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

Tubulīna montāžas, pūslīšu transportēšanas un olbaltumvielu sintēzes atkarība no GTP

Mikrotubulas ir galvenie aksonu augšanas dalībnieki un nodrošina strukturālu atbalstu aksodendrītu vezikulārajai tirdzniecībai. Mikrotubulu galos tiek veikts atkārtots polimerizācijas/depolimerizācijas process, ko sauc par dinamisko nestabilitāti. Mikrotubulu polimerizācijai to galos jāpievieno ar GTP saistīti / heterodimēri (8.A att.). Tubulīna heterodimēri saistās ar divām GTP molekulām divās atsevišķās vietās. N-vieta atrodas intradimēra saskarnē starp - un -tubulīnu, kurā GTP netiek hidrolizēts un mainās lēnā ātrumā. E-vieta atrodas iekšējā dimēra saskarnē, ko veido viena heterodimēra -apakšvienība un blakus esošā heterodimēra -apakšvienība. GTP E vietā tiek hidrolizēts līdz IKP un apmainīts pret jaunu GTP nukleotīdu. Tā kā mikrotubulās parādāsaugsts dinamiskā līdzsvara līmenisstarppolimerizācijas stāvokļi, GTP citoplazmas līmenisjābūt pietiekami augstam, lai nodrošinātu mikrocauruļu dinamiskās nestabilitātes pieprasījumu (8.A attēls).

Noklikšķiniet šeit, lai uzzinātu, kā CistancheUzlabojiet kognitīvo funkciju

Mikrotubulas veido citoskeleta sliedes, pa kurām lizosomas pārvietojas uz mērķa endosomām un fagosomām (8.B att.). Kinezīna motors nodrošina lizosomu transportēšanu uz aksonu mikrotubulu pozitīvo galu ar ATP, bet kinezīna motora savienošanai ar lizosomu ir nepieciešama Arl8 GTPāze ar saistīto GTP [101]. Un otrādi, vēlu endosomu transportēšanai uz mikrotubulām uz lizosomām ir nepieciešama Rab7 GTPāze un saistītais GTP, lai pievienotu dyneīna motoru

AD gadījumā ar mikrotubuliem saistītais proteīns tau polimerizējas ar hiperfosforilāciju nešķīstošos aksodendrītu neirofibrilāro samezglojušos (NFT) pavedienos [112, 113]. Kad tau ir hiperfosforilēts, tas zaudē savu afinitāti pret mikrotubulām. Plaša mēroga pētījumi ir vērsti uz mikrotubulu dinamikas izmaiņām, taču nav izdevies noteikt skaidru tau funkcijas neveiksmes cēloni. Tau regulēšana ietver GTPāzes. AD smadzenēs Rac1 GTPāzes proteīna līmenis samazinās par 50 procentiem [114]. In vitro Rac1 GTPāzes aktivācija izraisīja tau181 hiperfosforilāciju, palielināja Abeta42 ražošanu un samazināja aktīna stabilitāti mugurkaulā [114]. Šajā grupā tika novērots arī divfāzu Rac1 GTPāzes pieaugums jaunajā 3xTg-AD hipokampā, kam sekoja vēlāka samazināšanās, tāpat kā vēlīnās stadijas cilvēka AD smadzenēs. Citā pētījumā ar tauopātijas pelēm palielināta farneziltransferāzes aktivitāte, lai Rhes GTPāzi pārvietotu uz autofagiskām pūslīšiem, bija saistīta ar zemu tau hiperfosforilāciju, savukārt Rhes inhibīcija veicināja tau hiperfosforilāciju [115]. Tādējādi no GTPāzes atkarīgā autofagija efektīvi attīra pTau [116], un traucēta autofagija no zema GTP līmeņa vai oksidatīvā redoksa stāvokļa pasliktinātu pTau klīrensu.

GTP ir arī būtiskaproteīnu sintēze,proteostāzes sintēzes puse, kas prasadivu GTP molekulu hidrolīzepar katru polipeptīdā iekļauto aminoskābi. Lai gan ATP izmanto aminoacil-tRNS uzlādēšanai, RNS helikāzei un IKP pārstrādei GTP, GTP pati par sevi ir būtiska pagarinājuma faktoru aktivitātei iniciācijas (IF-2), pagarinājuma (EF-Tu, EF-G) laikā. ) un ribosomu izdalīšanas faktors terminācijai (RF1) [117]. Šī grupa izmantoja bezšūnu atjaunotu sistēmu, lai izmērītu kopējo Km ATP 27 µM un 14 µM GTP. Šīs augstās afinitātes liecina par olbaltumvielu sintēzes prioritāti enerģijas ierobežojuma laikā, lai saglabātu augstu kapacitāti, iespējams, uz endocitozes un autofagijas rēķina, kam, iespējams, ir augstāki Km. Līdz ar to sinaptiskajā plastiskumā, kur vielmaiņas prasības ir visaugstākās, ir nepieciešams liels GTP daudzums, lai uzturētu jonu homeostāzi sinaptiskajai funkcijai un olbaltumvielu apmaiņai. Olbaltumvielu sintēzei ir izšķiroša nozīme presinaptiskā neirotransmitera izdalīšanā, kā arī postsinaptiskās plastiskuma nostiprināšanā [118]. Tomēr proteīnu sintēze tika samazināta līdz ar ribosomu RNS un tRNS līmeni, savukārt RNS oksidācija palielinājās AD agrīnā fāzē [119]. Izmainīta proteīnu sintēze izraisa pastāvīgu oksidētu proteīnu uzkrāšanos, izraisot nepareizu salocīšanu un agregāciju. Olbaltumvielu agregācija savukārt pasliktina šūnu proteolītisko sistēmu darbību, izraisot tālāku oksidēto proteīnu uzkrāšanos [120]. Tādējādi apburtais cikls izraisa pārmērīgu olbaltumvielu ubikvitināciju un disproteostāzi. Vairāki citi gēni, kas kodē ribosomu proteīnus, tiek nenormāli regulēti, izraisot izmainītus proteīna līmeņus pagarinājuma faktoriem eIF2 , eIF3η un eIF5 AD gadījumā [121]. AD smadzeņu hipokampu CA1 reģionā tika novērots paaugstināts eIF2 un pazemināts eIF3η un eIF5 līmenis. Noturīga eIF2 fosforilācija pie Ser51, ilgstoši aktivizējot regulējošās kināzes, kavē iniciatora metionil-tRNS piegādi, novēršot mRNS apakškopas vispārēju translācijas ierosināšanu. Tādējādi proteostāze var tikt traucēta, ja GTP koncentrācija ir ļoti ierobežota.

Traucēta GSH-Trx sistēma kā autofagijas mazspējas izraisītājs novecošanas un AD gadījumā

