina orquestrada por duas proteínas bifuncionais, BCL2 e adenovírus E1B proteína 3 interagindo de 19 kDa (BNIP3L) e a proteína X semelhante ao BNIP (NIX) também é responsável pela diferenciação de células ganglionares da retina (RGCs). O BNIP3 e o NIX contêm um domínio BH3 e estão localizados principalmente na OMM.

Estas proteínas têm um motivo semelhante ao WXXL com afinidade para LC3 e seu homólogo GABARAP, conduzindo as mitocôndrias para vesículas autofágicas. Durante a neurogênese da retina, ocorre uma mudança metabólica, acompanhada por um aumento na expressão de ambas as proteínas [86].

A atividade do NIX pode ser mediada pelo aumento dos níveis de espécies reativas de oxigênio (ROS) em diversas linhagens celulares (87), adicionando uma nova camada de complexidade além das funções de desenvolvimento. Na verdade, a produção de ROS aumenta como consequência de mitocôndrias danificadas [88] e pode induzir mitofagia [88]. O NIX também pode regular a translocação de Parkin para as mitocôndrias mediante um estímulo despolarizante, como o CCCP (87).

Além disso, a mitofagia regulada por BNIP3L e NIX tem funções neuroprotetoras. Em um modelo de isquemia cerebral, a degradação seletiva das mitocôndrias mediada por essas proteínas foi crucial para a sobrevivência e função neuronal [89]. Além disso, a superexpressão de NIX por si só é suficiente para restaurar defeitos de mitofagia observados em linhagens celulares derivadas de pacientes com DP [90].

A proteína 1 contendo o domínio Fun14 (FUNDC1) é uma proteína OMM que interage com LC3 e GABARAP e medeia a mitofagia em condições hipóxicas. Em níveis homeostáticos, a mitofagia dependente de FUNDC1- é reprimida pela fosforilação mediada por Src quinase na porção do motivo LIR em Tyr18.

Em um estado hipóxico, a atividade reduzida de Src resulta na desfosforilação de FDUNC1 Tyr18, facilitando sua interação com LC3 e subsequente mitofagia (91). Além disso, a fosforilação de ULK1 induzida por hipóxia pela AMPK em Ser555 favorece a translocação de ULK1 para as mitocôndrias, aumentando a atividade do FUNDC1 (92). Além disso, a Optineurin (OPTN) é um receptor citosólico localizado no OMM que promove a mitofagia através de sua interação com LC3 (93).

Curiosamente, a disfunção do OPTN está associada a doenças neurodegenerativas, bem como a outras patologias [94]. No geral, a mitofagia constitui um mecanismo essencial de controle de qualidade para manter o metabolismo neuronal e a homeostase.

O transporte de mitocôndrias dentro dos neurônios depende de movimentos anterógrados e retrógrados e é essencial para cumprir os requisitos energéticos e metabólicos ao longo da estrutura neuronal. Esses movimentos também são essenciais para o reparo e degradação mitocondrial e são auxiliados por proteínas adaptadoras de transporte (Figura 3).

3. Autofagia e Doenças Neurodegenerativas

3.1. Doença de Alzheimer

A DA é uma doença neurodegenerativa e a forma mais prevalente de demência na população idosa, afetando quase 50 milhões de pessoas em todo o mundo [95]. A DA familiar de início precoce (EOAD, fAD) é responsável por menos de 5% dos casos e se desenvolve antes dos 65 anos de idade.

Mutações autossômicas dominantes em três genes foram associadas à EOAD: o gene da proteína precursora de amilóide (APP) e os genes da presenilina-1 (PSEN1) e da presenilina-2(PSEN2), subunidades do complexo -secretase [ 95]. Contudo, a forma mais comum é a forma esporádica de início tardio da DA (LOAD, sAD) com prevalência superior a 95% e com etiologia desconhecida.

A neuropatologia da DA é caracterizada por comprometimento cognitivo progressivo e declínio da memória, que tem sido correlacionado com a presença de deposição extracelular de placas amilóides (A, agregação de peptídeos -amilóides) e emaranhados neurofibrilares intraneuronais (NFTs, agregação de proteína tau hiperfosforilada) que comprometem a sinapse. integridade e homeostase, levando a danos irreversíveis em regiões específicas do cérebro, como o hipocampo e o córtex [96].

