dušični oksid (no) i peroksinitrit u neurodegenerativnim bolestima
DESCRIPTION
Novije spoznaje o ulozi dušičnog oksida i peroksinitrita u neurodegenerativnim bolestima.TRANSCRIPT
NO se producira u svim moždanim stanicama uključujući neurone,endotelne stanice i glija stanice (astrociti, oligodendrociti i mikroglija) pomoću Ca2+ /kalmodulin ovisnih NOS izoformi
U neuronima (nNOS, NOS tip1) i endotelnim stanicama(eNOS, NOS tip3) se fiziološki produciraju nanomolarne količine NO u kratkim periodima kao odgovor na prolazno povećanje intracelularne koncentracije kalcija
To je vrlo važno za: kontrolu cerebralnog protoka krvi i neurotransmisije sinaptičku aktivnost prilagođavanje endokrine funkcije proces memorije aktivnost ponašanja
NO igra važnu ulogu u kontroli toksičnosti CNS-a
Njegov je učinak dvostruki:
Potiče protektivni efekt modulirajući fiziološke procese i kompleksne imunološke funkcije u CNS-u
S druge strane sudjeluje u oštećenju tkiva
Značajna uloga u patofiziologiji mnogih neurodegenerativnih poremećaja:
Parkinsonova bolest Alzheimerova bolest Huntingtonova bolest
Multipla skleroza
Simultano povećanje NO i proizvodnja superoksida veže se s neurodegenerativnim promjenama
Povećanje nitrita, nitrata i slobodnog nitrotirozina je pronađeno u cerebrospinalnoj tekućini te se upravo to smatra markerom neurodegenerativnosti
Jednom formiran u bolesti mozga, peroksinitrit može pokazati svoje toksične efekte u multiplim mehanizmima uključujući :
lipidnu peroksidacijuoštećenje mitohondrija
nitraciju i oksidaciju proteina aktivaciju ili inhibiciju mnogih signalnih puteva
uništenje zalihe antioksidansa( posebice glutationa) oštećenju DNA
Nitracija tirozina predstavlja veliki citotoksični signalni put u živčanom sustavu koji dopridonosi razvoju neurodegenerativnih bolesti
Najčešća meta nitracije i oksidacije tirozina tj. tirozina u proteinu su upravo mitohondriji
Povećanje produkcije superoksida u mitihondriju ga čini podložnim štetnom utjecaju NO
Peroksinitrit oštećuje kompleks 1 u mitohondrijima i uzrokuje nitraciju i inaktivaciju mitohondrijske Mn-SOD
Inaktivacijom Mn-SOD(superoksid dismutaza) dolazi do vakuolizacije mitohondrija i oksidacije lipidnih zaliha
Genetski inducirana ekspresija mitohondrijske Mn-SOD ili indukcija samog enzima tijekom stresa štiti mitohondrije i stanice od štetnih učinaka oksidativnog stresa
Inaktivacija Mn-SOD s peroksinitritom čini mitohondrije podložnije oštećenju
Meta nitracije su i razni strukturni proteini s velikim udjelom tirozina
Tirozin je hidrofoban i može stvarati kontaktne regije među podjedinicama, no može i formirati vodikove veze u vodenom okruženju kada su podjedinice razdvojene
Često je lociran blizu kiselih i bazičnih ostataka koji povećavaju mogućnost njegove nitracije
Nitracija strukturnih proteina može dovesti do velikih promjena u njihovoj funkciji i uzrokovati mnoge sterične interakcije, može ozbiljno ugroziti formaciju neke velike strukture i dovesti do promjena u funkciji čitavog proteina
Neurofilament-L (NFL) i GFAP (glial fibrillary acid protein) su bili među prvim proteinima za koje se ustanovilo da su endogeno nitrirani in vivo
SOD se također pokazao kao učinkovit kod kataliziranja nitracije rastavljenih NFL podjedinica peroksinitritom in vitro, a djelomično kad je SOD oskudan cinkom
Nitracija malog udjela NFL-a (<10%) je dostatna da poremeti sklop neurofilamenata
Nitracija NFL-a može djelomično biti važna u ALS gdje motoneuroni sadrže ogromne koncentracije neurofilamentnih proteina koji su potrebni za podupiranje golemih aksona koji se mjere u metrima
Mutacije do alfa sinukleina se povezuju sa malim dijelom slučajeva Parkinsonove bolesti
Divlji tip alfa sinukleina je većinska komponenta Lewyevih tijela kao i inkluzija vlaknastih proteina u sporadičnoj Parkinsonovoj bolesti
