La perte d'activité de Park7 a des effets différentiels sur l'expression des ensembles de gènes de l'élément sensible au fer (IRE) dans le transcriptome cérébral dans un modèle Zebrafsh de la maladie de Parkinson

Abstrait

La mutation du gène PARK7 (DJ1) provoque la maladie de Parkinson (MP) monogénique autosomique récessive chez l'homme. Les altérations ultérieures de la fonction de la protéine PARK7 conduisent à un dysfonctionnement mitochondrial, un élément majeur de la pathologie de la MP. Les mutants homozygotes des gènes orthologues PARK7- chez le poisson zèbre, park7, montrent des changements dans l'expression des gènes dans la voie de phosphorylation oxydative, confirmant que la perturbation de la production d'énergie est une caractéristique clé de la neurodégénérescence dans la MP.

La maladie de Parkinson héréditaire récessive est une maladie neurodégénérative irréversible. Avec l’accélération du vieillissement de la population, le taux d’incidence a augmenté ces dernières années. Bien que les problèmes de mouvement corporel liés à la maladie soient les plus importants dans l'attention des gens, ils sont également fortement liés à des facteurs tels que les capacités cognitives, la concentration et la mémoire.

Cependant, avant de pouvoir parler des problèmes cognitifs et de mémoire associés à la maladie de Parkinson, nous devons comprendre l'impact neurologique de la maladie. Le changement neuropathologique le plus courant dans la maladie de Parkinson héréditaire récessive est une lésion de la substance noire, qui entraîne une diminution des niveaux de dopamine, provoquant des troubles du mouvement. En outre, de nombreuses caractéristiques géomorphologiques associées se retrouvent également dans des régions telles que le cortex cérébral, le cortex et l'isthme. En raison de ces changements, les personnes atteintes de la maladie de Parkinson peuvent éprouver des problèmes tels qu'une perte de mémoire et un déclin cognitif.

Cependant, pour les personnes atteintes de la forme récessive de la maladie de Parkinson, où la mémoire est affectée, il existe plusieurs stratégies proactives que nous pouvons adopter pour nous aider à faire face à ces défis. L'apprentissage de nombreuses stratégies d'amélioration de l'attention et de la mémoire nous aidera à mieux faire face aux effets de la maladie de Parkinson dans nos vies.

L’une des stratégies les plus importantes consiste à nous fixer des limites et à accepter l’aide. À titre d'exemple, si une personne atteinte de la maladie de Parkinson se rend dans un supermarché et constate qu'elle a des difficultés avec une tâche, par exemple incapable de trouver des produits d'épicerie au supermarché, elle devrait se sentir libre de demander de l'aide. Une telle action constitue un formidable stimulus cognitif et peut contribuer à améliorer la cognition et la mémoire de plusieurs manières.

Dans notre vie quotidienne, nous pouvons également essayer d’autres stratégies pour améliorer notre cognition et notre mémoire. Par exemple, nous pouvons créer un environnement d’apprentissage stimulant en lisant des livres ou en acquérant de nouvelles compétences. De plus, de simples exercices quotidiens comme reconnaître les visages des membres de la famille et consulter régulièrement votre calendrier peuvent être un moyen très efficace d’améliorer vos capacités cognitives et votre mémoire.

Bien que la maladie de Parkinson affecte dans une certaine mesure notre capacité cognitive et notre capacité de mémoire, une attitude positive et des exercices simples peuvent nous aider à maintenir une bonne capacité cognitive et une bonne capacité de mémoire. Par conséquent, nous devons relever le défi avec confiance et essayer diverses stratégies pour améliorer notre cognition et notre mémoire. Je pense donc que nous devrions améliorer notre mémoire. Le cistanche peut améliorer considérablement la mémoire, car la pâte de viande est une matière médicinale traditionnelle chinoise ayant de nombreux effets uniques, dont l'un consiste à améliorer la mémoire. L'efficacité de la viande hachée provient d'une variété d'ingrédients actifs qu'elle contient, notamment de l'acide carboxylique, des polysaccharides, des flavonoïdes, etc. Ces ingrédients peuvent favoriser la santé du cerveau par divers canaux.

