Endocitozes un autofagijas GTP enerģijas atkarība novecojošās smadzenēs un Alcheimera slimībā Ⅱ

Kopējie GTPāzes signalizācijas ceļi autofagijā: makroautofagija (mitofagija), mikroautofagija un CMA

GTPāzes superģimene ietver plašu proteīnu klāstu, kas darbojas kā molekulārie slēdži, saistot un hidrolizējot GTP molekulas, lai piesaistītu, savienotu un sapludinātu pūslīšus ar mērķa membrānām [46]. Izmaiņas GTPase funkcijā ir saistītas ar izmaiņām kravu tirdzniecībā [47]. Pārslēgšanai starp "aktīvo" stāvokli (ar GTP saistītā GTPāze) un "neaktīvo" stāvokli (ar IKP saistītā GTPāze) ir nepieciešams guanīna nukleotīdu apmaiņas faktors (GEF) un GTPāzes aktivējošais proteīns (GAP) [48] (3. att.). , ko sauc par Rab GEF/GAP kaskādi [22]. Tiek uzskatīts, ka daudzām GTPāzēm aktivētā, ar GTP saistītā stāvokļa kalpošanas laiks kalpo kā regulators, lai noteiktu bioloģiska notikuma, piemēram, membrānas saplūšanas un signāla pārraides, aktivācijas laiku. Tomēr pareizu GTPāžu darbību var ierobežot arī intracelulārā GTP līmeņa pazemināšanās. Autofagosomu veidošanā ir iesaistīti Rab ģimenes locekļi Rab1, Rab5, Rab7, Rab9A, Rab11, Rab23, Rab32 un Rab33B. Rab9 ir nepieciešams nekanoniskā autofagijā. Rab7, Rab8B un Rab24 ir galvenā loma autofagosomu nobriešanā. Rab8A un Rab25 ir iesaistīti nezināmos autofagijas aspektos [22]. Rab11 ir nepieciešams eksocitozei [49]. Autofagijas neveiksme ir saistīta ar vairākiem neveselīgiem stāvokļiem, piemēramvielmaiņas stressun proteīnu agregācija, kas saistīta ar neirodeģeneratīviem traucējumiem, tostarpAlcheimera slimība. Rab8b ir galvenā loma autofagiskās darbības organizēšanānobriešanalai gan tā pakārtotais efektors Tbk-1 tieši fosforilē p62 pie Ser-403, kas ir būtisks atlikums p62 autofagiskajai funkcijai [50]. TBK-1 ir nepieciešams arī citokinēzes izraisītai baktēriju autofagiskai eliminācijai, savukārt Rab8 notriekšana pēc autofagijas indukcijas izraisīja fagosomu samazināšanos [50].

3. att. Molekulārā pārslēgšanās starp GTPāzes stāvokļiem. Mazās GTPāzes aktīvais stāvoklis (saistīts ar GTP) tiek panākts ar nukleotīdu apmaiņas faktoru, kas katalizē IKP apmaiņu pret GTP, kā rezultātā notiek GTPāzes aktivācija. Aktīvā GTPāze mijiedarbojas ar vairāku veidu pakārtotajiem efektoriem, lai modulētu to darbību. GTPāzes aktivējošais proteīns (GAP) inaktivē ar GTP saistītos proteīnus, pastiprinot to aktivitāti GTP hidrolīzē. Ar IKP saistītā forma nevar saistīt efektorus

Noklikšķiniet šeit, lai iegūtu Herbal Cistanche kognitīvo funkciju uzlabošanai

Tā kā IKP ir cieši saistīts ar Rab GTPāzes un to iekšējie GTP hidrolīzes rādītāji ir zemi, neskatoties uz to augsto afinitāti 10–1–10–5 μM km [51], Rab GEF katalizē IKP disociāciju. Rab GAP atvieglo GTP hidrolīzi. Abiem regulatoriem ir nepieciešams koordinēt Rab GTPāzes laika un telpiskās aktivitātes [52]. Rab GTPāzes, GEF un GAP aktivitātei ir izšķiroša nozīme makroautofagijas autofagosomu transportēšanā un trafikā. Makroautofagijai ir nepieciešama stingra kontrole, un šķiet, ka daži Rab GAP darbojas pārklājošos ceļos. Piemēram, TBC domēnu saturoši proteīni TBC1D14 un TBC1D15 koordinē endosomālo tirdzniecību un autofagosomu bioģenēzi. TBC1D5 ir Rab7 GAP, ko proteīns FIS1 piesaista mitohondrijiem, lai apstrādātu Rab7 GTP hidrolīzi, ļaujot arī mitohondrijiem regulēt kontakta atsaistīšanu ar lizosomām [53]. Tā kā mitohondriju un lizosomu kontakti iezīmē Drp1-pozitīvu mitohondriju dalīšanās notikumu vietas, Rab7 GTP hidrolīzes izmaiņas izraisa gan patoloģisku lizosomu morfoloģiju, gan ievērojami samazinātu mitohondriju kustīguma ātrumu [53]. Tika pierādīts, ka LRRK1 aktivizē TBC1D2, kas ietekmē Rab7 GTPāzi un modulē autofagosomu-lizosomu saplūšanu pēc makroautofagijas indukcijas [54].

Mazo Rab GTPāžu olbaltumvielu saime kontrolē vezikulu transportēšanas ceļus un nodrošina vezikulu pārvietošanu uz to atbilstošajiem mērķa nodalījumiem. Rab GTPāzes mijiedarbojas ar efektorproteīniem, piemēram, kravas šķirošanas kompleksiem, motorolbaltumvielām un piesaistes faktoriem, kas nepieciešami dažādu intracelulāro organellu vezikulu veidošanās, transportēšanas un saplūšanas procesā. Zīdītāju šūnās ir trīs primārie autofagijas veidi: makroautofagija, mikroautofagija un chaperona mediētā autofagija (CMA) (4. attēls). Katrs apakštips sastāv no dažādiem substrāta piegādes mehānismiem lizosomā; tomēr rezultāts visiem ir vienāds, kas beidzas ar kravas nogādāšanu lizosomā degradācijai un pārstrādei.

Mitohondriju makroautofagija ir visvairāk pētīta, un to parasti sauc par mitofagiju. Mitofagijas signalizāciju galvenokārt kontrolē Rapamicīna proteīna kompleksa 1 (TORC1) mērķis. Pēc autofagijas indukcijas veidojas sekvestrējoša membrāna, ko sauc par fagoforu (4.A att.). Fagofors aptver nepareizi salocītus proteīnus un / vai disfunkcionālus organellus, līdz tas tiek pabeigts par apvalkotu autofagosomu. Pēc tam autofagosoma saplūst ar lizosomu, nododot citoplazmas kravu hidrolīzei. Pēc tam kravas iekšpusē esošie organoīdi tiek sadalīti aminoskābēs un vienkāršās taukskābēs un ogļhidrātos, lai ar lizosomu/vakuolāro membrānu caurlaidību izdalītos citoplazmā un atkārtoti izmantotu biosintēzē [55].

4. att. GTP A regulētie autofagijas ceļu veidi Makroautofagijā (mitofagijā) ar ubikvitīnu (Ub) iezīmētie proteīni piesaista p62, lai mijiedarbotos ar LC3, veidojot autofagosomas. Rab2 piedalās fagoforu veidošanā, savukārt Rab8b un Rab9a piedalās autofagosomu nobriešanā. Arl8 atrodas uz lizosomu membrānas un nodrošina lizosomu tirdzniecību. B Šaperonu izraisītā autofagijā (CMA) substrāta proteīni saistās ar LAMP-2A monomēru formu pēc KFERQ motīva atpazīšanas ar citosola Hsc70 chaperon kompleksu. Pilna substrāta atlocīšana ir nepieciešama, lai to pārvērstu multimērā kompleksā ar LAMP-2A. Lizosomu membrānā ir divi GFAP kopumi: 1, apstākļos ar augstu CMA aktivitāti GFAP mijiedarbojas ar LAMP-2A, lai stabilizētu kompleksu, kas nepieciešams CMA kravas pārvietošanai atkarībā no GTP; 2, GFAP mijiedarbojas ar EF1, savukārt GTP izraisa EF1 izdalīšanos no GFAP, inhibējot CMA un veicinot multimēru LAMP-2AC demontāžu Makroautofagijā autofagisko kravu pārņem lizosomu membrānas invaginācijas, lai uztvertu saturu. Visās no tām pārstrāde notiek pēc lizosomu degradācijas

CMA (4.B att.) neizmanto membrānas struktūras, lai atdalītu kravu, bet tā vietā izmanto chaperonus, lai identificētu kravas proteīnus un pārvietotu tos uz lizosomu membrānu, savukārt mikroautofagija (4.C att.) izmanto lizosomu membrānas invaginācijas vai izvirzījumus, lai uztvertu un piegādātu autofagiskā krava uz lizosomu membrānu [56, 57].

Reaktīvās skābekļa sugas (ROS) daļēji kontrolē autofagiju. Bads stimulē ROS (galvenokārt H2O2) ražošanu mitohondrijās, kas, šķiet, ir nepieciešams autofagosomu veidošanai. Raugā autofagiju var regulēt ROS, izmantojot Atg4, oksidējot-reducējot disulfīda saiti starp atliekām Cys338 un Cys 394, kas nepieciešama pareizai autofagosomu bioģenēzei [58]. Atg4, redoksproteāze, darbojas kā konjugējoša enzīma šķelšanās C-gals nenobriedušajā Atg8 (zīdītāju homologs LC3), lai pakļautu konservēto glicīna atlikumu tā turpmākai saistīšanai ar fosfatidiletanolamīnu (PE). Turklāt Atg4 darbojas arī kā dekonjugācijas enzīms, kas šķeļ amīdu, kas saistīts starp Atg8 un PE, kas atbrīvo to no membrānas pārstrādei, kas ir izšķiroša nozīme autofagijai būtiskajām konjugācijas sistēmām.

Autofagija: GTP regulēšana novecošanā un AD

Bojātu šūnu komponentu vai aberrantu proteīnu agregātu autofagiskā klīrenss kļūst arvien svarīgāks, lai tiktu galā ar paaugstinātu oksidatīvo stresu, kas saistīts ar novecošanos un AD [59]. Divvirzienu pārvietošanai uz šūnām un no tām jābūt ļoti koordinētai. Autofagija darbojas saistībā ar endocitozi un eksocitozi, kas abi veicina bojāto intracelulāro sastāvdaļu apriti, izmantojot lizosomu saplūšanu un gremošanu. Autofagija ietver bojātu šūnu organellu un olbaltumvielu agregātu marķēšanu noārdīšanai, kam seko autofagiskas struktūras montāža, lai transportētu kravu saplūšanai ar lizosomām, lai noārdītu bojātos proteīnus un organellus aminoskābju un lipīdu pārstrādei vai iznīcināšanai. Tas ir ļoti dinamisks process, kas nepieciešams, lai uzturētu šūnu homeostāzi un funkcijas. Autofagijas disregulācija ir saistīta ar novecošanu un patoloģiskām neirodeģeneratīvām slimībām, tostarpAlcheimera slimība. Lai gan ir labi zināms, ka patoloģiskos apstākļos ATP līmenis samazinās līdz ar vecumu [60], ar vecumu saistītās GTP līmeņa izmaiņas ir vāji izskaidrotas.

Autofagijas indukcija ir atkarīga no ADP / ATP līdzsvara. Samazināta ATP ražošana stimulē AMP aktivēto proteīnkināzi (AMPK), un AMPK stimulēšana inaktivē mTOR. AMPK palielina autofagiju ne tikai netieši, inaktivējot mTOR, bet arī tieši fosforilējot Unc-51-, piemēram, kināzi 1 (Ulk1), kas ir mTOR molekulārais mērķis autofagiskajā iekārtā [61].

GTP samazināšanās var ietekmēt autofagiju novecošanā un AD

AD pacientu pēcnāves analīze liecina par autofagosomu un citu lizosomu autofagisku vakuolu uzkrāšanos distrofiskajos neirītos un sinaptiskos terminālos, kas ir AD neiropatoloģiskas pazīmes [62]. Autofagosomu regulēšana hipokampu CA1 piramīdas neironos ir saistīta ar izmaiņām ar autofagiju saistīto gēnu (ATG3, ATG5, ATG12, ULK1 un PIK3C3/VPS34) un proteīnu (LC3B-II un LC3B I) ekspresijā agrīnā AD stadijā [63]. ]. Šie fakti liecina, ka AD ir saistīta ar izmaiņām autofagosomu tirdzniecībā.

Autofagijas disregulācija notiek gan AD pacientiem, gan dzīvnieku modeļos. Liela daudzuma autofagisku vakuolu uzkrāšanās neironu dendritos notiek PS1/APP dubultās transgēnās pelēs un parādās pat pirms A plāksnēm [64]. Līdzīgi nenobrieduši autofagiskie pūslīši aksonos tika novēroti AD peļu hipokampu neironos, daudz pirms sinapses un neironu zuduma (Cat aldo et al., 2004 [44, 65, 66]. Tau agregāti arī tiek degradēti caur autofagijas ceļu [67, 68]. Savvaļas tipa presenilīna gēns 1 (PS1) darbojas kā v-ATPāzes V0a1 apakšvienības ligands, regulējot v-ATPāzes apakšvienību izplatīšanos lizosomās paskābināšanai. Intracelulārais A saistās ar v- ATPāze un inhibē paskābināšanos [69]. PS1 mutācija tādējādi veicina autofagijas-lizosomu degradācijas sistēmas disregulāciju [70]. Galvenais ģenētiskais riska faktors sporādiskai AD, apolipoproteīns E4 (ApoE4), arī veicina autofagijas indukciju. lizosomu noplūde [71], kas izraisa traucētu endolizosomu apriti, sinaptiskās homeostāzes traucējumus un amiloīda klīrensa samazināšanos. Kopumā tas liecina, ka bojātais autofagijas-lizosomu proteolīzes ceļš varētu būt atbildīgs par tādu patogēno proteīnu kā A un tau uzkrāšanos AD. Autofagosomu veidošanai nepieciešamā gēna Atg7fox/fox nosacīta izsitums, kas krustots ar APP23 transgēnām pelēm, liecināja, ka traucēts autofagijas deficīts veicināja A uzkrāšanos CA1 un garozas piramīdas neironos, kā arī krasi samazināja ekstracelulāro A aplikuma slodzi un inhibīcijas. A sekrēta [72]. Šis novērojums liecina, ka izmaiņas autofagosomu veidošanā izvairās no pareizas A apstrādes, kas var izraisīt novirzes uzkrāšanos somā [27]. Uzkrāšanās ir novērota arī Golgi pūslīšu cis- un transpusē vēlīnā Golgi aparātā, norādot, ka šī organelle var radīt arī funkcionālas izmaiņas, kas traucē pareizu fagofora veidošanos [73]. Atbalstot šo pieņēmumu, mazā GTPase Rab2 savieno Golgi tīklu ar autofagijas ceļa iekārtām [74]. Rab2 piedalās fagoforu veidošanā, tālāk vervējot un aktivizējot Ulk1. Rab2 mijiedarbojas ar Rubcnl un Stx17 (autofagosomu SNARE proteīnu), lai vēl vairāk precizētu HOPS kompleksa piesaisti, lai atvieglotu autofagosomu nobriešanu un saplūšanu ar lizosomām [74].

Vēl viens mazo GTPāžu Ras virsģimenes loceklis, kas iesaistīts vezikulu veidošanā, ir ADP ribosilācijas faktors (Arf). Arf GTPāze galvenokārt piedalās Golgi kompleksa pumpuru veidošanās procesā, apvalka proteīnu piesaistē vezikulu veidošanās laikā membrānu tirdzniecībai. Arf GTPase ir iesaistīta APP tirdzniecības kontrolē, izmantojot MINTs proteīnus, kas ir būtiski komponenti sinaptisko pūslīšu saplūšanai. MINT proteīni tieši saistās ar Arf GTPāzēm un vienlaikus lokalizējas ar APP saturošām pūslīšiem Golgi/trans-Golgi tīkla (TGN) reģionos ar intracelulāro APP līmeni, kas ir proporcionāls MINT līmenim [75]. Arf1 iznīcināšana samazināja amiloīda peptīdu sekrēciju [76], kas liecina par Arf1 funkcijas neveiksmju ietekmi uz APP apriti, kas varētu konverģēt intracelulārajā akumulācijā (5. att.).

Dažādu Rab proteīnu disregulācija arī veicina AD patoloģiju. Rab1 disregulācija izraisa Golgi aparāta fragmentāciju, kas izraisa tau hiperfosforilāciju, aktivizējot cdk5 un ERK1/2 [77, 78]. Rab6 defekts var ietekmēt APP sekrēciju

5. att. Autofagijai nepieciešama vairāku mazu GTPāžu līdzdalība. Iniciācijas fāzē Rab2 pieņem darbā un aktivizē ULK1 fagofora veidošanā, savukārt Rab9a un Rab8b piedalās autofagosomu nobriešanā. Arfs piedalās Golgi kompleksa pumpuru veidošanā un apvalka proteīnu piesaistē pūslīšu veidošanās laikā. Rab1 piedalās divvirzienu vezikulārā transporta ceļā starp endoplazmatisko retikulu (ER) un Golgi aparātu. Sar1 GTPase ir iesaistīta COPII mediētajā transportā kā APP izejas ceļš, tiklīdz ir sasniegta tās galīgā uzbūve. Rab6 dzīvo TGN un piedalās retrogrādā transportā no Golgi uz ER, un tas ir saistīts ar vezikulārā transporta regulēšanu un APP apstrādi. Rab11 kontrolē endosomu pārstrādi plazmas membrānā. Vezikulārā eksporta traucējumi, kas satur APP-BACE, var izraisīt eksosomu uzkrāšanos. Arl8 regulē transportēšanu un lizosomu saplūšanu caur mikrotubulām gar neironu barotni, izraisot sekrēcijas ātruma izmaiņas, kas varētu veicināt izmaiņas APP anterogrādā tirdzniecībā, izraisot intracelulāru uzkrāšanos. Atbalstot intracelulāro uzkrāšanos, eksomu sekvencēšanas analīze identificēja Rab11A/B kā novēlota AD riska sastāvdaļu. Rab11 kontrolē endosomu pārstrādi plazmas membrānā. Rab11A/B klusēšana primārajos neironos, kas izolēti no APP transgēnām pelēm, samazināja A līmeni supernatantos, kas savākti un analizēti ar elektroķīmiluminiscenci (ECL) [79]. Šie dati liecina, ka A uzkrāšanos var izraisīt arī neveiksmes APP saturošu pūslīšu eksportēšanā, kas var izraisīt vezikulārās membrānas sekrēcijas šķelšanos [27] (1.B att.). Tā kā APP saturošu pūslīšu veidošanās un fagofora veidošanās ir saistīta ar pareizu ER-Golgi darbību, ko virza mazas GTPāzes, GTP līmeņa deficīts izraisītu traucējumus APP iepakojumā, kas varētu apdraudēt tā sekrēciju un veicināt intracelulāro uzkrāšanos. .

Šīs autofagijas attiecības ar intracelulārā A uzkrāšanos apstiprina ar vecumu saistīts kolokalizācijas signāls starp p62-noteiktu autofagosomu veidošanos un A formām, kas novērotas primāri kultivētos hipokampu neironos no pieaugušām 3xTg-AD pelēm [27] un APP23-transgēnas peles ar Atg7 lapsu pelēm [73]. Vēl viens interesants fakts ir tas, ka autofagijā netika novērots agregātu signāls, kas ir pozitīvs attiecībā uz katepsīnu D [27]. Šie dati var norādīt uz disfunkciju agrākos autofagijas posmos vai lizosomu funkcijās AD modeļa neironos (6. att.) [26].

GTP regulējums CMA AD

Organellu vietā CMA noārda nelielas molekulas eikariotu šūnās, ko izraisa ilgstoša badošanās vai viegls oksidatīvais stress. Ir ierosināts, ka CMA regulē GTP līmeņi [80]. Šis regulējums ietver starpposma pavedienu glia fibrilārā skābā proteīna (GFAP) un pagarinājuma faktoru -1 alfa (EF1) [46, 81]. GFAP atrodas divos dažādos baseinos pie lizosomu membrānas, daļa, kas saistīta ar LAMP-2A, un cita nesaistīta forma, kas mijiedarbojas ar EF1. Trīs KFERQ motīvi Hsc70 chaperonā novirza to uz lizosomu membrānām, kur tas mijiedarbojas ar proteīnu kompleksu LAMP-2A un stabilizē CMA kravas pārvietošanos lizosomu lūmenā. GFAP daļa, kas nav saistīta ar LAMP-2A, veicina GTP regulējumu. GTP klātbūtnē EF1 tiek atbrīvots no GFAP pie lizosomu membrānas, kas veicina disociāciju starp GFAP un LAMP-2A, mobilizējot LAMP-2A lipīdu mikrodomēnos tā degradācijai un sekojošai CMA inhibīcijai [ 81]. LAMP2A kompleksa blīvuma kļūmes uz lizosomu membrānas ir saistītas arī ar novecošanos, kas arī izraisa CMA funkcijas samazināšanos [82] (4.B att.)

Vēl viens zīdītāju autofagosomu bioģenēzes veids darbojas, izmantojot mīklainu, nekanonisku VPS{1}}neatkarīgu ceļu. Fosfoinositīdi (PI) nosaka membrānas identitāti un kontrolē vairākus membrānas tirdzniecības notikumus. Fosfatidilinozitola 5-kināze (PIKfyve) pārvērš endosomās lokalizētu fosfatidilinozitola-3-fosfātu (PI(3)P) par PI(3,5) P2, kas ir galvenais regulators agrīnai un vēlīnai endosomu membrānu apritei [83] . Turklāt PIKfyve komplekss ir atbildīgs arī par PI (5) P ražošanu no PI un regulē autofagosomu veidošanos. PI (5) P regulē autofagiju, izmantojot PI (3) P efektorus (pieņemot darbā WIPI2 un DFCP1 proteīnus), kas nodrošina mehānisku ietvaru šim alternatīvajam autofagijas ceļam. PI(5)P izmanto fosfatidilinozitola 5-fosfāta 4- kināze (PI5P4K), kas regulē PI(5)P līmeni, izmantojot GTP, nevis ATP PI(5)P fosforilēšanai, lai iegūtu PI(4, 5) P2 kā galaprodukts, kas regulē aktīna citoskeleta remodelāciju [84]. Viņi atklāja, ka PI (3, 5) P2 ir zema afinitāte pret kofilīnu, kas izjauc aktīna pavedienus, un augsta afinitāte pret N-WASP, kas aktivizē Arp2/3 kompleksu, lai uzsāktu aktīna kodolu veidošanos, lai transportētu endocītiskās pūslīšus no plazmas membrānas. Tiek ierosināts, ka PI5P4K aktivitāte atspoguļo izmaiņas tieši proporcionāli fizioloģiskajai GTP koncentrācijai, darbojoties kā intracelulārs GTP sensors [85]. Šūnās, kurām trūkst PI3P (zems PI(3,5)P2) ar bloķētu VPS34, PIKfyve komplekss uztur autofagiju, izmantojot PI5P [85]. Šie dati liecina, ka PIKfyve ir galvenā loma autofagijas modulācijā. Pavājināta PIKfyve funkcija veicina pietūkušu vakuolu veidošanos, kas dzīvās šūnās ir viegli pamanāmas ar nelielu palielinājumu [86]. APP intracelulārais domēns saistās ar PIKfyve kompleksa Vac14 apakšvienību, ietekmējot PI(3,5)P2 ražošanu [87]. PI(3,5)P2 saista un aktivizē endolizosomālo TRPML kanālu [88]. Viņi atklāja palielinātas vakuolas PI(3,5) P2-deficītos peles fibroblastos, ko nomāca veselīga TRPML1 kanāla pārmērīga ekspresija. Tika traucēta TRPML vadītspēja un lizosomu paskābināšanās [89].

Mitohondriju dalīšanās un saplūšanas atkarība no GTP

Papildus ATP nodrošināšanai, izmantojot oksidatīvo fosforilāciju, mitohondriji nodrošina arī GTP no NME4 un tā nukleozīdu difosfāta kināzes aktivitāti [8]. Šī mitohondriju enerģijas piegāde ir būtiska sinaptisko pūslīšu ģenerēšanai, lai tās atbrīvotos aksonu galos, kā arī vezikulārai pārstrādei sinapsēs. Sinaptiskos zaudējumus AD var izraisīt bioenerģētiskās spējas zudums, lai uzturētu šos būtiskos procesus. Tāpēc mitohondriju skaits un lokalizācija sinapsēs, iespējams, nosaka endocitozes un eksocitozes enerģētisko spēju. Mitohondriju dinamika smalki līdzsvaro dalīšanos un saplūšanu, ko kontrolē Drp1 un Fis1, Mf1, Mfn2 un Opa1 [90, 91] (7. att.). ATP pārvēršanu par GTP lokāli kontrolē lokalizētas nukleozīdu difosfātu kināzes (NDPK) no NME gēniem 1–4 [51]. NME1 un 2 (dažreiz saukti par NM23 H1 un H2) pārsvarā ir citozoliski, savukārt NME3 un 4 (NM23 H3, H4) ir mitohondriāli. Mitohondriju NDPK komplekss ar specifiskām dinamīna GTPāzēm, lai novirzītu GTP tieši no ATP hidrolīzes [16]. Mitohondriju dalīšanās un saplūšanas līdzsvars ir jutīgs pret redoksu nelīdzsvarotību. Endogēna vai eksogēna ROS pielietošana aktivizē mitohondriju dalīšanos, izraisot mitohondriju fragmentāciju un sekojošu mitohondriju disfunkciju [90]. Tas noved pie turpmākas ROS pārprodukcijas un apburtā cikla, kas pastiprina oksidatīvo stresu un galu galā izraisa oksidatīvo nelīdzsvarotību AD [92]. Skaldīšanu regulē dinamīna GTPāzes Drp1 un Fis1 ar Km aptuveni 100 μM [51]. Tie polimerizē un sašaurina cauruļveida membrānas līdzīgi kā endocitoze. Fis1 ir lokalizēts ārējā mitohondriju membrānā [90, 93, 94].

7. attēls. No GTP atkarīgā dalīšanās un saplūšanas mitohondriju dinamiskā morfoloģija. Kreisais saplūšanas panelis: ar dinamīnu saistītais proteīns -1 (Drp1) veic mitohondriju dalīšanos, pašpolimerizējoties ap ārējo mitohondriju membrānu, sašaurinot un atdalot abas membrānas procesā, kas ir atkarīgs no GTP hidrolīzes. Labais saplūšanas panelis: Mitofusīns-1 un -2 (MTF1/2) savieno blakus esošās ārējās mitohondriju membrānas procesā, kas ir atkarīgs no GTP hidrolīzes. OPA1 nodrošina iekšējo mitohondriju membrānas saplūšanu, izmantojot vietējo GTP, ko nodrošina NME4. Sarkanās punktētās bultiņas norāda uz organellas pārvietošanos.

Fusion kontrolē trīs GTPāzes proteīni: Opa1, kas atrodas iekšējā mitohondriju membrānā, un Mfn1 un Mfn2, kas atrodas ārējā mitohondriju membrānā. Opa1 GTPāzei ar Km aptuveni 500 μM būtu nepieciešams bagātīgs GTP līmenis, lai polimerizētos un mehanizētu mitohondriju membrānas saplūšanu caurulēs [51].

hipoksija, enerģētiskais stress un paaugstināts oksidētais redoksa stāvoklis. Paaugstināts oksidatīvais stress un paaugstināts ROS līmenis izraisīja mitohondriju sadrumstalotību un DRP1 dalīšanās atkarīgās mitofagijas indukciju peles un HeLa šūnās. Tas neizraisīja šūnu nāvi un autofagiju, jo mērens ROS līmenis nebija pietiekams, lai izraisītu neselektīvu autofagiju [95]. Patiešām, šo mitofagiju var inhibēt N-acetil-l-cisteīns, uzpildot glutationa baseinu un iespējams iedarboties uz Atg4. Glutationa kopuma samazināšanās izraisīja arī mitofagiju, bet ne vispārējo autofagiju. Un otrādi, šūnu caurlaidīgas glutationa formas pievienošana inhibēja mitofagiju [96]. Tādējādi oksidatīvais redoks stāvoklis veicina disfunkcionālu mitohondriju mērķa selektīvu noņemšanu. Tas arī liecina par redokslīdzsvara un enerģijas līmeņu integrāciju, lai maksimāli palielinātu veselīgu mitohondriju funkciju un kontrolētu bojāto mitohondriju apgrozījumu.

Saplūšanas un skaldīšanas traucējumi ir saistīti ar AD. Peles modelī A mijiedarbojas ar fsion proteīnu Drp1, vēlāk palielinot brīvo radikāļu veidošanos, kas vēl vairāk aktivizē Drp1 un Fis1, izraisot pārmērīgu mitohondriju sadrumstalotību, defektīvu mitohondriju transportēšanu uz sinapsēm, pazeminot sinaptisko ATP un galu galā sinaptiskā disfunkcija [97]. p-tau arī mijiedarbojas ar Drp1 un uzlabo GTPāzes Drp1 fermentatīvo aktivitāti, izraisot pārmērīgu mitohondriju sadrumstalotību un mitohondriju disfunkciju AD [98]. Drp1 S-nitrozilācijas addukts (SNO-Drp1) vēl vairāk stimulēja tā aktivitāti un izraisīja pārmērīgu mitohondriju sadrumstalotību un sinapses zudumu [99].

Lizosomu funkcijas traucējumi AD, ko izraisa ar vecumu saistīts enerģijas izsīkums

Autofagiskās kravas lizosomu gremošana ir pēdējais solis autofagijas pabeigšanai. Tāpēc lizosomām ir jāsaglabā sava skābā vide, lai ar skābi aktivētām peptidāzēm, lipāzēm, nukleāzēm un glikozidāzēm veiktu kravas noārdīšanos uz pH. Lizosomu paskābināšanai protonu pieplūdumu veic gan v-ATPāze, no ATP atkarīgs protonu sūknis, gan hlorīda protonu antiporteri, savukārt katjonu izplūdi nodrošina transporteri TPC un TRPML, kas arī ir iesaistīti pH līdzsvarā. 100]. Presenilīns-1 (PS1) regulē v-ATPāzes apakšvienību sadalījumu lizosomās, kas darbojas kā v-ATPāzes V0a1 apakšvienības ligands un uztur lizosomu homeostāzi, izmantojot TRPML1 [69]. PS1 mutācijas ir saistītas ar zemu lizosomu paskābināšanos, autofagijas-lizosomu degradācijas sistēmas disregulāciju un agrīnas AD patoģenēzi [26].

Arl8 (Arf līdzīgs G proteīns) ir maza GTPāze, kas atrodas uz lizosomām, kas darbojas kā saite starp lizosomām un kinezīnu -1, lai atvieglotu lizosomu trafiku pa aksoniem (8.B att.) [101]. Arl8b darbojas arī kā slēdzis, lai regulētu HOPS kompleksa saistību ar lizosomu membrānu [102]. Arl8b funkcijas traucējumi izraisa patoloģisku holesterīna uzkrāšanos lizosomu membrānās, kas izraisa traucētu aksonu lizosomu apriti un izraisa autofagisku stresu un aksonu autofagosomu uzkrāšanos [103]. Turklāt paaugstināta Arl8b ekspresija izglāba lizosomu transportēšanu aksonos un autofagisko stresu. Arl8 pārmērīga ekspresija arī stimulēja lizosomu divvirzienu kustīgumu uz mikrotubulām, saistoties ar kinezin-1 saiti SKIP, lai sasaistītu kine sin un jaudas kustīgumu [104]. SKIP saistīšanai bija nepieciešams Arl8 aktīvajā ar GTP saistītā stāvoklī. Tomēr Arl8b pārmērīga ekspresija izraisīja arī pārsteidzošu lizosomu sārmainību un kustību uz šūnu perifēriju, salīdzinot ar vienmērīgāku lizosomu sadalījumu visā citoplazmā [105]. Proteomisks pētījums ar cilvēka audiem ziņoja par Arl8b bagātināšanu amiloīda plāksnēs [106]. Šie dati liecina, ka izmaiņas Arl8 ekspresijā vai darbībā ietekmē lizosomas saplūšanu ar autofagiju vai vēlu endosomu, kas varētu ietekmēt autofagosomu uzkrāšanos, kas novērota AD. Tā kā sekrēcijas pūslīšu veidošanās, kas tiek piegādāta plazmas membrānai, ir no GTP atkarīgs process, kam nepieciešamas Arf un Rab GTPāzes, GTP līmeņa defekti var apdraudēt pareizu vezikulāro apriti.

