Parthanatos
Parthanatos (som härstammar från grekiskan Θάνατος, " död ") är en form av programmerad celldöd som skiljer sig från andra celldödsprocesser som nekros och apoptos . Medan nekros orsakas av akut cellskada som resulterar i traumatisk celldöd och apoptos är en mycket kontrollerad process som signaleras av apoptotiska intracellulära signaler , orsakas parthanatos av ackumulering av poly (ADP-ribos) (PAR) och nukleär translokation av apoptosinducerande faktor (AIF) från mitokondrier . Parthanatos är också känt som PARP-1- beroende celldöd. PARP-1 förmedlar parthanatos när det överaktiveras som svar på extrem genomisk stress och syntetiserar PAR som orsakar nukleär translokation av AIF. Parthanatos är involverat i sjukdomar som drabbar hundratals miljoner människor världen över. Välkända sjukdomar som involverar parthanatos inkluderar Parkinsons sjukdom , stroke , hjärtinfarkt och diabetes . Det har också potentiell och användning som en behandling för att lindra sjukdomar och olika medicinska tillstånd som diabetes fetma . [ citat behövs ]
Historia
namn
Termen parthanatos myntades inte förrän en recension 2009. Ordet parthanatos kommer från Thanatos , personifieringen av döden i grekisk mytologi.
Upptäckt
Parthanatos upptäcktes först i en artikel från 2006 av Yu et al. studerar den ökade produktionen av mitokondriella reaktiva syrearter (ROS) genom hyperglykemi . Detta fenomen är kopplat till negativa effekter till följd av kliniska komplikationer av diabetes och fetma .
Forskare märkte att höga glukoskoncentrationer ledde till överproduktion av reaktiva syrearter och snabb fragmentering av mitokondrier . Hämning av mitokondriellt pyruvatupptag blockerade ökningen av ROS, men förhindrade inte mitokondriell fragmentering. Efter inkubering av celler med den icke-metaboliserbara stereoisomeren L-glukos observerades varken ökning av reaktiva syreämnen eller mitokondriell fragmentering. I slutändan fann forskarna att mitokondriell fragmentering medierad av fissionsprocessen är en nödvändig komponent för hög glukosinducerad andningsökning och ROS-överproduktion. [ citat behövs ]
Långvarig exponering för höga glukostillstånd liknar obehandlade diabetestillstånd, och därför speglar effekterna varandra. I detta tillstånd skapar exponeringen en periodisk och långvarig ökning av ROS-produktionen tillsammans med mitokondriell morfologiförändring. Om mitokondriell fission hämmades, förhindrades den periodiska fluktuationen av ROS-produktion i en miljö med hög glukos. Denna forskning visar att när cellskadan på ROS är för stor kommer PARP-1 att initiera celldöd. [ citat behövs ]
Morfologi
Struktur för PARP-1
Poly(ADP-ribos) polymeras-1 ( PARP-1 ) är ett nukleärt enzym som finns universellt i alla eukaryoter och som kodas av PARP-1-genen. Den tillhör PARP-familjen, som är en grupp katalysatorer som överför ADP-ribosenheter från NAD (nikotinamid-dinukleotid) till proteinmål, vilket skapar grenade eller linjära polymerer. De stora domänerna av PARP-1 ger förmågan att uppfylla sina funktioner. Dessa proteinsektioner inkluderar den DNA-bindande domänen på N-terminalen (låter PARP-1 detektera DNA-brott), automodifieringsdomänen (har ett BRCA1 C-terminalmotiv som är nyckeln för protein-proteininteraktioner) och ett katalytiskt ställe med NAD+-falden (karakteristisk för mono-ADP ribosylerande toxiner).
Rollen för PARP-1
Normalt är PARP-1 involverad i en mängd olika funktioner som är viktiga för cellhomeostas såsom mitos. En annan av dessa roller är DNA-reparation , inklusive reparation av basskador och enkelsträngsbrott. PARP-1 interagerar med en mängd olika substrat inklusive histoner , DNA-helikaser , högmobilitetsgruppproteiner, topoisomeraser I och II, enkelsträngsbrottsreparationsfaktorer, basexcisionsreparationsfaktorer och flera transkriptionsfaktorer .
PARs roll
PARP-1 utför många av sina roller genom att reglera poly(ADP-ribos) (PAR). PAR är en polymer som varierar i längd och kan vara antingen linjär eller grenad. Den är negativt laddad vilket gör att den kan ändra funktionen hos de proteiner den binder till antingen kovalent eller icke-kovalent. PAR-bindningsaffiniteten är starkast för grenade polymerer, svagare för långa linjära polymerer och svagast för korta linjära polymerer. PAR binder också selektivt med olika styrka till de olika histonerna. Det misstänks att PARP-1 modulerar processer (såsom DNA-reparation , DNA-transkription och mitos ) genom bindningen av PAR till dess målproteiner.
Väg
Parthanatos-vägen aktiveras av DNA- skador orsakade av genotoxisk stress eller excitotoxicitet . Denna skada känns igen av PARP-1-enzymet som orsakar en uppreglering i PAR. PAR orsakar translokation av apoptosinducerande faktor (AIF) från mitokondrierna till kärnan där det inducerar DNA-fragmentering och slutligen celldöd . Denna allmänna väg har beskrivits nu i nästan ett decennium. Även om avsevärd framgång har gjorts för att förstå de molekylära händelserna i parthanatos, pågår ansträngningar fortfarande för att helt identifiera alla stora aktörer inom vägen, samt hur rumsliga och tidsmässiga relationer mellan medlare påverkar dem.
Vägaktivering
Extrem skada på DNA som orsakar brott och förändringar i kromatinstrukturen har visat sig inducera parthanatos-vägen. Stimuli som orsakar DNA-skadan kan komma från en mängd olika källor. Metylnitronitrosoguanidin , ett alkyleringsmedel , har använts i stor utsträckning i flera studier för att inducera parthanatos-vägen. Ett noterat antal andra stimuli eller toxiska tillstånd har också använts för att orsaka DNA-skada såsom H 2 O 2 , NO och ONOO − generering (syrebrist).
Storleken, exponeringslängden, typen av cell som används och kulturens renhet är alla faktorer som kan påverka aktiveringen av vägen. Skadan måste vara tillräckligt stor för att kromatinstrukturen ska kunna ändras. Denna förändring i struktur känns igen av den N-terminala zinkfingerdomänen på PARP-1-proteinet. Proteinet kan känna igen både enkel- och dubbelsträngat DNA-brott.
Initiering av celldöd
När PARP-1-proteinet känner igen DNA-skadan, katalyserar det post-transkriptionell modifiering av PAR. PAR kommer att bildas antingen som en grenad eller linjär molekyl. Förgrenande och långkedjiga polymerer kommer att vara mer toxiska för cellen än enkla korta polymerer. Ju mer extrema DNA-skadorna är, desto mer PAR ackumuleras i kärnan. När tillräckligt med PAR har ackumulerats kommer det att translokera från kärnan till cytosolen . En studie har föreslagit att PAR kan translokera som en fri polymer, men translokation av en proteinkonjugerad PAR kan inte uteslutas och är faktiskt ett ämne för aktiv forskning. PAR rör sig genom cytosolen och går in i mitokondrierna genom depolarisering. Inom mitokondrierna binder PAR direkt till AIF som har ett PAR-polymerbindningsställe, vilket gör att AIF dissocierar från mitokondrierna. AIF translokeras sedan till kärnan där det inducerar kromatinkondensation och storskalig (50Kb) DNA-fragmentering. Hur AIF framkallar dessa effekter är fortfarande okänt. Man tror att ett AIF-associerat nukleas (PAAN) som för närvarande är oidentifierat kan vara närvarande. Human AIF har ett DNA-bindningsställe som skulle indikera att AIF binder direkt till DNA:t i kärnan som direkt orsakar förändringarna. Men eftersom möss AIF inte har denna bindande domän och fortfarande kan genomgå parthanatos, är det uppenbart att det måste finnas en annan mekanism inblandad.
PARG
PAR, som är ansvarig för aktiveringen av AIF, regleras i cellen av enzymet poly(ADP-ribos) glykohydrolas ( PARG ). Efter att PAR syntetiserats av PARP-1, bryts det ned genom en process som katalyseras av PARG. PARG har visat sig skydda mot PAR-medierad celldöd medan dess deletion har ökat toxiciteten genom ackumulering av PAR.
Andra föreslagna mekanismer
Innan upptäckten av PAR- och AIF-vägen trodde man att överaktiveringen av PARP-1 ledde till överkonsumtion av NAD+ . Som ett resultat av NAD+-utarmning skulle en minskning av ATP-produktionen inträffa, och den resulterande förlusten av energi skulle döda cellen. Men det är nu känt att denna förlust av energi inte skulle vara tillräcklig för att förklara celldöd. I celler som saknar PARG leder aktivering av PARP-1 till celldöd i närvaro av riklig NAD+.
Skillnader mellan celldödsvägar
Parthanatos definieras som en unik celldödsväg från apoptos av några viktiga skäl. I första hand är apoptos beroende av kaspasvägen som aktiveras av cytokrom c- frisättning, medan parthanatosvägen kan agera oberoende av kaspas. Dessutom, till skillnad från apoptos, orsakar parthanatos storskalig DNA-fragmentering (apoptos producerar endast småskalig fragmentering) och bildar inte apoptotiska kroppar .
Medan parthanatos delar likheter med nekros , har den också flera skillnader. Nekros är inte en reglerad väg och genomgår inte någon kontrollerad nukleär fragmentering. Även om parthanatos innebär förlust av cellmembranintegritet som nekros , åtföljs det inte av cellsvullnad.
Jämförelse av celldödstyper
| Parthanatos | Apoptos | Nekros | |
|---|---|---|---|
| Kromatinkondensering | Ja | Ja | Nej |
| Nukleär fragmentering | Ja | Ja | Nej |
| Apoptotiska kroppar | Nej | Ja | Nej |
| Mitokondriell svullnad | Nej | Ibland | Ja |
| Membran Blebbing | Nej | Ja | Ja, sent |
| Caspasberoende | Nej | Ja | Ibland |
| Reglerad väg | Ja | Ja | Nej |
Patologi och behandling
Neurotoxicitet
PAR-enzymet var ursprungligen kopplat till neurala nedbrytningsvägar 1993. Förhöjda nivåer av kväveoxid (NO) har visat sig orsaka neurotoxicitet i prover av hippocampus- neuroner från råtta . En djupare titt på effekterna av NO på neuroner visade att kväveoxider orsakar skador på DNA-strängar; skadan i sin tur framkallar PAR-enzymaktivitet som leder till ytterligare nedbrytning och neuronal död. PAR-blockerare stoppade celldödsmekanismerna i närvaro av förhöjda NO-nivåer.
PARP-aktivitet har också kopplats till de neurodegenerativa egenskaperna hos toxininducerad parkinsonism . 1-Methyl-4-phenyl-1,2,3,6-tetrahydropyridine ( MPTP ) är ett neurotoxin som har kopplats till neurodegeneration och utveckling av Parkinsons sjukdomsliknande symtom hos patienter sedan 1983. MPTP-toxinets effekter upptäcktes när fyra människor injicerade intravenöst toxinet som de producerade oavsiktligt när de försökte syntetisera merpyridin ( MPPP ) på gatan. Kopplingen mellan MPTP och PARP hittades senare när forskning visade att MPTP-effekterna på neuroner minskade i muterade celler som saknar PARP-genen. Samma forskning visade också kraftigt ökad PARP-aktivering i dopaminproducerande celler i närvaro av MPTP.
Alfa-synuklein är ett protein som binder till DNA och modulerar DNA-reparation . En nyckelfunktion i Parkinsons sjukdom är den patologiska ackumuleringen och aggregeringen av alfa-synuklein. I neuronerna hos individer med Parkinsons sjukdom deponeras alfa-synuklein som fibriller i intracytoplasmatiska strukturer som kallas Lewy-kroppar . Bildning av patologiskt alfa-synuklein är associerat med aktivering av PARP1 , ökad poly(ADP)-ribosgenerering och ytterligare acceleration av patologisk alfa-synukleinbildning. Denna process kan leda till celldöd av parthanatos.
Multisystemengagemang
Parthanatos, som en celldödsväg, blir alltmer kopplad till flera syndrom kopplade till specifik vävnadsskada utanför nervsystemet . Detta framhävs i mekanismen för streptozotocin (STZ) inducerad diabetes . STZ är en kemikalie som produceras naturligt av människokroppen. Men i höga doser har STZ visat sig ge diabetiska symtom genom att skada pankreas- β-celler, som är insulinproducerande. Nedbrytningen av β-celler av STZ kopplades till PARP 1980 när studier visade att en PAR-synteshämmare minskade STZ:s effekter på insulinsyntesen. Hämning av PARP gör att bukspottkörtelvävnaden upprätthåller insulinsyntesnivåer och minskar β-cellnedbrytning även med förhöjda STZ-toxinnivåer.
PARP-aktivering har också preliminärt kopplats till artrit , kolit och levertoxicitet .
Terapi
Parthanatos-vägens flerstegsnatur möjliggör kemisk manipulation av dess aktivering och hämning för användning i terapi. Detta snabbt växande område verkar för närvarande vara fokuserat på användningen av PARP-blockerare som behandlingar för kroniskt degenerativa sjukdomar. Detta kulminerade i 3:e generationens hämmare som midazokinolinon och isokinolindion som för närvarande går i kliniska prövningar.
En annan väg för behandlingar är att rekrytera parthanatos-vägen för att inducera apoptos i cancerceller , men inga behandlingar har passerat det teoretiska stadiet.