Os peptídeos A são gerados pelo processamento proteolítico sequencial da proteína precursora de amilóide (APP) pela enzima de clivagem de APP 1/-secretase (BACE1) e -secretase através da via amiloidogênica. A clivagem da APP pelo BACE1, cuja atividade é elevada no cérebro de pacientes com DA esporádica [97], ocorre principalmente nos endossomos, proporcionando um ambiente ácido para a atividade enzimática ideal [98].

O tráfego intracelular de APP ocorre por vias secretoras e endocíticas. A APP é secretada para a membrana plasmática, sendo então internalizada por endocitose mediada por clatrina ou mediada por caveolina [99].

Nos endossomas, a APP pode ser clivada por BACE1 dando origem ao fragmento APP N-terminal (sAPP) e ao fragmento C-terminal; este último pode sofrer clivagem adicional pela -secretase, resultando na formação de A e do domínio intracelular de APP. Na via não amiloidogênica, a APP é clivada pela -secretase no meio do domínio A, evitando a formação dos peptídeos A.

A clivagem pela -secretase ocorre em diferentes posições do fragmento C-terminal, resultando na formação de peptídeos A com diferentes comprimentos. Os peptídeos solúveis mais comuns formados são A 1-38 e A 1-40, seguidos por A 1-42, sendo este último mais hidrofóbico e mais propenso a formar oligômeros triméricos e tetraméricos, representando assim a isoforma mais tóxica [100].

Um oligômero tende a formar fibrilas A com folhas pregueadas que se agrupam extracelularmente em placas amilóides (101). A também foi associada à hiperfosforilação e agregação de tau, uma proteína associada a microtúbulos que normalmente auxilia na polimerização e montagem de microtúbulos axonais e no transporte de vesículas.

O estado de fosforilação do taui é regulado por quinases e fosfatases distintas que são moduladas na presença de oligômeros A; por exemplo, a glicogênio sintase quinase -3 (GSK3) e a proteína fosfatase 2A (PP2A) regulam diretamente o status de fosforilação da tau (102). O estado hiperfosforilado da tau inibe sua associação com os microtúbulos, afetando sua estabilização e levando à desmontagem da rede de microtúbulos [103,104].

A clivagem proteolítica da tau hiperfosforilada desencadeia a formação de oligômeros de tau [105] que são mais tóxicos que os agregados, levando à morte neuronal progressiva [106].

3.1.1. Comprometimento de autofagia na DA

Na DA, foram relatados mecanismos patogênicos moleculares distintos resultantes do acúmulo de oligômeros A e hiperfosforilação da tau, nomeadamente disfunção mitocondrial [107,108] e ruptura de sistemas de proteostase, como resposta proteica desdobrada e autofagia [109].

Embora os peptídeos A exibam um motivo relacionado ao KFERQ, que é importante para o processamento normal e degradação da APP, esses fragmentos não são substratos para a degradação do CMA (110), e a macroautofagia auxilia na sua depuração (111).

De fato, a macroautofagia desempenha um papel importante no metabolismo A porque está envolvida na degradação e eliminação de APP (112) e seus produtos de clivagem, incluindo A (113) e APP-CTFs (fragmento C-terminal clivado da proteína precursora de amilóide) (114).

A disfunção da autofagia foi demonstrada tanto em pacientes com DA quanto em modelos animais. Nos cérebros de pacientes com DA, foi observado um acúmulo de vesículas autofágicas imaturas contendo tau filamentosa em neurites distróficas (115).

Essas vesículas autofágicas são frequentemente encontradas em regiões proximais de placas amilóides nos cérebros de pacientes e modelos de roedores (116). Curiosamente, o acúmulo de autofagossomos também foi observado em dendritos e soma de neurônios de camundongos transgênicos APP/PS1, mesmo antes do aparecimento de placas A (117). Além disso, foi observado um acúmulo de vesículas autofágicas imaturas antes da perda neuronal no hipocampo do modelo de camundongo PS1M146L/APP751SL [118].

O acúmulo anormal de autofagossomos nos neurônios sugere que a via autofágica-lisossomal defeituosa contribui para o acúmulo de oligômeros A e tau na DA (117). APP e PSEN1 localizam-se em autofagossomos; assim, um acúmulo dessas organelas está associado a um aumento na geração A, que por sua vez perturba as membranas do autofagossomo (115).