Nitracijski stres potiče stvaranje agregata alfa sinukleina koji su otporni na proteolizu
Imunološki posredovana, upalna bolest koja uzrokuje žarišna oštećenja u bijeloj tvari napadajući nasumično različita područja CNS-a
Sposobnost neurona za provođenje impulsa je promijenjena, gube svoju mijelinsku ovojnicu i dolazi do sekundarnog gubitka aksona
Klinički simptomi:
tremor
ataksija
gubitak vida
dvostruki prikaz
slabost i paraliza
poteškoće u govoru
gubitak kontrole mokrenja i konstipacije
kognitivna oštećenja
bolne mišićne spazme
Upalni plakovi kod pacijenata oboljelih od MS-e pokazuju povećanu imunoreaktivnost iNOS-a i nitrotirozina popraćenu povećanom razinom nitrata i nitrita u cerebrospinalnoj tekućini, urinu i serumu
Nitracija tirozina može doprinjeti oštećenju krvno-moždane barijere (dopuštajući ulazak upalnih stanica) koje je bitna karakteristika aktivne MS-e
Ekspresija iNOS-a se povećava u demijeliziranim plakovima kod MS bolesnika kada se smanji upala
Eksperiment:
Inhibicija iNOS-a u eksperimentalnom alergijskom, autoimunom encefalomijelitisu (EAE; mišji model MS)
Kontroverzni rezultatati (pokazano i smanjenje i povećanje upale)
Merkaptoetilgvanidin (MEG) i gvanidinoetildisulfid (GED) štite jedino od EAE indukcijske faze, ali nisu spriječili progresiju bolesti
Koristan inhibitor nitracije tirozina
Zaštitnik krvno-moždane barijere Sprečava ulazak upalnih stanica
u CNS Sprečava nastanak CNS
oštećenja nakon što upalne stanice prodru u CNS
Razina mokraćne kiseline u serumu bi mogla biti biopokazatelj kod praćenja aktivnosti bolesti
Karakterizirana je progresivnim gubitkom dopaminergičkih neurona unutar substantia nigra pars reticulata
Rezultira smanjenom razinom dopamina i gubitkom dopaminergičke neurotransmisije koja je bitna za funkciju bazalnih ganglija,ključnih u motornoj funkciji i koordinaciji
Smatra se da su riskantni čimbenici:
oksidativni stres, upala,
ekscitotoksičnost, mitohondrijalna disfunkcija te
nasljedni i faktori okoliša
Točan razlog gubitka dopaminergičkih neurona ostaje još uvijek nepoznat
post mortalna istraživanja su pokazala peroksinitritom posredovana oksidativna i/ili dušična oštećenja
povećana akumulacija nitrotirozina je nađena kod Lewyjevih tijela i polimorfonuklearnim stanicama oboljelih od PD-i
akumulacija proteina koji sadrže nitrotirozin je bila popraćena pretjeranom ekspresijom nNOS-a (Neuronal Nitric Oxide Synthase)
Peroksinitrit:
Peroksinitrit može izazvati nitraciju tirozin-hidroksilaze, početnog enzima koji ograničava brzinu biosinteze dopamina, što dovodi do inhibicije enzimske aktivnosti te poteškoća u sintezi dopamina
Tirozinski ostaci su također osnovni za specifičnost monoamin oksidaze B (MAO B) što vodi do narušavanja metabolizma dopamina nakon nitracije tih ostataka
Doprinosi gubitku intracelularnog glutationa iz substantia nigra (rani proces kod PD-i) inaktivirajući glutation-reduktazu, enzim odgovoran za regeneraciju glutationa iz njegove oksidirane forme
Inducira apoptozu u dopaminergičkim neuronima
Novija istraživanja:
Inhibicija mitohondrijalnog kompleksa I može biti glavni uzrok sporadične PD
Nepravilnosti u kompleksu I vode k agregaciji alfa sinukleina koja doprinosi oštećenju dopaminergičkih neurona
Akumulacija i agregacija alfa sinukleina može dodatno pomoći smrt dopaminergičkih neurona narušavajući detoksifikaciju
Mitohondrijski kompleks I i sinuklein mogu biti mete za nitraciju proteina izazvanu peroksinitritom
Progresivan neurodegenerativni poremećaj
Neizbježno vodi progresivnom globalnom kognitivnom padu čega je rezultat demencija povezana sa starenjem
Prisutan je povećani oksidativni stres koji je rani događaj u procesu neurodegeneracije povezane s AD
Neuro i glija NO sintetaza imaju ulogu u patogenezi AD i formaciji peroksinitrita
