Alfa-synukleina

Alfa-synukleina (ang. alpha-synuclein, ASN) jest niskocząsteczkowym białkiem cytozolowym. Uczestniczy w prawidłowym funkcjonowaniu układu nerwowego oraz reguluje procesy apoptozy. Zaburzenia prawidłowej struktury alfa-synukleiny mają istotne znaczenie w patogenezie choroby Parkinsona i choroby Alzheimera, w atrofii wielosystemowej, w zespole Downa, w dziecięcej dystrofii neuroaksonalnej czy w zwy­rodnieniu ośrodkowego układu nerwowego typu I z odkła­daniem się żelaza w mózgu. Choroby, w których występuje nadmierna ilość złogów alfa-synukleiny pod postacią ciał Lewy’ego nazywane są umownie synukleinopatiami. Synukleinopatie prowadzą do degeneracji tkanki nerwowej.

1. Historia odkrycia alfa-synukleiny

Alfa-synukleina została odkryta w 1988 roku. Białko to wyizolowano z pęcherzyków cholinergicznych pobranych z narządu elektrycznego ryby dretwy kalifornijskiej (łac. Torpedo californica). [1] Początkowo uważano, że alfa-synukleina występuje tylko w jądrach neuronów i w synapsach. [5] Obecnie wiadomo, że białko to pełni ważne funkcje również w innych obszarach organizmu człowieka.

2. Budowa alfa-synukleiny

Masa cząsteczkowa alfa-synukleiny wynosi 14 kDa. [1] Łańcuch polipeptydowy tego białka składa się ze 140 aminokwasów. Alfa-synukleina jest monomerem o charakterystycznej strukturze pierwszorzędowej. [6] Cechuje ją obecność nieregularnie powtarzających się siedmiu jedenastoaminokwasowych motywów w obrębie pierwszych 95 aminokwasów. Jest to charakterystyczna cecha białek odwracalnie wiążących lipidy. Umożliwia to przyłączanie alfa-synukleiny do fosfolipidów błonowych. [13] Dodatkowo w strukturze tego białka występują dwa regiony: 2-19 i 123-140. Wykazują one znaczne podobieństwo do sekwencji charakterystycznych dla białek cytozolowych wiążących kwasy tłuszczowe (ang. fatty acid binding protein, FABP). [14]

Łańcuch polipeptydowy alfa-synukleiny dzieli się na trzy domeny:

• domenę N-końcową
• centralny region hydrofobowy
• region C-końcowy [6]

Domena N-końcowa zajmuje obszar od 1 do 60 aminokwasu. Składa się z 7-krotnych powtórzeń sekwencji KTKEGV o strukturze alfa-helisy. Domena ta jest amfipatyczna, co oznacza, że wykazuje jednocześnie właściwości hydrofilowe i hydrofobowe. [6] Jej obecność pozwala na wiązanie się alfa-synukleiny z lipidami. [7] W tym obszarze znajdują się miejsca lokalizacji trzech mutacji punktowych (A30P, A53T i E46K), biorących udział w rozwoju chorób neurodegeneracyjnych. [8]

Centralny region hydrofobowy zajmuje miejsce 61-95 w łańcuchu polipeptydowym. Jego najważniejszym elementem jest tzw. sekwencja NAC (ang. non-amyloid beta component of Alzheimer disease plaques). W polskim tłumaczeniu skrót ten oznacza białko niebędące beta-amyloidowym składnikiem płytek starczych. [6] Obecność tego fragmentu sprzyja przyjmowaniu przez alfa-synukleinę struktury beta-kartki, która inicjuje proces agregacji i powstawania rozpuszczalnych oligomerów. [11] Te z kolei wykazują tendencję do dalszej agregacji i tworzenia nierozpuszczalnych złogów odkładanych w postaci ciał Lewy’ego. [12] Regiony NAC alfa-synukleiny wraz z beta-amyloidami występują obficie w płytkach starczych mózgów osób cierpiących na chorobę Alzheimera. [11]

