Wissenschaftler entdecken, wie ein Zuckerschild in Gehirnblutgefäßen vor Altern und Krankheiten schützt

Wissenschaftler entdecken, wie der Zusammenbruch einer kritischen zuckerhaltigen Schicht in Gehirnblutgefäßen das Altern und die Krankheit beschleunigt und ein neues therapeutisches Ziel zur Wiederherstellung der Gesundheit des Gehirns anfing.

Eine kürzlich im Journal veröffentlichte Studie Natur zeigten, dass die Dysregulation der endothelialen Glycocokalyx-Schicht des Gehirns die Blut-Hirn-Schranke (BBB) ​​bei Krankheiten und Alterung beeinträchtigt.

Die BBB bildet eine stark regulierte Gefäßgrenze zwischen Gehirn und Blut und unterstützt die Gehirnfunktion. Die restriktive Natur des BBB wird durch die einzigartigen Eigenschaften von Hirnendothelzellen ermöglicht. Insbesondere spielen Mucin-Domänen-Glykoproteine ​​innerhalb der Glycocalyx eine entscheidende Rolle bei der Aufrechterhaltung der BBB-Integrität. Außerdem wurde die Rolle des Gehirnendothelglykocalyx in der BBB -Funktion zunehmend erkannt.

Die Glycocalyx -Beschichtungen der BBB -Luminaloberfläche und vermittelt viele Prozesse, einschließlich Zellsignal, Transport, Morphologie und Adhäsion. In Bezug auf die funktionellen Rollen und Zusammensetzung der Glycocalyx -Schicht ist jedoch wenig bekannt. Die BBB -Dysfunktion ist ein pathologisches Kennzeichen von neurodegenerativen Erkrankungen und Altern. Es gibt jedoch keine Studien, in denen die Rolle der O-Glykosylierung vom Mucin-Typ in diesem Prozess bewertet wird.

Die Studie und die Ergebnisse

In der vorliegenden Studie stellten Forscher alternde und krankheitsbedingte Veränderungen im Endothelglykocalyx des Gehirns vor. Zunächst visualisierten sie die Glycocalyx-Schichten in drei Monate alten (jungen) und 21 Monate alten (gealterten) Mäusen unter Verwendung von Transmissionselektronenmikroskopie und Lanthan-Nitratfärbung. Dies zeigte bei älteren Mäusen signifikant weniger luminale Glycocalyxschichten als bei jungen Mäusen. Der Glycocalyxbereich und die Dicke nahmen ebenfalls mit dem Altern ab. Die Verringerung der Mucin-Domänen-Glykoproteine ​​war im Gehirn besonders ausgeprägt, während andere Organe wie Herz und Leber relativ unberührt blieben.

Als nächstes analysierte das Team seinen früheren RNA-Sequenzierungsdatensatz (RNA-Seq) von Hirnendothelzellen von jungen und gealterten Mäusen und fand eine signifikante Dysregulation mehrerer Glykosylierungsgene mit dem Altern. Die Pathway-Analyse ergab die Herunterregulierung von O-Glycan-Biosynthese-Genen vom Mucin-Typ (B3GNT3, GALNT10, C1GALT1 und GALNT2), die für Mucin-Domänen-Glykoproteinproduktion und die Upregulation von Heparan-Sulfat-Metabolism-Genen (HS3St1, SDC4, GPC5, GPC5, GPC5, ALDED-GYPOD-Gene (HS3St1), in der Upregulation von GPC5, und in der Upregulation von GPC5 und in der Upregulation von GPC5, und in der Upregulation von GPC5 und der HS3St1, SDC4, und des HS3ST1, SDC4, und des

Darüber hinaus stellte das Team die Glykosylierung von Hirnendothelzellen durch Durchflusszytometrie und Bildgebung vor. Die Fluoreszenzbildgebung von isolierten Mikrogefäßen zeigte eine signifikant höhere Expression von Heparansulfat, Hyaluronan und Chondroitinsulfat und eine verringerte Expression von Mucin-Domänen-Glykoproteinen, die für die strukturelle Integrität des BBB wesentlich sind. Die Zytometrieanalyse lieferte ähnliche Ergebnisse.

Als nächstes bewertete das Team den Beitrag von Mucin-Domänen-Glykoproteinen zur Glycocalyx-Schicht. Zu diesem Zweck verwendeten sie rekombinante Mucinselektivproteine, die aus sekretierten Protease von C1 Esterase Inhibitor (STCE), einem bakteriellen Enzym, das Mucin-Domänen spezifisch spaltet, abgeleitet.

Die Forscher verwendeten ihr zuvor entwickeltes Färbungsreagenz STCE (E447D) -AF647, um Mucin-Domänen-Glykoproteine ​​zu kennzeichnen. Diese Methode ergab eine starke Luminal-Mucin-Domänen-Glykoproteinfärbung bei jungen Mäusen, jedoch signifikant schwächere und heterogenere Färbung bei gealterten Mäusen; Diese altersbedingte Verringerung der O-Glykosylierung vom Mucin-Typ war spezifisch für das Gehirn.

