3 Autophagie bei spinaler und bulbärer Muskelatrophie (SBMA)

Es gibt mindestens neun neurodegenerative Erkrankungen, die durch CAG-Erweiterungen verursacht werden. Diese Polyglutamin-Erkrankungen umfassen die Huntington-Krankheit, mehrere spinocerebelläre Ataxien und spinobulbäre Muskelatrophie oder SBMA.121 SBMA ist eine im Erwachsenenalter auftretende, X-verknüpfte neuromuskuläre Störung, die durch eine CAG-Trinukleotidwiederholung im Exon 1 des Androgenrezeptors (AR) verursacht wird, der durch seinen Liganden Testosteron (oder Dihydrotestosteron) aktiviert wird.122 Mutierte AR-Fehlfaltungen und -aggregate im Zellkern und Zytoplasma von primär MNs- und Muskelzellen verursachen multiple Störungen der Zellfunktion und führen zu Neurodegeneration.123 Eine der ersten Studien, in denen untersucht wurde, ob diese zytosolischen Aggregate durch Autophagie entfernt werden können, wurde 2009 von Merrys lab veröffentlicht. Unter Verwendung von kultiviertem MNs aus einem transgenen SBMA-Mausmodell, das das mutierte AR exprimiert, zeigten die Autoren, dass die pharmakologische Aktivierung der Autophagie den durch die toxischen AR-Aggregate induzierten MN-Tod rettete, selbst wenn das mutierte AR so modifiziert wurde, dass es sich im Kern befand.124 Andere Berichte, die die zytoprotektive Rolle der Autophagie in der SBMA-Pathologie validieren, wurden seitdem veröffentlicht125,126 obwohl die Wirkungsmechanismen dieser Autophagie-aktivierenden Moleküle noch unklar sind. In ähnlicher Weise wurde gezeigt, dass die kombinatorische Behandlung des Antiandrogen-Bicalutamids (das die zytoplasmatische Retention von polyQ-AR und damit seine nukleare Translokation fördert) mit dem Autophagie-Induktor Trehalose die Bildung von polyQ-AR-Ablagerungen in in vitro kultivierten MNs verringert.125 Diese Studien zeigten, dass die Autophagie als zytoprotektiver Weg zur Klärung AR-zytoplasmatischer Aggregate fungiert. Ein detailliertes Verständnis der zugrunde liegenden molekularen Mechanismen und ob eine dysfunktionale Autophagie, die nicht in der Lage ist, eine solche degradative Rolle zu spielen, Teil der SBMA-Pathologie ist, musste jedoch noch untersucht werden. Wie bereits beschrieben, ist p62 nicht nur ein Autophagierezeptor, sondern vermittelt auch die Einschlussbildung, insbesondere wenn die Autophagie nicht richtig funktioniert.68 Im Jahr 2013 zeigte eine elegante Studie, dass das Löschen von p62 in einem SBMA-Mausmodell die motorische Dysfunktion verschlimmerte, indem die Spiegel monomerer mutierter AR- und mutierter AR-Proteinkomplexe infolge einer Autophagie-Beeinträchtigung erhöht wurden. Im Gegenteil, die p62-Überexpression schützte vor mutierter AR-Toxizität, indem sie die Bildung von zytoprotektiven Proteineinschlüssen induzierte.126 Diese Ergebnisse unterstützten daher nicht nur die positive Funktion der Autophagie beim Clearing dieser Aggregate, sondern deuteten auch darauf hin, dass die Bildung von mutiertem AR einen zellulären Versuch darstellen könnte, mit dem Vorhandensein des aberranten Rezeptors fertig zu werden.