Trzecia z domen, czyli region C-końcowy obejmuje obszar od 96 do 140 aminokwasu. Cechuje się dużą ilością proliny, kwasu glutaminowego i kwasu asparaginowego. [6] Znajduje się tu kilka miejsc fosforylacji: Tyr-125, Tyr-133 i Tyr-136 oraz Ser-129. [9] Domena ta ma nieuporządkowaną strukturę, co warunkuje właściwości białka. [6] Region C-końcowy hamuje agregację alfa-synukleiny. [10]

Alfa-synukleina nazywana jest często białkowym kameleonem. Cechuje się bowiem dużą plastycznością strukturalną. Umożliwia jej to dostosowywanie się do warunków środowiskowych oraz pozwala na interakcję z wieloma molekułami. Wpływa to na pełnione przez nią funkcje. [15]

3. Występowanie alfa-synukleiny

Alfa-synukleina występuje licznie w ośrodkowym układzie nerwowym (OUN). Jej ekspresja zachodzi szczególnie w zakończeniach neuronów presynaptycznych kory mózgowej, hipokampa, zawoju zębatego, opuszki węchowej, wzgórza i móżdżku oraz w zakończeniach neuronów dopaminergicznych w prążkowiu. [2,3] Obecność alfa-synukleiny stwierdzono także w płytkach krwi, komórkach hematopoetycznych oraz w mięśniu sercowym. [4]

4. Metabolizm i regulacja poziomu alfa-­synukleiny

Gen kodujący alfa-synukleinę (SNCA) znajduje się na chromosomie 4q21 (PARK-1). Składa się on z 117 par zasad i posiada 6 egzonów kodujących 140 aminokwasowe białko. Jego ekspresja rozpoczyna się w późnym stadium rozwoju embrionalnego, osiągając najwyższy poziom około 15 dnia po urodzeniu. [16]

Okres półtrwania alfa-synukleiny wynosi około 24 godzin i wydłuża się w neuronach u osób w podeszłym wieku. Degradacja alfa-synukleiny jest procesem ściśle kontrolującym jej stężenie wewnątrz komórki. Mechanizmy usuwania tego białka z cytoplazmy nie są do końca wyjaśnione, wskazuje się jednak na udział w tym procesie systemu ubikwityna-proteasom. W mechanizmie degradacji alfa-synukleiny przez system proteasomalny istotną rolę odgrywa parkina. Należy ona do rodziny białek E3, których głównym zadaniem jest przyłączanie reszt ubikwitynowych do białek degradowanych przez proteasomy. Parkina wiąże się z alfa-synukleiną w ciałach Lewy’ego. [16]

W procesie metabolizmu alfa-synukleiny ważną funkcję pełnią mechanizmy autofagii. Autofagia zapoczątkowuje transport tego białka z cytozolu do lizosomów i jego degradację. Zablokowanie lizosomów prowadzi do nadmiernej akumulacji alfa-synukleiny wewnątrz komórki. W translokacji i degradacji alfa-synukleiny w lizosomach biorą udział białka opiekuńcze. [17]

Poziom alfa-synukleiny zmienia się wraz z rozwojem i starzeniem się układu nerwowego. Na jej ekspresję wpływa szereg czynników, począwszy od aktywacji genów, przez regulację szlaku kinaz MAP wywołaną m.in. przez czynnik wzrostu nerwów (ang. nerve growth factor, NGF), czy czynnik wzrostu fibroblastów (ang. fibroblast growth factor, BFGF), po liczne czynniki transkrypcyjne. Te ostatnie zwiększają ekspresję genu alfa-synukleiny. Do najważniejszych z nich należą białko wiążące region wzmacniający CCAAT-beta i czynnik związany z receptorem jądrowym 1 (ang. nuclear receptor-related factor 1, Nurr-1). Natomiast do białek obniżających aktywność alfa-synukleiny należy polimeraza poli-ADP rybozy (ang. poly (ADP-ribose) polymerase, PARP). [16]