Consequentemente, os autofagossomos imaturos descritos em cérebros com DA e camundongos transgênicos APP/PS1 podem constituir outra fonte para a geração A. Cérebros de pacientes PSEN{1}}EOAD apresentam comprometimento lisossômico associado à patologia amiloide e neurodegeneração [119].

Foi sugerido que o acúmulo de autofagossomo pode resultar de um comprometimento da fusão autofagossomo-lisossomo ou digestão defeituosa do lisossomo [120]. Estudos mostraram uma alteração no início da autofagia, especificamente uma diminuição na expressão de Beclin 1 no córtex de pacientes com DA e modelos de camundongos [121] . O aumento da atividade da caspase 3 em pacientes com DA pode explicar a clivagem excessiva de Beclin 1 [122].

A redução genética de Beclin 1 em um modelo de camundongo transgênico com DA expressando APP humana aumentou o acúmulo de A, enquanto a superexpressão de Beclin 1 reduziu significativamente os níveis de A (113). Além de Beclin -1, outras proteínas ATG foram reguladas negativamente em uma idade avançada. de maneira dependente, resultando em um acúmulo de A [123]. ATG7, uma proteína chave na regulação da autofagia, foi implicada na patologia da DA.

Descobriu-se que os níveis de ATG7 estavam reduzidos no córtex cerebral e no hipocampo de um modelo de camundongo com DA, mas nenhuma alteração foi detectada nos córtices temporais em pacientes com DA [124]; Camundongos knockdown para ATG7 exibiram uma redução da secreção de A acompanhada por um aumento de A intracelular (125), o que apoia ainda mais o papel do ATG7 no transporte de peptídeos A para corpos multivesiculares a serem secretados.

A expressão de p62 mostrou-se diminuída em um modelo triplo de camundongo transgênico, comprometendo as etapas iniciais da autofagia seletiva na DA (126). No entanto, uma análise genômica revelou uma regulação positiva transcricional de reguladores positivos da autofagia na DA.

Consistente com a ativação da autofagia, uma regulação positiva dos níveis de proteína ATG e uma maior taxa de formação de autofagossoma e biogênese lisossômica foram observadas nos estágios iniciais da DA (127). Essa controvérsia sugere regulação diferencial da autofagia nos estágios iniciais e tardios da DA, o que deve ser considerado na avaliação do mecanismo em diferentes modelos e na busca por estratégias terapêuticas.

A presença de autofagossomos imaturos em neurites distróficas sugere que o transporte retrógrado de vesículas relacionadas à autofagia e sua maturação estão prejudicados na DA (128). Em apoio a isso, a inibição da entrega do autofagossomo aos lisossomos leva ao seu acúmulo em neurites com morfologia semelhante, conforme descrito na DA (64).

Um oligômero pode perturbar o complexo dineína-snapin, prejudicando o transporte de vesículas axonais, o que poderia contribuir para a entrega defeituosa de autofagossomos à lisossomas na AD (129). A degradação da tau, que está localizada principalmente nos axônios e é menos encontrada nas neurites e no soma, ocorre através do proteassoma ou por macroautofagia, dependendo do seu estado de soligomerização.

As modificações da tau associadas à DA conduzem sua degradação através da macroautofagia quando a proteólise mediada pelo proteassoma é prejudicada pela progressão da doença (130). De relevância, a degradação da tau pode produzir diferentes fragmentos que se ligam ao Hsc70 sendo direcionados à LAMP-2A pelo CMA [131,132].

Ainda assim, o acúmulo desses fragmentos na membrana lisossomal causa a agregação de tau, o que perturba a integridade lisossomal e bloqueia o CMA (132). O comprometimento da via autofágica-lisossomal resulta na agregação de oligômeros tau, que, por sua vez, são degradados quando a macroautofagia é induzida com rapamicina [132,133].

A tau é essencial para o movimento retrógrado dos autofagossomos em direção aos lisossomos através da estabilização dos microtúbulos, um papel que está comprometido na DA (134). A hiperfosforilação da tau e sua oligomerização resultam no deslocamento da maquinaria dos microtúbulos e, conseqüentemente, no comprometimento do movimento e maturação do autofagossomo, o que também contribui para a disfunção da autofagia.

Além dos defeitos no transporte do autofagossomo, um comprometimento da função lisossômica também foi descrito na DA. PSEN1 é um regulador da função lisossomal que atua como acompanhante da ATPase vacuolar que acidifica o lúmen lisossomal. Mutações no PSEN1 prejudicaram a acidificação lisossômica e a fusão autofagossomo-lisossomo, resultando no acúmulo de autofagossomas carregados com A (135).

