La pérdida de actividad Park7 tiene efectos diferenciales sobre la expresión de conjuntos de genes del elemento sensible al hierro (IRE) en el transcriptoma cerebral en un modelo Zebrafsh de la enfermedad de Parkinson

Abstracto

La mutación del gen PARK7 (DJ1) causa la enfermedad de Parkinson (EP) monogénica autosómica recesiva en humanos. Las alteraciones posteriores de la función de la proteína PARK7 conducen a una disfunción mitocondrial, un elemento importante en la patología de la EP. Los mutantes homocigotos para los genes ortólogos PARK7-en el pez cebra, park7, muestran cambios en la expresión genética en la vía de la fosforilación oxidativa, lo que respalda que la interrupción de la producción de energía es una característica clave de la neurodegeneración en la EP.

La enfermedad de Parkinson de herencia recesiva es una enfermedad neurodegenerativa irreversible. Con la aceleración del envejecimiento de la población, la tasa de incidencia ha ido aumentando en los últimos años. Aunque los problemas de la enfermedad con el movimiento corporal son los más destacados en la atención de las personas, también está fuertemente relacionado con factores como la capacidad cognitiva, la concentración y la memoria.

Sin embargo, antes de que podamos hablar sobre los problemas cognitivos y de memoria asociados con la enfermedad de Parkinson, debemos comprender el impacto neurológico de la enfermedad. El cambio neuropatológico más común en la enfermedad de Parkinson de herencia recesiva es el daño a la sustancia negra, lo que conduce a una disminución de los niveles de dopamina, lo que provoca trastornos del movimiento. Además, muchas características geomorfológicas asociadas también se encuentran en regiones como la corteza cerebral, la corteza y el istmo. Debido a estos cambios, las personas con enfermedad de Parkinson pueden experimentar problemas como pérdida de memoria y deterioro cognitivo.

Sin embargo, para las personas con la forma recesiva de la enfermedad de Parkinson, donde la memoria se ve afectada, existen varias estrategias proactivas que podemos adoptar para ayudarnos a afrontar estos desafíos. Aprender numerosas estrategias de mejora de la atención y la memoria nos ayudará a afrontar mejor los efectos de la enfermedad de Parkinson en nuestras vidas.

Una de las estrategias más importantes es que debemos ponernos límites y aceptar ayuda. Por ejemplo, si una persona con enfermedad de Parkinson visita un supermercado y descubre que tiene problemas con una tarea, como no poder encontrar alimentos en el supermercado, debe sentirse libre de pedir ayuda. Esta acción es un gran estímulo cognitivo y puede ayudar a mejorar la cognición y la memoria de muchas maneras.

En nuestra vida diaria, también podemos probar otras estrategias para mejorar nuestra cognición y memoria. Por ejemplo, podemos crear un entorno de aprendizaje desafiante leyendo libros o aprendiendo nuevas habilidades. Además, ejercicios diarios sencillos como reconocer las caras de los miembros de la familia y consultar periódicamente el calendario pueden ser una forma muy eficaz de mejorar tus habilidades cognitivas y de memoria.

Aunque la enfermedad de Parkinson afecta nuestra capacidad cognitiva y de memoria hasta cierto punto, una actitud positiva y ejercicios simples pueden ayudarnos a mantener una buena capacidad cognitiva y de memoria. Por tanto, debemos afrontar el desafío con confianza y probar diversas estrategias para mejorar nuestra cognición y memoria. Entonces creo que deberíamos mejorar nuestra memoria. Cistanche puede mejorar significativamente la memoria porque la pasta de carne es un material medicinal tradicional chino con muchos efectos únicos, uno de los cuales es mejorar la memoria. La eficacia de la carne picada proviene de una variedad de ingredientes activos que contiene, incluidos ácido carboxílico, polisacáridos, flavonoides, etc. Estos ingredientes pueden promover la salud del cerebro a través de varios canales.

Haga clic en suplementos para mejorar la memoria.