Darüber hinaus verschlechterte die intravenöse Verabreichung von aktiven StCE an junge Mäuse die endotheliale Glycocokalyx-Schicht des Gehirns, was darauf hindeutet, dass die Dysregulation von Mucin-Domänen-Glykoproteinen anstelle des allgemeinen Glykanverlusts zu einer strukturellen Beeinträchtigung der Glycocalyx-Schicht führt. Zusätzliche Experimente zeigten, dass die Herunterregulierung von O-Glycan-Biosynthese-Enzymen vom Mucin-Typ wie C1GALT1 und B3GNT3 zum Verlust von Mucin-Domänen-Glykoproteinen beitragen kann, die mit dem Altern beobachtet wurden.

Darüber hinaus ergab eine Analyse der veröffentlichten Einzelnucleus-RNA-Seq-Datensätze der Huntington- und Alzheimer-Krankheit, dass die O-Glycan-Biosynthese vom Hirnendothel-Mucin-Mucin-Typ in beiden Datensätzen ein häufig herunterregulierter Weg war. Dies deutet darauf hin, dass eine beeinträchtigte O-Glykosylierung vom Mucin-Typ eine gemeinsame molekulare Signatur der BBB-Dysfunktion über mehrere neurodegenerative Bedingungen darstellt.

Als nächstes untersuchten die Forscher die Auswirkungen des Verlusts der O-Glycan-Biosynthese vom Mucin-Typ auf die BBB-Funktion. Zu diesem Zweck wurde Core 1-Synthase, Glykoprotein-N-Acetyl-Galactosamin-3-Beta-Galactosyltransferase 1 (C1Galt1), die eine enzymatische Reaktion katalysiert, die den „Core 1 O-Glycan“ -Ag-AAAV-AAAV-ANDE-ANGEBNISSE-ANGEBNISSE-ANZEIGEN-ANGEBNISSE-ANZEIGEN-ANZEIGENE-ANGEBRAUCHEN. Der C1Galt1 -Knockdown führte zu einer erhöhten BBB -Permeabilität und einem umfassenden Leck von Immunglobulin (IgG) und Albumin in das Gehirn, was auf eine grundlegende Rolle bei der BBB -Stabilität hinweist.

Außerdem wurden im Cortices im Immunoglobulin (IgG) und Albumin-Leckagen nachgewiesen, was darauf hindeutet, dass die Herunterregulierung von O-Glycan-Biosyntheseenzymen vom MUCIN-Typ 1 Mucin-Typ für BBB-Dysfunktion und Gehirnhämme der Anfälligkeit erhöht. Darüber hinaus verwendete das Team STCE, um Luminal-Mucin-Domänen-Glykoproteine ​​zu spalten. Sie beobachteten eine erhöhte BBB -Permeabilität innerhalb von 24 Stunden nach der STCE -Behandlung bei jungen Mäusen, wobei eine längere Exposition zu ausgedehnten zerebralen Blutungen führte.

Darüber hinaus stellte das Team fest, dass die überexprimierenden zwei herunterregulierten O-Glycan-Biosynthese-Enzyme vom Mucin-Typ, Beta-1,3-N-Acetylglucosaminyltransferase 3 (B3GNT3) und C1GALT1, in der endothelialen und verstärkten BBB-Funktionen der Gehirn und der nicht nur verbesserten BBB-Funktion und der nicht nur verbesserten BBB-Funktionen und der C1GALTIC-Funktion und der nicht nur verbesserten BBB-Funktionen. Mit B3GNT3-Überexpression behandelte alte Mäuse zeigten eine bessere Leistung im räumlichen Arbeitsgedächtnis und im hippocampusabhängigen Lern- und Gedächtnisaufgaben.

Schlussfolgerungen

Die Ergebnisse implizieren die Dysregulation der Endothel -Glycocokalyx -Schicht des Gehirns als molekularen Mechanismus, der zur BBB -Dysfunktion bei Alterung und neurodegenerativen Erkrankungen beiträgt. Eine konservierte Verringerung der O-Glykosylierung vom Hirn-Endothel-Mucin-Typ wurde bei der Krankheit von Altern, Alzheimer und Huntington beobachtet, was es zu einem potenziellen Biomarker für den BBB-Rückgang machte.

Eine Abnahme dieser Modifikation erhöhte die BBB -Permeabilität und die Anfälligkeit für zerebrale Blutungen und förderte auch oxidativen Stress und Neuroinflammation, wodurch die Gehirnalterung und die Krankheitspathologie verschärft wurden. Umgekehrt stellte die Überexpression von O-Glycan-Biosynthese-Enzymen vom Mucin-Typ nicht nur die BBB-Integrität wieder her, sondern verbesserte auch die kognitive Funktion, was eine potenzielle therapeutische Strategie für altersbedingte ZNS-Erkrankungen aufwies.

Diese Ergebnisse legen nahe, dass die Wiederherstellung des Endothelglykocokalyx des Gehirns dazu beitragen kann, den BBB -Abbau zu verhindern, die Neurodegeneration zu mildern und die kognitive Widerstandsfähigkeit in Alterungspopulationen zu verbessern.

Quellen: