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Maldonado-García JL, García-Mena LH, Mendieta-Cabrera D, Pérez-Sánchez G, Becerril-Villanueva E, Alvarez-Herrera S, Homberg T, Vallejo-Castillo L, Pérez-Tapia SM, Moreno-Lafont MC, Ortuño-Sahagún D, Pavón L. Use of Extracellular Monomeric Ubiquitin as a Therapeutic Option for Major Depressive Disorder. Pharmaceuticals (Basel) 2024; 17:841. [PMID: 39065692 PMCID: PMC11279398 DOI: 10.3390/ph17070841] [Citation(s) in RCA: 0] [Impact Index Per Article: 0] [Reference Citation Analysis] [Abstract] [Key Words] [Grants] [Track Full Text] [Journal Information] [Subscribe] [Scholar Register] [Received: 05/25/2024] [Revised: 06/13/2024] [Accepted: 06/18/2024] [Indexed: 07/28/2024] Open
Abstract
Major depressive disorder (MDD) is a mood disorder that has become a global health emergency according to the World Health Organization (WHO). It affects 280 million people worldwide and is a leading cause of disability and financial loss. Patients with MDD present immunoendocrine alterations like cortisol resistance and inflammation, which are associated with alterations in neurotransmitter metabolism. There are currently numerous therapeutic options for patients with MDD; however, some studies suggest a high rate of therapeutic failure. There are multiple hypotheses explaining the pathophysiological mechanisms of MDD, in which several systems are involved, including the neuroendocrine and immune systems. In recent years, inflammation has become an important target for the development of new therapeutic options. Extracellular monomeric ubiquitin (emUb) is a molecule that has been shown to have immunomodulatory properties through several mechanisms including cholinergic modulation and the generation of regulatory T cells. In this perspective article, we highlight the influence of the inflammatory response in MDD. In addition, we review and discuss the evidence for the use of emUb contained in Transferon as a concomitant treatment with selective serotonin reuptake inhibitors (SSRIs).
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Affiliation(s)
- José Luis Maldonado-García
- Departamento de Inmunología, Escuela Nacional de Ciencias Biológicas, Instituto Politécnico Nacional, Mexico City 11340, Mexico; (J.L.M.-G.); (S.M.P.-T.)
- Departamento de Bioquímica, Facultad de Medicina, Universidad Nacional Autónoma de México, Mexico City 04360, Mexico
- Laboratorio de Psicoinmunología, Dirección de Investigaciones en Neurociencias, Instituto Nacional de Psiquiatría Ramón de la Fuente Muñiz, Mexico City 14370, Mexico; (G.P.-S.); (E.B.-V.); (S.A.-H.)
| | - Lissette Haydee García-Mena
- Departamento de Salud Digital, Facultad de Medicina, Universidad Nacional Autónoma de México, Mexico City 04360, Mexico;
| | - Danelia Mendieta-Cabrera
- Servicios Clínicos, Instituto Nacional de Psiquiatría Ramón de la Fuente Muñiz, Ciudad de México 14370, Mexico;
| | - Gilberto Pérez-Sánchez
- Laboratorio de Psicoinmunología, Dirección de Investigaciones en Neurociencias, Instituto Nacional de Psiquiatría Ramón de la Fuente Muñiz, Mexico City 14370, Mexico; (G.P.-S.); (E.B.-V.); (S.A.-H.)
| | - Enrique Becerril-Villanueva
- Laboratorio de Psicoinmunología, Dirección de Investigaciones en Neurociencias, Instituto Nacional de Psiquiatría Ramón de la Fuente Muñiz, Mexico City 14370, Mexico; (G.P.-S.); (E.B.-V.); (S.A.-H.)
| | - Samantha Alvarez-Herrera
- Laboratorio de Psicoinmunología, Dirección de Investigaciones en Neurociencias, Instituto Nacional de Psiquiatría Ramón de la Fuente Muñiz, Mexico City 14370, Mexico; (G.P.-S.); (E.B.-V.); (S.A.-H.)
| | - Toni Homberg
- Unidad de Desarrollo e Investigación en Bioterapéuticos (UDIBI), Escuela Nacional de Ciencias Biológicas, Instituto Politécnico Nacional, Mexico City 11340, Mexico; (T.H.); (L.V.-C.)