Vecums ir galvenais AD riska faktors, un tas ir saistīts ar nelīdzsvarotību starp redoksbufera aizsardzības samazināšanos un oksidatīvo nobīdi, kas palielina ROS veidošanos. Tomēr ierosinājums, ka ROS bojājumi ir cēloņsakarības faktors AD patoģenēzē, nav apstiprināts ar antioksidantu terapiju, un šķiet, ka oksidatīvā redoksa nobīde notiek pirms ROS bojājuma [122]. Ir ierosināts, ka epiģenētiskā oksidētā redoksa maiņa (EORS) notiek pirms ROS izraisītiem oksidatīviem bojājumiem, lai ņemtu vērā ilgstošas ​​vielmaiņas izmaiņas novecošanā un AD [123]. Tas izpaužas kā reduktīvo intracelulāro redoksu attiecību samazināšanās no kritiskajām sistēmām, kas uztur redoksu homeostāzi: cisteīns/cistīns, GSH/GSSH un NAD(P)H/NAD(P) [3]. Visā netransgēno peļu smadzeņu vecuma diapazonā oksidatīvs glutationa redoks stāvoklis notiek pirms Akt vielmaiņas maiņas un agregētu proteīnu uzkrāšanās vecuma, kas ir ievērojami paātrināti 3xTg-AD peles modelī pirms intracelulāras A uzkrāšanās hipokampā vai ārpusšūnu plāksnītes. [124]. Ar GSH metabolismu saistīto enzīmu mutācijas ir saistītas arī ar autofagijas, piemēram, glutationa reduktāzes gēna (grs-1) regulēšanu C. elegans modelī, kas atceļ HLH-30 transkripcijas faktora kodola translokāciju ( zīdītāju TFEB ortologs) un izraisa gēnu transkripcijas samazināšanos, kas saistīta ar proteīnu agregātu klīrensu ar autofagiju [125]. Subcelulārā brīvā NADH koncentrācija samazinās līdz ar vecumu mitohondrijās, kodolos un citoplazmā dzīvos savvaļas tipa un AD līdzīgos neironos [2]. Vai šī redoksa maiņa varētu stimulēt intracelulāro A agregātu logaritmisko pieaugumu līdz ar vecumu [27]?

Lai gan šķiet acīmredzams, ka ar vecumu (galvenais riska faktors) samazinās intracelulārā A veidošanās ātruma palielināšanās vai to autofagiskā klīrensa ātrums, mehānismi, kas izraisa šīs izmaiņas, joprojām nav skaidri. Mēs ierosinām, ka šūnu redoksstāvoklis un, iespējams, sistēmiskā redoksu maiņa ir būtiski novecošanās virzītāji [123]. GSH un tioredoksīns (Trx) ir vissvarīgākā tiola redokssistēma šūnās pret oksidatīvo stresu. Tomēr to sadalījums šūnā ir ļoti atšķirīgs. Fizioloģiskā GSH koncentrācija ir diapazonā no mM, ~1000- reizes lielāka nekā Trx (μM diapazonā). Neskatoties uz to, Trx sistēma regulē plašāku proteīnu klāstu nekā GSH sistēma [126]. Proteomiskā analīze identificēja Trx iesaistīšanos to ceļu regulēšanā, kas galvenokārt saistīti ar glikolīzi / glikoneoģenēzi un citoskeleta remodelāciju, savukārt ceļi, kurus ietekmē gan Trx, gan GSH, ir saistīti ar insulīna translācijas regulēšanu, lipīdu metabolismu un šūnu adhēziju [126]. Tajā pašā pētījumā Trx tika saistīts arī ar citu proteīnu regulēšanu, kas iesaistīti GTP un autofagijas apstrādē, piemēram, (i) IQ motīvs, kas ietverts GTPāzes aktivējošajā proteīnā 1 (GAP), kas ir sastatņu proteīns, kas integrē Rho GTPāzi un Ca2 plus. /kalmodulīna signāli citoskeleta integritātes uzturēšanā; (ii) IKP disociācijas inhibitors-1 (GDI-1), proteīns, kas uztur Rab proteīnus ar IKP saistītā konformācijā; (iii) ubikvitīnu aktivējošais enzīms E1 (UBA1), proteīns, kas nepieciešams Atg7- un Atg3-neatkarīgai autofagijai [127]; un (iv) kofilīns-1, aktīnu depolimerizējošs faktors, kura funkcija ir ļoti svarīga sinaptisko muguriņu uzturēšanai un mitohondriju dalīšanās un mitofagijas ierosināšanai [128]. Interesanti, ka kofilīna-1 līmenis ir paaugstināts AD modeļa pelēm un cilvēkiem AD, kas norāda uz tā nelīdzsvarotu regulējumu [129]. Šie dati liecina, ka Trx varētu būt iespējama GTP un autofagijas uzturēšanā un apstrādē.

