Nelielas Rab un Arf ģimeņu GTPāzes: galvenie intracelulārās tirdzniecības regulatori neirodeģenerācijas gadījumāⅠ

Abstract:

Rab un Arf ģimeņu mazās guanozīna trifosfatāzes (GTPāzes) ir galvenie vezikulu veidošanās un membrānu tirdzniecības regulatori. Membrānas transportam ir svarīga loma centrālajā nervu sistēmā. Šajā sakarā neironiem nepieciešama pastāvīga membrānu plūsma pareizai receptoru sadalei, precīzam proteīnu un organellu sastāvam dendritos un aksonos, sinaptisko pūslīšu nepārtrauktai eksocitozei/endocitozei un disfunkcionālu proteīnu likvidēšanai. Tādējādi nav pārsteidzoši, ka Rab un Arf GTPāzes ir saistītas ar neirodeģeneratīvām slimībām, piemēram, Alcheimera un Parkinsona slimību.

Noklikšķiniet, lai cistanche tubulosa atmiņas uzlabošanas efekts produkts

Abām patoloģijām ir kopīgas īpašības, piemēram, olbaltumvielu agregātu klātbūtne un/vai Golgi aparāta sadrumstalotība, kas ir raksturīgas gan Rab, gan Arf GTPāzes funkcijām. Neskatoties uz to saistību ar neirodeģeneratīviem traucējumiem, ļoti maz pētījumu ir vērsti uz šo GTPāžu lomu neirodeģenerācijas patoģenēzē. Šajā pārskatā mēs apkopojam to nozīmi Alcheimera un Parkinsona slimību rašanās un progresēšanā, kā arī to rašanos kā potenciālus neirodeģenerācijas terapeitiskos mērķus.

Atslēgvārdi: Rab GTPase; Arf GTPase; maza GTPāze; Alcheimera; Parkinsona slimība; neirodeģenerācija; membrānu tirdzniecība; pūslīši; transports

1. Ievads

Eikariotu šūnas pastāvīgi saņem informāciju no ārpusšūnu barotnes, saistot augšanas faktorus, hormonus, peptīdus un jonus ar specifiskiem receptoriem. Šī saistīšanās izraisa ziņojuma pārraidi caur signalizācijas kaskādēm citoplazmā, lai izraisītu precīzu bioloģisko reakciju [1]. Viens no centrālajiem elementiem, kas ir atbildīgs par šī ziņojuma izplatīšanu, ir Ras virsģimenes mazās guanozīna trifosfatāzes (GTPāzes). Šīs mazās GTPāzes piedalās signalizācijas kaskādēs, kas kontrolē plašu šūnu reakciju klāstu, piemēram, proliferāciju, diferenciāciju un apoptozi [2,3]. Mazās GTPāzes ir molekulārie slēdži, kurus var atrast divos stāvokļos: neaktīvā stāvoklī, kurā mazā GTPāze ir saistīta ar IKP, un aktīvajā stāvoklī, kurā tā ir saistīta ar GTP. Process, kurā GTPāze mainās no neaktīvā stāvokļa uz aktīvo, ir pazīstams kā GTPāzes aktivizācijas cikls. Trīs galvenās molekulas kontrolē aktivizācijas/dezaktivācijas ciklu.

Guanīna apmaiņas faktori (GEF) ir atbildīgi par GTPāzes aktivizēšanu, veicinot IKP izdalīšanos un GTP saistīšanos. GTPāzes aktivējošie proteīni (GAP), gluži pretēji, ir atbildīgi par GTPāzes inaktivāciju, izraisot raksturīgo GTPāzes aktivitāti, kas izraisa GTP hidrolīzi. Visbeidzot, guanīna nukleotīdu disociācijas inhibitori (GDI) novērš IKP disociāciju no GTPāzes, tādējādi uzturot GTPāzi neaktīvā stāvoklī [4,5]. Turklāt mazās GTPāzes var regulēt arī ar pēctranslācijas modifikācijām, kas ļauj tām saistīties ar specifiskiem proteīniem vai membrānām. Tādējādi tos var farnezilēt, geranilgeranilēt vai palmitoilēt savā C-gala reģionā un miristoilēt savā N-gala reģionā [5,6]. Mazo GTPāžu Ras virsģimene ir sadalīta piecās ģimenēs: Ras, Rho, Rab, Arf un Ran [2,3]. Ras ģimene ir specializējusies šūnu augšanas un vielmaiņas kontrolē. Turklāt Ras ģimenes GTPāzes sadarbojas ar Rho ģimeni, lai regulētu šūnu ciklu, gēnu ekspresiju un šūnu transformāciju. Neatkarīgi no šīm funkcijām GTPāzes Rho ģimene ir atbildīga par aktīna citoskeleta organizāciju, savukārt Rab un Arf ģimenes kontrolē attiecīgi vezikulu un membrānu intracelulāro satiksmi un vezikulu veidošanos un intracelulāro transportēšanu. Visbeidzot, Ran ģimenes GTPāzes ir atbildīgas par nukleocitoplazmas transportu [2, 3, 5, 7].

