GTP energetická závislosť endocytózy a autofágie v starnúcom mozgu a Alzheimerovej chorobe Ⅱ

Bežné signálne dráhy GTPázy v autofágii: makroautofágia (mitofágia), mikroautofágia a CMA

Nadrodina GTPáz zahŕňa širokú škálu proteínov, ktoré pôsobia ako molekulárne prepínače väzbou a hydrolýzou molekúl GTP na uväzovanie, dokovanie a fúziu vezikúl s cieľovými membránami [46]. Zmeny vo funkcii GTPázy súvisia so zmenami v obchodovaní s nákladom [47]. Prepnutie medzi „aktívnym“ stavom (GTP-viazaná GTPáza) a „inaktívnym“ stavom (GDP-viazaná GTPáza) vyžaduje guanínový nukleotidový výmenný faktor (GEF) a GTPázu aktivujúci proteín (GAP) [48] (obr. 3). , označovaný ako Rab GEF/GAP kaskáda [22]. U mnohých GTPáz sa predpokladá, že životnosť aktivovaného stavu naviazaného na GTP slúži ako regulátor pri určovaní času aktivácie biologickej udalosti, ako je membránová fúzia a signálna transdukcia. Správna funkcia GTPáz by však mohla byť obmedzená aj znížením intracelulárnych hladín GTP. Tvorba autofagozómov zahŕňa členov rodiny Rab Rab1, Rab5, Rab7, Rab9A, Rab11, Rab23, Rab32 a Rab33B. Rab9 je potrebný pri nekanonickej autofágii. Rab7, Rab8B a Rab24 majú kľúčovú úlohu pri dozrievaní autofagozómov. Rab8A a Rab25 sa podieľajú na neznámych aspektoch autofágie [22]. Rab11 je potrebný na exocytózu [49]. Zlyhávajúca autofágia je spojená s viacerými nezdravými stavmi ako naprmetabolický stresa agregáciu proteínov spojených s neurodegeneratívnymi poruchami vrátaneAlzheimerova choroba. Rab8b má kľúčovú úlohu pri organizovaní autofágiezreniahoci jeho downstream efektor Tbk-1 priamo fosforyluje p62 na Ser-403, rozhodujúci zvyšok pre autofagickú funkciu p62 [50]. TBK-1 je tiež potrebný na autofagickú elimináciu baktérií vyvolanú cytokinézou, zatiaľ čo knockdown Rab8 po indukcii autofágie spôsobil pokles fagozómov [50].

Obr. 3 Molekulové prepínanie medzi stavmi GTPázy. Aktívny stav malej GTPázy (viazaný na GTP) sa dosahuje faktorom výmeny nukleotidov, ktorý katalyzuje výmenu GDP na GTP, čo vedie k aktivácii GTPázy. Aktívna GTPáza interaguje s niekoľkými druhmi downstream efektorov, aby modulovala ich aktivitu. Proteín aktivujúci GTPázu (GAP) inaktivuje proteíny naviazané na GTP zvýšením ich aktivity pre hydrolýzu GTP. Forma viazaná na HDP nemôže viazať efektory

Kliknite sem, ak chcete získať bylinné cistanche na zlepšenie kognitívnych funkcií

Keďže GDP je pevne viazaný Rab GTPázami a ich vnútorná rýchlosť hydrolýzy GTP je nízka napriek ich vysokej afinite 10-1-10-5 μM km [51], Rab GEF katalyzujú disociáciu GDP. Rab GAP uľahčujú hydrolýzu GTP. Od oboch regulátorov sa vyžaduje, aby koordinovali časovo-priestorovú aktivitu Rab GTPáz [52]. Aktivita Rab GTPáz, GEF a GAP je rozhodujúca pre transport a prenos autofagozómov pre makroautofágiu. Makroautofágia potrebuje prísnu kontrolu a zdá sa, že niektoré Rab GAP fungujú v prekrývajúcich sa dráhach. Napríklad proteíny obsahujúce doménu TBC, TBC1D14 a TBC1D15, koordinujú endozomálny prenos a biogenézu autofagozómov. TBC1D5 je Rab7 GAP, ktorý je rekrutovaný do mitochondrií proteínom FIS1, aby zvládl hydrolýzu Rab7 GTP, čo tiež umožňuje mitochondriám regulovať kontaktné uvoľnenie s lyzozómami [53]. Keďže kontakty mitochondrie-lyzozómy označujú miesta Drp1-pozitívnych udalostí mitochondriálneho štiepenia, zmeny v hydrolýze Rab7 GTP vedú k abnormálnej lyzozomálnej morfológii a výrazne zníženej rýchlosti mitochondriálnej motility [53]. Ukázalo sa, že TBC1D2, ktorý ovplyvňuje Rab7 GTPázu a moduluje fúziu autofagozóm-lyzozóm, je aktivovaný LRRK1 po indukcii makroautofágie [54].