Rab5 un Rab7 GTPāzes N-gals satur vienu vai dubultu cisteīnu, kas ir jāpakļauj oksidēšanai – reducēšanai līdz cistīnam vai farnezilēšanai, lai nostiprinātos membrānās vai nitrozilētu, iespējams, kā šie Rab agregāti. Citi redoksjutīgi proteīni endocitozē, piemēram, TXNL1 [130], varētu paātrināt vai kavēt pāreju starp ceļa posmiem.

Zemo redoksu potenciālu disulfīda saitē Atg4 efektīvi samazina un aktivizē Trx, kas liecina par Atg4 mediētās autofagijas redoksregulatora lomu [131]. Citas tioredoksīna sistēmas sastāvdaļas ir iesaistītas autofagijas regulēšanā. Tioredoksīna reduktāzes -2 (TrxR2, mitohondriju izoforma) dzēšana izraisīja mitohondriju deģenerāciju, ko papildināja LC3, p62, LAMP1 pārmērīga ekspresija un autofagisko ķermeņu uzkrāšanās kardiomiocītos [132]. Bet TrxR1 deficīts pastiprināja oksidatīvo stresu, pārtrauca agrīnu autofagiju un samazināja olbaltumvielu sadalīšanos lizosomās [133]. Šie dati liecina, ka vairākus galvenos autofagijas mehānismu proteīnus, piemēram, Atg raugā, var regulēt, reaģējot uz intracelulāro redoksu apstākļu izmaiņām, papildus iespējamai GTP līmeņa regulēšanai.

Enerģijas palielināšana AD patoloģijas glābšanai

Lai gan vispārējās autofagiskās plūsmas stimulēšana ir labvēlīga šūnu un audu piemērotībai, bez pietiekamas enerģijas autofagijas veikšanai sistēma tiks inhibēta. Arvien vairāk pierādījumu liecina, ka NAD plus /NADH pieejamības samazināšanās līdz ar vecumu [2, 134] spēlē izšķirošu lomu ar vecumu saistītās neirovaskulārās un cere bro mikrovaskulārās disfunkcijās [135, 136]. Tādējādi šūnu oksidatīvās un reducējošās enerģijas atjaunošana var dot labumu ar vecumu saistītajām paaugstinātajām autofagijas prasībām. Šūnu NAD plus un NADH līmeņa atjaunošana ar nikotīnamīda mononukleotīdu (NMN) piedevu vecām pelēm izglāba neirovaskulāro funkciju, palielināja smadzeņu asins plūsmu un uzlaboja veiktspēju kognitīvo uzdevumu veikšanā [135, 136]. Nikotinamīda ribosīds (NR), NMN priekštecis, uzlabo mitohondriju un pieaugušo cilmes šūnu darbību vecām pelēm, kā arī pagarina kopējo dzīves ilgumu [137]. Šie NAD prekursori var arī mainīt autofagiju. NR var novērst autofagiskās plūsmas bloķēšanu un samazināt oksidatīvo stresu ar doksorubicīnu ārstētos kardiomiocītos, izraisot pastiprinātu autolizosomu klīrensu, izmantojot NAD plus / SIRT1 signalizācijas ceļu [138]. NR ārstēšana arī palielināja autofagisko funkciju un atjaunoja mitohondriju veselību Parkinsona slimības dzīvnieku modeļos, kas liecina par iespējamu ārstēšanu citu neirodeģeneratīvu slimību gadījumā [139]. Tā kā Sirtuins un PARP produkts ir nikotīnamīds, šūnām ir nepieciešams NAD glābšanas ceļš, lai pārstrādātu nikotīnamīdu atpakaļ NMN un galu galā NAD plus . Divas laboratorijas ir ārstējušas 3xTg AD peles ar nikotīnamīdu un novērojušas labvēlīgus atmiņas uzlabojumus, DNS atjaunošanos, autofagiju, A uzkrāšanos, fosforilētu tau un uzlabotu bioenerģētiku [140, 141]. Tāpat kognitīvās funkcionalitātes uzlabošanās vairākos uzvedības testos 3xTgAD pelēm, kas ārstētas ar nikotīnamīda ribosīdu, liecina par galveno lomu šūnu NAD, kā arī izsīkšanu pirms neironu deģenerācijas AD [142]. Tāpēc mēs apstrādājām pieaugušos 3xTg AD un netransgēnos neironus ar nikotīnamīdu, lai redzētu, ka bioenerģētiskais uzlabojums attiecās uz GTP līmeņa uzlabošanos gan saistītā, gan brīvā (1. attēls). Kopumā paaugstināts NAD plus līmenis var veicināt daudzas pakārtotas funkcijas, piemēram, no NAD atkarīgos SIRT1 aktivizētos gēnus, kas atjauno mitohondrijus un kavē iekaisumu un apoptozi.