- Laboratorio Nacional Para Servicios Especializados de Investigación, Desarrollo e Innovación (I+D+i) Para Farmoquímicos y Biotecnológicos, LANSEIDI-FarBiotec-CONACyT, Mexico City 11340, Mexico
| | - Luis Vallejo-Castillo
- Unidad de Desarrollo e Investigación en Bioterapéuticos (UDIBI), Escuela Nacional de Ciencias Biológicas, Instituto Politécnico Nacional, Mexico City 11340, Mexico; (T.H.); (L.V.-C.)
- Laboratorio Nacional Para Servicios Especializados de Investigación, Desarrollo e Innovación (I+D+i) Para Farmoquímicos y Biotecnológicos, LANSEIDI-FarBiotec-CONACyT, Mexico City 11340, Mexico
| | - Sonia Mayra Pérez-Tapia
- Departamento de Inmunología, Escuela Nacional de Ciencias Biológicas, Instituto Politécnico Nacional, Mexico City 11340, Mexico; (J.L.M.-G.); (S.M.P.-T.)
- Unidad de Desarrollo e Investigación en Bioterapéuticos (UDIBI), Escuela Nacional de Ciencias Biológicas, Instituto Politécnico Nacional, Mexico City 11340, Mexico; (T.H.); (L.V.-C.)
- Laboratorio Nacional Para Servicios Especializados de Investigación, Desarrollo e Innovación (I+D+i) Para Farmoquímicos y Biotecnológicos, LANSEIDI-FarBiotec-CONACyT, Mexico City 11340, Mexico
| | - Martha C. Moreno-Lafont
- Departamento de Inmunología, Escuela Nacional de Ciencias Biológicas, Instituto Politécnico Nacional, Mexico City 11340, Mexico; (J.L.M.-G.); (S.M.P.-T.)
| | - Daniel Ortuño-Sahagún
- Instituto de Investigación en Ciencias Biomédicas (IICB), CUCS, Universidad de Guadalajara, Jalisco 44340, Mexico;
| | - Lenin Pavón
- Laboratorio de Psicoinmunología, Dirección de Investigaciones en Neurociencias, Instituto Nacional de Psiquiatría Ramón de la Fuente Muñiz, Mexico City 14370, Mexico; (G.P.-S.); (E.B.-V.); (S.A.-H.)
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Mendoza-Salazar I, Fragozo A, González-Martínez AP, Trejo-Martínez I, Arreola R, Pavón L, Almagro JC, Vallejo-Castillo L, Aguilar-Alonso FA, Pérez-Tapia SM. Almost 50 Years of Monomeric Extracellular Ubiquitin (eUb). Pharmaceuticals (Basel) 2024; 17:185. [PMID: 38399400 PMCID: PMC10892293 DOI: 10.3390/ph17020185] [Citation(s) in RCA: 0] [Impact Index Per Article: 0] [Reference Citation Analysis] [Abstract] [Key Words] [Grants] [Track Full Text] [Journal Information] [Subscribe] [Scholar Register] [Received: 12/26/2023] [Revised: 01/17/2024] [Accepted: 01/24/2024] [Indexed: 02/25/2024] Open
Abstract
Monomeric ubiquitin (Ub) is a 76-amino-acid highly conserved protein found in eukaryotes. The biological activity of Ub first described in the 1970s was extracellular, but it quickly gained relevance due to its intracellular role, i.e., post-translational modification of intracellular proteins (ubiquitination) that regulate numerous eukaryotic cellular processes. In the following years, the extracellular role of Ub was relegated to the background, until a correlation between higher survival rate and increased serum Ub concentrations in patients with sepsis and burns was observed. Although the mechanism of action (MoA) of extracellular ubiquitin (eUb) is not yet well understood, further studies have shown that it may ameliorate the inflammatory response in tissue injury and multiple sclerosis diseases. These observations, compounded with the high stability and low immunogenicity of eUb due to its high conservation in eukaryotes, have made this small protein a relevant candidate for biotherapeutic development. Here, we review the in vitro and in vivo effects of eUb on immunologic, cardiovascular, and nervous systems, and discuss the potential MoAs of eUb as an anti-inflammatory, antimicrobial, and cardio- and brain-protective agent.