Proteínová rodina malých Rab GTPáz riadi transportné cesty vezikúl a zabezpečuje prenos vezikúl do ich vhodných cieľových kompartmentov. Rab GTPázy interagujú s efektorovými proteínmi, ako sú komplexy na triedenie nákladu, motorické proteíny a uväzovacie faktory, ktoré sú potrebné na pučenie vezikúl, transport a fúziu rôznych intracelulárnych organel. V bunkách cicavcov existujú tri primárne typy autofágie: makroautofágia, mikroautofágia a autofágia sprostredkovaná chaperónmi (CMA) (obr. 4). Každý podtyp pozostáva z rôznych mechanizmov dodávania substrátu do lyzozómu; výsledok je však rovnaký pre všetky z nich, čo vyvrcholí dodaním nákladu do lyzozómu na degradáciu a recykláciu.

Makroautofágia mitochondrií je najviac študovaná a bežne sa označuje ako mitofágia. Mitofágová signalizácia je riadená hlavne cieľom rapamycínového proteínového komplexu 1 (TORC1). Po indukcii autofágie sa vytvorí sekvestračná membrána nazývaná fagofor (obr. 4A). Fagofor uzatvára nesprávne poskladané proteíny a/alebo dysfunkčné organely, kým nie je dokončený do obaleného autofagozómu. Autofagozóm sa potom spojí s lyzozómom a prenesie cytoplazmatický náklad na hydrolýzu. Organely vo vnútri nákladu sa potom degradujú na aminokyseliny a jednoduché mastné kyseliny a uhľohydráty, ktoré sa uvoľnia do cytoplazmy lyzozomálnymi/vakuolárnymi membránovými permeázami a opätovne sa použijú v biosyntéze [55].

Obr. 4 Typy autofágových dráh regulovaných GTP A V makroautofágii (mitofágia) proteíny značené ubikvitínom (Ub) získavajú p62 na interakciu s LC3 za vzniku autofagozómov. Rab2 sa podieľa na tvorbe fagoforov, zatiaľ čo Rab8b a Rab9a sa podieľajú na dozrievaní autofagozómov. Arl8 sa nachádza na lyzozómovej membráne a umožňuje lyzozomálny prenos. B Pri autofágii sprostredkovanej chaperónom (CMA) sa substrátové proteíny viažu na monomérnu formu LAMP-2A po rozpoznaní motívom KFERQ cytosolickým chaperónovým komplexom Hsc70. Rozvinutie celého substrátu je potrebné na jeho translokáciu do multimérneho komplexu s LAMP-2A. V membráne lyzozómov sú dve zásoby GFAP: 1, v podmienkach s vysokou aktivitou CMA GFAP interaguje s LAMP-2A, aby stabilizoval komplex potrebný na translokáciu nákladu CMA spôsobom závislým od GTP; 2, GFAP interaguje s EF1, zatiaľ čo GTP indukuje uvoľňovanie EF1 z GFAP inhibujúceho CMA a podporuje rozklad multimérneho LAMP-2AC V makroautofágii je autofagický náklad pohltený invagináciami lyzozomálnej membrány, aby sa zachytil obsah. U všetkých dochádza k recyklácii po lyzozomálnej degradácii

CMA (obr. 4B) nepoužíva membránové štruktúry na sekvestráciu nákladu, ale namiesto toho používa chaperóny na identifikáciu nákladných proteínov a ich translokáciu do lyzozomálnej membrány, zatiaľ čo mikroautofágia (obr. 4C) využíva invaginácie alebo výčnelky lyzozomálnej membrány na zachytenie a dodanie autofagický náklad do lyzozomálnej membrány [56, 57].

Reaktívne formy kyslíka (ROS) čiastočne riadia autofágiu. Hladovanie stimuluje produkciu ROS (hlavne H2O2) v mitochondriách, čo sa javí ako nevyhnutné pre tvorbu autofagozómov. V kvasinkách môže byť autofágia regulovaná ROS prostredníctvom Atg4 prostredníctvom oxidácie-redukcie disulfidovej väzby medzi zvyškami Cys338 a Cys 394, ktorá je potrebná pre správnu biogenézu autofagozómov [58]. Atg4, redoxná proteáza, pôsobí ako C-koniec štiepiaceho C-konca konjugačného enzýmu v nezrelom Atg8 (cicavčí homológ LC3), aby sa vystavil konzervovaný glycínový zvyšok pre jeho následné spojenie s fosfatidyletanolamínom (PE). Ďalej Atg4 pôsobí aj ako dekonjugačný enzým, ktorý štiepi amidovú väzbu medzi Atg8 a PE, čím sa uvoľňuje z membrány na recykláciu, čo je kľúčové pre konjugačné systémy nevyhnutné pre autofágiu.