Vēl viena molekulu klase, kas dod labumu veciem neironiem, ir Nrf2 aktivatori [143, 144]. Viens piemērs ir epigallokatehīna un gallskābes esteris, (-)-epigallokatehīna-3-galāts (EGCG), bioaktīvākais polifenols, kas atrodams zaļās tējas ekstraktā. EGCG ievērojami palielināja galveno autofagijas adaptera proteīnu NDP52 un p62 mRNS ekspresiju un uzlaboja ar AD saistītu fosforilēto tau sugu klīrensu primārajos neironos [145], kā arī uzlaboja cerebrovaskulāro tonusu [146]. EGCG arī aktivizēja autofagiskos ceļus, inducējot Sirt1, radot aizsargājošu iedarbību pret cilvēka prionu proteīna izraisītu neirotoksicitāti [69]. Līdzīgi efekti tika novēroti, izmantojot citus Nrf2 elektrofilus sulforafānu [147], fsetīnu un urolītu A no granātābola [148].

Secinājums un turpmākie pētījumi

Pārsteidzošs specifiskas GTPāzes kontroles makroautofagijas (mitofagijas), mikroautofagijas, šaperona mediētas autofagijas (CMA) unendocitoze, un pūslīšu unmitohondriju tirdzniecība. Tā kā tie visi ir atkarīgi no vietējiem GTP līmeņiem, būs svarīgi noteikt to saistošās konstantes GTP. Zala u.c. [51] parādīja funkcionālo nozīmi mitohondriju dalīšanās GTPāzēm Drp1 un Fis1 ar Km aptuveni 100 μM, savukārt Opa1 GTPāzei ar Km aptuveni 500 μM, lai veicinātu mitohondriju saplūšanu, būtu nepieciešams augstāks GTP līmenis. InAD,endocītisksuneksocītiskssinaptiskās adhēzijas proteīna beta-APP apstrādi var traucēt zemāks lokālais GTP līmenis un GTPāzes, kā arī lokālāsoksidatīvie redoksa stāvokļi. Skaidrāk AD irautofagisko pūslīšu uzkrāšanāsno bloķēšanas garajā ceļā vai nespējas regulēt pietiekami spēcīgu reakciju uz iekšējiem šūnu bojājumiem, kā arī nespēju pietiekami paskābināt lizosomas, lai aktivizētu kravas degradāciju. Mazāk skaidrs, cik lielu daļu no šiem deficītiem izraisa ar vecumu saistīta deģenerācija, kas, kā zināms, ir saistīta ar ar vecumu saistītām oksidatīvām redoksu pārmaiņām. Ar vecumu saistītas izmaiņas GTP līmeņos vai spējas paaugstināt bioenerģētisko lapsu regulēšanu būs svarīgs turpmākās izmeklēšanas aspekts, īpaši, ja NAD plus prekursori spēs palielināt kapacitāti un veicināt lielāku autofagisko klīrensu. Metabolisma pielāgošanās mazkustīgam dzīvesveidam varētu pazemināt mitohondriju funkciju ar mazāku enerģiju, lai veselīgi pārvaldītu amiloido un tau proteostāžu, sinaptisko funkciju un iekaisumu. Priekšmetos ar deficītu,daži enerģijas prekursoriun redoksmodulatori var papildinātvingrinājumu priekšrocībasun aveselīga diētauzpagarināt un veicināt maksimālu veselības ilgumu.