5. Wpływ alfa-synukleiny na układ nerwowy

Alfa-synukleina bierze udział w tworzeniu zakończeń synaptycznych i w utrzymaniu funkcji synaps. Odgrywa bardzo ważną rolę w kształtowaniu plastyczności synaptycznej. Ponadto uczestniczy w uwalnianiu neurotransmiterów. Przede wszystkim reguluje pracę układu dopaminergicznego. Bierze udział we wszystkich procesach związanych z metabolizmem dopaminy: moduluje jej syntezę, wpływa na jej magazynowanie i uwalnianie z pęcherzyków synaptycznych. Alfa-synukleina hamuje powstawanie dopaminy poprzez ograniczający wpływ na aktywność hydroksylazy tyrozynowej (HT). Hydroksylaza tyrozynowa jest kluczowym enzymem w syntezie tego neuroprzekaźnika. Reguluje szybkość przemiany tyrozyny do L-DOPA, która w wyniku dekarboksylacji przekształcana jest w dopaminę. [16] Alfa-synukleina wiąże się z nieufosforylowaną formą HT i utrzymuje enzym w postaci nieaktywnej. Powoduje to znaczne obniżenie syntezy dopaminy. [21] Alfa-synukleina zwiększa również wychwyt zwrotny tego neuroprzekaźnika za pośrednictwem transportera dopaminy (ang. the dopamine transporter, DAT). [18]

Transfekcja komórek dopaminergicznych genem ASN, czyli proces wprowadzenia do nich obcego DNA lub RNA, wpływa na zahamowanie ekspresji genów białek odpowiedzialnych za syntezę dopaminy. [19] Wśród nich wyróżnia się cyklohydrolazę GTP, hydroksylaę tyrozynową i dekarboksylazę aminokwasów aromatycznych. W komórkach transfekowanych genem ASN obserwuje się obniżenie ekspresji czynnika transkrypcyjnego Nurr1, który inicjuje transkrypcję hydroksylazy tyrozynowej. Alfa-synukleina nie tylko hamuje aktywność HT, ale także zmniejsza ekspresję genu tego enzymu. [20]

Alfa-synukleina pełni funkcję białka opiekuńczego. Bierze udział w prawidłowym funkcjonowaniu ścieżek sygnalizacyjnych w komórkach. Ponadto wchodzi w interakcje z innymi białkami i reguluje ich aktywność. Uczestniczy w metabolizmie białek wiążących cysteinę (ang. cysteine string protein alfa, CSP-alfa) i kompleksu białek przyłączających fluorki cyny (ang. soluble tin fluoride attachment protein receptors, SNARE). Hamuje neurodegenerację spowodowaną niedoborem CSP-alfa i utrzymuje odpowiednią ilość kompleksów SNARE. Chroni tym samym włókna nerwowe przed uszkodzeniem. [16]

5.1. Udział w patomechanizmie chorób neurodegeneracyjnych

Choroby neurodegeneracyjne są grupą zaburzeń, w których dochodzi do zmian w strukturze i funkcjonowaniu neuronów. Schorzenia te mają charakter progresywny. Alfa-synukleina jest jednym z podstawowych składników ziarnistości cytoplazmatycznych w mózgu zwanych ciałami Lewy’ego. [22] Złogi białkowe odkładają się głównie w jądrach komórek ciała migdałowatego i w hipokampie, uszkadzając zakończenia synaptyczne. [16] Ciała Lewy’ego są podstawowymi markerami choroby Parkinsona. [22] Ponadto istnieje silna korelacja pomiędzy występowaniem dziedzicznej postaci tej choroby a mutacjami A30P, A53T oraz E46K w genie kodującym ASN. [16] Zaburzenia prawidłowej struktury białka ASN mają również istotne znaczenie w patogenezie innych synukleinopatii. [23]

