Biokemi av Alzheimers sjukdom - Biochemistry of Alzheimer's disease
Den biokemi av Alzheimers sjukdom är den vanligaste orsaken till demens , ännu inte är mycket väl förstått. Alzheimers sjukdom (AD) har identifierats som en proteopati : en protein som fälls ihop på grund av ackumulering av onormalt vikt amyloid beta (Aβ) protein i hjärnan . Amyloid beta är en kort peptid som är en onormal proteolytisk biprodukt av transmembranproteinet amyloid-beta-prekursorprotein (APP), vars funktion är oklar men tros vara involverad i neuronal utveckling. De preseniliner är komponenter i proteolytiskt komplex involverade i APP-bearbetning och nedbrytning.
Amyloid beta -monomerer är lösliga och innehåller korta områden av beta -ark och polyprolin II -helix -sekundära strukturer i lösning, även om de till stor del är alfa -spiralformade i membran; vid tillräckligt hög koncentration genomgår de dock en dramatisk konformationsförändring för att bilda en beta -bladrik tertiär struktur som aggregerar för att bilda amyloidfibriller . Dessa fibriller och oligomera former av Aβ avsätter sig utanför neuroner i formationer som kallas senila plack . Det finns olika typer av plack, inklusive de diffusa , kompakta , kärnformade eller neuritiska placktyperna , liksom Aβ -avlagringar i väggarna i små blodkärlväggar i hjärnan som kallas cerebral amyloid angiopati .
AD betraktas också som en tauopati på grund av onormal aggregering av tauproteinet , ett mikrotubuli-associerat protein uttryckt i neuroner som normalt verkar för att stabilisera mikrotubuli i cellens cytoskelet . Liksom de flesta mikrotubuli-associerade proteiner regleras tau normalt av fosforylering ; vid Alzheimers sjukdom ackumuleras dock hyperfosforylerade tau som parade spiralformade filament som i sin tur aggregerar till massor inuti nervcellkroppar som kallas neurofibrillära trasslar och som dystrofiska neuriter associerade med amyloidplack. Även om lite är känt om processen för filamentmontering, har det nyligen visat sig att en utarmning av ett prolylisomerasprotein i parvulinfamiljen påskyndar ackumuleringen av onormalt tau.
Neuroinflammation är också involverad i den komplexa kaskaden som leder till AD -patologi och symptom. Betydande patologiska och kliniska bevis dokumenterar immunologiska förändringar i samband med AD, inklusive ökade proinflammatoriska cytokinkoncentrationer i blodet och cerebrospinalvätskan. Om dessa förändringar kan vara en orsak eller konsekvens av AD återstår att förstå helt, men inflammation i hjärnan, inklusive ökad reaktivitet hos den inhemska mikroglia mot amyloidavlagringar, har varit inblandad i patogenesen och utvecklingen av AD.
Neuropatologi
På en makroskopisk nivå kännetecknas AD av förlust av neuroner och synapser i hjärnbarken och vissa subkortikala regioner. Detta resulterar i grov atrofi av de drabbade regionerna, inklusive degenerering i tinningloben och parietalloben , och delar av frontal cortex och cingulate gyrus .
Både amyloidplack och neurofibrillära trassel är tydligt synliga genom mikroskopi i AD -hjärnor. Plack är täta, mestadels olösliga avlagringar av protein och cellulärt material utanför och runt neuroner. Trassel är olösliga vridna fibrer som bygger upp sig i nervcellen. Även om många äldre människor utvecklar några plack och trasslar, har hjärnan hos AD -patienter dem i mycket större utsträckning och på olika hjärnplatser.