Chaperon-assistierte selektive Autophagie oder CASA ist eine weniger untersuchte Art der Autophagie, die stark mit der SBMA-Pathophysiologie verbunden ist. Um das Jahr 2000 wurde entdeckt, dass die Proteinfamilie BAG (Bcl-2-assoziiertes Athanogen), HSC / HSP70-Co-Chaperone, Proteostasemodulatoren sind. Die menschliche BAG-Proteinfamilie enthält sechs Mitglieder, nämlich BAG1-6,127,128, die mit Bcl-2 interagieren, um die Apoptose zu unterdrücken,129 Sie sind aber auch an anderen zellulären Prozessen wie Proteinfaltung, Stressreaktion und Autophagie beteiligt. Mit Ausnahme von BAG5 interagieren alle Mitglieder der BAG-Proteine physisch mit HSP70 über ihre BAG-Domäne, und alle von ihnen haben eine Ubiquitin-ähnliche Domäne, durch die sie ubiquitinierte Fracht binden, um sie für den Abbau zu zielen. Die beiden bisher besser untersuchten BAG-Proteine, die mit neurodegenerativen Erkrankungen in Verbindung gebracht werden, sind BAG1 und BAG3. Robuste Arbeit von Christian Behls Gruppe zeigte, dass, während BAG1 bei der Entfernung von polyubiquitinierten Proteinen durch das proteasomale System beteiligt ist, BAG3 ist mit dem Autophagie-Rezeptor p62 verbunden und am Umsatz von polyubiquitinierten Proteinen durch Autophagie beteiligt, wodurch ein Weg für die selektive Autophagie entdeckt wird, der durch dieses multifunktionale HSP70-Co-Chaperon vermittelt wird.130 Sie fanden auch heraus, dass unter zellulärem Stress, Altern und neurodegenerativen Bedingungen das Verhältnis BAG3: BAG1 in Neuronen und Mausgehirn zunimmt, was die Autophagieaktivität erhöht.131 Dieses Chaperon-basierte System zum Abbau zellulärer Komponenten hat sich als besonders wichtig erwiesen, um die Homöostase in Muskelzellen, den Zielen des spinalen MNs, aufrechtzuerhalten. Im Gegensatz zur Chaperon-vermittelten Autophagie (CMA), die durch Stress induziert wird, funktioniert CASA unter normalen Bedingungen. Die Beteiligung von BAG3 und seinen assoziierten Chaperonen an der Pathologie von MNDs, insbesondere SBMA und ALS, und das Übersprechen dieses abbaubaren Netzwerks mit der Autophagie wurde von Polettis Gruppe eingehend untersucht. Im Jahr 2015 zeigte seine Gruppe aufregulation von autophagischen Genen (Beclin-1, Atg10, p62 / SQSTM1, LC3) und das Gen, das für das BAG3 Co-Chaperon Small Heat Shock Protein Hspb8 im Muskel symptomatischer SBMA-Mäuse kodiert. BAG3 und andere HSPB8-Interaktoren (HSPB2 und HSPB3) wurden ebenfalls auf mRNA- und Proteinebene hochreguliert.69 Sie hatten zuvor gezeigt, dass HSPB8 ein Schlüsselprotein war, das an der autophagischen Entfernung nicht nur von polyQ-AR, sondern auch der mutierten ALS-verknüpften Proteine SOD1 und TDP-43 beteiligt war, und dass seine Expression bei Blockierung des Ubiquitin-Proteasomsystems stark erhöht war, um die Autophagie-Clearance dieser Proaggregationsproteine zu erleichtern.46,132,133 Sie haben ferner gezeigt, dass die BAG3:Das BAG1-Verhältnis wurde im SBMA-Muskel erhöht, was darauf hindeutet, dass die mutierte polyQ-AR eine starke autophagische Reaktion in Muskelzellen induziert und dass die Autophagie der Hauptabbauweg für das fehlgefaltete AR über dem Proteasom ist.132 Sie kamen zu dem Schluss, dass die Spiegel von HSPB8-basierten Proteinqualitätskontrollmaschinen als muskelspezifische Biomarker zur Beurteilung der SBMA-Progression und / oder des Ansprechens auf pharmakologische Behandlungen verwendet werden könnten. Darüber hinaus haben sie kürzlich gezeigt, dass die Aktivierung beider Wege zusammen, CASA und Autophagie, durch die Überexpression von BAG3 und HSPB8 in Kombination mit Trehalose-Behandlung zur vollständigen Clearance von polyQ-AR-Aggregaten in Skelettmuskelzellen führt,134 Damit eröffnet sich ein vielversprechender Kombinationsansatz zur Behandlung von SBMA-Patienten.

Das Chaperon-Netzwerk, das für die Kontrolle der Proteinfaltung und des Proteinumsatzes zuständig ist, umfasst mehr als 180 Chaperone und Co-Regulatoren. Die Spiegel mehrerer von ihnen werden durch Stressbedingungen, insbesondere Proteotoxizität, induziert, und die Regulation des Chaperons HSPB8 ist spezifisch mit MND verbunden. Es wurde gezeigt, dass die Akkumulation von fehlgefalteten Proteinen in ALS- und SBMA-MNs und Muskeln die HSPB8-Transkription induziert, um die Bildung von Proteinaggregaten zu begrenzen. Interessanterweise ist HSPB8 in MNs (im Vergleich zu anderen Rückenmarkszellen) und Skelettmuskeln stark exprimiert, seine Spiegel nehmen mit dem Alter ab46 und Mutationen in HSPB8 verursachen Charcot-Marie-Tooth-Typ-2L-Krankheit, hereditäre distale motorische Neuropathie Typ II oder distale Myopathie.135-137 HSPB8 erleichtert auch die Autophagieaktivität durch Bindung von BAG3, das als Gerüstproteinbindendes Lutein fungiert.138 Es wurde vorgeschlagen, dass der HSPB8-BAG3-HSP70-Komplex über Dynein durch Mikrotubuli zum Microtubule Organization Center (MTOC) transportiert wird, wo fehlgefaltete Proteine in entstehende APs eingeschlossen werden, um über Autophagie abgebaut zu werden.139.140 Bei der Charakterisierung der Proteinkomplexe BAG1 und BAG3, die am proteasomalen bzw. autophagischen Abbau von fehlgefalteten Proteinen beteiligt sind, wurden große Fortschritte erzielt.138 Mit Blick auf die Zukunft wird ein detailliertes Verständnis des molekularen Mechanismus, der die De-Novo-Synthese von BAG1, BAG3 und HSPB8 steuert, sowie der Hinweise, die das Übersprechen zwischen BAG1-Proteasom und BAG3-Autophagie-Abbau bei Proteostasestress steuern, erforderlich sein.

