Bảo vệ trục thần kinh bằng Nicotinamide Riboside qua Đường dẫn SIRT1-Autophagy trong Degeneration Thần kinh thị giác do TNF gây ra

Molecular Neurobiology - Tập 57 - Trang 4952-4960 - 2020
Yasushi Kitaoka1, Kana Sase2, Chihiro Tsukahara1,2, Naoki Fujita1,2, Ibuki Arizono1,2, Hitoshi Takagi2
1Department of Molecular Neuroscience, St. Marianna University Graduate School of Medicine, Kaswasaki, Japan
2Department of Ophthalmology, St. Marianna University School of Medicine, Kawasaki, Japan

Tóm tắt

Con đường tổng hợp Nicotinamide adenine dinucleotide (NAD+) liên quan đến nhiều chức năng sinh học. Nicotinamide riboside (NR) được sử dụng rộng rãi như một tiền chất NAD+ và được biết đến là có khả năng tăng mức NAD+ ở một số mô. Nghiên cứu hiện tại nhằm mục đích kiểm tra ảnh hưởng của NR đối với tình trạng thoái hóa dây thần kinh thị giác do yếu tố hoại tử khối u (TNF) gây ra và điều tra xem nó có thay đổi biểu hiện SIRT1 và trạng thái tự thực bào trong dây thần kinh thị giác hay không. Chúng tôi cũng khảo sát sự định vị của nicotinamide riboside kinase 1 (NRK1), một enzyme hạ lưu cho con đường tổng hợp NR trong võng mạc và dây thần kinh thị giác. Tiêm nội nhãn TNF hoặc TNF cộng với NR được thực hiện trên chuột thực nghiệm. Nồng độ protein p62 và LC3-II được kiểm tra để đánh giá dòng chảy tự thực bào trong dây thần kinh thị giác. Phân tích miễn dịch mô học được thực hiện để xác định vị trí biểu hiện NRK1. Phân tích hình thái cho thấy NR bảo vệ đáng kể các trục thần kinh khỏi sự mất mát do TNF gây ra. Sự gia tăng nồng độ protein p62 do TNF gây ra đã bị ức chế một cách đáng kể bởi việc sử dụng NR. Việc sử dụng NR một mình đã làm tăng đáng kể mức LC3-II và giảm nồng độ p62 so với mức cơ bản, cũng như tăng cường mức SIRT1 trong dây thần kinh thị giác. Phân tích miễn dịch mô học cho thấy NRK1 tồn tại trong các tế bào thần kinh hạch võng mạc (RGCs) và dây thần kinh ở võng mạc và dây thần kinh thị giác. Việc sử dụng NR dường như đã làm tăng mức NRK1 ở những mắt điều trị bằng TNF cũng như những mắt kiểm soát. Tiêm trước một chất ức chế SIRT1 đã dẫn đến sự gia tăng đáng kể nồng độ p62 trong nhóm điều trị NR cộng với TNF, điều này cho thấy SIRT1 điều chỉnh trạng thái tự thực bào. Kết luận, NRK1 tồn tại trong RGCs và các trục thần kinh thị giác. NR đã có tác dụng bảo vệ chống lại sự mất mát trục thần kinh do TNF gây ra với khả năng có sự tham gia của việc tăng cường NRK1 và con đường tự thực bào SIRT1.

Từ khóa

#Nicotinamide adenine dinucleotide #Nicotinamide riboside #TNF #thị giác #dây thần kinh thị giác #tự thực bào #SIRT1 #NRK1