Além disso, foi sugerido que a proteólise lisossomal é afetada na DA; altos níveis de proteínas A, LC 3- II e ubiquitinadas estavam presentes em frações de lisossoma e autofagossoma isoladas do modelo de camundongo transgênico AD (136). Consistente com isso, a interrupção da proteólise lisossômica pela inibição das catepsinas lisossômicas em neurônios saudáveis ​​resulta no acúmulo de vesículas autofágicas com morfologia semelhante àquelas presentes em pacientes com DA e modelos de camundongos transgênicos (64).

A também compromete a integridade da membrana lisossômica, resultando na liberação de catepsinas no citoplasma [137,138]. A presença de catepsina D em exossomos isolados do sangue de pacientes com DA pré-clínica [139] apoia a hipótese de uma função lisossômica ineficaz. Curiosamente, variações genéticas no gene codificador da catepsina D também foram descritas como fatores de risco para DA [140].

A análise do processo de autofagia em neurônios desde os estágios iniciais até os mais recentes da DA mostrou uma expressão aumentada de genes de autofagia nos estágios iniciais, mas o defeito de depuração lisossomal resultou no acúmulo de estruturas autolisossomais com a progressão da doença (141). de proteínas dependentes de nicotinamida adenina dinucleotídeo (NAD+) que são reguladoras de múltiplas vias celulares.

Entre eles, Sirt1 tem sido associado à regulação da autofagia. Níveis mais baixos de SIRT1 comprometem a ativação mediada pela desacetilação de proteínas de autofagia a jusante (por exemplo, ATG5, ATG7 e LC3) (142), o que também pode contribuir para o comprometimento da autofagia na DA. Os níveis de SIRT1 estão diminuídos no córtex parietal de pacientes cerebrais com DA e se correlacionam com o acúmulo de emaranhados de A e tau (143).

A ativação do mTOR, o coordenador central da autofagia, foi descrita na DA em resposta ao acúmulo de A (144). A aumenta a atividade de mTOR, o que também resulta em maior expressão de tau e fosforilação mediada por GSK 3 - (145), apoiando um papel para a patogênese mediada por mTORin tau. Além disso, a secreção de fosfo-tau através de vesículas exocitóticas por sinalização mTOR foi observada nos cérebros de pacientes com DA [146].

A desregulação da via PI3K/Akt/mTOR também foi implicada na patogênese da DA [147]. A ativação de PI3K por fatores de crescimento (por exemplo, fator de crescimento semelhante à insulina-1, IGF1) promove a fosforilação de Akt e a ativação indireta de mTORC1, promovendo autofagia. Na DA, A interage e inibe a via PI3K/Akt/mTOR (148), levando à ativação da GSK3 e ao aumento da hiperfosforilação da tau.

Além disso, o fator de transcrição EB (TFEB), o principal regulador da biogênese dos lisossomas, é um alvo a jusante do mTORC1. Uma diminuição na atividade do mTORC1 induz a desfosforilação do TFEB e sua translocação para o núcleo para ativar a expressão da autofagia e dos genes relacionados à biogênese lisossomal (149).

Descobriu-se que os níveis de TFEB estavam diminuídos nas amostras cerebrais (hipocampo) de pacientes com DA, particularmente diminuindo os níveis nucleares de TFEB nos estágios avançados da doença [150].

Além disso, a translocação de TFEB para o núcleo foi atenuada em fibroblastos com deficiência de presenilina e induziu neurônios de DA humanos derivados de células-tronco pluripotentes, resultando na redução da ativação da rede CLEAR (151).

No entanto, em um modelo animal APP/PS1 duplamente transgênico, níveis aumentados de TFEB total e nuclear foram detectados no hipocampo de camundongos com DA com 8- meses de idade com um aumento concomitante de seus alvos a jusante, sugerindo que o TFEB está envolvido em progressão da DA mediada [152]. A regulação positiva dos genes alvo do TFEB também foi relatada em camundongos knockout condicionais para PS1 e camundongos 5xFAD (153).

A ativação da rede TFEB pode refletir uma tentativa de compensar a autofagia prejudicada em modelos animais com DA. O papel exato do TFEB como regulador mestre da função lisossômica na patogênese da DA está longe de ser totalmente compreendido e requer investigação adicional.

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