Амилоид-бета пептидтері және Альцгеймер ауруының патогенезі

Кіріспе

Пептидтер тобы

Бір зерттеу APP және оның амилоидтық әлеуетінің көне тектік екенін, ерте деутеростомалар дәуіріне дейін жететінін көрсеткен.

Қалыпты жұмыс

Аβ-ның қалыпты функциясы толыққанды түсініксіз. Кейбір жануарлар зерттеулері Аβ-ның жоқтығы ешқандай айқын физиологиялық функциялардың жоғалуына алып келмейтінін көрсеткенімен, Аβ үшін бірнеше мүмкін болатын қызметтер анықталды, оның ішінде киназа ферменттерін белсендіру, тотығу стресінен қорғау, холестерин тасымалын реттеу, транскрипция факторы ретінде жұмыс істеу және микробқа қарсы әрекет (мүмкін Аβ-ның қабынуға қатысты әрекетімен байланысты). Глимфалық жүйе сүтқоректілердің миынан метаболизм қалдықтарын, әсіресе бета-амилоидты шығарып тазартады. Сан алуан протеазалар генетикалық және биохимиялық зерттеулер бойынша бета-амилоидты тану және ыдырату үшін жауапты деп табылған; оларға инсулин ыдырату ферменті және пресекуенциялық протеазалар кіреді. Ұйқы кезінде осы процестің жылдамдығы едәуір артады. Дегенмен, Альцгеймер ауруында Аβ-ны тазалауда глимфалық жүйенің маңыздылығы әлі белгісіз.

Аурулар арасындағы байланыстар

Аβ – амилоидтық плактардың негізгі құрауышы, Альцгеймер ауруымен ауырған адамдардың миында табиғаттан тыс шөгінділер түрінде кездеседі. Аβ ми амилоидтық ангиопатиясында ми қан тамырларын қаптаған шөгінділерді де құрай алады. Плактар Аβ олигомерлерінің араласуынан және амилоидты фибриллалар деп аталатын реттелген агрегаттардан тұрады. Бұл ақуыздық құрылым приондар сияқты басқа пептидтермен де ортақ, олар ақуыздың дұрыс бүктелмеуінен туындайтын аурулармен байланысты, сонымен қатар протеинопатия деп те аталады.

Альцгеймер ауруы

Зерттеулер көрсетіп тұрғандай, бета-амилоидтың ерітілмелі олигомерлік формалары Альцгеймер ауруының дамуына себеп болатын факторлар болуы мүмкін. Көбінесе Аβ олигомерлері ең улы деп есептеледі. Бірнеше генетикалық, жасуша биологиясы, биохимиялық және жануарлар зерттеулері, тәжірибелік модельдерді пайдалана отырып, Аβ Альцгеймер ауруы патологиясының дамуында орталық рөл атқарады деген пікірді қолдайды. Альцгеймер ауруының спорадикалық түрімен ауырған адамдардың миындағы Аβ деңгейі жоғарылайды. Аβ – ми паренхимасы мен қан тамырларының амилоидінің негізгі құрамы; ол цереброваскулярлық зақымдануға ықпал етеді және нейротоксикалық әсерге ие. Аβ орталық нерв жүйесінде қалай жинақталып, одан кейін жасушалардың ауруын қалай бастайтыны әлі анықталған жоқ. Аβ өндірісіне жауапты механизмдерге, соның ішінде Аβ-ны оның прекурсорлық ақуызынан, АПП-дан (амилоидты прекурсорлық ақуыз) өндіретін гамма және β секретазалар сияқты протеолиттік ферменттерге көп күш жұмсалды. Аβ плазмада, мидың жұлындық сұйықтығында (МЖС) және мидың интерстициалдық сұйықтығында (МЖС) негізінен ерігіш Аβ40 түрінде айналады. Амилоидтық плакеттерде Аβ40 және Аβ42 болады, ал тамырлық амилоид негізінен қысқа Аβ40 болып табылады. Екі зақымның ішінде де Aβ-ның бірнеше тізбегі табылды. Жалпы Аβ деңгейінің немесе Аβ40 және Аβ42-нің салыстырмалы концентрациясының (біріншісі цереброваскулярлық плакеттерде, ал екіншісі нейриттік плакеттерде көбірек шоғырланған) артуы туыстық және спорадикалық Альцгеймер ауруының патогенезіне қатысты. Аβ42 гидрофобты қасиеттеріне байланысты пептидтің ең амилоидтық түрі болып табылады. Дегенмен, KLVFFAE орталық тізбегінің өзі амилоидты құрайтыны белгілі және фибрилдің ядросын құрайды. Бір зерттеуде Аβ42 деңгейі мида Альцгеймер ауруының басталуымен ғана емес, сонымен қатар мидың жұлындық сұйықтығының қысымының төмендеуімен де байланысты болды, бұл Aβ42 фрагменттерінің жинақталуы немесе жоюға болмауы патологияға әсер етуі мүмкін екенін көрсетеді. Альцгеймер ауруының патологиясына плакеттер жауапты деген "амилоидтық гипотеза" көптеген зерттеушілер тарапынан қабылданып, бірақ толыққанды дәлелденбеген. Балама гипотезаға сәйкес, аурудың пайда болуына плакеттер емес, амилоидтық олигомерлер себеп болады.

Research suggests that soluble oligomeric forms of the amyloid beta may be causative agents in the development of Alzheimer's disease. It is generally believed that Aβ oligomers are the most toxic. Several genetic, cell biology, biochemical and animal studies using experimental models support the concept that Aβ plays a central role in the development of Alzheimer's disease pathology. Brain Aβ is elevated in people with sporadic Alzheimer's disease. Aβ is the main constituent of brain parenchymal and vascular amyloid; it contributes to cerebrovascular lesions and is neurotoxic. It is unresolved how Aβ accumulates in the central nervous system and subsequently initiates the disease of cells. Significant efforts have been focused on the mechanisms responsible for Aβ production, including the proteolytic enzymes gamma and β secretases which generate Aβ from its precursor protein, APP (amyloid precursor protein). Aβ circulates in plasma, cerebrospinal fluid (CSF) and brain interstitial fluid (ISF) mainly as soluble Aβ40. Amyloid plaques contain both Aβ40 and Aβ42, while vascular amyloid is predominantly the shorter Aβ40. Several sequences of Aβ were found in both lesions. Increases in either total Aβ levels or the relative concentration of both Aβ40 and Aβ42 (where the former is more concentrated in cerebrovascular plaques and the latter in neuritic plaques) have been implicated in the pathogenesis of both familial and sporadic Alzheimer's disease. Due to its more hydrophobic nature, the Aβ42 is the most amyloidogenic form of the peptide. However the central sequence KLVFFAE is known to form amyloid on its own, and probably forms the core of the fibril. One study further correlated Aβ42 levels in the brain not only with onset of Alzheimer's disease, but also reduced cerebrospinal fluid pressure, suggesting that a build up or inability to clear Aβ42 fragments may play a role into the pathology. The "amyloid hypothesis" that the plaques are responsible for the pathology of Alzheimer's disease is accepted by the majority of researchers, but is not conclusively established. An alternative hypothesis is that amyloid oligomers rather than plaques are responsible for the disease.

Қатерлі ісік

Aβ қатерлі ісіктердің дамуымен байланысты, оның мүмкін болатын әсерлерінің мәнін анықтау үшін түрлі қатерлі ісіктерді зерттеуге себеп болды, бірақ нәтижелер көбінесе нақты емес. Аβ деңгейі, осы қатерлі ісіктерден аман қалғандарда Альцгеймер ауруына шалдығу қаупінің төмендеуі байқалғандықтан, ішек, тоқ ішек, өкпе және бауыр қатерлі ісіктері сияқты бірнеше қатерлі ісіктермен қатар қарастырылды. Барлық қатерлі ісіктер, әсіресе бауыр қатерлі ісіктері, Аβ деңгейінің жоғарылауымен байланысты екені көрсетілді. Дегенмен, осы байланыстың бағыты әлі толық анықталған жоқ. Адам сүт безі қатерлі ісігі жасушаларына бағытталған зерттеулер осы қатерлі ісік жасушаларының амилоид алды ақуыздың экспрессия деңгейінің жоғары екенін көрсетті.