Biokemiska egenskaper
Grundläggande för förståelsen av Alzheimers sjukdom är de biokemiska händelserna som leder till ackumulering av amyloid-beta och tau-protein. En känslig balans av enzymernas sekretaser reglerar amyloid-beta-ackumuleringen. Alpha Secretase kan återge en icke-patologisk (icke-amyloidogen) Amyloid Beta (DOI: 10.2174/156720512799361655). Nyligen har en koppling mellan kolinerg neuronal aktivitet och alfasekretas aktivitet belysts, vilket kan avskräcka av Amyloid-beta-proteiners avsättning i hjärnan hos patienter med Alzheimers sjukdom. Alzheimers sjukdom har identifierats som en proteinfelfällningssjukdom eller proteopati på grund av ackumulering av onormalt vikta Amyloid-beta-proteiner i hjärnan hos AD-patienter. Onormal amyloid-beta-ackumulering kan först detekteras med hjälp av cerebrospinalvätskeanalys och senare med positronemissionstomografi (PET).
Även om AD delar patofysiologiska mekanismer med prionsjukdomar, är det inte överförbart som prionsjukdomar. Amyloid-beta, även skrivet Aβ, är en kort peptid som är en proteolytisk biprodukt av transmembranproteinet amyloidprekursorprotein (APP), vars funktion är oklar men tros vara involverad i neuronal utveckling. De preseniliner är komponenter i ett proteolytiskt komplex involverat i APP-bearbetning och nedbrytning. Även om amyloid beta -monomerer är ofarliga, genomgår de en dramatisk konformationsförändring vid tillräckligt hög koncentration för att bilda en beta -bladrik tertiär struktur som aggregerar för att bilda amyloidfibriller som deponeras utanför neuroner i täta formationer som kallas senila plack eller neuritiska plack , i mindre täta aggregat som diffusa plack , och ibland i väggarna i små blodkärl i hjärnan i en process som kallas amyloid angiopati eller kongofil angiopati .
AD betraktas också som en tauopati på grund av onormal aggregering av tauproteinet , ett mikrotubuli-associerat protein uttryckt i neuroner som normalt verkar för att stabilisera mikrotubuli i cellens cytoskelet . Liksom de flesta mikrotubuli-associerade proteiner regleras tau normalt av fosforylering ; hos AD -patienter ackumuleras dock hyperfosforylerade tau som parade spiralformade filament som i sin tur aggregerar i massor inuti nervcellkroppar som kallas neurofibrillära trasslar och som dystrofiska neuriter associerade med amyloidplack.
Nivåerna av signalsubstansen acetylkolin (ACh) reduceras. Nivåer av andra signalsubstanser serotonin , noradrenalin och somatostatin reduceras också ofta. Påfyllning av ACh med antikolinesteraser är ett godkänt behandlingssätt av FDA. En alternativ metod för att stimulera ACh-receptorer av M1-M3-typer av syntetiska agonister som har en långsammare dissociationshastighet från receptorn har föreslagits som nästa generations kolinomimetik vid Alzheimers sjukdom [15] .
Potentiella sjukdomsmekanismer
Medan de grova histologiska egenskaperna hos AD i hjärnan har varit väl karakteriserade, har flera olika hypoteser framförts angående den främsta orsaken. Bland de äldsta hypoteserna finns den kolinerga hypotesen, vilket tyder på att brist på kolinerg signalering initierar sjukdomens utveckling. Andra hypoteser tyder på att antingen felfällning av tau -protein inuti cellen eller aggregering av amyloid beta utanför cellen initierar kaskaden som leder till AD -patologi>. Ytterligare andra hypoteser föreslår metaboliska faktorer, vaskulär störning eller kroniskt förhöjd inflammation i hjärnan som den främsta orsaken till AD. Även om forskare inte har identifierat en tydlig orsakande väg som härrör från någon av de molekylära hypoteserna som förklarar de grova anatomiska förändringarna som observerats vid avancerad AD, har varianter av amyloid beta -hypotesen om molekylär initiering blivit dominerande bland många forskare hittills
Kolinerg hypotes
Den kolinerga hypotesen om AD -utveckling föreslogs först 1976 av Peter Davies och AJF Maloney. Det står att Alzheimers börjar som en brist i produktionen av acetylkolin , en vital signalsubstans . Mycket tidig terapeutisk forskning baserades på denna hypotes, inklusive restaurering av de "kolinerga kärnorna". Möjligheten till cellersättningsterapi undersöktes på grundval av denna hypotes. Alla de första generationens anti-Alzheimers mediciner är baserade på denna hypotes och arbetar för att bevara acetylkolin genom att hämma acetylkolinesteraser (enzymer som bryter ned acetylkolin). Dessa mediciner, men ibland fördelaktiga, har inte lett till botemedel. I alla fall har de tjänat till att endast behandla symtomen på sjukdomen och har varken stoppat eller vänt det. Dessa resultat och annan forskning har lett till slutsatsen att acetylkolinbrister kanske inte är direkt orsakssamband, men är ett resultat av utbredd hjärnvävnadsskada, så stor skada att cellersättningsterapier sannolikt är opraktiska.
