ΚΥΤΤΑΡΙΚΕΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΕΣ και ΝΟΣΟΣ ALZHEIMER

Transcript

1 ΚΥΤΤΑΡΙΚΕΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΕΣ και ΝΟΣΟΣ ALZHEIMER Πρόωρος θάνατος των νευρώνων σε ενήλικα άτομα οδηγεί σε μη αντιστρεπτές καταστάσεις με συνέπεια την εμφάνιση νευροεκφυλιστικών ασθενειών. Η πορεία των ασθενειών αυτών μπορεί να κρατήσει δεκαετίες. Ενδοκυτταρικά πρωτεϊνικά συσσωματώματα και δυσλειτουργικά οργανίδια είναι κοινά γνωρίσματα των νευροεκφυλιστικών ασθενειών. Σε ορισμένες νευροεκφυλιστικές ασθένειες, όπως οι ασθένειες Alzheimer (ΑD), Parkinson (PD) και Huntington (HD), η προοδευτική απώλεια ορισμένων τύπων νευρώνων προκαλείται από τη χρόνια έκθεση μη σωστά αναδιπλωμένων πρωτεϊνών και πρωτεϊνικών συσσωματωμάτων στο κυτταρόπλασμα εξόχως τοξικές για τους νευρώνες - μπορεί να επάγουν πλήγμα στο ΕΔ. Υπάρχουν αρκετές ενδείξεις ότι στους νευρώνες των κύριων νευροεκφυλιστικών ασθενειών ενεργοποιούνται μηχανισμοί απόκρισης στο πλήγμα. Αυτό δείχνει ότι οι νευρώνες που εκτίθενται σε πλήγματα ενεργοποιούν έναν ή περισσότερους μηχανισμούς απόκρισης, αλλά βαθμιαία επειδή δεν μπορούν να αντιμετωπίσουν το συνεχιζόμενο πλήγμα οι νευρώνες πεθαίνουν και η ασθένεια προχωρά. Τα συσσωματώματα αποτελούνται κυρίως από μη σωστά αναδιπλωμένες πρωτεΐνες που είναι ανθεκτικές στην πρωτεόλυση και συνήθως περιέχουν δομικά στοιχεία που προάγουν την προσέλκυση και ενσωμάτωση και άλλων πρωτεϊνών. Ο αυστηρός έλεγχος των μηχανισμών ποιότητας των πρωτεϊνών που συντονίζουν τη σύνθεση και την αποικοδόμηση των πρωτεϊνών προλαμβάνει το σχηματισμό συσσωματωμάτων. Η αποτυχία των μηχανισμών αυτών προκαλεί τη συγκέντρωση πρωτεϊνών που έχουν την τάση συσσωμάτωσης.

2 Η αποικοδόμηση των πρωτεϊνών και των κατεστραμμένων οργανιδίων γίνεται μέσω της αυτόφαγίας και του συστήματος UPS. Συνήθως, οι μονομερείς ή διμερείς μορφές των διαλυτών πρωτεϊνών αποικοδομούνται μέσω του συστήματος UPS ή της CMA. Όμως, αν οι κυτταροπλασματικές πρωτεΐνες δείχνουν ικανότητα συσσωμάτωσης ή δεν μπορούν να αποικοδομηθούν μέσω των μονοπατιών UPS ή CMA, τότε το επικρατέστερο μονοπάτι αποικοδόμησης είναι η μακροαυτοφαγία (ή απλώς αυτοφαγία). Διαταραχή της αυτοφαγίας επιφέρει καθυστέρηση στην αποικοδόμηση των πρωτεϊνών αυτών, αυξάνοντας τη συσσωμάτωση και την τοξικότητά τους. Οι αλλαγές στο λυοσωμικό σύστημα που σχετίζονται με την ηλικία παίζουν σημαντικό ρόλο στην αποτυχία της αυτοφαγίας και αυτό μπορεί να εξηγήσει την εμφάνιση πολλών νευροεκφυλιστικών ασθενειών στα ενήλικα άτομα, αφού έχει δειχτεί ότι τόσο η αυτοφαγία, όσο και το σύστημα CMA μειώνονται με το πέρασμα των χρόνων. Μεταλλάξεις σε συγκεκριμένα γονίδια που συμμετέχουν στα μονοπάτια αποικοδόμησης των πρωτεϊνών συμβάλλουν στη δημιουργία συσσωματωμάτων και την εμφάνιση νευροεκφυλιστικών ασθενειών.

3 Η άνοια αποτελεί ένα από τα σοβαρότερα ιατρικά προβλήματα και από το 1% στην ηλικία των 60 ετών φτάνει το 35% στην ηλικία των 90. Η νόσος Alzheimer (AD) είναι η κυριότερη μορφή άνοιας και φτάνει το 60% όλων των περιπτώσεων άνοιας. Κυριότερος παράγοντας κινδύνου της AD είναι η ηλικία και καθώς η διάρκεια ζωής αυξάνεται, αναμένεται να αυξηθούν και οι περιπτώσεις της AD. Υπολογίζεται ότι το 2050 ο αριθμός των ατόμων που πάσχουν από την AD θα ανέλθει στα 115 εκατομμύρια. Η ασθένεια Alzheimer (AD) χαρακτηρίζεται, νευροπαθολογικά, από εξωκυτταρικές αποθέσεις αμυλοειδών πλακών, που αποτελούνται από ινίδια τα οποία σχηματίζονται από το Αβ πεπτίδιο, και ενδονευρωνικά νευροϊνιδιακά μορφώματα ή τολύπια, τα οποία σχηματίζονται από υπερφωσφολυριωμένες μορφές της πρωτεΐνης tau που σχηματίζουν ζεύγη ελικοειδών νηματίων. Πριν από την εμφάνιση των γνωρισμάτων αυτών προηγούνται κυτταρικές διεργασίες οι οποίες οδηγούν στην πλήρη έκφραση της νόσου. Η συσσώρευση των αμυλοειδών πλακών και των τολυπίων ακολουθεί την εμφάνιση άλλων ενδοκυτταρικών μεταβολών, όπως η δυσλειτουργία των μιτοχονδρίων, τα αυξημένα επίπεδα της ελεύθερης χοληστερόλης, η αλλαγή του μεταβολισμού των λιπαρών οξέων και των φωσφολιπιδίων και η ελαττωματική ομοιόσταση του ασβεστίου.

4 Το Αβ πεπτίδιο αποτελείται από ~ 40 αμινοξέα και προέρχεται από τη θραύση της ΑΡΡ, μιας διαμεμβρανικής γλυκοπρωτεΐνης τύπου Ι, με ΜΒ kda, η οποία αποτελεί μια από τις πλέον άφθονες πρωτεΐνες του ΚΝΣ. Η ΑΡΡ είναι ευρέως διαδεδομένη στους ιστούς του ανθρώπου και βρίσκεται κυρίως στην πλασματική μεμβράνη, καθώς επίσης και στο ΕΔ, τη συσκευή Golgi και τα μιτοχόνδρια. Η ΑΡΡ υφίσταται μετα-μεταφραστική πρωτεόλυση/επεξεργασία για τη δημιουργία των υδρόφοβων Αβ πεπτιδίων. Η επεξεργασία της ΑΡΡ για τη δημιουργία των Αβ πεπτιδίων γίνεται από τις β- και γ-εκκριτάση και η διαδικασία αυτή ρυθμίζεται αυστηρά. Η τοξικότητα από τα Αβ πεπτίδια μπορεί να προκαλέσει δυσλειτουργία των συνάψεων, θάνατο των νευρώνων, εξασθένιση της ικανότητας μνήμης/μάθησης και ανώμαλη συμπεριφορά σε άτομα με την AD. Εκτός από τα Αβ πεπτίδια, η πρωτεόλυση της ΑΡΡ δημιουργεί το θραύσμα AICD που συμμετέχει σε διάφορα βιολογικά φαινόμενα, όπως στη μεταγραφή και στην απόπτωση. Η ΑΡΡ μπορεί επίσης να υποστεί θραύση από την α-εκκριτάση για τη δημιουργία ενός εξωκυτταρικού διαλυτού ή εκκριτικού θραύσματος (sappα) το οποίο μπορεί να προστατεύσει τους νευρώνες. Η ακριβής φυσιολογική λειτουργία της ΑΡΡ δεν είναι γνωστή. Στις περισσότερες περιπτώσεις, η υπερέκφραση της ΑΡΡ έχει θετική επίδραση στην αύξηση και την υγεία του κυττάρου. Σε κυτταρικές σειρές παρατηρήθηκε ότι η ΑΡΡ διαμορφώνει την κυτταρική αύξηση, την κινητικότητα, την έκφυση των νευριτών και την κυτταρική επιβίωση, αποτελέσματα τα οποία επίσης παρατηρούνται από την επίδραση του διαλυτού εξωκυτταρικού θραύσματος sappα που απελευθερώνεται μετά τη θραύση της ΑΡΡ. Προτάθηκε επίσης ότι η ΑΡΡ μπορεί να δρα ως υποδοχέας της κυτταρικής επιφάνειας.

5 Από τις αρκετές ισομορφές της ΑΡΡ, η ΑΡΡ695 (για την κωδικοποίηση της οποίας απουσιάζουν τα εξώνια 7 και 8) είναι η μορφή που εκφράζεται εκλεκτικά στους νευρώνες. Η ΑΡΡ έχει ένα μεγάλο εξωκυτταρικό τμήμα, μια υδρόφοβη διαμεμβρανική περιοχή και ένα κοντό ενδοκυτταρικό καρβοξυτελικό τμήμα που αναφέρεται ως AICD. Το εξωκυτταρικό τμήμα της ΑΡΡ αποτελείται από τις περιοχές Ε1, Ε2 και ΚΡΙ, από τις οποίες η περιοχή ΚΡΙ δεν υπάρχει στην ΑΡΡ695. Τα επίπεδα των ισομορφών της ΑΡΡ που έχουν την περιοχή ΚΡΙ φαίνεται ότι αυξάνονται σε άτομα με την AD. Μεταβολή στην εναλλακτική διασύνδεση της ΑΡΡ μπορεί να συμβάλλει στην παθογένεση της AD. Η οικογένεια των πρωτεϊνών ΑΡΡ έχει ένα μεγάλο, βιολογικά ενεργό, αμινοτελικό τμήμα, που βρίσκεται είτε εξωκυτταρικά, είτε στον αγωγό των ενδοσωμάτων, καθώς επίσης και ένα μικρότερο καρβοξυτελικό κυτταροπλασματικό τμήμα που έχει μια κρίσιμη ακολουθία διαχωρισμού (Tyr Glu-Asp-Pro-Thr-Tyr - YENPTY) στην οποίαν ενώνονται οι πρωτεΐνες προσαρμογής X11 και Fe65. Το Αβ πεπτίδιο (κόκκινο) ξεκινά εντός της εξωκυτταρικής περιοχής της ΑΡΡ και συνεχίζεται εντός της διαμεμβρανικής περιοχής.

6 Τα κρίσιμα βήματα για την επεξεργασία της ΑΡΡ γίνονται στην κυτταρική επιφάνεια και στο TGN. Από το TGN η ΑΡΡ μπορεί να μεταφερθεί είτε στην κυτταρική επιφάνεια, είτε στα ενδοσώματα. Στην κυτταρική επιφάνεια, η ΑΡΡ υφίσταται πρωτεόλυση από την α-εκκριτάση και κατόπιν από τη γ-εκκριτάση (διαδικασία που δεν δημιουργεί Αβ πεπτίδια) ή εσωτερικεύεται με τη βοήθεια κυστιδίων καλυμμένων με κλαθρίνη και μεταφέρεται σε ενδοσώματα που υπάρχουν οι β-εκκριτάση και γ-εκκριτάση. Στη θέση αυτή δημιουργούνται τα Αβ πεπτίδια τα οποία μπορεί να μεταφερθούν στη συνέχεια στον εξωκυτταρικό χώρο ή να αποικοδομηθούν από τα λυοσώματα. Η πρόληψη της ενδοκύτωσης παρεμποδίζει την απελευθέρωση του 80% των Αβ πεπτιδίων. Κάτω από φυσιολογικές συνθήκες η β-εκκριτάση αλληλεπιδρά με την ΑΡΡ στα ενδοσώματα, ενώ η γ-εκκριτάση βρίσκεται στην κυτταρική επιφάνεια, συμπληρώνοντας τη δραστικότητα της α-εκκριτάσης, και στα ενδοσώματα, συμπληρώνοντας τη δραστικότητα της β-εκκριτάσης. Η νεοσχηματιζόμενη APP (πορφυρούν) μεταφέρεται από τη συσκευή Golgi προς τον άξονα (1) ή στο ενδοσωμικό σύστημα του σώματος (2). Μετά την ενσωμάτωσή της στην κυτταρική επιφάνεια, ένα ποσοστό της ΑΡΡ υφίσταται θραύση από την α-εκκριτάση (6) δημιουργώντας το διαλυτό θραύσμα sappα, το οποίο απομακρύνεται (πράσινο), ενώ ένα ποσοστό της ΑΡΡ εσωτερικεύεται και μεταφέρεται στα ενδοσώματα (3), όπου και δημιουργείται το Αβ πεπτίδιο (μπλε). Μετά την ενδοκύτωση, τα ενδοσώματα ανακυκλώνονται προς την κυτταρική επιφάνεια (4), απελευθερώνοντας τα Αβ πεπτίδια και το διαλυτό θραύσμα sappβ. Πριν από τη θραύση της ΑΡΡ, μπορεί να συμβεί μεταφορά της ΑΡΡ από τα ενδοσώματα προς τη συσκευή Golgi με τη διαμεσολάβηση του συμπλόκου retromer (5).

7 Η ΑΡΡ υφίσταται διαδοχικές θραύσεις (α-θραύση από την α-εκκριτάση, β-θραύση και β θραύση από τη β-εκκριτάση, γ-θραύση από τη γ-εκκριτάση, ε- και ζ-θραύση από τη γ-εκκριτάση και θραύση από την κασπάση-3 στη θέση 68). Η α-θραύση της ΑΡΡ (+17) γίνεται, σε μεγάλο βαθμό, στην κυτταρική επιφάνεια από την α-εκκριτάση (η ADAM10 μπορεί να είναι κυρίως υπεύθυνη για τη συστατική α-θραύση της ΑΡΡ, ενώ οι ADAM9 και ADAM17 πιθανόν παίζουν ρυθμιστικό ρόλο) και επιφέρει τη συστατική α-θραύση της ΑΡΡ και τη δημιουργία του θραύσματος sappα (προσφέρει προστασία στους νευρώνες). Η δημιουργία των Αβ πεπτιδίων ξεκινά με τη β-θραύση του εξωκυτταρικού τμήματος της ΑΡΡ δημιουργώντας ένα διαλυτό θραύσμα sappβ (δεν προσφέρει προστασία στους νευρώνες) και ένα καρβοξυτελικό τμήμα, το C99, που παραμένει ενωμένο στη μεμβράνη και αποτελεί το υπόστρωμα της γ-εκκριτάσης. Υπεύθυνη για τη β-θραύση είναι η βεκκριτάση ή BACE1 (διαμεμβρανική πρωτεάση ασπαραγινικού οξέος). Η BACE1προκαλεί θραύση της ΑΡΡ στη θέση +1 (πριν από το αμινοξύ 1, βθραύση) και στη θέση +11 (β -θραύση) του Αβ πεπτιδίου. Η δραστικότητα της BACE1 είναι αυξημένη σε άτομα με την AD. Το καρβοξυτελικό τμήμα της ΑΡΡ υφίσταται κυρίως γ-θραύση από τη γ-εκκριτάση σε μια από τις θέσεις από +40 έως +44 δημιουργώντας το Αβ πεπτίδιο (τα πλέον κοινά είναι τα Αβ42 και Αβ40) και την ενδοκυτταρική περιοχή της ΑΡΡ (AICD). Σε αντίθεση με την ακαι β-εκκριτάση, η δραστικότητα της γ-εκκριτάσης οφείλεται σε ένα πολυπρωτεϊνικό σύμπλοκο που αποτελείται από τέσσερα τουλάχιστον συστατικά: πρεσενιλίνες PS1 ή PS2 (κύρια πρωτεολυτική δραστικότητα του συμπλόκου ), νικαστρίνη, ΡΕΝ2 και ΑΡΗ1.

8 Η ΑΡΡ μπορεί να υποστεί θραύση και από τις κασπάσες στο καρβοξυτελικό άκρο, με συνέπεια την απελευθέρωση ενός θραύσματος που αποτελείται από τα τελευταία 31 αμινοξέα του καρβοξυτελικού τμήματος (C31) και ενός θραύσματος (Jcasp) που περιέχει το τμήμα ανάμεσα στις θέσεις θραύσης της ΑΡΡ από τη γεκκριτάση και τις κασπάσες. Τόσο το θραύσμα C31, όσο και το θραύσμα Jcasp θεωρούνται κυτταροτοξικά. Τα επίπεδα της κασπάσης-3 είναι υψηλότερα σε άτομα με την AD συγκριτικά με φυσιολογικά άτομα αντίστοιχης ηλικίας. Η υπερπαραγωγή των Αβ πεπτιδίων προκαλεί νευροτοξικότητα, δημιουργία αμυλοειδών πλακών, βλάβη στις συνάψεις και βαθμιαία την απώλεια των νευρώνων στις προσβεβλημένες περιοχές του εγκεφάλου. Οι διάφορες ποικιλίες του Αβ πεπτιδίου απελευθερώνονται ως μονομερή τα οποία βαθμιαία συσσωματώνονται σε διμερή, τριμερή, ολιγομερή, πρωτοϊνίδια και ινίδια τα οποία τελικά σχηματίζουν τις αμυλοειδείς πλάκες. Το Αβ42 έχει τη μεγαλύτερη τάση συσσωμάτωσης και σχηματισμού ινιδίων και συνεπώς είναι το πιο νευροτοξικό Αβ πεπτίδιο, διαδραματίζοντας κύριο ρόλο στην παθογένεση της AD. Οι περισσότερες μεταλλάξεις που σχετίζονται με την οικογενή AD είτε αυξάνουν τη δημιουργία των Αβ πεπτιδίων, είτε μεταβάλλουν την αναλογία των Αβ42/Αβ40. Τα αυξημένα επίπεδα του Αβ42 αποτελούν, πιθανόν, τον «πυρήνα» για τον ολιγομερισμό και τη δημιουργία των ινιδίων και των αμυλοειδών πλακών. Ορισμένες μελέτες έδειξαν ότι το Αβ40 προστατεύει τους νευρώνες από τη βλάβη που προκαλεί το Αβ42 και είναι απαραίτητο για την επιβίωση των κεντρικών νευρώνων. Τα ολιγομερή του Αβ πεπτιδίου θεωρούνται οι πλέον τοξικές μορφές επειδή: 1) αλληλεπιδρούν με τους νευρώνες και τη γλοία προκαλώντας την ενεργοποίηση μονοπατιών για τη δημιουργία φλεγμονωδών κυτοκινών, 2) επιφέρουν δυσλειτουργία των μιτοχονδρίων και αυξάνουν το οξειδωτικό πλήγμα, 3) παρεμποδίζουν τα ενδοκυτταρικά μονοπάτια μεταγωγής σήματος και την πλαστικότητα των συνάψεων, 4) αυξάνουν τη φωσφορυλίωση της πρωτεΐνης tau, 5) αυξάνουν τη δραστικότητα της κινάσης GSK3β, 6) απορρυθμίζουν το μεταβολισμό του Ca2+ και 7) επάγουν την απόπτωση των νευρώνων και τον κυτταρικό θάνατο. Είναι σημαντικό το γεγονός ότι το διαλυτό Αβ πεπτίδιο μπορεί επίσης να ελέγξει τη θραύση και τη φωσφορυλίωση της tau, κάτι που είναι απαραίτητο για τη δημιουργία των τολυπίων. Η φωσφορυλίωση της tau ελέγχεται από πολλές κινάσες, περιλαμβανομένων των κινασών GSK3β και Cdk5, οι οποίες ενεργοποιούνται από το εξωκυτταρικό Αβ πεπτίδιο.

9 Στον εγκέφαλο, μεταβολίζονται συνεχώς μεγάλα ποσά της ΑΡΡ σε Αβ πεπτίδια. Στα αρχικά στάδια της AD η συγκέντρωση του Αβ42 στο εγκεφαλονωτιαίο υγρό αρχίζει να μειώνεται, ενώ αυξάνεται η συγκέντρωση του Αβ42 στον εγκέφαλο. Αλλαγή στην αναλογία Αβ42/Αβ40 στον εγκέφαλο ή κάθε αλλαγή στην παραγωγή του εγκεφαλονωτιαίου υγρού ή μορίων που βρίσκονται στο εγκεφαλονωτιαίο υγρό, όπως η ApoE, που ενώνονται με τα Αβ πεπτίδια, μπορεί να προκαλέσει μεγαλύτερη συσσωμάτωση των Αβ πεπτιδίων στον εγκέφαλο. Μια εναλλακτική εξήγηση για τη συσσώρευση των Αβ πεπτιδίων στα ηλικιωμένα άτομα θα μπορούσε να είναι η μεταβολή της θραύσης της ΑΡΡ. Η εκτεταμένη ακετυλίωση του γονιδίου που κωδικοποιεί για την α-εκκριτάση, φαινόμενο που σχετίζεται με την ηλικία, μειώνει τη δημιουργία μη αμυλοειδογενών πεπτιδίων κατά την επεξεργασία της ΑΡΡ. Η αύξηση της δραστικότητας της BACE1, η οποία παρατηρείται στα αρχικά στάδια της AD, αυξάνει τη δημιουργία των Αβ πεπτιδίων. Η αύξηση της δραστικότητας της BACE1 στα αρχικά στάδια της AD μπορεί να οφείλεται στο μεταγραφικό παράγοντα HIF1a, που επάγεται από το οξειδωτικό πλήγμα. Στα αρχικά στάδια της AD μεταβάλλονται επίσης αρκετά micro RNAs (π.χ., mir-107, mir-298, mir-328 και η ομάδα mir-29a/b-1) τα οποία ρυθμίζουν το mrna της BACE1. Η διαλυτή μορφή του Αβ πεπτιδίου είναι πιο τοξική για τους νευρώνες σε σχέση με τα συσσωματώματα. Από την άποψη αυτή είναι προτιμότερος ο σχηματισμός ινωδών μορφών ή συσσωματωμάτων των Αβ πεπτιδίων. Πρέπει όμως να αναφερθεί ότι η ινώδης μορφή των Αβ πεπτιδίων έχει την τάση να προκαλεί φλεγμονώδεις αποκρίσεις των κυττάρων της γλοίας, οι οποίες μπορεί να προκαλέσουν δευτερογενή νευροτοξικότητα.

10 Η ΑΡΡ υφίσταται μετα-μεταφραστική επεξεργασία από διάφορες εκκριτάσες και πρωτεάσες μέσω δύο κυρίως μονοπατιών, τα οποία δεν μπορούν να λειτουργούν ταυτόχρονα. Στο μη αμυλοειδογενές μονοπάτι ή εκκριτικό μονοπάτι, η ΑΡΡ υφίσταται διαδοχικές θραύσεις από την α-εκκριτάση και τη γ-εκκριτάση. Η αθραύση δημιουργεί ένα μεγάλο εκκρινόμενο διαλυτό θραύσμα (sappα) και ένα καρβοξυτελικό θραύσμα 83 αμινοξέων (C83 ή αctf) που παραμένει ενωμένο στη μεμβράνη. Το θραύσμα C83 της ΑΡΡ υφίσταται περαιτέρω θραύση από τη γ-εκκριτάση με συνέπεια την απελευθέρωση του πεπτιδίου Ρ3 (με ΜΒ 3 kda) και της AICD. Και τα δύο αυτά θραύσματα αποικοδομούνται πολύ γρήγορα. Στο αμυλοειδογενές μονοπάτι, η ΑΡΡ αρχικά υφίσταται θραύση από τη β-εκκριτάση στο 1ο αμινοξύ (β-θραύση) ή στο 11ο αμινοξύ (β -θραύση) της ακολουθίας του Αβ πεπτιδίου, με αποτέλεσμα την απελευθέρωση ενός διαλυτού θραύσματος (sappβ) και τη δημιουργία ενός καρβοξυτελικού θραύσματος 99 αμινοξέων (C99) που παραμένει ενωμένο στη μεμβράνη και περιέχει την πλήρη ακολουθία του Αβ πεπτιδίου. Η γ-εκκριτάση επιφέρει περαιτέρω θραύση του θραύσματος C99 απελευθερώνοντας την AICD και το Αβ πεπτίδιο το οποίο συσσωματώνεται και σχηματίζει ινίδια, με συνέπεια τη δημιουργία αμυλοειδών πλακών στον εγκέφαλο.

11 Το σύμπλοκο της γ-εκκριτάσης βρίσκεται σε σημαντικά ποσά στις MAMs, ενώ η επικοινωνία ανάμεσα στο ΕΔ και τα μιτοχόνδρια διαταράσσεται σε ζωικά μοντέλα για τη μελέτη της AD. Στο μορφολογικό επίπεδο, μετά την απώλεια των PS1 και PS2, βρέθηκε ότι η απόσταση του ΕΔ με τα μιτοχόνδρια στις θέσεις επαφής ήταν μικρότερη, υποδηλώνοντας ότι η γενετική απάλειψη των PS1 και PS2 έχει δραματικά αποτελέσματα στην οργάνωση των MAMs. Ανακαλύφτηκε ότι οι PSs και η Mfn2 δρουν στο ίδιο μονοπάτι. Μετά την απάλειψη της Mfn2, μειώνεται η δραστικότητα του συμπλόκου της γ-εκκριτάσης, παρά το γεγονός ότι οι PSs υπάρχουν ακόμη στις MAMs. Αποδείχτηκε ότι η απουσία των PSs προκαλεί τη στενή επαφή του ΕΔ με τα μιτοχόνδρια, ακόμη και όταν απουσιάζει η Mfn2. Αυτό δείχνει ότι οι PSs αποτελούν παράγοντα απώθησης των δύο αυτών οργανιδίων. Αντίθετα, το μέγεθος της ΜΑΜ αυξάνεται. Δεν είναι γνωστός ο τρόπος με τον οποίον οι PSs συμμετέχουν στην ακεραιότητα των MAMs, αλλά και ούτε πως αλληλεπιδρούν με τη Mfn2. Σχηματική απεικόνιση των αλλαγών των θέσεων επαφής ΕΔ-μιτοχονδρίων σε ζωικά μοντέλα της AD. Αριστερά: κανονική θέση επαφής ΕΔ-μιτοχονδρίων, στην οποία φαίνονται τα γνωστά συστατικά των ΜΑΜs και οι PS1 και PS2. Δεξιά: η έλλειψη των PS1 και PS2 προκαλεί τη στενότερη επαφή του ΕΔ με τα μιτοχόνδρια, ενώ η ΜΑΜ επιμηκύνεται. Η πορτοκαλί περιοχή του ΕΔ αντιστοιχεί στη ΜΑΜ.