Lielākā daļa intracelulāro nodalījumu, piemēram, kodols, mitohondriji vai Golgi aparāts (GA), ir atdalīti ar membrānām. Tādējādi eikariotu šūnām ir nepieciešami īpaši mehānismi satiksmei starp šīm organellām. Turklāt daudzšūnu organismos ir nepieciešama koordinēta membrānu tirdzniecība starp dažādiem šūnu tipiem [8]. Rab GTPāzes, lielākā Ras superģimenes saime, ir galvenie vezikulu šķirošanas un membrānu tirdzniecības regulatori. Viņi var kontrolēt šo trafiku, mijiedarbojoties ar efektormolekulām, piemēram, apvalka proteīniem (COPI, COPII un klatrīnu), motoriem proteīniem (kinezīniem un dinīniem), piesaistes kompleksiem (agrīnais endosomu antigēns 1 (EEA1), Golgins, eksocista un homotipisks saplūšanas un olbaltumvielu šķirošanas (HOPS) komplekss) un SNARE [8]. Un otrādi, Arf GTPāzes piedalās vezikulu veidošanā, īpaši GA [9], taču tās atrodas arī plazmas membrānā, endosomās un lipīdu pilieniņos [9]. Lai regulētu pūslīšu veidošanos, piemēram, Rab, Arf GTPāzes mijiedarbojas ar efektormolekulām, piemēram, apvalka proteīniem un to adapteriem (COPI, Golgi lokalizētās auss, kas satur Arf-saistošos proteīnus (GGA) un Munc18-mijiedarbojošos proteīnus) MINT)). Tāpēc GTPāzes Rab un Arf ģimenes regulē endomembrānas sistēmu (1. attēls).

Membrānas tirdzniecībai ir svarīga loma neironos. Neironiem ir specifiska morfoloģija, kas prasa pastāvīgu membrānu satiksmi starp aksoniem un dendritiem, lai uzturētu sinaptisko funkciju [8]. Tas nodrošina sinaptisko transmisiju, pareizu membrānas receptoru sadalījumu un precīzu organellu un olbaltumvielu sastāvu dendritos un aksonos [8]. Sinaptiskajai funkcijai ir nepieciešama nepārtraukta membrānu plūsma, jo sinaptiskās pūslīši tiek pastāvīgi pakļauti eksocitozei un endocitozei. Turklāt olbaltumvielas ir jātransportē starp aksonu, dendritiem un šūnas ķermeni, lai pārraidītu signalizācijas ziņojumu vai tiktu degradēti. Turklāt vēlu endosomu un autofagosomu retrogrāda transportēšana ļauj noņemt disfunkcionālus proteīnus, kas ir svarīgi pareizai neironu funkcijai un izdzīvošanai. Tādējādi membrānu tirdzniecība ir iesaistīta visos neironu funkcijas aspektos, un tās disfunkcija ir saistīta ar neirodeģenerāciju [8].

Neirodeģenerācija sastāv no noteiktu neironu apakškopu pakāpeniskas zaudēšanas [10]. Galvenās neirodeģeneratīvās slimības ir Alcheimera slimība (AD) un Parkinsona slimība (PD). AD ir visizplatītākā demences forma [11]. To raksturo progresīvs neironu zudums, kas izraisa atmiņas un kognitīvo funkciju zudumu. Galvenās slimības pazīmes ir ārpusšūnu amiloid-(A) plāksnes un neirofibrilāro samezglojuma (NFT) intracelulāra uzkrāšanās, ko veido pTau agregācija. Neskatoties uz to, ka tās ir klasiskās pazīmes, AD molekulārā patoloģija nav pilnībā izprotama. No vienas puses, amiloido prekursoru proteīna (APP) amiloidogēnā apstrāde, kas izraisa A peptīdu veidošanos, notiek intracelulārajos nodalījumos, kuriem nepieciešama endocītu tirdzniecība. Fizioloģiskos apstākļos APP apstrādā -sekretāze (BACE1) Rab5-pozitīvās agrīnās endosomās, izraisot -šķelšanās C-gala fragmentus (-CTF). Šādi fragmenti pēc tam tiek apstrādāti vēlīnās endosomās vai trans-Golgi tīklā (TGN), lai iegūtu A peptīdus [12]. Tas uzsver šo GTPāžu un membrānu tirdzniecības nozīmi AD patoloģijā. Turklāt dažādi ar endocītu kontrabandu saistīti gēni ir saistīti ar AD attīstības risku [12].