Nyare hypoteser handlar om effekterna av de felveckade och aggregerade proteinerna, amyloid beta och tau. De två ståndpunkterna beskrivs lätthjärtat som "ba-ptist" och "tau-ist" synpunkter i en vetenskaplig publikation. Däri föreslås att "tau-ister" tror att tau-proteinavvikelser initierar sjukdomskaskaden, medan "ba-ptister" tror att beta-amyloidavlagringar är orsaksfaktorn i sjukdomen.
Tau -hypotes
Hypotesen att tau är den primära orsaksfaktorn har länge grundats i observationen att avsättning av amyloidplack inte korrelerar väl med neuronförlust. En mekanism för neurotoxicitet har föreslagits baserat på förlusten av mikrotubuli-stabiliserande tauprotein som leder till nedbrytning av cytoskelet. Emellertid har man inte nått enighet om huruvida tau -hyperfosforylering föregår eller orsakas av bildandet av de onormala spiralformiga filamentaggregaten. Stöd för tauhypotesen härrör också från förekomsten av andra sjukdomar som kallas tauopatier där samma protein identifieras felaktigt. En majoritet av forskarna stöder dock den alternativa hypotesen att amyloid är det primära orsakande medlet.
Amyloidhypotes
Amyloidhypotesen är initialt övertygande eftersom genen för amyloid beta -föregångaren APP ligger på kromosom 21 och patienter med trisomi 21 - mer känd som Downs syndrom - som har en extra genkopia uppvisar AD -liknande störningar vid 40 års ålder. Amyloidhypotesen pekar på cytotoxiciteten hos mogna aggregerade amyloidfibriller, som antas vara den toxiska formen av proteinet som är ansvarigt för att störa cellens kalciumjonhomeostas och därmed inducera apoptos . Denna hypotes stöds av observationen att högre nivåer av en variant av beta -amyloidproteinet som är känt för att bilda fibriller snabbare in vitro korrelerar med tidigare debut och större kognitiv försämring i musmodeller och med AD -diagnos hos människor. Emellertid är mekanismer för den inducerade kalciuminflödet, eller förslag på alternativa cytotoxiska mekanismer, av mogna fibriller inte uppenbara.
En nyare variant av amyloidhypotesen identifierar de cytotoxiska arterna som en mellanliggande felveckad form av amyloid beta, varken en löslig monomer eller en mogen aggregerad polymer utan en oligomer art, möjligen toroidal eller stjärnformad med en central kanal som kan framkalla apoptos av fysiskt genomträngande cellmembranet. Denna jonkanalshypotes antar att oligomerer av lösliga, icke-fibrillära Aβ bildar membranjonkanaler som tillåter oreglerad kalciuminflöde till neuroner. Ett relaterat alternativ tyder på att en globulär oligomer lokaliserad till dendritiska processer och axoner i neuroner är den cytotoxiska arten. De prefibrillära aggregaten visade sig kunna störa membranet.