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Affiliation(s)
- Ivette Mendoza-Salazar
- Unidad de Desarrollo e Investigación en Bioterapéuticos (UDIBI), Escuela Nacional de Ciencias Biológicas, Instituto Politécnico Nacional, Prolongación de Carpio y Plan de Ayala S/N, Colonia Santo Tomás, Alcaldía Miguel Hidalgo, Mexico City 11340, Mexico
- Laboratorio Nacional para Servicios Especializados de Investigación, Desarrollo e Innovación (I + D + i) para Farmoquímicos y Biotecnológicos, LANSEIDI-FarBiotec-CONACyT, Prolongación de Carpio y Plan de Ayala S/N, Colonia Santo Tomás, Alcaldía Miguel Hidalgo, Mexico City 11340, Mexico
- Departamento de Inmunología, Escuela Nacional de Ciencias Biológicas, Instituto Politécnico Nacional, Prolongación de Carpio y Plan de Ayala S/N, Colonia Santo Tomás, Alcaldía Miguel Hidalgo, Mexico City 11340, Mexico
| | - Ana Fragozo
- Unidad de Desarrollo e Investigación en Bioterapéuticos (UDIBI), Escuela Nacional de Ciencias Biológicas, Instituto Politécnico Nacional, Prolongación de Carpio y Plan de Ayala S/N, Colonia Santo Tomás, Alcaldía Miguel Hidalgo, Mexico City 11340, Mexico
- Laboratorio Nacional para Servicios Especializados de Investigación, Desarrollo e Innovación (I + D + i) para Farmoquímicos y Biotecnológicos, LANSEIDI-FarBiotec-CONACyT, Prolongación de Carpio y Plan de Ayala S/N, Colonia Santo Tomás, Alcaldía Miguel Hidalgo, Mexico City 11340, Mexico
- Departamento de Inmunología, Escuela Nacional de Ciencias Biológicas, Instituto Politécnico Nacional, Prolongación de Carpio y Plan de Ayala S/N, Colonia Santo Tomás, Alcaldía Miguel Hidalgo, Mexico City 11340, Mexico
| | - Aneth P González-Martínez
- Unidad de Desarrollo e Investigación en Bioterapéuticos (UDIBI), Escuela Nacional de Ciencias Biológicas, Instituto Politécnico Nacional, Prolongación de Carpio y Plan de Ayala S/N, Colonia Santo Tomás, Alcaldía Miguel Hidalgo, Mexico City 11340, Mexico
- Laboratorio Nacional para Servicios Especializados de Investigación, Desarrollo e Innovación (I + D + i) para Farmoquímicos y Biotecnológicos, LANSEIDI-FarBiotec-CONACyT, Prolongación de Carpio y Plan de Ayala S/N, Colonia Santo Tomás, Alcaldía Miguel Hidalgo, Mexico City 11340, Mexico
- Departamento de Inmunología, Escuela Nacional de Ciencias Biológicas, Instituto Politécnico Nacional, Prolongación de Carpio y Plan de Ayala S/N, Colonia Santo Tomás, Alcaldía Miguel Hidalgo, Mexico City 11340, Mexico
| | - Ismael Trejo-Martínez
- Unidad de Desarrollo e Investigación en Bioterapéuticos (UDIBI), Escuela Nacional de Ciencias Biológicas, Instituto Politécnico Nacional, Prolongación de Carpio y Plan de Ayala S/N, Colonia Santo Tomás, Alcaldía Miguel Hidalgo, Mexico City 11340, Mexico
- Laboratorio Nacional para Servicios Especializados de Investigación, Desarrollo e Innovación (I + D + i) para Farmoquímicos y Biotecnológicos, LANSEIDI-FarBiotec-CONACyT, Prolongación de Carpio y Plan de Ayala S/N, Colonia Santo Tomás, Alcaldía Miguel Hidalgo, Mexico City 11340, Mexico
- Departamento de Inmunología, Escuela Nacional de Ciencias Biológicas, Instituto Politécnico Nacional, Prolongación de Carpio y Plan de Ayala S/N, Colonia Santo Tomás, Alcaldía Miguel Hidalgo, Mexico City 11340, Mexico
| | - Rodrigo Arreola
- Subdirección de Investigaciones Clínicas, Instituto Nacional de Psiquiatría Ramón de la Fuente Muñiz, Calzada México-Xochimilco 101, Colonia San Lorenzo Huipulco, Tlalpan, Mexico City 14370, Mexico
| | - Lenin Pavón
- Laboratorio de Psicoinmunología, Dirección de Investigaciones en Neurociencias, Instituto Nacional de Psiquiatría Ramón de la Fuente Muñiz, Mexico City 14370, Mexico
| | - Juan C Almagro
- Unidad de Desarrollo e Investigación en Bioterapéuticos (UDIBI), Escuela Nacional de Ciencias Biológicas, Instituto Politécnico Nacional, Prolongación de Carpio y Plan de Ayala S/N, Colonia Santo Tomás, Alcaldía Miguel Hidalgo, Mexico City 11340, Mexico
- Laboratorio Nacional para Servicios Especializados de Investigación, Desarrollo e Innovación (I + D + i) para Farmoquímicos y Biotecnológicos, LANSEIDI-FarBiotec-CONACyT, Prolongación de Carpio y Plan de Ayala S/N, Colonia Santo Tomás, Alcaldía Miguel Hidalgo, Mexico City 11340, Mexico
- GlobalBio, Inc., 320 Concord Ave, Cambridge, MA 02138, USA
| | - Luis Vallejo-Castillo
- Unidad de Desarrollo e Investigación en Bioterapéuticos (UDIBI), Escuela Nacional de Ciencias Biológicas, Instituto Politécnico Nacional, Prolongación de Carpio y Plan de Ayala S/N, Colonia Santo Tomás, Alcaldía Miguel Hidalgo, Mexico City 11340, Mexico
- Laboratorio Nacional para Servicios Especializados de Investigación, Desarrollo e Innovación (I + D + i) para Farmoquímicos y Biotecnológicos, LANSEIDI-FarBiotec-CONACyT, Prolongación de Carpio y Plan de Ayala S/N, Colonia Santo Tomás, Alcaldía Miguel Hidalgo, Mexico City 11340, Mexico
| | - Francisco A Aguilar-Alonso
- Unidad de Desarrollo e Investigación en Bioterapéuticos (UDIBI), Escuela Nacional de Ciencias Biológicas, Instituto Politécnico Nacional, Prolongación de Carpio y Plan de Ayala S/N, Colonia Santo Tomás, Alcaldía Miguel Hidalgo, Mexico City 11340, Mexico
- Laboratorio Nacional para Servicios Especializados de Investigación, Desarrollo e Innovación (I + D + i) para Farmoquímicos y Biotecnológicos, LANSEIDI-FarBiotec-CONACyT, Prolongación de Carpio y Plan de Ayala S/N, Colonia Santo Tomás, Alcaldía Miguel Hidalgo, Mexico City 11340, Mexico
| | - Sonia M Pérez-Tapia
- Unidad de Desarrollo e Investigación en Bioterapéuticos (UDIBI), Escuela Nacional de Ciencias Biológicas, Instituto Politécnico Nacional, Prolongación de Carpio y Plan de Ayala S/N, Colonia Santo Tomás, Alcaldía Miguel Hidalgo, Mexico City 11340, Mexico
- Laboratorio Nacional para Servicios Especializados de Investigación, Desarrollo e Innovación (I + D + i) para Farmoquímicos y Biotecnológicos, LANSEIDI-FarBiotec-CONACyT, Prolongación de Carpio y Plan de Ayala S/N, Colonia Santo Tomás, Alcaldía Miguel Hidalgo, Mexico City 11340, Mexico
- Departamento de Inmunología, Escuela Nacional de Ciencias Biológicas, Instituto Politécnico Nacional, Prolongación de Carpio y Plan de Ayala S/N, Colonia Santo Tomás, Alcaldía Miguel Hidalgo, Mexico City 11340, Mexico
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Watzlawik JO, Hou X, Fricova D, Ramnarine C, Barodia SK, Gendron TF, Heckman MG, DeTure M, Siuda J, Wszolek ZK, Scherzer CR, Ross OA, Bu G, Dickson DW, Goldberg MS, Fiesel FC, Springer W. Sensitive ELISA-based detection method for the mitophagy marker p-S65-Ub in human cells, autopsy brain, and blood samples. Autophagy 2020; 17:2613-2628. [PMID: 33112198 PMCID: PMC8496550 DOI: 10.1080/15548627.2020.1834712] [Citation(s) in RCA: 30] [Impact Index Per Article: 7.5] [Reference Citation Analysis] [Abstract] [Key Words] [Track Full Text] [Download PDF] [Figures] [Journal Information] [Subscribe] [Scholar Register] [Indexed: 02/08/2023] Open
Abstract
Mitochondrial dysfunction is an early, imminent event in neurodegenerative disorders including Parkinson disease (PD) and Alzheimer disease (AD). The enzymatic pair PINK1 and PRKN/Parkin recognize and transiently label damaged mitochondria with ubiquitin (Ub) phosphorylated at Ser65 (p-S65-Ub) as a signal for degradation via the autophagy-lysosome system (mitophagy). Despite its discovery in cell culture several years ago, robust and quantitative detection of altered mitophagy in vivo has remained challenging. Here we developed a sandwich ELISA targeting p-S65-Ub with the goal to assess mitophagy levels in mouse brain and in human