Lizosomu bioģenēzi regulē mTORC1 un transkripcijas faktors EB (TFEB), radot atgriezenisku signālu kompleksu uz lizosomas virsmas. mTORC1 fosforilē TFEB uz Ser211, tādējādi ļaujot TFEB transportēt uz kodolu, lai pārregulētu v-ATPāzes ekspresiju un citus gēnus, kas iesaistīti lizosomu bioģenēzē un autofagosomu veidošanā [107, 108]. A pievienošana mikroglia šūnām samazina TFEB kodolā un pasliktina A apstrādi [109]. Šo mTORC1 regulējumu savukārt atbalsta mazas GTPāzes, tostarp Rheb un Rag, aminoskābju sensori komponenti, kas iekļauti daudzproteīnu signalizācijas kompleksa regulatorā, kas darbojas kā mTORC1 aktivators [110]. Tā kā lizosomu paskābināšanai ir nepieciešams ATP V-ATPāzes funkcijai un GTP GTPāzes mediētai TORC1 regulēšanai, mēs izvirzām hipotēzi, ka enerģijas izsīkums novecošanās vai AD līdzīgu patoloģisku apstākļu dēļ tieši pasliktina lizosomu funkciju. Turklāt, ņemot vērā, ka lizosomu paskābināšanās ir saistīta ar uzturvielu uzņemšanu izraisītu regulējošu mijiedarbību starp v-ATPāzi un TORC1, izmantojot TFEB, badošanās un barības vielu patēriņa cikli varētu dot labumu lizosomālajai funkcijai AD [111], savukārt bieža cukura lietošana var pasliktināt funkciju. Bojātas lizosomas var izraisīt autofagosomu uzkrāšanos, kas ir pilnas ar bojātiem mitohondrijiem un bagātinātas ar A-agregātiem, kurus nevar noārdīt. Tā kā autofagija veic bojātu vai novecojušu organellu nomaiņu, tās uzturēšanu ietekmē vielmaiņas izmaiņas vecuma dēļ. Ar vecumu saistītas vielmaiņas izmaiņas un traucētas lizosomas var izraisīt vielmaiņas nobīdes uzkrāšanos, piemēram, enerģijas samazināšanos un/vai oksidatīvās redoksu pārmaiņas. Tādējādi GTP līmenis varētu būt zemāks zemas aktivitātes mazkustīgā dzīvesveidā, kas novestu pie neefektīviem no GTP atkarīgiem ceļiem. olbaltumvielu sadalīšanās ar vecumu. Šie novērojumi stingri norāda uz saistību starp izmaiņām autofagosomas nobriešanas procesā un vielmaiņas trūkumiem, kas rodas, progresējot slimībai un novecojot. Turklāt novirzes A uzkrāšanās varētu būt GTP augšpuses deficītu sekas, kas pasliktina A un tau autofagisko apstrādi, iespējams, agrāk nekā kopējā amiloīda sekrēcija, iekaisums un aplikuma uzkrāšanās.

8. att. Ar GTP saistīto mikrotubulu dinamiskā nestabilitāte. GTP molekulas saistās ar E-vietni un N-vietu uz/heterodimēra tubulīniem. GTP E vietā tiek hidrolizēts, lai kļūtu par GDP- -tubulīnu un apmainīts pret jaunu ar GTP saistītu heterodimēru / apakšvienību montāžai. Heterodimēri tiek pievienoti augošajam mikrotubulu režģim polimerizācijai, veidojot jaunu GTP heterodimēru slāni, kas pazīstams kā GTP vāciņš. Depolimerizācija notiek, kad heterodimēri atstāj sarūkošo mikrotubulu režģi. Ar mikrotubuliem saistītā proteīna tau hiperfosforilēšana veicina neirofibrilāru mudžeku (NFT) veidošanos un mikrotubulu destabilizāciju. Pāreja no augoša stāvokļa uz katastrofāli sarūkošu stāvokli. B Endolizosomu veidošanai ir nepieciešams, lai lizosomas pārvietotos pa mikrotubulu sliedēm pozitīvā virzienā, savukārt vēlīnās endosomas pārvietojas negatīvā virzienā. Lizosomu daudzproteīnu komplekss BORC (nav parādīts) aktivizē mazo GTPāzi Arl8, lai iesaistītu kinezīna virzītu plus gala transportu. Mīnusa gala transportēšanai ar Rab7- GTP saistītais stāvoklis piesaista ar Rab mijiedarbojošo lizosomu proteīnu (RILP) un citozola oksisterīnu saistošo proteīnu 1. proteīnu (ORP1L), veidojot dyneīna-dinaktiīna kompleksu. NFT veidošanās traucē vezikulāro satiksmi gar mikrotubulām.

Jautājiet vairāk:

E-pasts:wallence.suen@wecistanche.com

Whatsapp/Tel: plus 86 15292862950

VEIKALS

Skatīt šeit: https://www.xjcistanche.com/cistanche-shop