El hierro es fundamental para la función mitocondrial normal y previamente hemos utilizado análisis bioinformáticos de transcripciones portadoras de IRE en transcriptomas cerebrales para encontrar evidencia que respalde la existencia de dishomeostasis del hierro en la enfermedad de Alzheimer. Aquí, analizamos las transcripciones portadoras de IRE en los datos del transcriptoma de cerebros de pez cebra mutantes homocigotos park7-/-. Descubrimos que el conjunto de genes con IRE de "alta calidad" en sus regiones 5′ no traducidas (UTR, el conjunto de genes HQ5′IRE) estaba significativamente alterado en estos cerebros park7-/- de 4-meses de edad.

Sin embargo, los conjuntos de genes con IRE en sus UTR 3 ′ no parecieron verse afectados. Los efectos sobre los genes HQ5′IRE posiblemente estén impulsados ​​por la deshomeostasis del hierro y/o el estrés oxidativo, pero iluminan la existencia de mecanismos actualmente desconocidos con efectos generales diferenciales en los IRE 5′ y 3′.

Palabras clave:

DJ-1, PARK7, enfermedad de Parkinson, pez cebra, RNA-seq, análisis de enriquecimiento, dishomeostasis del hierro.

Introducción

La enfermedad de Parkinson (EP) es la segunda enfermedad neurodegenerativa más común y afecta aproximadamente al 1% de la población mayor de 60 años. La mayoría de los casos de EP son idiopáticos, pero se ha identificado un vínculo genético claro en aproximadamente el 5-10% de los casos de EP [1]. Un gen, PARK7, implicado en la EP autosómica recesiva de aparición temprana, codifica la proteína 7 de la enfermedad de Parkinson (PARK7).

Se ha sugerido que la proteína PARK7 actúa como una glioxalasa independiente de GSH para la desintoxicación del metilglioxal y como una proteína glucosa responsable de restaurar la función de las proteínas dañadas por el estrés oxidativo. Sin embargo, estas actividades están en disputa en PD (revisado y analizado en [2]). PARK7 también desempeña funciones críticas en el mantenimiento de la función mitocondrial, detectando y respondiendo a especies reactivas de oxígeno (ROS) y, en última instancia, actúa en la neuroprotección (revisado en [3]).

La EP se caracteriza por el agotamiento específico de las neuronas dopaminérgicas de la sustancia negra pars compacta (SNc DA). Estas neuronas realizan una gran cantidad de sinapsis en los ganglios basales. En consecuencia, sus altas demandas de energía pueden hacer que las neuronas SNc DA sean sensibles a la deficiencia energética [4]. Muchos factores pueden afectar la producción de energía mediante el proceso de fosforilación oxidativa.

En particular, el hierro ferroso (Fe2+) se incorpora a grupos Fe-S fundamentales para la función de la cadena de transporte de electrones (ETC) en la fosforilación oxidativa [5]. La disfunción de ETC causa estrés oxidativo que puede llevar a que la proteína PARK7 (principalmente) citosólica se transloque a las mitocondrias para regular los efectos de las especies reactivas de oxígeno (ROS) [5].

Este proceso posiblemente esté alterado en individuos con mutación de PARK7, lo que lleva a disfunción ETC y deshomeostasis del hierro (a través de efectos sobre las proteínas reguladoras del hierro, IRP1 e IRP2) y daña las neuronas dopaminérgicas.

IRP1 e IRP2 se unen a IRE en los ARNm de genes implicados en la homeostasis del hierro para regular su traducción y estabilidad (revisado en [6]). Las IRP están reguladas tanto por el estado del hierro ferroso celular como por el estrés oxidativo [6]. Anteriormente, definimos conjuntos de genes que contienen IRE en las UTR 5 'o 3' de sus transcripciones (con la similitud menor o mayor con una secuencia de consenso IRE) en humanos, ratones y peces cebra [7]. Utilizando estos, encontramos evidencia que respalda la deshomeostasis del hierro en cerebros con enfermedad de Alzheimer (EA) y modelos animales de EA [7].

Anteriormente se han identificado y manipulado ortólogos de genes de EP en el pez cebra. Por ejemplo, Hughes et al. [8] desarrollaron un nuevo modelo de pez cebra para examinar la función de PARK7. El pez cebra que carece del gen ortólogo PARK7-: park7 (park7−/−) muestra un fenotipo de movimiento a los tres meses de edad y muestra cambios en la expresión genética en su transcriptoma cerebral que sugieren una alteración del metabolismo mitocondrial (es decir, regulación positiva de genes asociados con la fosforilación oxidativa) a los cuatro meses de edad [8].