Cytotoxisk-fibrilhypotesen presenterar ett tydligt mål för läkemedelsutveckling: hämmar fibrilliseringsprocessen. Mycket tidigt utvecklingsarbete på blyföreningar har fokuserat på denna hämning; de flesta rapporteras också minska neurotoxicitet, men toxisk-oligomerteorin skulle innebära att förebyggande av oligomer sammansättning är den viktigare processen eller att ett bättre mål ligger uppströms, till exempel vid inhibering av APP-behandling till amyloid beta. Till exempel sågs apomorfin avsevärt förbättra minnesfunktionen genom den ökade framgångsrika slutförandet av Morris Water Maze .
- Lösligt intracellulärt (o) Aβ42
Två papper har visat att oligomer (o) Aβ42 (en art av Aβ), i löslig intracellulär form, akut hämmar synaptisk överföring , en patofysiologi som kännetecknar AD (i dess tidiga stadier), genom att aktivera kaseinkinas 2 .
Inflammatorisk hypotes
Konvergerande bevis tyder på/stöder att ett ihållande inflammatoriskt svar i hjärnan är ett kännetecken för AD -patologi och kan vara en nyckelfaktor vid AD -patogenes. Hjärnan hos AD -patienter uppvisar flera markörer för ökad inflammatorisk signalering. Den inflammatoriska hypotesen föreslår att kroniskt förhöjd inflammation i hjärnan är en avgörande komponent för amyloidkaskaden i de tidiga faserna av AD och förstärker sjukdomens svårighetsgrad i senare stadier av AD. Aβ finns i friska hjärnor och tjänar en vital fysiologisk funktion vid återhämtning från neuronskada, skydd mot infektion och reparation av blod-hjärnbarriären, men det är okänt hur Aβ-produktion börjar överskrida hjärnans clearance-kapacitet och initierar AD progression. En möjlig förklaring är att Aβ orsakar att mikroglia, den hemliga immuncellen i hjärnan, aktiveras och utsöndrar proinflammatoriska signalmolekyler, kallade cytokiner, som rekryterar andra lokala mikroglia. Medan akut mikroglialaktivering, som svar på skada, är fördelaktig och tillåter mikroglia att rensa Aβ och annat cellulärt skräp via fagocytos, uppvisar kroniskt aktiverad mikroglia minskad effektivitet i Aβ -clearance. Trots denna minskade AB-clearance kapacitet fortsätter aktiverad mikroglia att utsöndra proinflammatoriska cytokiner som interleukiner 1β och 6 (IL-6, IL-1β) och tumörnekrosfaktor-alfa (TNF-a), samt reaktiva syrearter som stör sund synaptisk funktion och så småningom orsaka neuronal död. Förlusten av synaptisk funktion och senare neuronal död är ansvarig för de kognitiva funktionsnedsättningarna och volymförlusten i viktiga hjärnregioner som är associerade med AD. IL-1B, IL-6 och TNF-a orsakar ytterligare produktion av Aβ-oligomerer, liksom tau-hyperfosforylering, vilket leder till fortsatt mikrogliaaktivering och skapar en frammatningsmekanism där Aβ-produktionen ökas och Aβ-clearance minskar så småningom och orsakar bildning av Aβ -plack.
Isoprenoida förändringar
En studie från 1994 visade att isoprenoida förändringar i Alzheimers sjukdom skiljer sig från de som uppstår under normalt åldrande och att denna sjukdom därför inte kan betraktas som ett resultat av för tidigt åldrande . Under åldrandet visar den mänskliga hjärnan en progressiv ökning av dolikolnivåer , en minskning av ubikinonhalterna , men relativt oförändrade koncentrationer av kolesterol och dolichylfosfat. Vid Alzheimers sjukdom är situationen omvänd med minskade nivåer av dolichol och ökade nivåer av ubikinon . Koncentrationerna av dolichylfosfat ökar också, medan kolesterolet förblir oförändrat. Ökningen av sockerbäraren dolichylfosfat kan återspegla en ökad glykosyleringshastighet i den sjuka hjärnan och ökningen av den endogena antioxidanten ubiquinon ett försök att skydda hjärnan från oxidativ stress , till exempel inducerad av lipidperoxidation . Ropren , som tidigare identifierats i Ryssland, är neuroskyddande i en råttmodell av Alzheimers sjukdom.