Tài liệu tham khảo

Bogan KL, Brenner C (2008) Nicotinic acid, nicotinamide, and nicotinamide riboside: a molecular evaluation of NAD+ precursor vitamins in human nutrition. Annu Rev Nutr 28:115–130 Araki T, Sasaki Y, Milbrandt J (2004) Increased nuclear NAD biosynthesis and SIRT1 activation prevent axonal degeneration. Science 305:1010–1013 Wang J, Zhai Q, Chen Y, Lin E, Gu W, McBurney MW, He Z (2005) A local mechanism mediates NAD-dependent protection of axon degeneration. J Cell Biol 170:349–355 Gilley J, Coleman MP (2010) Endogenous Nmnat2 is an essential survival factor for maintenance of healthy axons. PLoS Biol 8:e1000300 Sasaki Y, Araki T, Milbrandt J (2006) Stimulation of nicotinamide adenine dinucleotide biosynthetic pathways delays axonal degeneration after axotomy. J Neurosci 26:8484–8491 Press C, Milbrandt J (2008) Nmnat delays axonal degeneration caused by mitochondrial and oxidative stress. J Neurosci 28:4861–4871 Kitaoka Y, Hayashi Y, Kumai T, Takeda H, Munemasa Y, Fujino H, Kitaoka Y, Ueno S et al (2009) Axonal and cell body protection by nicotinamide adenine dinucleotide in tumor necrosis factor-induced optic neuropathy. J Neuropathol Exp Neurol 68:915–927 Kitaoka Y, Munemasa Y, Kojima K, Hirano A, Ueno S, Takagi H (2013) Axonal protection by Nmnat3 overexpression with involvement of autophagy in optic nerve degeneration. Cell Death Dis 4:e860 Gilley J, Adalbert R, Yu G, Coleman MP (2013) Rescue of peripheral and CNS axon defects in mice lacking NMNAT2. J Neurosci 33:13410–13424 Zhu Y, Zhang L, Sasaki Y, Milbrandt J, Gidday JM (2013) Protection of mouse retinal ganglion cell axons and soma from glaucomatous and ischemic injury by cytoplasmic overexpression of Nmnat1. Invest Ophthalmol Vis Sci 54:25–36 Williams PA, Harder JM, Foxworth NE, Cochran KE, Philip VM, Porciatti V, Smithies O, John SW (2017) Vitamin B3 modulates mitochondrial vulnerability and prevents glaucoma in aged mice. Science 355:756–760 Kouassi Nzoughet J, Chao de la Barca JM, Guehlouz K, Leruez S, Coulbault L, Allouche S, Bocca C, Muller J et al (2019) Nicotinamide deficiency in primary open-angle glaucoma. Invest Ophthalmol Vis Sci 60:2509–2514 Trammell SA, Schmidt MS, Weidemann BJ, Redpath P, Jaksch F, Dellinger RW, Li Z, Abel ED et al (2016) Nicotinamide riboside is uniquely and orally bioavailable in mice and humans. Nat Commun 7:12948 Ratajczak J, Joffraud M, Trammell SA, Ras R, Canela N, Boutant M, Kulkarni SS, Rodrigues M et al (2016) NRK1 controls nicotinamide mononucleotide and nicotinamide riboside metabolism in mammalian cells. Nat Commun 7:13103 Zhu Y, Zhao KK, Tong Y, Zhou YL, Wang YX, Zhao PQ, Wang ZY (2016) Exogenous NAD(+) decreases oxidative stress and protects H2O2-treated RPE cells against necrotic death through the up-regulation of autophagy. Sci Rep 6:26322 Sedlackova L, Korolchuk VI (2020) The crosstalk of NAD, ROS and autophagy in cellular health and ageing. Biogerontology 21:381–397. https://doi.org/10.1007/s10522-020-09864-0 Li W, Zhu L, Ruan ZB, Wang MX, Ren Y, Lu W (2019) Nicotinamide protects chronic hypoxic myocardial cells through regulating mTOR pathway and inducing autophagy. Eur Rev Med Pharmacol Sci 23:5503–5511 Munemasa Y, Kitaoka Y (2015) Autophagy in axonal degeneration in glaucomatous optic neuropathy. Prog Retin Eye Res 47:1–18 Koch JC, Lingor P (2016) The role of autophagy in axonal degeneration of the optic nerve. Exp Eye Res 144:81–89 Russo R, Nucci C, Corasaniti MT, Bagetta G, Morrone LA (2015) Autophagy dysregulation and the fate of retinal