Karakterizirana je:
Nastankom neuronskih plakova koji su bogati beta amiloidom (peptidom neurofibrilarnog spleta bogatog hiperfosforiliranim tau proteinima)
Proliferacijom glija stanica i neuroinflamatornih odgovara uključujući astrocite i mikrogliju
Povećana ekspresija NOS-a
nNOS ( u neuronima): U neuronima s neirofibrilarnim spletovima u
hipokampusu i entorinalnoj kori AD pacijenata U reaktivnim astrocitima pokraj amiloidnih plakova
iNOS (u glija stanicama) : Prisutnost stanica neuronskih plakova
eNOS (u endotelnim stanicama) : Prisutnost stanica neuronskih plakova u astrocitima
Disfunkcionalni neuroni i neurofibrilarni spletovi često pokazuju različite markere nitracijskog stresa, uključujući 3-NT - znak stvaranja peroksinitrita
Povišene razine nitrotirozina su prisutne u hipokampusu, neokortikalnim područjima, i ventrikularnim tekućinama i CSF-u kod AD pacijenata
Visoke razine 3-NT u cerebrospinalnoj tekućini povezane s porastom kognitivnih funkcija kod AD pacijenata
Suprotno tome, istraživanja nisu pronašla nikakvu razliku u količini 3-NT u CSF-u kod pacijenata s AD
Poznata kao i Lou Gehrigova bolest ili bolest motornih neurona
Najčešća bolest motornih neurona koja najviše pogađa sredovječne ljude
Karakterizirana je brzom, progresivnom degeneracijom motornih neurona u motoričnom korteksu, moždanom deblu i leđnoj moždini
Vodi progresivnoj slabosti, paralizi i prijevremenoj smrti unutar 3-5 godina od početka simptoma
Pacijenti nisu kognitivno oštećeni i zato potpuno svjesni svoje progresivne nesposobnosti
Kod oko 10 % slucajeva javlja kao nasljedna bolest, dok je većina ALS slučajeva sporadična bez genetskog nasljeđivanja
Točna patogeneza je još uvijek nepoznata
Uzroci bolesti:
oksidativni stres, autoimunost, greška u neurološkom transportu i toksičnost
glutamata, akumulacija neurofilamenata, negenetski faktori (virusi, toksini), disfunkcija mitohondrija i mutacije kod SOD
mogući tretman ne može spriječiti progresiju bolesti i smrt te može produžiti život za samo nekoliko tjedana
120 različitih misens mutacija koja se pojavljuju na oko 45 različitih mjesta koja su povezana s ALS-om
Bolest uzrokovana SOD mutacijama je općenito, ne klinički ili patološki razlučiva od sporadičnih slučajeva ALS-a
Mutacije SOD-a su dominantne, i skoro svi mutanti pokazuju ekspresiju aktivnog SOD proteina
Jako izražena ekspresija mnogih, ali ne svih ALS mutacija u transgeničnim miševima ili štakorima rezultira razvojem bolesti motornih neurona, što podupire ideju o toksičnosti SOD induciranu mutacijama
Bolest očito nije rezultat gubitka SOD aktivnosti čišćenja, zato jer knockout miševi ( kod kojih je inaktiviran ovaj gen) ne razvijaju bolest motornih neurona
Istraživači su pronašli povišenu nitraciju tirozina i kod ALS pacijenata i kod transgeničnih miševa kao dvaju modela obiteljske ALS
Nitracija proteina ima ulogu u ALS patogenezi, direktno inhibirajući funkciju specifičnih proteina i indirektno interferirajući s putevima
Eksperiment:
SOD proteini su očišćeni i pažljivo tretirani kako bi sadržavali 100 % komplementa bakra i cinka
ALS mutanti SOD proteini su se ponašali isto kao i divlji tip Cu,Zn-SOD, reagirajući s peroksinitritom s istom učinkovitošću, i imali su jednaku aktivnost čišćenja za superoksid
Proteini su malo nestabilniji nego divlji tip SOD i često su oskudni cinkom
Kada su SOD proteini napravljeni s nedostatkom cinka, snizila im se aktivnost čišćenja za superoksid i bili su puno učinkovitiji s peroksinitritom kod katalize nitracije tirozina
Bakar iz SOD je imao višu redoks aktivnost i brzo je reagirao s askorbatom i ostalim reducensima niske molekularne mase koje se inače nalaze u stanici
Ova neprirodna redoks aktivnost iscrpljuje antioksidativnu obranu stanice.