Cliquez sur les suppléments pour améliorer la mémoire

Le fer est essentiel au fonctionnement normal des mitochondries et nous avons déjà utilisé l'analyse bioinformatique des transcrits porteurs d'IRE dans les transcriptomes cérébraux pour trouver des preuves étayant l'existence d'une dyshoméostasie ferrique dans la maladie d'Alzheimer. Ici, nous avons analysé les transcrits porteurs d'IRE dans les données de transcriptome de cerveaux de poisson zèbre mutants homozygotes park7 −/−. Nous avons constaté que l'ensemble de gènes avec des IRE de « haute qualité » dans leurs régions non traduites en 5 ' (UTR, l'ensemble de gènes HQ5'IRE) était significativement modifié dans ces cerveaux park7−/− âgés de 4-mois.

Cependant, les ensembles de gènes avec des IRE dans leurs UTR 3 'ne semblaient pas affectés. Les effets sur les gènes HQ5′IRE sont peut-être dus à une dyshoméostasie ferrique et/ou au stress oxydatif, mais mettent en lumière l’existence de mécanismes actuellement inconnus avec des effets globaux différentiels sur les IRE 5′ et 3′.

Mots clés:

DJ-1, PARK7, maladie de Parkinson, poisson zèbre, RNA-seq, analyse d'enrichissement, dyshoméostasie ferrique.

Introduction

La maladie de Parkinson (MP) est la deuxième maladie neurodégénérative la plus courante, touchant environ 1 % de la population âgée de plus de 60 ans. La plupart des cas de MP sont idiopathiques, mais un lien génétique clair a été identifié dans environ 5 à 10 % des cas de MP [1]. Un gène, PARK7, impliqué dans la MP autosomique récessive à apparition précoce, code pour la protéine 7 de la maladie de Parkinson (PARK7).

Il a été suggéré que la protéine PARK7 agit comme une glyoxalase indépendante du GSH pour la détoxification du méthylglyoxal et comme une protéine glycose responsable de la restauration de la fonction des protéines endommagées par le stress oxydatif. Cependant, ces activités sont contestées dans PD (revues et analysées dans [2]). PARK7 joue également un rôle essentiel dans le maintien de la fonction mitochondriale, la détection et la réponse aux espèces réactives de l'oxygène (ROS) et, finalement, agit dans la neuroprotection (examiné dans [3]).

La MP est caractérisée par l’épuisement spécifique des neurones dopaminergiques de la substance noire pars compacta (SNc DA). Ces neurones fabriquent un grand nombre de synapses dans les noyaux gris centraux. Par conséquent, leurs besoins énergétiques élevés peuvent rendre les neurones SNc DA sensibles au déficit énergétique [4]. De nombreux facteurs peuvent affecter la production d’énergie par le processus de phosphorylation oxydative.

En particulier, le fer ferreux (Fe2+) est incorporé dans les amas Fe-S, essentiels à la fonction de la chaîne de transport d'électrons (ETC) dans la phosphorylation oxydative [5]. Le dysfonctionnement de l’ETC provoque un stress oxydatif qui peut conduire à la translocation de la protéine cytosolique PARK7 (principalement) dans les mitochondries pour réguler les effets des espèces réactives de l’oxygène (ROS) [5].

Ce processus est peut-être altéré chez les individus présentant une mutation de PARK7, entraînant un dysfonctionnement de l'ETC et une dyshoméostasie du fer (via des effets sur les protéines régulatrices du fer, IRP1 et IRP2) et des neurones dopaminergiques endommagés.

IRP1 et IRP2 se lient aux IRE dans les ARNm des gènes impliqués dans l'homéostasie du fer pour réguler leur traduction et leur stabilité (examiné dans [6]). Les IRP sont régulés à la fois par le statut cellulaire en fer ferreux et par le stress oxydatif [6]. Auparavant, nous avions défini des ensembles de gènes portant des IRE dans les 5 'ou 3'UTR de leurs transcrits (à la similarité inférieure ou supérieure avec une séquence consensus IRE) chez l'homme, la souris et le poisson zèbre (7). Grâce à ces données, nous avons trouvé des preuves soutenant la dyshoméostasie ferrique dans les cerveaux atteints de la maladie d'Alzheimer (MA) et des modèles animaux de MA [7].

Des orthologues des gènes PD ont déjà été identifiés et manipulés chez le poisson zèbre. Par exemple, Hughes et coll. [8] ont développé un nouveau modèle de poisson zèbre pour examiner la fonction de PARK7. Poisson zèbre dépourvu du gène orthologue PARK7- : park7 (park7−/−) présente un phénotype de mouvement à l'âge de trois mois et présente des changements dans l'expression des gènes dans son transcriptome cérébral suggérant une perturbation du métabolisme mitochondrial (c'est-à-dire une régulation positive de gènes associés à la phosphorylation oxydative) à l’âge de quatre mois [8].