Cząsteczki alfa-synukleiny w mózgach osób chorych na schorzenia neurodegeneracyjne ulegają nitrowaniu pod wpływem nadtlenoazotynu (ONOO-). Jest to kompleks powstały z tlenku azotu i anionorodnika ponadtlenkowego. Związek ten indukuje tworzenie wolnych rodników. Dochodzi do utleniania alfa-synukleiny i jej całkowitej polimeryzacji. Tworzą się oligomery o niezwykłej odporności na działanie czynników modulujących ich aktywność. Obecność nitrowanych cząsteczek tego białka w postaci złogów jest cechą charakterystyczną chorób neurodegeneracyjnych. [16]

Blaszki starcze powstają w wyniku zalegania substancji białkowych – beta-amyloidów. Są to lepkie cząsteczki okalające komórki nerwowe W blaszkach starczych osób cierpiących na choroby neurodegeneracyjne występuje duże nagromadzenie sekwencji NAC alfa-synukleiny. Natomiast białko ASN gromadzi się w synapsach i aksonach komórek nerwowych. Obecność alfa-synukleiny w przestrzeni zewnątrzkomórkowej jest jedną z charakterystycznych cech chorób neurodegeneracyjnych, m.in. choroby Alzheimera. Białko to działa toksycznie zarówno na komórki nerwowe jak i na komórki glejowe, a stopień ich uszkodzeń zależny jest od stężenia alfa-synukleiny w macierzy pozakomórkowej. Zewnątrzkomórkowa ekspresja tego białka zachodzi już na początkowym etapie choroby, ale obniża się wraz z jej rozwojem. Prawdopodobnie wynika to z utraty zakończeń nerwowych u osób zmagających się z tym zaburzeniem. Brak neurytów i synaps prowadzi do ograniczenia możliwości gromadzenia się alfa-synukleiny w przestrzeniach zewnątrzkomórkowych. [16]

Kolejną z cech charakterystycznych choroby Alzheimera jest obecność agregatów alfa-synukleiny w komórkach hipokampa. Agregaty te nie zawierają ubikwityny. [16] Ubikwityna jest białkiem biorącym udział w naznaczaniu białek (ubikwitynacji). Proces ten powoduje szereg zmian we właściwościach białek. Ubikwityna reguluje takie procesy jak naprawa DNA, ekspresja genów, czy transport komórkowy. [26]

6. Udział alfa-synukleiny w procesach oksydacyjnych

W warunkach fizjologicznych alfa-synukleina ma właściwości antyoksydacyjne. Aktywuje kinazę c-Jun, która ma istotne znaczenie dla odpowiedzi komórek na stres spowodowany działaniem wolnych rodników. Białko to obniża aktywność DAT, które w nadmiarze indukuje stres oksydacyjny. Ponadto alfa-synukleina chroni komórki przed uwalnianiem wysoce reaktywnych form tlenu. [18]

Błędy w kodowaniu genów ASN prowadzą do zmian konformacyjnych i funkcjonalnych łańcucha polipeptydowego tego białka. Nadmierna akumulacja fragmentów NAC alfa-synukleiny powoduje, że zaczynają one przejawiać cechy cytotoksyczności. Na skutek inhibicji kompleksu II łańcucha oddechowego następuje uwalnianie reaktywnych form tlenu. Wzrost ich poziomu prowadzi do stresu oksydacyjnego, aktywacji czynnika transkrypcyjnego NFκB, indukcji genów proapoptotycznych i obumierania neuronów. [24] Jednocześnie stres oksydacyjny może być jednym z istotnych czynników pobudzających tworzenie polimerów alfa-synukleiny. Do najważniejszych oksydantów powodujących oligomeryzację białka ASN, jej agregację oraz odkładanie białka w formie nierozpuszczalnych złogów należą nadtlenek wodoru, jony żelaza i miedzi. [16]

W wyniku stresu oksydacyjnego dochodzi do zmian przepuszczalności, a nawet ciągłości błony komórkowej alfa-synukleiny i translokacji białka z cytoplazmy do jądra komórkowego. Początkowo dochodzi do przemieszczenia regionu C-końcowego alfa-synukleiny, a następnie do przeniesienia całego białka. Dodatkowo stres oksydacyjny powoduje zwiększenie wewnątrzkomórkowego stężenia wapnia, co prowadzi do nadmiernej aktywacji kalpainy I. [16] Kalpainy to wewnątrzkomórkowe enzymy z grupy nielizosomowych proteaz cysteinowych. Odpowiadają one za degradację białek. [25] Indukcja stresu oksydacyjnego powodująca jądrową translokację alfa-synukleiny może również skutkować uszkodzeniem DNA. W jego wyniku dochodzi do aktywacji polimerazy poli(ADP-rybozy). Nadmierna aktywność tego enzymu prowadzi do zużycia NAD+ i ATP, co skutkuje wyczerpaniem energii w komórce i może doprowadzić nawet do jej śmierci w wyniku nekrozy. Nadekspresja polimeazy poli(ADP-rybozy) jest istotnym czynnikiem w rozwoju chorób ośrodkowego układu nerwowego, m.in. w chorobie Parkinsona. Wzrost tego enzymu obserwuje się również u osób po przebytym udarze niedokrwiennym mózgu. [16]

7. Udział alfa-synukleiny w patomechanizmie czerniaka

Mutacja genów alfa-synukleiny jest jednym z czynników ryzyka w powstawaniu czerniaka skóry. Białko to występuje w melanocytach i podlega regulacji przez czynnik transkrypcyjny indukujący melanocyty (ang. microphtalmia-associated transcription factor, MITF). Czynnik ten reguluje ekspresję genów dla enzymów potrzebnych do syntezy melaniny, m.in. tyrozynaz. Mutacja MITF prowadzi do transformacji melanocytów i rozwoju choroby nowotworowej. Nadekspresja alfa-synukleiny występuje zarówno w czerniaku pierwotnym, jak i w czerniaku przebiegającym z przerzutami. Znaczą ilość tego białka obserwuje się w znamionach skórnych u pacjentów z tym nowotworem. [27]

8. Udział alfa-synukleiny w zaburzeniach snu

W przebiegu synukleinopatii, zwłaszcza w chorobie Parkinsona, występują zaburzenia zachowania w czasie snu. Zaburzenia te nazywane są parasomniami. Wśród najczęstszych parasomni wyróżnia się lęki nocne, koszmary senne, bruksizm, lunatyzm, mówienie przez sen czy też paraliż nocny. W ich przebiegu dochodzi także do osłabienia skurczu mięśni gładkich, co może skutkować zaburzeniami oddychania. Patologii podlega przede wszystkim faza snu REM (ang. rapid eye movement) będąca okresem szybkich ruchów gałek ocznych. Jest to faza, w której pojawiają się marzenia senne. U osób wykazujących zaburzenia zachowania w czasie snu REM marzenia senne powodują jednak poczucie zagrożenia. Snom towarzyszy bowiem bogata aktywność ruchowa i wokalna pozostająca w ścisłym związku z ich treścią. Uważa się, że parasomnie są wczesnym objawem chorób neurozwyrodnieniowych związanych z białkiem ASN. Zaburzenia zachowania w czasie snu REM ulegają konwersji do jednej z pełnoobjawowych synukleinopatii, najczęściej do choroby Parkinsona. Podejmowane są próby wskazania markerów prognostycznych konwersji. Prawdopodobnie jednym z czynników jest nieprawidłowo funkcjonujący układ dopaminergiczny, który dodatkowo przyspiesza te procesy. Wśród lekarzy neurologów istnieje dylemat etyczny, czy informować pacjentów z zaburzeniami zachowania w czasie snu REM o prawdopodobieństwie rozwoju choroby Parkinsona, jeśli nie ma pewności kiedy do tego dojdzie, a przede wszystkim, gdy nie można zaoferować pacjentowi leczenia modyfikującego przebieg procesu neurozwyrodnieniowego. [28]