Glukosförbrukning
Den mänskliga hjärnan är ett av de mest metaboliskt aktiva organen i kroppen och metaboliserar en stor mängd glukos för att producera cellulär energi i form av adenosintrifosfat (ATP). Trots sina höga energibehov är hjärnan relativt oflexibel i sin förmåga att använda substrat för energiproduktion och förlitar sig nästan helt på att cirkulera glukos för sina energibehov. Detta beroende av glukos sätter hjärnan i fara om tillförseln av glukos avbryts, eller om dess förmåga att metabolisera glukos blir defekt. Om hjärnan inte kan producera ATP kan synapser inte upprätthållas och celler kan inte fungera, vilket i slutändan leder till nedsatt kognition.
Bildstudier har visat minskat utnyttjande av glukos i hjärnan hos patienter med Alzheimers sjukdom tidigt i sjukdomen, innan kliniska tecken på kognitiv försämring inträffar. Denna minskning av glukosmetabolismen förvärras när kliniska symptom utvecklas och sjukdomen fortskrider. Studier har funnit en minskning av cerebral glukosmetabolism med 17% -24% hos patienter med Alzheimers sjukdom, jämfört med åldersmatchade kontroller. Många avbildningsstudier har sedan bekräftat denna observation.
Onormalt låga nivåer av cerebral glukosmetabolism återfinns i ett karakteristiskt mönster i Alzheimers sjukdomshjärna, särskilt i de bakre cingulära, parietala, temporala och prefrontala cortexna. Dessa hjärnregioner tros styra flera aspekter av minne och kognition . Detta metaboliska mönster är reproducerbart och har till och med föreslagits som ett diagnostiskt verktyg för Alzheimers sjukdom. Dessutom korrelerar minskad cerebral glukosmetabolism (DCGM) med plackdensitet och kognitiva underskott hos patienter med mer avancerad sjukdom.
Minskad cerebral glukosmetabolism (DCGM) är kanske inte enbart en artefakt av hjärncellsförlust eftersom det förekommer hos asymptomatiska patienter med risk för Alzheimers sjukdom, såsom patienter homozygota för epsilon 4 -varianten av apolipoprotein E -genen (APOE4, en genetisk riskfaktor för Alzheimers sjukdom), liksom i ärftliga former av Alzheimers sjukdom. Med tanke på att DCGM inträffar innan andra kliniska och patologiska förändringar inträffar är det osannolikt att det beror på den grova cellförlust som observerats vid Alzheimers sjukdom.
I avbildningsstudier med unga vuxna APOE4 -bärare, där det inte fanns några tecken på kognitiv försämring, upptäcktes minskad cerebral glukosmetabolism (DCGM) i samma områden av hjärnan som äldre personer med Alzheimers sjukdom. DCGM är dock inte exklusivt för APOE4 -bärare. När Alzheimers har diagnostiserats förekommer DCGM i genotyperna APOE3/E4, APOE3/E3 och APOE4/E4. Således är DCGM en metabolisk biomarkör för sjukdomstillståndet.
Insulinsignalering
Ett samband har etablerats mellan Alzheimers sjukdom och diabetes under det senaste decenniet, eftersom insulinresistens , som är ett karakteristiskt kännetecken för diabetes , också har observerats i hjärnan hos personer som lider av Alzheimers sjukdom. Neurotoxiska oligomera amyloid-ß- arter minskar uttrycket av insulinreceptorer på den neuronala cellytan och avskaffar neuronal insulinsignalering. Det har föreslagits att neuronala gangliosider , som deltar i bildandet av membran lipid mikrodomäner , lätta amyloid-β-inducerad avlägsnande av insulinreceptorerna från den neuronala ytan. Vid Alzheimers sjukdom utlöser oligomera amyloid-β-arter TNF-α- signalering. c-Jun N-terminal kinasaktivering med TNF-a aktiverar i sin tur stressrelaterade kinaser och resulterar i IRS-1 serinfosforylering, som därefter blockerar nedströms insulinsignalering. Den resulterande insulinresistensen bidrar till kognitiv försämring. Följaktligen kan ökad neuronal insulinkänslighet och signalering utgöra ett nytt terapeutiskt tillvägagångssätt för behandling av Alzheimers sjukdom.