Autofágia: Regulácia GTP pri starnutí a AD

Autofagický klírens poškodených bunkových komponentov alebo aberantných proteínových agregátov sa stáva čoraz dôležitejším pri zvládaní zvýšeného oxidačného stresu spojeného so starnutím a AD [59]. Obojsmerný obchod do buniek az buniek musí byť vysoko koordinovaný. Autofágia funguje v spojení s endocytózou a exocytózou, ktoré obe prispievajú k obratu poškodených intracelulárnych zložiek využívajúcich lyzozomálnu fúziu a trávenie. Autofágia zahŕňa označovanie defektných bunkových organel a proteínových agregátov na degradáciu, po ktorom nasleduje zostavenie autofagickej štruktúry na prepravu nákladu na fúziu s lyzozómami na degradáciu poškodených proteínov a organel na recykláciu aminokyselín a lipidov alebo likvidáciu. Je to vysoko dynamický proces nevyhnutný na udržanie bunkovej homeostázy a funkcií. Dysregulácia autofágie je spojená so starnutím a patologickými neurodegeneratívnymi ochoreniami vrátaneAlzheimerova choroba. Hoci je dobre známe, že hladiny ATP za patologických podmienok s vekom klesajú [60], zmeny v hladinách GTP súvisiace s vekom nie sú dostatočne objasnené.

Indukcia autofágie závisí od rovnováhy ADP/ATP. Znížená produkcia ATP stimuluje AMP-aktivovanú proteínkinázu (AMPK) a stimulácia AMPK inaktivuje mTOR. AMPK zvyšuje autofágiu nielen nepriamo prostredníctvom inaktivácie mTOR, ale aj priamo prostredníctvom fosforylácie Unc{1}}like kinázy 1 (Ulk1), ktorá je molekulárnym cieľom mTOR v autofagickom aparáte [61].

Deplécia GTP môže ovplyvniť autofágiu pri starnutí a AD

Postmortálna analýza pacientov s AD naznačuje akumuláciu autofagozómov a iných lyzozomálnych autofagických vakuol v dystrofických neuritoch a synaptických zakončeniach, čo sú neuropatologické znaky AD [62]. Upregulácia autofagozómov v hipokampálnych CA1 pyramidálnych neurónoch súvisí so zmenami v expresii génov súvisiacich s autofágiou (ATG3, ATG5, ATG12, ULK1 a PIK3C3/VPS34) a proteínov (LC3B-II a LC3B I) v skorých štádiách AD [63 ]. Tieto fakty naznačujú, že AD je spojená so zmenami v obchodovaní s autofagozómami.

Autofágová dysregulácia sa vyskytuje u pacientov s AD aj u zvieracích modelov. Akumulácia veľkého množstva autofagických vakuol v neurónových dendritoch sa vyskytuje u PS1/APP dvojito transgénnych myší a objavuje sa ešte pred A plakmi [64]. Podobne boli pozorované nezrelé autofagické vezikuly v axónoch v hipokampálnych neurónoch myší s AD, ďaleko pred stratou synaptickej a neuronálnej straty (Cat aldo et al., 20}04 [44, 65, 66]. Tau agregáty sú tiež degradované cez autofágovú dráhu [67, 68] Divoký typ presenilínového génu 1 (PS1) pôsobí ako ligand podjednotky v-ATPázy V0a1 regulujúci distribúciu podjednotiek v-ATPázy do lyzozómov na acidifikáciu.Vnútrobunkový A sa viaže na v- ATPázu a inhibuje acidifikáciu [69]. Mutácia v PS1 tak prispieva k dysregulácii systému autofágovej-lyzozómovej degradácie [70]. Hlavný genetický rizikový faktor pre sporadickú AD, apolipoproteín E4 (ApoE4), tiež prispieva k indukcii autofágie lyzozomálny únik [71], ktorý vedie k narušenému endolyzozomálnemu prenosu, narušeniu synaptickej homeostázy a zníženému klírensu amyloidu.Celkovo to naznačuje, že defektná autofagia-lyzozómová proteolýza môže byť zodpovedná za akumuláciu patogénnych proteínov ako A a tau pri AD. Podmienený knockout génu potrebného na tvorbu autofagozómov, Atg7fox/fox, krížený s transgénnymi myšami APP23, ukázal, že narušený deficit autofágie podporoval akumuláciu A v CA1 a kortikálnych pyramídových neurónoch, ako aj drastické zníženie záťaže a inhibície extracelulárnych plakov A sekrécie A [72]. Toto pozorovanie naznačuje, že zmeny v tvorbe autofagozómov sa vyhýbajú správnemu spracovaniu A, ktoré by mohlo viesť k aberantnej akumulácii v soma [27]. Akumulácia bola tiež pozorovaná v cis- a trans-tváre Golgiho vezikúl v neskorom Golgiho aparáte, čo naznačuje, že táto organela by mohla tiež produkovať funkčné zmeny, ktoré zhoršujú správnu tvorbu fagoforu [73]. Na podporu tohto predpokladu malá GTPáza Rab2 spája Golgiho sieť s mechanizmom autofágovej dráhy [74]. Rab2 sa podieľa na tvorbe fagoforov ďalším náborom a aktiváciou Ulk1. Rab2 interaguje s Rubcnl a Stx17 (autofagozomálny proteín SNARE), aby ďalej špecifikoval nábor komplexu HOPS na uľahčenie dozrievania autofagozómov a fúzie s lyzozómami [74].