ganglion cells in glaucomatous optic neuropathy. Prog Brain Res 220:87–105 Adornetto A, Parisi V, Morrone LA, Corasaniti MT, Bagetta G, Tonin P, Russo R (2020) The role of autophagy in glaucomatous optic neuropathy. Front Cell Dev Biol 8:121 Klionsky DJ, Abdelmohsen K, Abe A, Abedin MJ, Abeliovich H, Acevedo Arozena A, Adachi H, Adams CM et al (2016) Guidelines for the use and interpretation of assays for monitoring autophagy (3rd edition). Autophagy 12:1–222 Belenky P, Racette FG, Bogan KL, McClure JM, Smith JS, Brenner C (2007) Nicotinamide riboside promotes Sir2 silencing and extends lifespan via Nrk and Urh1/Pnp1/Meu1 pathways to NAD+. Cell 129:473–484 Wolf G (2006) Calorie restriction increases life span: a molecular mechanism. Nutr Rev 64:89–92 Imai S, Guarente L (2014) NAD+ and Sirtuins in aging and disease. Trends Cell Biol 24:464–471 Sadun AA, Smith LE, Kenyon KR (1983) Paraphenylenediamine: a new method for tracing human visual pathways. J Neuropathol Exp Neurol 42:200–206 Sase K, Kitaoka Y, Munemasa Y, Kojima K, Takagi H (2015) Axonal protection by short-term hyperglycemia with involvement of autophagy in TNF-induced optic nerve degeneration. Front Cell Neurosci 9:425 Kitaoka Y, Sase K, Tsukahara C, Fujita N, Tokuda N, Kogo J, Takagi H (2020) Axonal protection by a small molecule SIRT1 activator, SRT2104, with alteration of autophagy in TNF-induced optic nerve degeneration. Jpn J Ophthalmol 64:298–303. https://doi.org/10.1007/s10384-020-00731-6 Schöndorf DC, Ivanyuk D, Baden P, Sanchez-Martinez A, De Cicco S, Yu C, Giunta I, Schwarz LK et al (2018) The NAD+ precursor nicotinamide riboside rescues mitochondrial defects and neuronal loss in iPSC and fly models of Parkinson's disease. Cell Rep 23:2976–2988 Xie X, Gao Y, Zeng M, Wang Y, Wei TF, Lu YB, Zhang WP (2019) Nicotinamide ribose ameliorates cognitive impairment of aged and Alzheimer's disease model mice. Metab Brain Dis 34:353–366 Harlan BA, Killoy KM, Pehar M, Liu L, Auwerx J, Vargas MR (2020) Evaluation of the NAD+ biosynthetic pathway in ALS patients and effect of modulating NAD+ levels in hSOD1-linked ALS mouse models. Exp Neurol 327:113219 Vaur P, Brugg B, Mericskay M, Li Z, Schmidt MS, Vivien D, Orset C, Jacotot E et al (2017) Nicotinamide riboside, a form of vitamin B3, protects against excitotoxicity-induced axonal degeneration. FASEB J 31:5440–5452 Shen C, Dou X, Ma Y, Ma W, Li S, Song Z (2017) Nicotinamide protects hepatocytes against palmitate-induced lipotoxicity via SIRT1-dependent autophagy induction. Nutr Res 40:40–47 Salminen A, Kaarniranta K (2009) SIRT1 regulation of longevity via autophagy. Cell Signal 21:1356–1360 Luo G, Jian Z, Zhu Y, Zhu Y, Chen B, Ma R, Tang F, Xiao Y (2019) Sirt1 promotes autophagy and inhibits apoptosis to protect cardiomyocytes from hypoxic stress. Int J Mol Med 43:2033–2043 Imai S, Guarente L (2016) It takes two to tango: NAD+ and sirtuins in aging/longevity control. NPJ Aging Mech Dis 2:16017 Joshi U, Evans JE, Pearson A, Saltiel N, Cseresznye A, Darcey T, Ojo J, Keegan AP et al (2020) Targeting sirtuin activity with nicotinamide riboside reduces neuroinflammation in a GWI mouse model. Neurotoxicology. 79:84–94. https://doi.org/10.1016/j.neuro.2020.04.006 Hedya SA, Safar MM, Bahgat AK (2018) Cilostazol mediated Nurr1 and autophagy enhancement: neuroprotective activity in rat rotenone PD model. Mol Neurobiol 55:7579–7587 Fletcher RS, Lavery GG (2018) The emergence of the nicotinamide riboside kinases in the regulation of NAD+ metabolism. J Mol Endocrinol 61:R107–R121