Par conséquent, nous avons émis l’hypothèse que le stress oxydatif et/ou la dyshoméostasie ferrique dans le cerveau du poisson zèbre park7−/− modifieraient la liaison des IRP aux transcrits contenant des IRE, altérant ainsi la stabilité des transcrits. Pour explorer cela, nous avons réanalysé les données du transcriptome cérébral du poisson zèbre de Hughes et al. pour tester les changements dans la représentation des ensembles de gènes contenant l'IRE dans le cerveau du poisson zèbre park7−/−. Nous avons constaté que l'ensemble de gènes HQ5′IRE est considérablement modifié dans les cerveaux park7−/− âgés de 4- mois, alors que l'ensemble de gènes HQ3′IRE ne l'est pas.

Méthodes

Pour tester les preuves d'une éventuelle dyshoméostasie ferrique dans le cerveau du poisson zèbre park7−/−, nous avons effectué une analyse d'enrichissement en utilisant des alevins [9] sur les ensembles de gènes IRE [7]. Pour des informations détaillées sur cette réanalyse de Hughes et al. [8] données, voir Fichier supplémentaire 1.
Résultats

Nous avons précédemment défini des ensembles de gènes de poisson zèbre selon qu'ils possèdent des motifs de type IRE dans les UTR 5 'ou 3' de leurs ARNm, et selon que leurs IRE correspondent à une séquence IRE canonique (haute qualité, HQ) ou non canonique (toutes) [ 7]. Nous avons constaté que seuls les transcrits de l'ensemble de gènes HQ5'IRE montrent des changements statistiquement significatifs dans l'expression des gènes en tant que groupe (Fig. 1a) dans les cerveaux park7−/− âgés de 4-mois. Il est intéressant de noter que le gène le plus régulé positivement de l’ensemble de gènes HQ5'IRE est hélas2.

Discussion

En utilisant notre méthode pour détecter des preuves de dyshoméostasie ferrique dans les données de séquençage d'ARN, nous avons trouvé une altération très significative de l'expression de gènes avec des IRE dans les 5'UTR de leurs ARNm dans des cerveaux park7−/− âgés de 4-mois.

L'homéostasie du fer est maintenue par la régulation de l'expression des gènes à plusieurs niveaux, notamment via la transcription, la stabilité de l'ARNm et la traduction de l'ARNm (examiné dans [10]). Ces deux derniers phénomènes sont modulés par les protéines régulatrices du fer IRP1 et IRP2 lorsque celles-ci se lient aux IRE. L'altération très significative de l'expression du gène HQ5′IRE défini dans les cerveaux park7−/− âgés de 4- mois est probablement due à des modifications dans la liaison d'IRP1 et/ou d'IRP2 aux IRE dans les transcriptions de ces gènes.

Cependant, comme on sait que la mutation de PARK7 provoque un stress oxydatif [11] et que le stress oxydatif peut également affecter la formation d'IRP (examiné dans [6]), il est difficile de faire la différence entre le stress oxydatif et la dyshoméostasie ferrique comme contribuant aux changements de HQ5′IRE. abondance des transcrits génétiques. En effet, le fer étant si important pour la fonction mitochondriale, la dyshoméostasie ferrique et le stress oxydatif coexistent souvent (12).

Il est intéressant de noter que l’ensemble de gènes HQ3′IRE ne semble pas affecté dans les cerveaux park7−/− et nous n’avons actuellement aucune explication sur la raison pour laquelle il devrait en être ainsi. Cependant, si les effets sur l'abondance des transcrits HQ5'IRE sont effectivement dus à la liaison des IRP, cela indique l'existence de mécanismes qui peuvent discriminer dans la liaison des IRP aux IRE (ou provoquer des différences dans les effets d'une telle liaison). , selon qu'un IRE réside dans l'UTR 5' ou 3' d'une transcription.

Parmi les membres de l'ensemble de gènes HQ5'IRE, il a été observé que les niveaux de transcription alas2 étaient augmentés dans les cerveaux park7−/−. La relation entre l'activité alas2 et les IRP est discutée dans le fichier supplémentaire 1.

Dans l’ensemble, notre analyse des données du transcriptome des cerveaux de poisson zèbre park7−/− soutient la possibilité d’une dyshoméostasie ferrique et/ou d’un stress oxydatif en tant qu’événements précliniques précoces dans la MP. Dans des études futures, nous explorerons la nature des effets des gènes liés à la PD sur l'homéostasie du fer et la fonction mitochondriale chez le poisson zèbre. Comprendre ces effets peut fournir un aperçu mécaniste de la MP pour le développement de produits thérapeutiques.

Remerciements

Nous tenons à remercier Mary Elizabeth Pownall et Katherine Newling pour avoir mis à disposition les décomptes bruts de transcription de [8], et Nhi Hin pour avoir fourni les ensembles de gènes de poisson zèbre contenant des éléments sensibles au fer.

Contributions des auteurs

HYC a rédigé le manuscrit. KB a écrit la méthodologie, généré les diagrammes et effectué l'analyse bioinformatique. ML, LCP et KB ont supervisé et fourni des conseils sur l'analyse de ce document. ML, KB, LCP et HYC ont édité le manuscrit. Tous les auteurs ont lu et approuvé le manuscrit final.

Financement
KB est soutenu par une bourse du programme de formation à la recherche du gouvernement australien et par des fonds du Carthew Family Charity Trust. ML est un employé universitaire de l'Université d'Adélaïde. LCP est un employé universitaire de l'Université d'Adélaïde et bénéficie en outre du soutien d'une bourse Barbara Kidman.

Disponibilité des données et du matériel

Le code R utilisé pour réanalyser les décomptes bruts de transcription de Hughes et al. peut être trouvé sur https://github.com/karissa-b/dj1KO-RNAseq-IRE. Les données brutes de Hughes et al. est disponible dans la base de données Gene Expression Omnibus (GEO) GSE135271 (https://www.ncbi.nlm.nih.gov/geo/query/acc.cgi? acc=GSE135271). La liste des gènes qui contiennent un élément sensible au fer (IRE) dans les régions non traduites de leurs ARNm chez le poisson zèbre peut être trouvée sur https://github.com/nhihin/ire.

Déclarations

Approbation éthique et consentement à participer

N'est pas applicable.

Consentement à la publication

N'est pas applicable.

Des intérêts concurrents

Les auteurs déclarent qu'ils n'ont aucun intérêt concurrent.

Les références

Lee JH, Han Jh, Kim H, Park SM, Joe Eh, Jou I. Le mutant LRRK2-G2019S associé à la maladie de Parkinson agit en régulant l'activité SERCA pour contrôler le stress des urgences dans les astrocytes. Acta Neuropathol Commun. 2019;7(1):68.

2. Andreeva A, Bekkhozhin Z, Omertassova N, Baizhumanov T, Yeltay G, Akhmetali M et al. L'activité apparemment délicate de DJ-1 résulte de la conversion du méthylglyoxal libre présent en équilibre rapide avec les hémithioacétals et les hémiaminaux. J Biol Chem. 2019;294(49):18863-72.

3. Dolgacheva LP, Berezhnov AV, Fedotova EI, Zinchenko VP, Abramov AY. Rôle de DJ-1 dans le mécanisme de pathogenèse de la maladie de Parkinson. J Bioenerg Biomembre. 2019;51(3):175-88.

4. Pacelli C, Giguère N, Bourque MJ, Lévesque M, Slack RS, Trudeau L. La bioénergétique mitochondriale élevée et la taille de l'arborisation axonale sont des contributeurs clés à la vulnérabilité des neurones dopaminergiques. Curr Biol. 2015;25(18):2349-60.

5. Junn E, Jang WH, Zhao X, Jeong BS, Mouradian MM. La localisation mitochondriale de DJ-1 conduit à une neuroprotection améliorée. J Neurosci Res. 2009;87(1):123–9. 6. Urrutia PJ, Bórquez DA, Núñez MT. Infamer le cerveau avec du fer. Antioxydant. 2021;10(1).

7. Hin N, Newman M, Pederson S, Lardelli M. Réponses médiées par les éléments sensibles au fer (IRE) à la dyshoméostasie ferrique dans la maladie d'Alzheimer. bioRxiv. 2021 ; 2020.05.01.071498.

8. Hughes GL, Lones MA, Bedder M, Currie PD, Smith SL, Pownall ME. L'apprentissage automatique discrimine un trouble du mouvement dans un modèle de poisson zèbre de la maladie de Parkinson. Dis Modèles Mech. 2020;13(10):d045815.

9. Wu D, Lim E, Vaillant F, Asselin-Labat ML, Visvader JE, Smyth GK. ROAST : tests d'ensembles de gènes de rotation pour des expériences de puces à ADN complexes. Bioinformatique. 2010;26(17):2176-82.

For more information:1950477648nn@gmail.com