Por lo tanto, planteamos la hipótesis de que el estrés oxidativo y/o la deshomeostasis del hierro en cerebros de pez cebra park7-/- alterarían la unión de los IRP a las transcripciones que contienen IRE, alterando así la estabilidad de la transcripción. Para explorar esto, volvimos a analizar los datos del transcriptoma del cerebro del pez cebra de Hughes et al. para probar cambios en la representación de conjuntos de genes que contienen IRE en cerebros de pez cebra park7-/-. Descubrimos que el conjunto de genes HQ5′IRE está significativamente alterado en cerebros park7-/- de 4-meses de edad, mientras que el conjunto de genes HQ3′IRE no.

Métodos

Para probar evidencia de una posible dishomeostasis del hierro en cerebros de pez cebra park7-/-, realizamos un análisis de enriquecimiento utilizando alevines [9] en los conjuntos de genes IRE [7]. Para obtener información detallada sobre este nuevo análisis de Hughes et al. [8] datos, consulte el archivo adicional 1.
Resultados

Anteriormente definimos conjuntos de genes de pez cebra según si poseen motivos similares a IRE en las UTR 5' o 3' de sus ARNm, y si sus IRE coinciden con una secuencia IRE canónica (alta calidad, HQ) o no canónica (todas). 7]. Descubrimos que solo las transcripciones del conjunto de genes HQ5'IRE muestran cambios estadísticamente significativos en la expresión genética como grupo (Fig. 1a) en cerebros park7-/- de 4- meses de edad. Curiosamente, el gen más regulado positivamente del conjunto de genes HQ5'IRE es alas2.

Discusión

Utilizando nuestro método para detectar evidencia de dishomeostasis del hierro en datos de RNA-seq, encontramos una alteración altamente significativa de la expresión de genes con IRE en las 5'UTR de sus mRNA en cerebros park7-/- de 4- meses de edad.

La homeostasis del hierro se mantiene mediante la regulación de la expresión génica en varios niveles, incluso mediante la transcripción, la estabilidad del ARNm y la traducción del ARNm (revisado en [10]). Los dos últimos fenómenos están modulados por las proteínas reguladoras del hierro IRP1 e IRP2 cuando éstas se unen a las IRE. La alteración altamente significativa de la expresión del gen HQ5′IRE establecido en cerebros park7-/- de 4- meses de edad probablemente se deba a cambios en la unión de IRP1 y/o IRP2 a los IRE en las transcripciones de estos genes.

Sin embargo, dado que se sabe que la mutación de PARK7 causa estrés oxidativo [11] y el estrés oxidativo también puede afectar la formación de IRP (revisado en [6]), es difícil diferenciar entre el estrés oxidativo y la dishomeostasis del hierro como contribuyente a los cambios en HQ5′IRE. abundancia de transcripciones genéticas. De hecho, dado que el hierro es tan importante para la función mitocondrial, la deshomeostasis del hierro y el estrés oxidativo a menudo coexisten [12].

Curiosamente, el conjunto de genes HQ3′IRE no pareció verse afectado en los cerebros park7-/- y actualmente no tenemos ninguna explicación de por qué debería ser así. Sin embargo, si los efectos sobre la abundancia de transcripciones de HQ5'IRE se deben, de hecho, a la unión de las IRP, esto apunta a la existencia de mecanismos que pueden discriminar en la unión de las IRP a las IRE (o causar diferencias en los efectos de dicha unión). , dependiendo de si una IRE reside en la UTR 5′ o 3′ de una transcripción.

Entre los miembros del conjunto de genes HQ5'IRE, se observó que los niveles de transcripción de alas2 aumentaban en los cerebros park7-/-. La relación entre la actividad de alas2 y los IRP se analiza en el archivo adicional 1.

En conjunto, nuestro análisis de los datos del transcriptoma de los cerebros del pez cebra park7-/- respalda la posibilidad de deshomeostasis del hierro y/o estrés oxidativo como eventos preclínicos tempranos en la EP. En estudios futuros, exploraremos la naturaleza de los efectos de los genes relacionados con la EP sobre la homeostasis del hierro y la función mitocondrial en el pez cebra. Comprender estos efectos puede proporcionar una visión mecanicista de la EP para el desarrollo de terapias.

Expresiones de gratitud

Nos gustaría agradecer a Mary Elizabeth Pownall y Katherine Newling por poner a disposición los recuentos de transcripciones sin procesar de [8], y a Nhi Hin por proporcionar los conjuntos de genes de pez cebra que contienen elementos sensibles al hierro.

Contribuciones de los autores

HYC redactó el manuscrito. KB escribió la metodología, generó los diagramas y realizó el análisis bioinformático. ML, LCP y KB supervisaron y brindaron asesoramiento sobre el análisis de este artículo. ML, KB, LCP y HYC editaron el manuscrito. Todos los autores leyeron y aprobaron el manuscrito final.

Fondos
KB cuenta con el apoyo de una beca del programa de capacitación en investigación del gobierno australiano y de fondos del Carthew Family Charity Trust. ML es un empleado académico de la Universidad de Adelaida. LCP es un empleado académico de la Universidad de Adelaida y cuenta además con el apoyo de una beca Barbara Kidman.

Disponibilidad de datos y materiales.

El código R utilizado para volver a analizar los recuentos de transcripciones sin procesar de Hughes et al. se puede encontrar en https://github.com/karissa-b/dj1KO-RNAseq-IRE. Los datos brutos de Hughes et al. está disponible en la base de datos GSE135271 de Gene Expression Omnibus (GEO) (https://www.ncbi.nlm.nih.gov/geo/query/acc.cgi? acc=GSE135271). La lista de genes que contienen un elemento sensible al hierro (IRE) en las regiones no traducidas de sus ARNm en el pez cebra se puede encontrar en https://github.com/nhihin/ire.

Declaraciones

Aprobación ética y consentimiento para participar.

No aplica.

Consentimiento para publicación

No aplica.

Conflicto de intereses

Los autores declaran que no tienen intereses en competencia.

Referencias

Lee JH, Han Jh, Kim H, Park SM, Joe Eh, Jou I. El mutante LRRK2-G2019S asociado a la enfermedad de Parkinson actúa mediante la regulación de la actividad SERCA para controlar el estrés del RE en los astrocitos. Acta Neuropathol Commun. 2019;7(1):68.

2. Andreeva A, Bekkhozhin Z, Omertassova N, Baizhumanov T, Yeltay G, Akhmetali M, et al. La aparente delicada actividad de DJ-1 resulta de la conversión del metilglioxal libre presente en rápido equilibrio con hemitioacetales y hemiaminales. J Biol Chem. 2019;294(49):18863–72.

3. Dolgacheva LP, Berezhnov AV, Fedotova EI, Zinchenko VP, Abramov AY. Papel de DJ-1 en el mecanismo de patogénesis de la enfermedad de Parkinson. J Bioenerg Biomembr. 2019;51(3):175–88.

4. Pacelli C, Giguère N, Bourque MJ, Lévesque M, Slack RS, Trudeau L. La bioenergética mitocondrial elevada y el tamaño de la arborización axonal son factores clave que contribuyen a la vulnerabilidad de las neuronas de dopamina. Curr Biol. 2015;25(18):2349–60.

5. Junn E, Jang WH, Zhao X, Jeong BS, Mouradian MM. La localización mitocondrial de DJ-1 conduce a una mayor neuroprotección. J Neurosci Res. 2009;87(1):123–9. 6. Urrutia PJ, Bórquez DA, Núñez MT. Infamar el cerebro con hierro. Antioxidante. 2021;10(1).

7. Hin N, Newman M, Pederson S, Lardelli M. Respuestas mediadas por elementos sensibles al hierro (IRE) a la dishomeostasis del hierro en la enfermedad de Alzheimer. bioRxiv. 2021; 2020.05.01.071498.

8. Hughes GL, Lones MA, Bedder M, Currie PD, Smith SL, Pownall ME. El aprendizaje automático discrimina un trastorno del movimiento en un modelo de pez cebra de la enfermedad de Parkinson. Dis modelos mecánicos. 2020;13(10):d045815.

9. Wu D, Lim E, Vaillant F, Asselin-Labat ML, Visvader JE, Smyth GK. ROAST: pruebas de conjuntos de genes de rotación para experimentos complejos de microarrays. Bioinformática. 2010;26(17):2176–82.

For more information:1950477648nn@gmail.com