Piemēram, AD ir aprakstīta zema fosfatidilinozītu saistošā klatrīna montāžas proteīna (PICALM) ekspresija, kam ir svarīga loma A peptīdu internalizācijā, tirdzniecībā un klīrensā [12, 13]. Attiecībā uz PD tā ir otrā visizplatītākā neirodeģeneratīvā slimība. To raksturo Lūija ķermeņu uzkrāšanās, ko veido -sinukleīna ( -syn) agregācija, un melnstrāvas pars compacta dopamīnerģisko neironu selektīva deģenerācija [14]. Tā rezultātā rodas kustību traucējumi, tostarp trīce miera stāvoklī un muskuļu stīvums. Mutācijas -syn, PTEN inducētā iespējamā kināze 1 (PINK1) un ar leicīnu bagātā atkārtotā kināze 2 (LRRK2) ir saistītas ar PD attīstības risku [14]. Neatkarīgi no šīm mutācijām Rab39B GTPāzes mutācijas ir saistītas ar šīs slimības attīstību [15]. Rab39B kontrolē AMPA receptoru GluA2 apakšvienības tirdzniecību, un tas tiek izteikts tikai neironos [15]. Turklāt dažādas GTPāzes ir saistītas ar membrānu tirdzniecības defektiem, kas parādās -syn uzkrāšanās dēļ [15]. Tādējādi, tāpat kā AD, šīs GTPāzes un membrānu tirdzniecība ir saistīta ar PD patoloģiju. Rezumējot, mazai no GTPāzes atkarīgajai membrānu tirdzniecībai ir svarīga loma nervu sistēmā, un šādu procesu disregulācijas ir saistītas ar neirodeģeneratīvām slimībām, piemēram, AD un PD (1. Rezultātā līdzīgi kā Ras un Rho ģimenēm [5] Rab un Arf GTPāžu saime ir kļuvusi par šo patoloģiju terapeitisko mērķi.

kāpēc cistanche ir neiroprotezējoša iedarbība?

Cistanche ir tradicionāls ķīniešu ārstniecības augs, ko gadsimtiem ilgi izmanto dažādu veselības stāvokļu ārstēšanai. Jaunākie pētījumi liecina, ka cistanche ir neiroprotektīva iedarbība, kas nozīmē, ka tā var palīdzēt aizsargāt smadzenes un nervu sistēmu no bojājumiem. Cistanche satur vairākus aktīvus savienojumus, tostarp ehinakozīdu, feniletanoīdu glikozīdus un akteozīdu, kas, domājams, ir atbildīgi par to neiroprotektīvo iedarbību. Šie savienojumi palīdz samazināt oksidatīvo stresu un iekaisumu smadzenēs, kas ir divi galvenie faktori, kas veicina neirodeģeneratīvas slimības, piemēram, Alcheimera un Parkinsona slimību. Turklāt ir pierādīts, ka cistanche uzlabo nervu augšanas faktoru aktivitāti, kas ir proteīni, kas palīdz regulēt neironu augšanu un izdzīvošanu smadzenēs. Tas var palīdzēt novērst neironu nāvi un veicināt jaunu augšanu, kas var uzlabot kognitīvās funkcijas un samazināt neiroloģisko traucējumu risku. Kopumā tiek uzskatīts, ka cistanche neiroprotektīvā iedarbība ir saistīta ar tās spēju samazināt oksidatīvo stresu un iekaisumu, kā arī veicināt nervu augšanas faktora aktivitāti smadzenēs.

Atsauces

1Berridge, MJ Kalcija signālu pārveidošana un slimības. Biochem. Soc. Trans. 2012, 40, 297–309. [CrossRef] [PubMed]

2. Goitre, L.; Trapāni, E.; Trabaļziņi, L.; Retta, SF Rasas mazo GTPāžu saime: atbloķētie noslēpumi. Metodes Mol. Biol. 2014, 1120, 1.–18.

3. Dziesma, S.; Cong, W.; Džou, S.; Ši, Y.; Dai, V.; Džans, H.; Vangs, X.; Viņš, B.; Zhang, Q. Mazās GTPāzes: struktūra, bioloģiskā funkcija un tās mijiedarbība ar nanodaļiņām. Asian J. Pharm. Sci. 2019, 14., 30.–39. [CrossRef] [PubMed]

4. Toma-Fukai, S.; Shimizu, T. Strukturāls ieskats GEF mazo GTPāžu regulēšanas mehānismā. Molecules 2019, 24, 3308. [CrossRef] [PubMed]

5. Arrazola Sastre, A.; Luke Montoro, M.; Gálvezs-Martins, P.; Lacerda, HM; Lūcija, AM; Llavero, F.; Zugaza, JL Ras un Rho ģimeņu mazās GTPāzes ieslēdz/izslēdz signalizācijas ceļus neirodeģeneratīvās slimībās. Int. J. Mol. Sci. 2020, 21, 6312. [CrossRef]