clinical and pathological samples. We characterized five total Ub and four p-S65-Ub antibodies by several techniques and found significant differences in their ability to recognize phosphorylated Ub. The most sensitive antibody pair detected recombinant p-S65-Ub chains in the femtomolar to low picomolar range depending on the poly-Ub chain linkage. Importantly, this ELISA was able to assess very low baseline mitophagy levels in unstressed human cells and in brains from wild-type and prkn knockout mice as well as elevated p-S65-Ub levels in autopsied frontal cortex from AD patients vs. control cases. Moreover, the assay allowed detection of p-S65-Ub in blood plasma and was able to discriminate between PINK1 mutation carriers and controls. In summary, we developed a robust and sensitive tool to measure mitophagy levels in cells, tissue, and body fluids. Our data strongly support the idea that the stress-activated PINK1-PRKN mitophagy pathway is constitutively active in mice and humans under unstimulated, physiological and elevated in diseased, pathological conditions.Abbreviations: Ab: antibody; AD: Alzheimer disease; AP: alkaline phosphatase; CV: coefficient of variation; ECL: electrochemiluminescence; KO: knockout; LoB: Limit of Blank; LoD: Limit of Detection; LoQ: Limit of Quantification; MSD: meso scale discovery; PD: Parkinson disease; p-S65-PRKN: phosphorylated PRKN at serine 65; p-S65-Ub: phosphorylated ubiquitin at serine 65; Std.Dev.: standard deviation; Ub: ubiquitin; WT: wild type.
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Affiliation(s)
| | - Xu Hou
- Department of Neuroscience, Mayo Clinic, Jacksonville, FL, USA
| | | | - Chloe Ramnarine
- Department of Neuroscience, Mayo Clinic, Jacksonville, FL, USA
| | - Sandeep K Barodia
- Center for Neurodegeneration and Experimental Therapeutics, The University of Alabama at Birmingham, Birmingham, AL, USA
| | - Tania F Gendron
- Department of Neuroscience, Mayo Clinic, Jacksonville, FL, USA.,Neuroscience PhD Program, Mayo Clinic Graduate School of Biomedical Sciences, Jacksonville, FL, USA
| | - Michael G Heckman
- Division of Biomedical Statistics and Informatics, Mayo Clinic, Jacksonville, FL, USA
| | - Michael DeTure
- Department of Neuroscience, Mayo Clinic, Jacksonville, FL, USA
| | - Joanna Siuda
- Department of Neurology, Medical University of Silesia, Katowice, Poland
| | | | - Clemens R Scherzer
- Center for Advanced Parkinson Research, Harvard Medical School, Brigham and Women's Hospital, Boston, MA, USA
| | - Owen A Ross
- Department of Neuroscience, Mayo Clinic, Jacksonville, FL, USA.,Neuroscience PhD Program, Mayo Clinic Graduate School of Biomedical Sciences, Jacksonville, FL, USA
| | - Guojun Bu
- Department of Neuroscience, Mayo Clinic, Jacksonville, FL, USA.,Neuroscience PhD Program, Mayo Clinic Graduate School of Biomedical Sciences, Jacksonville, FL, USA
| | - Dennis W Dickson
- Department of Neuroscience, Mayo Clinic, Jacksonville, FL, USA.,Neuroscience PhD Program, Mayo Clinic Graduate School of Biomedical Sciences, Jacksonville, FL, USA
| | - Matthew S Goldberg
- Center for Neurodegeneration and Experimental Therapeutics, The University of Alabama at Birmingham, Birmingham, AL, USA.,Department of Neurology, Department of Neurobiology, The University of Alabama at Birmingham, Birmingham, AL, USA
| | - Fabienne C Fiesel
- Department of Neuroscience, Mayo Clinic, Jacksonville, FL, USA.,Neuroscience PhD Program, Mayo Clinic Graduate School of Biomedical Sciences, Jacksonville, FL, USA
| | - Wolfdieter Springer
- Department of Neuroscience, Mayo Clinic, Jacksonville, FL, USA.,Neuroscience PhD Program, Mayo Clinic Graduate School of Biomedical Sciences, Jacksonville, FL, USA
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