Pateicības

Skaitļi tika izveidoti vietnē Biorender.com.

FinansējumsŠo darbu daļēji atbalstīja Nacionālo veselības institūtu dotācija RF1 AG058218 uzņēmumam GJB. RAS saņem atbalstu no Secretaría de Educación, Ciencia, Tecnología e Innovación (SECTEI), lai izstrādātu produktus, kas iegūti no šī pēcdoktorantūras darba.

Datu pieejamība Neapstrādāti attēla dati 1. attēlā ir pieejami pēc saprātīga pieprasījuma attiecīgajam autoram.

Deklarācijas Interešu konflikts Autori nedeklarē nekādas konkurējošas intereses.

Atsauces

1. Parihar MS, Kunz EA, Brewer GJ. Ar vecumu saistīta NAD (P) H un glutationa samazināšanās izraisa redoksu samazināšanos pirms ATP zuduma hipokampu neironu ārstēšanas laikā ar glutamātu. J Neurosci Res. 2008;86:2339–52.

2. Dong Y, Digman MA, Brewer GJ. Ar vecumu un AD saistītais NADH redoks stāvoklis subcelulārajos nodalījumos ar fluorescences mūža attēlveidošanas mikroskopiju. Geroscience. 2019; 41:51–67.

3. Dong Y, Harlan BA, Brewer GJ. Kad novecošana ieslēdz Alcheimera slimību. Novecošana. 2021;13:13376–7.

4. Dong Y, Sameni S, Digman MA, Brewer GJ. Ar vecumu saistītu oksidētu brīvo NADH redoksu stāvokļu atgriezeniskums Alcheimera slimības neironos, ko izraisa ārējās Cys / CySS redoksa nobīdes. Sci Rep. 2019;9:11274. 5. Bubber P, Haroutunian V, Fisch G, Blass JP, Gibson GE. Mitohondriju anomālijas Alcheimera smadzenēs: mehāniskās sekas. Ann Neirol. 2005;57:695–703. 6. Traut TW. Purīnu un pirimidīnu fizioloģiskās koncentrācijas. Mol Cell Biochem. 1994;140:1–22.

7. Bianchi-Smiraglia A, Wolf DW, Marston DJ, Deng Z, Han Z, Moparthy S, Wombacher RM, Mussell AL, Shen S, Chen J, Yun DH, O'Brien Cox A, Furdui CM, Hurley E, Feltri ML, Qu J, Hollis T, Kengne JBN, Fon banda B, Sousa RJ, Kandel ME, Kandel ES, Hahn KM, Nikiforov MA. Vietējās GTP pieejamības regulēšana kontrolē RAC1 aktivitāti un šūnu invāziju. Nat Com mun. 2021;12:6091.

8. Schlattner U. NME saimes kompleksās funkcijas — atrašanās vietas un molekulārās aktivitātes jautājums. Int J Mol Sci. 2021;22:13083

9. Bianchi-Smiraglia A, Rana MS, Foley CE, Paul LM, Lipchick BC, Moparthy S, Moparthy K, Fink EE, Bagati A, Hurley E, Afronti HC, Bakin AV, Kandel ES, Smira glia DJ, Feltri ML, Sousa R, Nikiforovs MA. Iekšēji ratiometriskie fluorescējošie sensori intracelulāro GTP līmeņu un sadalījuma novērtēšanai. Nat metodes. 2017;14:1003–9.

10. Bianchi-Smiraglia A, Ņikiforovs MA. Intracelulārā GTP līmeņa novērtēšana, izmantojot ģenētiski kodētus fluorescējošus sensorus. Metodes Mol Biol. 2022; 2394:163–9.

Jautājiet vairāk:

E-pasts:wallence.suen@wecistanche.com

Whatsapp/Tel: plus 86 15292862950

VEIKALS

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