6. Peurois, F.; Peirošs, G.; Cherfils, J. Mazā GTPāzes perifērā saistīšanās ar membrānām: molekulārie determinanti un supramolekulārā organizācija. Biochem. Soc. Trans. 2018, 47, 13.–22. [CrossRef]

7. Llavero, F.; Arrazola Sastre, A.; Luke Montoro, M.; Martins, MA; Arēnas, J.; Lūcija, A.; Zugaza, JL Ras virsdzimtas mazās GTPāzes un glikogēna fosforilāzes regulēšana T šūnās. Mazie GTPāzes 2021, 12, 106–113. [CrossRef] [PubMed]

8. Kiral, FR; Kohrs, FE; Jin, EJ; Hiesinger, PR Rab GTPāzes un membrānu tirdzniecība neirodeģenerācijā. Curr. Biol. 2018, 28, R471–R486. [CrossRef]

9. Štuls, E.; Chen, P.-W.; Kazanova, JE; Čerfils, J.; Dacks, JB; Lembraita, ĢD; Lī, F.‑J. S.; Randaco, PA; Santy, LC; Šīrmanis, A.; un citi. ARF GTPāzes un to GEF un GAP: koncepcijas un izaicinājumi. Mol. Biol. Šūna 2019, 30, 1249–1271. [CrossRef]

10. Gans, L.; Kuksons, MR; Petručelli, L.; La Spada, AR Saplūstoši ceļi neirodeģenerācijā, no ģenētikas līdz mehānismiem. Nat. Neirosci. 2018, 21, 1300–1309. [CrossRef]

11. Soria Lopesa, JA; Gonsaless, HM; Léger, GC Alcheimera slimība. Handb. Clin. Neirol. 2019, 167., 231.–255.

12. Sju, V.; Fangs, F.; Dings, Dž.; Wu, C. Rab5-mediēto endocītu ceļu disregulācija Alcheimera slimībā. Satiksme 2018, 19, 253–262. [CrossRef]

13. Pariks, I.; Fardo, DW; Estus, S. PICALM ekspresijas ģenētika un Alcheimera slimība. PLoS ONE 2014, 9, e91242.

14. Jaņs, L.; Mao, K.; Jū, H.; Chen, J. Neiro iekaisuma reakcijas un Parkinsona slimība: patogēnie mehānismi un terapeitiskie mērķi. J. Neuroimmune Pharmacol. 2020, 15, 830–837. [CrossRef]

15. Gvadagno, NA; Progida, C. Rab GTPāzes: pāreja uz cilvēku slimībām. Cells 2019, 8, 909. [CrossRef] [PubMed]

16. Mohameds, N.-V.; Dežardiņš, A.; Leclerc, N. Tau sekrēcija ir saistīta ar Golgi dinamikas pieaugumu. PLoS ONE 2017, 12, e0178288. [CrossRef]

17. Coune, PG; Bensadūns, JC; Ebišers, P.; Schneider, BL Rab1A pārmērīga ekspresija novērš Golgi aparāta sadrumstalotību un daļēji koriģē motoriskos trūkumus Parkinsona slimības žurkas modelī, kura pamatā ir alfa-sinukleīns. J. Parkinsons Dis. 2011, 1, 373–387. [CrossRef]

18. Tomass, M.; Martiness-Alonso, E.; Martiness-Martinezs, N.; Kara-Estebans, M.; Martínez-Menárguez, JA Golgi dopamīnerģisko neironu kompleksa sadrumstalotība cilvēka melnajā substantijā: jauni citopatoloģiski atklājumi Parkinsona slimībā. Histol. Histopatols. 2020, 36., 47.–60.

Turpinājums sekos...

Alazne Arrazola Sastre 1,2, Mirjama Luke Montoro 1, Hadriano M. Lacerda 3, Francisco Llavero 1,4,* un Hosē L. Zugaza 1,2,5,*

1 Achucarro Basque Center for Neuroscience, Science Park of the UPV/EHU, 48940 Leioa, Spānija; alazne.arrazola@ehu.eus (AAS); miriamluquem@gmail.com (MLM)

2 Basku zemes Universitātes Ģenētikas, fiziskās antropoloģijas un dzīvnieku fizioloģijas nodaļa UPV/EHU, 48940 Leioa, Spānija

3 Three R Labs, Science Park of the UPV/EHU, 48940 Leioa, Spain; hadrilac@gmail.com 

4 Hospital 12 de Octubre Research Institute (i plus 12), 28041 Madride, Spānija

5 IKERBASQUE, Basque Foundation for Science, 48013 Bilbao, Spānija * Sarakste: fcollavero.imas12@h12o.es (FL); joseluis.zugaza@ehu.es (JLZ)