Даун синдромы

Даун синдромы бар ересектерде амилоид жинақталуы Альцгеймер ауруының белгілерімен қатар жүрді, соның ішінде танымдық қабілеттердің, есте сақтаудың, ұсақ моторикалық қозғалыстардың, жоспарлау қабілетінің және кеңістіктік ориентация дағдыларының төмендеуі.

Құрылу

Аβ амилоид прекурсорлық ақуыздың (АПП) тізбектеп кезеңдік бөлінуі нәтижесінде түзіледі, ол функциясы белгісіз трансмембраналық гликопротеин. АПП α, β және γ секретаза протеолиттік ферменттерімен бөлінуге болады; Аβ протеіні β және γ секретазалардың бірінен соң бірі әрекет етуімен пайда болады. Aβ пептидінің C-терминалды бөлігін құрайтын γ секретаза АПП-ның трансмембраналық аймағында бөлінеді және 30-51 аминқышқылдық қалдықтан тұратын бірнеше изоформаларды жасайды. Ең көп кездесетін изоформалар – Aβ40 және Aβ42; ұзын форма көбінесе эндоплазмалық ретикулумда жүзеге асырылатын бөліну арқылы, ал қысқа форма транс-Гольги желісіндегі бөліну арқылы түзіледі.

Генетика

АПП-ның аутосомалық доминантты мутациялары тұқым қуалайтын ерте басталатын Альцгеймер ауруын (отбасылық АД, fAD) тудырады. Бұл аурудың барлық жағдайларының 10% аспайды, ал Альцгеймер ауруының көп бөлігі мұндай мутацияларсыз дамиды. Дегенмен, отбасылық Альцгеймер ауруы протеолиздік өңдеудің өзгеруінен туындауы мүмкін. Бұл фактіге APP-дағы γ-секретазаның кесу орындарына жақын орналасқан және fAD-қа әкелетін көптеген мутациялардың болуы куә. FAD-қа себеп болатын ең көп таралған мутациялардың бірі – Лондон мутациясы, ол APP генінің 717 кодонында пайда болады және валин аминқышқылын изолеуцинмен алмастыруға алып келеді. APP V717I мутациясының гистохимиялық талдауы нейроось бойында кең ауқымды Aβ патологиясын, сондай-ақ мидың кең таралған амилоидты ангиопатиясын (CAA) анықтады. Амилоидты прекурсорлық белоктың гені 21-хромосомада орналасқан, сондықтан Даун синдромымен туған адамдарда Альцгеймер ауруына шалдығу ықтималдығы өте жоғары.

Құрылымы мен уыттылығы

Бета-амилоидтың құрылымы жоқ деп жиі айтылады, яғни ол ерітіндіде бірегей үшіншілік бүктемеге ие болмай, құрылымдар жиынтығын құрайды. Сондықтан, оны кристалдау мүмкін емес, ал бета-амилоид туралы құрылымдық білімнің көп бөлігі ЯМР және молекулалық динамикадан алынған. Бета-амилоидтан (Aβ 10–35) алынған 26 аминқышқылынан тұратын полипептидтің алғашқы ЯМР негізінде жасалған модельдері маңызды екіншілік құрылымдық элементтері жоқ, жиырылған түйін тәрізді құрылымды көрсетеді. Дегенмен, (Aβ 1–40) ЯМР құрылымының соңғы (2012) нұсқасы маңызды екіншілік және үшіншілік құрылымға ие. Репликалық алмасу молекулалық динамикасының зерттеулері бета-амилоидтың бірнеше дискретті құрылымдық күйлерді қабылдай алатынын көрсетті; соңғы зерттеулер статистикалық талдау арқылы дискретті конформациялық кластерлердің көптігін анықтады. ЯМР басшылығымен жүргізілген модельдеулерде бета-140 амилоид және бета-142 амилоидтың конформациялық күйлері де өте әртүрлі болып көрінеді, бета-142 амилоидінің С-ұшы 1–40 фрагментіне қарағанда құрылымдырақ. Төмен температура және төмен тұз концентрациясы бета-құрылымы жоқ пентамерлік дискі тәрізді олигомерлерді бөліп алуға мүмкіндік берді. Керісінше, детергенттердің қатысуында дайындалған ерігіш олигомерлер фибрилдерден өзгеше, аралас параллельді және антипараллельді сипаттамасы бар маңызды бета-парақтарға ие болып көрінеді; есептеу зерттеулері мембранаға енген олигомерлер үшін антипараллельді бета-бұрылыс-бета мотивін ұсынады.