12 Η tau συμβάλλει στη φυσιολογική λειτουργία των μικροσωληνίσκων, αλλά στην AD υπερφωσφορυλιώνεται (κάτι που παρεμποδίζει τη σύνδεση της tau με τη σωληνίνη και επηρεάζει τη σταθερότητα των μικροσωληνίσκων), υφίσταται θραύσεις καθώς και άλλες τροποποιήσεις. Οι αλλαγές αυτές όχι μόνο παρεμποδίζουν τη φυσιολογική λειτουργία της tau, αλλά προάγουν και τον ολιγομερισμό της. Τα ολιγομερή σχηματίζουν βαθμιαία τα τολύπια. Παρά το γεγονός ότι τα τολύπια μπορεί να προκαλέσουν βλάβη σε κάποιο βαθμό, πιστεύεται ότι η κύρια τοξικότητα προέρχεται από τις διαλυτές μορφές ολιγομερών της tau. Οι αδιάλυτες μορφές της tau σχηματίζονται από ζεύγη ελικοειδών ινιδίων (PHF). Η PHF-tau είναι το κύριο συστατικό των τολυπίων. Στα σύμπλοκα PHF-tau υπάρχουν 6-8 θέσεις φωσφορυλίωσης για κάθε μόριο tau, ενώ στην tau των υγιών ατόμων υπάρχουν δύο θέσεις φωσφορυλίωσης για κάθε μόριο tau. Στον άνθρωπο η έκταση των αλλαγών της tau σχετίζεται με την ελάττωση της γνωστικής ικανότητας. Μεταξύ των αρκετών κινασών που συμμετέχουν στη φωσφορυλίωση της tau, η κινάση GSK-3β (glycogen synthase kinase-3β) είναι η πλέον σημαντική κινάση στους νευρώνες. Σε άτομα με την AD βρέθηκε ότι μειώνεται η έκφραση των φωσφατασών ΡΡ1, ΡΡ2Α και ΡΡ5 στους ιστούς του εγκεφάλου.

13 Η αύξηση των ελαττωματικών μορφών της tau παίζει ρόλο κατά την πορεία νευροεκφυλισμού στην AD και είναι ενδιαφέρον να διαπιστωθεί ποιο μονοπάτι εξαλείφει την tau από το κύτταρο. Η φυσιολογική, μονομερής tau φαίνεται ότι αποικοδομείται στα πρωτεασώματα, ενώ αποτελεί υπόστρωμα και για πολλές διαφορετικές πρωτεάσες. Αυτό είναι σημαντικό αφού η πρωτεόλυση της tau μπορεί να προσφέρει πλεονεκτήματα στην AD, υποβοηθώντας τη διαδικασία εξάλειψης της tau από το κύτταρο. Από την άλλη πλευρά, η πρωτεόλυση της tau θα μπορούσε να έχει καταστροφικά αποτελέσματα, λόγω της δημιουργίας τοξικών μορφών της πρωτεΐνης αυτής. Το μεγαλύτερο ποσοστό της tau, τόσο κάτω από φυσιολογικές, όσο και από παθολογικές συνθήκες, γίνεται με τη διαμεσολάβηση του πρωτεασώματος και της αυτοφαγίας. Απεικόνιση της σχέσης ανάμεσα στην αποικοδόμηση της tau και την ασθένεια Alzheimer. Οι σχετιζόμενες με την EOAD μεταλλάξεις της PS1 σχετίζονται με την παρεμπόδιση της πτώσης του λυοσωμικού ph και/ή τη σύντηξη των λυοσωμάτων με τα αυτοφαγοσώματα. Η παρεμπόδιση αυτή οδηγεί στη συσσώρευση δυσλειτουργικών αυτοφαγικών κενοτοπίων (AV), της κυτταροπλασματικής p62/sqstm1 και των συσσωματωμάτων της tau. Η δυσλειτουργία της αυτοφαγίας παρεμποδίζει επίσης τη λειτουργία των πρωτεασωμάτων. Επιπλέον, έχει αποδειχτεί ότι οι συσσωματωμένες πρωτεΐνες παρεμποδίζουν τη δράση των πρωτεασωμάτων. Όλα αυτά οδηγούν στη συσσώρευση της διαλυτής tau, την πρωτεολυτική επεξεργασία της και την περαιτέρω δημιουργία συσσωματωμάτων.

14 Πολυάριθμες πρωτεάσες προκαλούν θραύση στην tau, περιλαμβανομένων των αμινοπεπτιδασών, της θρομβίνης, της ανθρώπινης HtrA1, της καλπαΐνης και των κασπασών. Η θραύση της tau από τις πρωτεάσες αυτές δημιουργεί τροποποιημένες μορφές tau που συμβάλλουν στην παθολογία της tau, στην εξάλειψη της tau ή και στα δύο. Ο συντονισμός ανάμεσα στην πρωτεολυτική επεξεργασία της tau και την εξάλειψή της από τα μονοπάτια αποικοδόμησης του κυττάρου είναι ουσιώδης για τη διατήρηση των κατάλληλων επιπέδων της tau σε λειτουργική κατάσταση. Κάτω από φυσιολογικές και παθολογικές συνθήκες η tau υφίσταται θραύση σε αρκετές διακριτές θέσεις πρωτεόλυσης από πολλές πρωτεάσες. Η δράση των πρωτεασών αυτών μπορεί να έχει προστατευτικά ή βλαπτικά αποτελέσματα. Η θραύση της tau από την κασπάση-3 (Casp3), την κασπάση-6 (Casp6), την καλπαΐνη (Calp) και τη θρομβίνη (Thrm) δημιουργεί τοξικά θραύσματα της tau που χειροτερεύουν την πορεία της AD. Αντίθετα, η θραύση της tau από την αμινοπεπτιδάση (PSA), την HtrA1, και (σε ορισμένες περιπτώσεις) από την κασπάση-6 μπορεί να διευκολύνει την αποικοδόμησή της, κάτι που προστατεύει τους νευρώνες από το θάνατο.

15 Κατά την πορεία της AD υπάρχει μεταβολή σε αρκετά μέλη πολλών πρωτεϊνικών οικογενειών και σε αρκετές κυτταρικές λειτουργίες, μέχρις ότου εμφανιστούν τα παθολογοανατομικά γνωρίσματα της νόσου. Καθώς η φυσική ΑΡΡ αναδιπλώνεται στο ΕΔ, ενώνεται με τη BiP. Η υπερέκφραση της BiP μειώνει την ελαττωματική επεξεργασία της ΑΡΡ και τον επακόλουθο σχηματισμό του Αβ πεπτιδίου. Εξωγενής υπερέκφραση ή στοχευμένη απάλειψη των πρωτεϊνών θερμικού πλήγματος (Hsps) έχει σημαντική επίπτωση στην επιβίωση των νευρικών κυττάρων. Η κυτταροπλασματική έκφραση μελών της οικογένειας HSPB (Hsp27) δεν επέτρεψε το σχηματισμό των Αβ ινιδίων, ενώ η υπερέκφραση της Hsp27παρεμπόδισε την κυτταρική τοξικότητα από το Αβ πεπτίδιο. Φαίνεται ότι οι Hsps έχουν την ικανότητα να καταστέλλουν το σχηματισμό των συσσωματωμάτων και τη νευροτοξικότητα των Αβ πεπτιδίων. Επιπλέον, οι Hsps επηρεάζουν τη δραστικότητα της tau. Η Ηsp27 προάγει την αποικοδόμηση της μη σωστά φωσφορυλιωμένης tau, η Ηsp70 ρυθμίζει τη σταθερότητα της tau, ενώ η Ηsp90 σχηματίζει σύμπλοκα με τη μεταλλαγμένη tau και προάγει τη συσσωμάτωσή της.