Oxidativ stress
Oxidativ stress växer fram som en nyckelfaktor i patogenesen av AD. Överproduktion av reaktiva syrearter (ROS) anses spela en kritisk roll vid ackumulering och deponering av amyloid beta i AD. Hjärnor hos AD-patienter har förhöjda nivåer av oxidativ DNA-skada i både nukleärt och mitokondriellt DNA , men mitokondriellt DNA har ungefär tio gånger högre nivåer än kärn-DNA. Åldrade mitokondrier kan vara den kritiska faktorn i ursprunget till neurodegeneration vid AD. Även individer med lätt kognitiv funktionsnedsättning , fasen mellan normalt åldrande och tidig demens, har ökat oxidativ skada i sitt nukleära och mitokondriella hjärn -DNA (se åldrande hjärna ).
Hypotesen om stor geninstabilitet
En bioinformatikanalys 2017 visade att extremt stora mänskliga gener uttrycks betydligt i hjärnan och deltar i den postsynaptiska arkitekturen. Dessa gener är också starkt berikade i termer av celladhesion Gene Ontology (GO) och kartlägger ofta till kromosomala bräckliga platser. Majoriteten av de kända genetiska produkterna för Alzheimers sjukdom, inklusive amyloidprekursorproteinet (APP) och gammasekretas, liksom APOE-receptorerna och GWAS-risklokaler deltar i liknande celladhesionsmekanismer. Det drogs slutsatsen att dysfunktion av cell- och synaptisk vidhäftning är central för Alzheimers sjukdomspatogenes, och mutationsinstabilitet hos stora synaptiska vidhäftningsgener kan vara den etiologiska utlösaren för neurotransmissionstörning och synaptisk förlust i hjärnans åldrande. Som ett typiskt exempel förklarar denna hypotes APOE-riskplatsen för AD i samband med signalering av dess gigantiska lipoproteinreceptor, LRP1b, som är en stor tumörsuppressorgen med hjärnspecifikt uttryck och också kartlägger till en instabil kromosomisk ömtålig plats. Den stora geninstabilitetshypotesen sätter DNA -skademekanismen i centrum för Alzheimers sjukdoms patofysiologi.
DNA -skada
Naturligt förekommande DNA dubbelsträngsavbrott (DSB) uppstår i mänskliga celler till stor del från enkelsträngade avbrott inducerade av olika processer inklusive aktiviteten hos reaktiva syrearter, topoisomeraser och hydrolys på grund av termiska fluktuationer. I neuroner induceras DSB av ett topoisomeras av typ II som en del av den fysiologiska processen för minnesbildning. DSB finns i både neuroner och astrocyter i humant hippocampus post- mortem hos AD-patienter på en högre nivå än hos icke-AD-individer. AD är associerad med en ackumulering av DSB i neuroner och astrocyter i hippocampus och frontal cortex från tidiga stadier och framåt. DSB ökas i närheten av amyloidplack i hippocampus, vilket indikerar en potentiell roll för Aβ i DSB -ackumulering eller vice versa. Den dominerande mekanismen för reparation av dubbelsträngade DNA-brytningar är icke-homologt ändförband (NHEJ), en mekanism som använder det DNA-beroende proteinkinas (DNA-PK) -komplexet. Slutföreningsaktiviteten och proteinnivåerna för DNA-PK-katalytisk subenhet är signifikant lägre i AD-hjärnor än i normala hjärnor.