Bakrom i cinkom oskudni SOD će biti potpuno reduciran, neprestano reagirajući s kisikom stvarajući superoksid
U prisutnosti NO, cinkom oskudni SOD će proizvoditi peroksinitrit i dovesti do povišene aktivnosti nitracije tirozina
Gubitak cinka prevodi superoksid-dismutazu (SOD) u jak prooksidativni enzim
Gubitak cinka iz «wild tipa» SOD nosi iste funkcionalne posljedice kao i gubitak cinka iz bilo koje od ALS mutiranih SOD
Mutacije povećavaju vjerojatnost da SOD nedostaje esencijalni cink što destabilizira strukturu SOD
Gubitak cinka iz SOD mogao bi biti uključen u patologiju 98% ALS pacijenata koji nemaju mutacije SOD proteina.
Toksičnost svih SOD kojima nedostaje cink može biti inhibirana bakrovim kelatorima ili inhibicijom sinteze NO
Izlaganje motoričkih neurona egzogenom NO nije djelovalo toksično, ali nadilazi zaštitu pruženu od strane NOS inhibitora
SOD kojoj nedostaje cink povećavala je tirozin-nitraciju motoričkih neurona prije indukcije stanične smrti
Cu,Zn ALS-mutirane SOD nisu bile toksične za motorne neurone i pružale su jednaku zaštitu kao i Cu,Zn SOD
Wild tip» SOD motornim neuronima podvrgnutim deprivaciji trofičkog faktora
Gubitak cinka iz SOD objašnjava kako mutacije ovog važnog enzima mogu uzrokovati selektivnu smrt motornih neurona kod ALS
Progresivna, autosomalno dominantna bolest srednje dobi uzrokovana nestabilnom ekspanzijom trinukleotid-poliglutamin-ponavljajućeg slijeda na N-terminalnom kraju proteina na kromosomu 4
Karakterizirana je degeneracijom neurona bazalnih ganglija i kortikalne regije što rezultira motoričkim smetnjama (drhtanje, distonija) te psihičkim smetnjama, demencijom
prevalencija HD je mnogo niža od većine prethodno opisanih neurodegenerativnih poremećaja
terapija HD je većinom simptomatska
Povećanje oksidativnog stresa i prekomjerna produkcija NO doprinose razvoju HD oštećenjem susjednih neurona
Povećanje iNOS ekspresije promatrano je u neuronskim, glialnim i vakularnim stanicama mozga HD pacijenata i mišjih modela
Povećanje 3-NT u tkivu mozga(neuroni, glia, vaskulatura) transgeničnog miša s HD mutacijom, štakora kojima je u striatum injektirana kinolinska kiselina te u HD pacijenata
NOS inhibitori i peroksinitrit smanjili su moždano oštećenje, utjecali su na progresiju bolesti i smanjili su razinu 3-NT u mozgu kod eksperimentalnih modela
Ti su rezultati ukazali su da peroksinitrit bi mogao biti važan
Traumatic brain injury (TBI) karakterizirana je:
oštećenjem aksonalnih i neuronskih stanica
cerebralnim edemom
povećanjem permeabilnosti krvno-moždane barijere
posttraumatskim promjenama u kognitivnoj i neurološkoj funkciji
Jedna je od vodećih uzroka onesposobljenosti i rane smrtnosti sa veoma malim mogućnostima liječenja
TBI može aktivirati brojne patofiziološke procese uključujući:
oslobađanje inflamatornih citokina disregulaciju krvnog moždanog toka oksidativni stres smrt stanica putem apoptoze ili nekroze
Patološka uloga peroksinitrita u TBI potvrđena je istraživanjima na eksperimentalnim miševima i štakorima
Evidentirano je povećanje razina 3-NT u tkivu mozga
Dokazano dobrobitno djelovanje NOS inhibitora i peroksinitrita u redukciji neuronske ozljede te je time omogućen oporavak
Sve do sada navedeno potvrda nam je važne uloge
peroksinitrita/ nitracije proteina u neurodegenerativnim
poremećajima
Ukazuje nam na mogućnost da neutralizacijom ovih
reaktivnih specija možemo postići značajnu terapijsku
dobrobit za pacijente koji boluju od navedenih poremećaja!!