16 Στην AD παρατηρούνται σφάλματα στη γλυκοσυλίωση της ΑΡΡ, της tau και άλλων πρωτεϊνών. Οι β- και γ-εκκριτάση, που είναι απαραίτητες για τη δημιουργία του Αβ πεπτιδίου, παίζουν επίσης ρόλο στη γλυκοσυλίωση των πρωτεϊνών αυτών επηρεάζοντας την έκταση της Νγλυκοσυλίωσης και την προσθήκη σιαλικού οξέος στην ΑΡΡ. Οι διεργασίες αυτές μπορεί να είναι σημαντικές για την παθογένεση της AD καθώς η ενδοκυτταρική διαλογή, η επεξεργασία και η έξοδος της ΑΡΡ επηρεάζεται από τον τρόπο γλυκοσυλίωσής της. Επιπλέον, η έλλειψη της πρεσενιλίνης, προκαλεί ελαττωματική γλυκοσυλίωση σε πολλές πρωτεΐνες που σχετίζονται με την παθογένεση της AD και/ή τη λειτουργία των νευρώνων. Επίσης, η BACE1 προκαλεί τη θραύση των σιαλυλ-τρανσφερασών. Σχηματική απεικόνιση των ρόλων της γλυκοσυλίωσης στην επεξεργασία της ΑΡΡ και της tau. Μεταβολή της Ν-γλυκοσυλίωσης προκαλεί τη συσσώρευση της ΑΡΡ στην περιπυρηνική περιοχή του κυττάρου (1). Η παρεμπόδιση των διαφόρων τύπων γλυκοσυλίωσης της ΑΡΡ παρεμβαίνει με τη διαλογή της στον άξονα (2) και την έκκρισή της (3), καθώς επίσης και με την έκκριση των sappα (4), sappβ (5) και του Aβ πεπτιδίου (6). Η δημιουργία της φωσφορυλιωμένης tau (P-tau) και των ζευγών ελικοειδών ινιδίων (PHFs) επηρεάζεται από τη γλυκοσυλίωση. Η Ν-γλυκοσυλίωση προάγει τη δημιουργία των P-tau (1) και PHF (2) και τις σταθεροποιεί, ενώ η προσθήκη O-GlcNAc έχει το αντίθετο αποτέλεσμα (3) και (4). Η υπερφωσφορυλίωση της tau και ο επακόλουθος σχηματισμός των PHFs διαταράσσει τους μικροσωληνίσκους (5) και παρεμποδίζει τη μεταφορά κατά μήκος του άξονα (6).

17 Είναι ενδιαφέρον το γεγονός ότι η tau, που είναι κυτταροπλασματική πρωτεΐνη, υφίσταται Ν-γλυκοσυλίωση κατά την AD, αλλά όχι και στο φυσιολογικό εγκέφαλο. Η tau έχει τρεις πιθανές θέσεις Ν-γλυκοσυλίωσης, αλλά δεν είναι γνωστό γιατί η tau γλυκοσυλιώνεται μόνο στην AD. Η ελαττωματική Ν-γλυκοσυλίωση της tau την καθιστά πιο ευαίσθητη στη φωσφορυλίωση και λιγότερο ευαίσθητη στην αποφωσφορυλίωση και συνεπώς η Ν-γλυκοσυλίωση πρέπει να προηγείται της υπερφωσφορυλίωσης της tau. Στην tau προστίθενται και πολλές ομάδες O-GlcNAc και ο αριθμός τους μειώνεται στον εγκέφαλο ατόμων με AD, συγκριτικά με τον εγκέφαλο υγιών ατόμων. Σε αντίθεση με την Ν-γλυκοσυλίωση, η προσθήκη ομάδων O-GlcNAc στην tau φαίνεται ότι την προστατεύει από την υπερβολική φωσφορυλίωση κατά την AD. Στον ορό ατόμων με AD υπάρχει σημαντική μείωση της δραστικότητας της διαλυτής σιαλυλ-τρανσφεράσης (ST), ενώ διαπιστώθηκε επίσης μείωση της δραστικότητας τόσο της διαλυτής, όσο και της μεμβρανικής ST στις περιοχές του εγκεφάλου που σχετίζονται με την AD, κάτι που οφείλεται στη δραστικότητα της BACE. Υπάρχουν δεδομένα που δείχνουν ότι η PS1 επηρεάζει τη Ν-γλυκοσυλίωση των πρωτεϊνών (όπως η νικαστρίνη) κατά την επεξεργασία τους στο ΕΔ και τη συσκευή Golgi. Κύτταρα από τα οποία απουσιάζει η PS1 έχουν πολύ χαμηλά επίπεδα ώριμης νικαστρίνης, κάτι που δεν παρατηρείται από την έλλειψη της PS2. Η παρουσία της PS1 είναι απαραίτητη για την κυκλοφορία της νικαστρίνης εντός του εκκριτικού συστήματος.

18 Μελέτες με ηλεκτρονική μικροσκοπία στον εγκέφαλο ατόμων με AD έδειξαν για πρώτη φορά ότι τα αυτοφαγοσώματα είναι άφθονα στα αντίστοιχα τμήματα του εγκεφάλου που επηρεάζονται κατά την AD και ότι η αυτοφαγία συμμετέχει σε μεγάλο βαθμό στη διαδικασία του νευροεκφυλισμού. Με ανοσοκυτταροχημικές τεχνικές βρέθηκε ότι στα αυτοφαγοσώματα αυτά υπάρχει μεγάλη ποσότητα των ενδοκυτταρικών Αβ πεπτιδίων, αλλά και της πρωτεΐνης tau. Η δυσλειτουργία της αυτοφαγίας προκαλεί τη συσσώρευση ανώμαλων πρωτεϊνών και/ή κατεστραμμένων οργανιδίων. Το οξειδωτικό πλήγμα και η ηλικία είναι οι δύο κύριοι επιβαρυντικοί παράγοντες που συμβάλλουν στην αποτυχία των μηχανισμών της αυτοφαγίας. Η έκφραση της Beclin-1 μειώνεται στις προσβεβλημένες περιοχές του εγκεφάλου ατόμων με την AD, προκαλώντας την αλλαγή του μεταβολισμού της ΑΡΡ, την αύξηση των Αβ πεπτιδίων στους νευρώνες, την εξωκυτταρική συσσώρευση των Αβ πεπτιδίων και το νευροεκφυλισμό. Η κινάση mtor υφίσταται επίσης παράλληλες μεταβολές με την αύξηση των αυτοφαγοσωμάτων και την παραγωγή των Αβ πεπτιδίων. Το μονοπάτι mtor παίζει ουσιώδη ρόλο στη λειτουργία των νευρώνων ελέγχοντας την ομοιόσταση των πρωτεϊνών. Η μεταγωγή σήματος mtor ρυθμίζει διάφορες μορφές της μάθησης και της μνήμης. Η αύξηση της αυτοφαγίας προκαλεί τη μείωση των Αβ πεπτιδίων και βελτιώνει τη γνωστική λειτουργία. Τα αυτοφαγοσώματα σχηματίζονται κυρίως στις συνάψεις και στους νευρίτες και για την αποικοδόμηση των υλικών που περιέχουν πρέπει να μετακινηθούν κατά μήκος του άξονα προς το σώμα όπου υπάρχει μεγάλη συγκέντρωση λυοσωμάτων. Στην AD η ωρίμανση και η ανάστροφη μετακίνηση των αυτοφαγολυοσωμάτων προς το σώμα παρεμποδίζεται, κάτι που προκαλεί τη μαζική συσσώρευση των αυτοφαγοσωμάτων στους εκφυλιζόμενους νευρώνες.