Иммунотерапиялық зерттеулер

Иммунотерапия жаңаи иммундық жүйені Аβ-ны тануға және оған шабуыл жасауға ынталандыруы мүмкін, немесе плакеттің қалыптасуын болдырмайтын немесе плакеттерді немесе Аβ олигомерлерін жоюды күшейтетін антиденелерді ұсынуы мүмкін. Олигомеризация – жеке молекулаларды шекті сандағы молекулалардан тұратын тізбекке айналдыратын химиялық процесс. Аβ-ның олигомеризациясының алдын алу белсенді немесе пассивті Аβ иммундау арқылы жүзеге асырылды. Бұл процесте Аβ-ға қарсы антиденелер мидағы плакеттердің деңгейін төмендету үшін қолданылады. Бұл микроглиялық жоюға көмектесу және/немесе пептидті мидан жүйелік қан айналымына қайта бағыттау арқылы іске асырылады. Клиникалық сынақтарда сынақтан өткен Аβ-ға қарсы антиденелерге адуканумаб, бапинезумаб, кренезумаб, гантеренумаб, леканемаб және соланезумаб кіреді.

Бета-амилоидты өлшеу

Бейнелеу құрамалары, әсіресе Питтсбург құрамасы B (6 OH BTA 1, тиофлавин), in vitro және in vivo жағдайында амилоид-бетаға таңдаулы түрде байланысады. Бұл техника ПЭТ-ті суреттеумен біріктіріліп, Альцгеймер ауруы бар адамдардағы амилоидты плактар жинақталған аймақтарды бейнелеу үшін қолданылады.

Өлімнен кейін немесе тін биопсиясында

Бета-амилоидты иммунобояу арқылы жартылай сандық түрде өлшеуге болады, сонымен қатар оның орналасқан жерін анықтауға мүмкіндік береді. Бета-амилоид негізінен қан тамырларында, ми амилоидты ангиопатиясында немесе ақ заттағы амилоидты бляшкаларда кездесуі мүмкін. Бірнеше сезімтал әдістердің бірі – бета-амилоидты танитын антиденелер жұбын пайдаланатын иммуносорбенттік талдау (ELISA). Атомдық күш микроскопиясы, наноөлшемді молекулалық беттерді визуализациялай алады, бета-амилоидтың in vitro агрегациялық күйін анықтау үшін қолданылуы мүмкін. Вибрациялық микроспектроскопия – ұлпа үлгілеріндегі молекулалардың дірілдеуін өлшейтін маркерсіз әдіс. Аβ сияқты амилоидты ақуыздардың жоғары β-қабат құрылымдарының болуына байланысты осы әдіспен анықтауға болады. Соңғы зерттеулерде Альцгеймер ауруындағы әртүрлі бляшка түрлерінде Аβ фибрилдерінің қалыптасуы анықталды, бұл бляшкалардың даму кезеңдерінен өтетінін көрсетеді. Бұл агрегациялық процестерді липидтік екі қабатты құрылымдарда да зерттеуге болады.