Die überwiegende Mehrheit der Studien, die sich auf die Rolle der Autophagie in der SBMA-Pathologie konzentrierten, stimmen ihrer neuroprotektiven Funktion als Mechanismus zur Klärung von Proteinaggregaten zu; es wurden jedoch auch einige Daten veröffentlicht, die darauf hindeuten, dass die Autophagie zumindest dann eine schädliche Funktion ausüben könnte, wenn andere Proteostase-Kontrollmechanismen nicht richtig funktionieren. Eine Studie zeigte, dass Skelettmuskeln von SBMA-Patienten oder Mausmodellen (AR113Q-Knock-in-Mäuse) eine durch CHOP vermittelte aktivierte UPR zeigten und dass die CHOP-Deletion den Krankheitsphänotyp durch die Aktivierung der Autophagie verschlechterte, was auf eine schädliche Funktion der Autophagie hindeutet in diesem Fall. Dieser Befund wurde bei haploinsuffizienten SBMA-Mäusen mit Beclin-1 validiert, bei denen der Muskelschwund verringert und die Lebensdauer im Vergleich zu SBMA-Mäusen mit normalen Beclin-1-Spiegeln verlängert wurde.141 Darüber hinaus zeigten die Autoren weiter, dass die durch CHOP-Mangel verursachte Autophagieinduktion die Muskelatrophie verschlimmerte, und kamen zu dem Schluss, dass die Autophagie im SBMA-Skelettmuskel, der zur Pathologie beiträgt, abnormal hochreguliert ist. Das Zusammenspiel zwischen UPR und Autophagie, das die Proteinhomöostase sicherstellt, ist jedoch kompliziert. Es ist möglich, dass, wenn die UPR eine natürliche Reaktion des SBMA-Skelettmuskels ist, um mit dem polyQ-AR-induzierten Proteostasestress fertig zu werden, die Blockade dieser Reaktion auch die normale Autophagiefunktionalität in den Zellen verändern und die Degeneration verschlimmern könnte. Im Jahr 2014 beschrieb dieselbe Gruppe, dass TFEB-Kernlokalisations- und TFEB-Zielgene in Skelettmuskeln aus diesem SBMA-Mausmodell und Patientenzellen hochreguliert wurden.142 Sie zeigten weiter, dass diese Zellen im Vergleich zu Wildtyp-Zellen eine verbesserte Autophagie-Reaktion bei Stimulation zeigten, während die nukleare Lokalisation des TFEB-Transkriptionsantagonisten ZKSCAN3 im Vergleich zu gesunden Kontrollen reduziert war.142 Interessanterweise fand die La Spadas-Gruppe unterschiedliche Ergebnisse in Bezug auf die Rolle von TFEB in der SBMA-Pathologie. Mit motoneuron-ähnlichen Zellen und einem anderen SBMA-Mausmodell (YAC AR100) zeigten sie, dass Wildtyp-AR mit TFEB interagiert, während mutiertes AR seine Transaktivierung stört. Infolgedessen reduziert polyQ-AR den Umsatz von Langzeitproteinen und beeinträchtigt den autophagischen Fluss.143 Sie bewiesen ferner, dass die TFEB-Überexpression den autophagischen Flussdefekt in iPSC-abgeleiteten MNs von SBMA–Patienten wiederherstellte, und schlugen TFEB und Verbindungen vor, die die Autophagosom-Lysosom-Fusion als potenzielle Kandidatenziele für Therapieentwicklungsbemühungen begünstigen. Diese Studien, die entgegengesetzte Szenarien für die Aktivität von TFEB und der Lysosomen-Autophagie-Achse in der SBMA-Pathogenese vorschlagen, zeigen, dass die Rolle der Autophagie in der Pathologie von SBMA noch diskutiert wird. Es ist in der Tat möglich, dass sich die autophagische Reaktion auf die Mutation im AR zwischen Skelettmuskel- und Neuronenzellen unterscheidet. Es wäre daher interessant zu untersuchen, ob die Autophagie differentiell aktiv ist und unterschiedliche Funktionen zwischen diesen beiden Zelltypen und sogar innerhalb desselben Muskeltyps in verschiedenen Krankheitsstadien ausübt. In diesem Zusammenhang berichtete die Pennutos-Gruppe kürzlich über einen glykolytisch-oxidativen Stoffwechselwechsel in SBMA-betroffenen Muskelfasern in den frühen Phasen der Krankheit, begleitet von einer Verstärkung der mTOR-Aktivität. In späteren Stadien fanden sie jedoch eine erhöhte TFEB-Expression sowie Autophagie und mTOR-Inaktivierung.144 Ähnliche Beobachtungen bei anderen neurodegenerativen Erkrankungen machen deutlich, dass die Abhängigkeit von Zelltyp und Krankheitsstadium ein wiederkehrendes Thema ist, das bei der Beurteilung des Beitrags der Autophagie zu einer bestimmten Pathologie berücksichtigt werden muss.

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