19 Οι Αβ αμυλοειδείς πλάκες, κάτω από φυσιολογικές συνθήκες, εξαλείφονται με φαγοκύτωση. Τα πλέον άφθονα φαγοκύτταρα-επαγγελματίες στον εγκέφαλο είναι τα μικρογλοιακά κύτταρα, που απομακρύνουν τα υπολείμματα του νευρικού ιστού, ενώ δυνατότητα φαγοκύτωσης έχουν και τα αστροκύτταρα. Τα μικρογλοιακά κύτταρα εκτελούν τυπικές λειτουργίες ανοσοκυττάρων, όπως φαγοκύτωση και αντιγονοπαρουσίαση, καθώς επίσης και παραγωγή φλεγμονωδών διαμεσολαβητών που συμβάλλουν στη διαμόρφωση της γενικής ανοσοαπόκρισης. Βρέθηκε ότι το Αβ πεπτίδιο διεγείρει την παραγωγή φλεγμονωδών διαμεσολαβητών από τα μικρογλοιακά κύτταρα, οι οποίοι παρεμποδίζουν τη φαγοκύτωση. Στον εγκέφαλο που υφίσταται χρόνιο νευροεκφυλισμό τα μικρογλοιακά κύτταρα όχι μόνο αυξάνονται αλλά έχουν και τον ενεργοποιημένο φαινότυπο. Κλινικές μελέτες σε άτομα με την AD έδειξαν τη σχέση της οξείας και της χρόνιας φλεγμονής με την επιτάχυνση της μείωσης της γνωστικής ικανότητας και την αύξηση της συχνότητας των συμπτωμάτων αλλαγής συμπεριφοράς. Η φαγοκυτική εξάλειψη των Αβ αμυλοειδών πλακών που εξαρτάται από το συμπλήρωμα παρεμποδίζεται από τις φλεγμονώδεις κυτοκίνες. Λιποπρωτεϊνικά σωματίδια που περιέχουν την απολιποπρωτεΐνη Ε (ApoE) μπορούν να διαμορφώσουν την κυτταρική πρόσληψη του Αβ πεπτιδίου σχηματίζοντας σύμπλοκα μαζί του. Η απάλειψη της ApoE μειώνει την πρόσληψη και την αποικοδόμηση του Αβ πεπτιδίου από τα αστροκύτταρα in vitro. Το αλληλόμορφο ε4 της ApoE, που υπάρχει στο 10-20% διαφόρων πληθυσμών, αυξάνει τον κίνδυνο για την εμφάνιση της AD τρεις φορές σε άτομα που φέρουν ένα αντίγραφο και 15 φορές για τα ομοζυγωτικά άτομα. Τα υπάρχοντα δεδομένα δείχνουν ότι υπάρχει σχέση ανάμεσα στην ApoE, τον υποδοχέα LDLR (που συμβάλλει στην ενδοκύτωση των λιποπρωτεϊνικών σωματιδίων) και την εξάλειψη του Αβ πεπτιδίου στην AD. Επιπλέον, τα επίπεδα της πρωτεΐνης γεφύρωσης MFG-E8 είναι μειωμένα στην AD, κάτι που δείχνει ανεπαρκή φαγοκυτική εξάλειψη των κυτταρικών υπολειμμάτων.

20 Τα μικρογλοιακά κύτταρα μπορούν να ενεργοποιήσουν τόσο την έμφυτη, όσο και την επίκτητη ανοσοαπόκριση εκφράζοντας αρκετούς υποδοχείς TLRs. Οι υποδοχείς TLRs είναι σημαντικοί για τη ρύθμιση των αποκρίσεων των μικρογλοιακών κυττάρων στο Αβ πεπτίδιο. Τα ινώδη Αβ πεπτίδια διεγείρουν την παραγωγή φλεγμονωδών κυτοκινών από τα μικρογλοιακά κύτταρα μέσω του διμερούς υποδοχέα TLR4-TLR6. Η IFN-γ παρεμποδίζει την αποικοδόμηση των Αβ πεπτιδίων, ενώ οι IL-4, IL-10 και TGF-β την ενισχύουν. Οι φλεγμονώδεις κυτοκίνες που εκκρίνονται σχετίζονται με τη μείωση της φαγοκυτικής δραστικότητας. Η TREM2 (triggering receptor expressed on myeloid cells 2) επηρεάζει αρνητικά τις αποκρίσεις των υποδοχέων TLRs και πιθανόν ρυθμίζει τη φαγοκύτωση και/ή τις φλεγμονώδεις αποκρίσεις που γίνονται μέσω των υποδοχέων TLRs κατά την πορεία της AD. Η κατανομή της έκφρασης της TREM2 σχετίζεται με την πορεία της παθολογικής εμφάνισης της AD. Πιστεύεται ότι η TREM2 έχει προστατευτικό ρόλο στην παθογένεση της AD, αφού οι αντι-φλεγμονώδεις ιδιότητές της μειώνουν τη φλεγμονή των γειτονικών νευρώνων. Επιπλέον, η TREM2 επηρεάζει τη φαγοκύτωση των κατεστραμμένων και αποπτωτικών κυττάρων. Η αφαίρεση των κατεστραμμένων αποπτωτικών νευρώνων που γίνεται με τη διαμεσολάβηση της TREM2 μπορεί να προάγει την επιδιόρθωση του ιστού ως απόκριση στην παθογένεση της AD. Η δραστικότητα αυτή της TREM2 σχετίζεται με την αύξηση της ικανότητας των μικρογλοιακών κυττάρων να εξαλείψουν τα Αβ πεπτίδια και τις Αβ αμυλοειδείς πλάκες. Στο αίμα υπάρχουν φυσικά αντισώματα για το Αβ πεπτίδιο και η ανοσοποίηση με το Αβ πεπτίδιο ή η έγχυση αντισωμάτων έναντι του Αβ πεπτιδίου μπορεί να προάγει την εξάλειψη των Αβ πεπτιδίων. Δεν είναι γνωστό γιατί στην περίπτωση της AD τα φυσικά αντισώματα έναντι του Αβ πεπτιδίου δεν διευκολύνουν την εξάλειψη των Αβ αμυλοειδών πλακών. Η ανοσοποίηση μπορεί να βελτιώσει τους παθολογικούς δείκτες της AD - η κάλυψη του Αβ πεπτιδίου με αντισώματα αυξάνει την εξάλειψη των Αβ αμυλοειδών πλακών.

21 Το γεγονός ότι παρατηρείται εξωκυτταρική συγκέντρωση του Αβ πεπτιδίου οδήγησε στην υπόθεση ότι ο σχηματισμός της αμυλοειδούς πλάκας οφείλεται σε σφάλματα της φαγοκυτικής εξάλειψης του Αβ πεπτιδίου και των συσσωματωμάτων που σχηματίζει. Η αναγνώριση του Αβ πεπτιδίου μπορεί να γίνει μέσω άμεσης σύνδεσής του με τον υποδοχέα ή μέσω της αλληλεπίδρασης με συστατικά του συμπληρώματος και της ανοσοσφαιρίνης. Επιπλέον, οι απολιποπρωτεΐνες, όπως η ApoE, μπορούν να συνδεθούν με το Αβ πεπτίδιο και να συμμετάσχουν στη διαδικασία της εγκόλπωσης του. Οι υποδοχείς που αναγνωρίζουν το Αβ πεπτίδιο μπορούν, γενικά, να συμμετέχουν στις έμφυτες ανοσοαποκρίσεις, καθώς επίσης και στην αναγνώριση και την πρόσληψη των λιποπρωτεϊνών. Οι υποδοχείς που αναγνωρίζουν άμεσα το Αβ πεπτίδιο προάγουν την εσωτερίκευσή του και τη μεταγωγή σήματος για τη φλεγμονώδη απόκριση. Οι φλεγμονώδεις κυτοκίνες που εκκρίνονται σχετίζονται με τη μείωση της φαγοκυτικής δραστικότητας. Οι διακεκομμένες γραμμές δείχνουν ότι η παθολογική κατάσταση μπορεί να ενισχυθεί λόγω του φλεγμονώδους περιβάλλοντας και/ή της ελαττωματικής φαγοκυτικής εξάλειψης των υπολειμμάτων.

22 Η μιτοχονδριακή δυσλειτουργία, όπως είναι η αύξηση δημιουργίας των ROS, η μεταβολή της μιτοχονδριακής μετάπτωσης διαπερατότητας, η κατάρρευση του ΔΨm, η μείωση παραγωγής της μιτοχονδριακής ΑΤΡ, οι μεταλλάξεις του mtdna, η δυσλειτουργία της ομοιόστασης του Ca2+, η απελευθέρωση αποπτωγενών παραγόντων, τα σφάλματα στη μιτοχονδριακή μετακίνηση και η ανισορροπία της μιτοχονδριακής σύντηξης και σχάσης, προκαλεί σοβαρή δυσλειτουργία των συνάψεων και είναι ένα τα αρχικά γνωρίσματα της AD. Στους νευρώνες ατόμων με την AD έχει παρατηρηθεί μεταβολή της μορφολογίας των μιτοχονδρίων. Μια από τις αιτίες του εκφυλισμού των μιτοχονδρίων κατά την AD είναι η σύνδεση του Aβ πεπτιδίου στην αίμη, με συνέπεια την παρεμπόδιση λειτουργικότητας της αίμης. Επίσης, η δραστικότητα της οξειδάσης του Cyt c μειώνεται στην AD, ενώ μειώνεται και η δραστικότητα ενζύμων του κύκλου του Krebs. Απεικόνιση των μιτοχονδριακών αλλαγών κατά την AD. Στο σχήμα απεικονίζονται τα αποτελέσματα της επίδρασης του Αβ πεπτιδίου (Αβ) και της φωσφορυλιωμένης tau (ptau) στη δυναμική του μιτοχονδρίου, στη μετακίνηση, στην είσοδο των μιτοχονδριακών πρωτεϊνών, τη μιτοχονδριακή διαπερατότητα, την απόπτωση, αλλά και στη δυναμική της ακτίνης.

23 Η μεταβολή της δυναμικής των μιτοχονδρίων έχει καταστροφικά αποτελέσματα για τους νευρώνες λόγω της απώλειας της συναπτικής δραστικότητας και του κυτταρικού θανάτου που προκαλείται. Στους φλοιώδεις νευρώνες ασθενών με την AD παρατηρείται αυξημένη παραγωγή ΝΟ το οποίο προκαλεί S-νιτροσυλίωση της Drp1 με συνέπεια την ενίσχυση της δραστικότητάς της ως GTPάσης και την αύξηση της μιτοχονδριακής σχάσης. Πιστεύεται ότι η ενίσχυση της μιτοχονδριακής σχάσης οφείλεται στην παρουσία ολιγομερών τoυ Αβ πεπτιδίου και την αλληλεπίδρασή τους με τη Drp1 που προκαλεί αύξηση του θρυμματισμού των μιτοχονδρίων. Τα επίπεδα των Opa1, Mfn1 και Mfn2 (που συμμετέχουν στη σύντηξη των μιτοχονδρίων) μειώνονται στα κύτταρα των νευρώνων ατόμων με την AD, ενώ τα επίπεδα έκφρασης της Fis1 αυξάνονται. Η αλλαγή της έκφρασης των πρωτεϊνών αυτών επηρεάζει σημαντικά την κατανομή των μιτοχονδρίων και συνεπώς παίζει ρόλο στην απώλεια της δραστικότητας των συνάψεων στην AD. Η κινητικότητα των μιτοχονδρίων μεταβάλλεται στη AD προκαλώντας μείωση του αριθμού των μιτοχονδρίων στους νευρίτες. Απεικόνιση της μιτοχονδριακής σχάσης στα κύτταρα θηλαστικών. Η μιτοχονδριακή διαίρεση αρχίζει όταν η κυτταροπλασματική πρωτεΐνη Drp1 προσελκύεται στην ΕξΜΜ, με συνέπεια την περίσφιξη του μιτοχονδρίου στη θέση σχάσης. Η προσέλκυση της Drp1 στην ΕξΜΜ γίνεται από τις πρωτεΐνες Fis1,Mff και τις MiD49/51. Παρουσία της GTP, η Drp1 σχηματίζει δακτυλίους γύρω από τη θέση σχάσης. Η υδρόλυση της GTP προκαλεί την περίσφιξη των δακτυλίων της Drp1 και διευκολύνει τη σχάση των μιτοχονδρίων. Απεικονίζονται και άλλες πρωτεΐνες που συμμετέχουν στη μιτοχονδριακή σχάση.

24 Οι υποδοχείς P2YRs είναι υποδοχείς νουκλεοτιδίων (υπότυποι για ATP, ADP, UTP, UDP και UDPγλυκόζη). Τα Αβ πεπτίδια επηρεάζουν την απελευθέρωση της ΑΤΡ από τα εγκεφαλικά κύτταρα και τα ερυθροκύτταρα (αυξάνουν την απελευθέρωση της ΑΤΡ από τα μικρογλοιακά κύτταρα και τη μειώνουν από τα υποξικά ερυθροκύτταρα) και μεταβάλλουν την έκφραση των υποδοχέων P2YRs που αποκρίνονται στην επίδραση της ΑΤΡ και άλλων νεουκλεοτιδίων. Μεταξύ άλλων, ο υποδοχέας P2Y2R διευκολύνει τη μη αμυλοειδογενή επεξεργασία της ΑΡΡ και τη δημιουργία του θραύσματος sappα, ενώ προσελκύει τα μικρογλοιακά κύτταρα κατά την ανάπτυξη της AD. Οι υποδοχείς P2Y2R,6R προάγουν την πρόσληψη και την αποικοδόμηση των ΑΒ πεπτιδίων, οι υποδοχείς P2Y2R, 4R αυξάνουν την παραγωγή και την έκκριση της ΑΡΡ, και ο υποδοχέας P2Y14R αυξάνει την έκφραση της μεταλλοπρωτεάσης MMP9, η οποία αποικοδομεί τα Αβ πεπτίδια. Προτείνεται ότι οι υποδοχείς P2YRs παίζουν βασικό ρόλο στην παθογένεση της AD, περιλαμβανομένης της παραγωγής και της αποικοδόμησης των Αβ πεπτιδίων, της λειτουργίας και της φλεγμονής των νευρώνων και στη ροή του αίματος στον εγκέφαλο.

25 Η αύξηση της παραγωγής/συγκέντρωσης των ROS και οι βλάβες που προκαλούνται από το οξειδωτικό πλήγμα στις νευροεκφυλιστικές ασθένειες είναι μια αναπόφευκτη συνέπεια των σφαλμάτων της μιτοχονδριακής αναπνευστικής αλυσίδας. Το οξειδωτικό πλήγμα διαταράσσει την ομοιόσταση στους νευρώνες και επιφέρει χαμηλή παροχή ενέργειας στους νευρώνες, απορρύθμιση της δυναμικής των μιτοχονδρίων, μείωση της πλαστικότητας των νευρώνων και τελικά το θάνατο των νευρώνων. Οξειδωτικό πλήγμα συμβαίνει στα πολύ αρχικά στάδια της ΑD πριν από τη μαζική εναπόθεση των Αβ νηματίων και προκαλεί οξειδωτική τροποποίηση των πρωτεϊνών, μεταλλάξεις στο mtdna και διαταραχές στη μιτοχονδριακή μετάπτωση διαπερατότητας. Οξειδωτικό πλήγμα παρατηρείται σε όλες τις νευροεκφυλιστικές ασθένειες, σε διάφορες περιοχές του εγκεφάλου. Η ABAD (Aβ binding alcohol dehydrogenase) αποτελεί την πρώτη μιτοχονδριακή πρωτεΐνη που βρέθηκε ότι συνδέεται με το Αβ πεπτίδιο και αποδείχτηκε ότι η σύνδεση Αβ-ABAD προάγει τη δημιουργία των ROS, την έξοδό τους από τα μιτοχόνδρια και τη σοβαρή διαταραχή της νευρωνικής λειτουργίας σε ασθενείς με ΑD. Το μαζικό οξειδωτικό πλήγμα δεν οφείλεται μόνο στην αύξηση της συγκέντρωσης των ROS, αλλά και στη μείωση της ικανότητας των μιτοχονδρίων να απομακρύνουν τα ROS. Μείωση της έκφρασης της SOD παρατηρείται κατά την ΑD. Σε ασθενείς με την ΑD παρατηρείται επίσης μείωση της Co Q σε περιφερειακούς ιστούς, αλλά και στον εγκέφαλο. Η συσσώρευση ROS στην AD οδηγεί σε σφάλματα της αναπνευστικής αλυσίδας, την παραγωγή νέων ROS, την εξωκυτταρική απόθεση Αβ αμυλοειδών πλακών, την τοπική φλεγμονή και την ενεργοποίηση των μικρογλοιακών κυττάρων.

26 Η συχνότητα εμφάνισης των συσσωματωμάτων σχετίζεται με την έκταση του νευροεκφυλισμού. Οι μη σωστά αναδιπλωμένες πρωτεΐνες είναι εξόχως τοξικές για τους νευρώνες και μπορεί να επάγουν πλήγμα στο ΕΔ. Στον εγκέφαλο ασθενών με AD ο κλάδος PERK-eIf2α του μηχανισμού απόκρισης μη αναδιπλωμένης πρωτεΐνης (UPR) είναι υπερενεργοποιημένος. Στην AD η PDI υφίσταται S-νιτροσυλίωση, κάτι που διευκολύνει την οξείδωση των κυστεϊνών και ενισχύει το οξειδωτικό πλήγμα του ΕΔ. Η συσσώρευση των Αβ πεπτιδίων κατά την AD επάγει πλήγμα στο ΕΔ, μεταβάλλει τη μορφολογία του ΕΔ και των μιτοχονδρίων και αυξάνει το οξειδωτικό πλήγμα στο ΕΔ. Απεικόνιση των τριών κλάδων του μονοπατιού UPR

27 Το Αβ πεπτίδιο προκαλεί αύξηση της συγκέντρωσης του κυτταροπλασματικού Ca2+ και προκαλεί την υπερφόρτιση των μιτοχονδρίων με Ca2+. Η υπερφόρτιση με Ca2+ προκαλεί αύξηση της συγκέντρωσης των ROS τα οποία διεγείρουν τη διάνοιξη των πόρων mρτρ με συνέπεια την έξοδο του Ca2+ από τα μιτοχόνδρια, την αύξηση της συγκέντρωσης του Ca2+ στο κυτταρόπλασμα και, τελικά, το θάνατο του νευρώνα. Το Αβ πεπτίδιο αλληλεπιδρά με την κυκλοφιλίνη D σχηματίζοντας σύμπλοκα στα μιτοχόνδρια. Τα επίπεδα της κυκλοφιλίνης D είναι σημαντικά αυξημένα στις προσβεβλημένες περιοχές του εγκεφάλου ατόμων με ΑD. Η απάλειψη της κυκλοφιλίνης D ή η παρεμπόδιση της λειτουργίας της από την κυκλοσπορίνη Α μειώνει αποτελεσματικά τη δυσλειτουργία των μιτοχονδρίων και των νευρώνων στον εγκέφαλο ηλικιωμένων ποντικιών. Στον εγκέφαλο ατόμων με την AD παρατηρείται αύξηση της p53 στους κατεστραμμένους νευρώνες, με αποτέλεσμα την επαγωγή της απόπτωσης με τρόπο που εξαρτάται από την p53. Το Αβ πεπτίδιο μπορεί επίσης να διεγείρει την έκφραση του FasL στους νευρώνες και στη γλοία. Το Αβ πεπτίδιο μπορεί να προκαλέσει τη μετατόπιση της AIF από τα μιτοχόνδρια στον πυρήνα και να ενεργοποιήσει το θάνατο των νευρώνων, ανεξάρτητα από τις κασπάσες. Οι κασπάσες προκαλούν θραύση της ΑΡΡ, ενώ και οι κασπάσες ενεργοποιούνται από το Αβ πεπτίδιο. Η ενεργοποίηση των κασπασών που σχετίζεται με την εμφάνιση της AD γίνεται πριν από την επαγωγή της απόπτωσης των νευρώνων και πριν από την εμφάνιση των τολυπίων που περιέχουν την πρωτεΐνη tau. Η ενεργοποίηση της κασπάσης-3 στον εγκέφαλο ατόμων με AD επιδεινώνει τα παθολογικά αποτελέσματα λόγω της συγκέντρωσης του Αβ πεπτιδίου. Επιπλέον, η tau αποτελεί υπόστρωμα της κασπάσης-3, οδηγώντας στη μείωση της διαθέσιμης tau και στον εκφυλισμό των νευρώνων. Η ενεργοποίηση της κασπάσης-3 προηγείται του σχηματισμού των τολυπίων και σχετίζεται με τη θραύση της tau.

28 Εκτός από τις πολύπλοκες αλληλεπιδράσεις μεταξύ των διαφόρων πρωτεϊνών και των υποκυτταρικών μονοπατιών που σχετίζονται με την AD και προηγούνται της εμφάνισης των αμυλοειδών πλακών και των τολυπίων, οι βιολογικές διαφορές του φύλου έχουν μεγάλη σημασία για τις διάφορες νευροεκφυλιστικές ασθένειες. Για τη διατήρηση της ομοιόστασης, μετά από πλήγμα ή ασθένεια, αποκρίνονται διαφορετικά κυκλώματα στον εγκέφαλο των αρσενικών και των θηλυκών ατόμων. Ασθένειες όπως η PD, το σύνδρομο μειονεκτήματος/υπερδραστικότητας, ο αυτισμός και η σχιζοφρένεια υπερισχύουν στους άνδρες και περιλαμβάνουν τα ντοπαμινεργά συστήματα του μεσεγκεφάλου. Αντίθετα, η AD περιλαμβάνει τις γνωστικές περιοχές του εγκεφάλου και παρουσιάζει μεγαλύτερη συχνότητα στις γυναίκες μετά την εμμηνόπαυση. Αυτό δείχνει την ύπαρξη διαφορών ανάμεσα στους άνδρες και τις γυναίκες όσον αφορά τις παθοφυσιολογικές αιτίες και φυσικά έχει συνέπειες κατά την απόκριση στη θεραπευτική αγωγή.

29 Τα δύο βασικά παθολομορφολογικά γνωρίσματα της AD οδήγησαν στην ανάπτυξη δύο υποθέσεων για την εμφάνιση της AD. Α) Η «αμυλοειδής υπόθεση» η υπερπαραγωγή του Αβ πεπτιδίου οφείλεται στη διαταραχή των διαδικασιών ομοιόστασης που ρυθμίζουν την πρωτεολυτική θραύση της ΑΡΡ. Β) Η υπόθεση «διαταραχής ομοιόστασης της tau» βασίζεται στις τροποποιήσεις που υφίσταται η tau και τη συμμετοχή της στη δημιουργία των ενδονευρωνικών τολυπίων. Στην AD έχουν περιγραφεί 25 ανώμαλες θέσεις φωσφορυλίωσης στα συμπλέγματα PHF-tau και η ανώμαλη φωσφορυλίωση της tau αποτελεί δείκτη για τον εκφυλισμό των νευρώνων κατά την AD. Όμως, καμιά από τις δύο αυτές υποθέσεις δεν μπορεί να ερμηνεύσει το ευρύ φάσμα των παθολογικών αλλαγών κατά την AD. Επιπλέον, η δημιουργία των αμυλοειδών πλακών και των τολυπίων θεωρείται ως καθοδικό φαινόμενο άλλων βιολογικών διεργασιών που προηγούνται της εμφάνισης των δύο αυτών γνωρισμάτων της AD. Στους νευρώνες η κινάση GSK3β (βασικός παράγοντας ρύθμισης του κυτταρικού κύκλου) παίζει ουσιώδη ρόλο στην υπερφωσφορυλίωση της tau. Η απορρύθμιση της δραστικότητας της κινάσης GSK3β σχετίζεται και με άλλα παθολογικά φαινόμενα που παρατηρούνται κατά την AD όπως η αύξηση της παραγωγής των Αβ πεπτιδίων, η επαγωγή της απόπτωσης και η παρεμπόδιση της νευρογένεσης και της πλαστικότητας των συνάψεων. Προτάθηκε ότι η αύξηση της δραστικότητας της κινάσης GSK3β είναι ένα αρχικό παθολογικό φαινόμενο στην παθοφυσιολογία της AD. Προτάθηκε επίσης ότι βασική αιτία εμφάνισης της AD είναι μια παθολογική αλλαγή της λειτουργικότητας των MAMs και της επικοινωνίας ανάμεσα στο ΕΔ και τα μιτοχόνδρια (υπόθεση MAMs), που επηρεάζει άλλα καθοδικά αμυλοειδογενή μονοπάτια.

30 Βασικά ερωτήματα: 1) γιατί ορισμένα ηλικιωμένα άτομα εμφανίζουν την AD και άλλα όχι, και 2) γιατί ενώ στον εγκέφαλο ορισμένων ατόμων υπάρχουν Αβ αμυλοειδείς πλάκες και τολύπια δεν παρατηρείται μείωση της γνωστικής τους ικανότητας. Βρέθηκε ότι τα ηλικιωμένα άτομα με κανονική γνωστική ικανότητα και χαρακτηριστικά μορφολογικά γνωρίσματα της AD είχαν τριπλάσια επίπεδα του μεταγραφικού παράγοντα REST (repressor element 1-silencing transcription factor) σε σχέση με τα άτομα που είχαν τα ίδια μορφολογικά γνωρίσματα και παρουσίαζαν άνοια. Ο μεταγραφικός παράγοντας REST καταστέλλει ειδικά γονίδια των νευρώνων κατά την εμβρυογένεση, ενώ κατά τη μέση ηλικία και μετά ενεργοποιεί γονίδια που προστατεύουν τους νευρώνες του ιππόκαμπου και του φλοιού του εγκεφάλου από το οξειδωτικό πλήγμα και τη συσσώρευση μη σωστά αναδιπλωμένων πρωτεϊνών. Ο μεταγραφικός παράγοντας REST προστατεύει αποτελεσματικά τους νευρωνες από το οξειδωτικό πλήγμα και την τοξικότητα των Αβ πεπτιδίων, ενώ η εκλεκτική απάλειψή του από τον εγκέφαλο ποντικιών οδηγεί σε νευροεκφυλισμό κατά τη γήρανση. Αυτό δείχνει, πιθανόν, ότι οι δομικές αλλαγές των νευρώνων μπορεί να μην είναι αρκετές για να προκαλέσουν την AD και ότι πρέπει να δυσλειτουργεί το σύστημα απόκρισης στο εγκεφαλικό πλήγμα, στο οποίο ο μεταγραφικός παράγοντας REST μπορεί να δρα ως ρυθμιστιστική πρωτεΐνη.

31 Επιτέλους, ας υπάρξει ΜΕΓΑΛΥΤΕΡΗ ΚΟΙΝΩΝΙΚΗ ΕΥΑΙΣΘΗΣΙΑ ΚΡΑΤΙΚΗ ΜΕΡΙΜΝΑ και ΒΟΗΘΕΙΑ ΠΡΟΣΤΑΣΙΑ ΓΙΑ ΕΚΕΙΝΟΥΣ ΠΟΥ ΕΔΩΣΑΝ ΣΤΗΝ ΠΑΤΡΙΔΑ ΚΑΙ ΣΕ ΕΜΑΣ ΟΛΗ ΤΟΥΣ ΤΗ ΖΩΗ ΣΑΣ ΕΥΧΑΡΙΣΤΩ Γεώργιος Ν. Θωμόπουλος Καθηγητής, Τμήμα Βιολογίας, Α.Π.Θ.