Ďalším členom nadrodiny malých GTPáz Ras, ktoré sa podieľajú na tvorbe vezikúl, je ADP ribozylačný faktor (Arf). Arf GTPáza sa zúčastňuje hlavne procesu pučania v Golgiho komplexe, náboru obalových proteínov počas tvorby vezikúl na prenos membrány. Arf GTPáza sa podieľa na kontrole prenosu APP prostredníctvom proteínov MINT, kľúčových zložiek pre fúziu synaptických vezikúl. Proteíny MINT sa viažu priamo na Arf GTPázy a lokalizujú sa spolu s vezikulami obsahujúcimi APP v oblastiach Golgiho/trans-Golgiho siete (TGN), pričom intracelulárne hladiny APP sú úmerné hladinám MINT [75]. Knockdown Arf1 znížil sekréciu amyloidných peptidov [76], čo naznačuje vplyv zlyhania funkcie Arf1 na prenos APP, ktorý by mohol konvergovať v intracelulárnej akumulácii (obr. 5).

Dysregulácia rôznych proteínov Rab tiež prispieva k patológii AD. Rab1 dysregulácia indukuje fragmentáciu Golgiho aparátu, ktorý spúšťa hyperfosforyláciu tau aktiváciou cdk5 a ERK1/2 [77, 78]. Defekt v Rab6 môže ovplyvniť sekréciu APP do

Obr. 5 Autofágia vyžaduje účasť niekoľkých malých GTPáz. V iniciačnej fáze Rab2 regrutuje a aktivuje ULK1 pri tvorbe fagoforov, zatiaľ čo Rab9a a Rab8b sa podieľajú na dozrievaní autofagozómov. Arf sa zúčastňuje pučania v Golgiho komplexe a náboru obalových proteínov počas tvorby vezikúl. Rab1 sa zúčastňuje obojsmernej vezikulárnej transportnej cesty medzi endoplazmatickým retikulom (ER) a Golgiho aparátom. Sar1 GTPase je zapojená do transportu sprostredkovaného COPII ako výstupná cesta z APP po dosiahnutí jej konečnej konformácie. Rab6 sídli v TGN a podieľa sa na retrográdnom transporte z Golgiho do ER a je spojený s reguláciou vezikulárneho transportu a spracovaním APP. Rab11 riadi recykláciu endozómov do plazmatickej membrány. Prerušenie vezikulárneho exportu, ktorý obsahuje APP-BACE, môže spôsobiť akumuláciu exozómov. Arl8 reguluje transport a lyzozomálnu fúziu prostredníctvom mikrotubulov pozdĺž neurónového média, čo vedie k zmenám v rýchlosti sekrécie, čo by mohlo podporiť zmeny v anterográdnom obchodovaní s APP vedúcim k intracelulárnej akumulácii. Analýza sekvenovania exómu, ktorá podporuje intracelulárnu akumuláciu, identifikovala Rab11A / B ako zložku rizika AD s neskorým nástupom. Rab11 riadi recykláciu endozómov do plazmatickej membrány. Umlčanie Rab11A/B v primárnych neurónoch izolovaných z APP transgénnych myší znížilo hladiny A v supernatantoch zozbieraných a analyzovaných elektrochemiluminiscenciou (ECL) [79]. Tieto údaje naznačujú, že akumulácia A by mohla byť tiež spôsobená poruchami pri exporte vezikúl obsahujúcich APP, čo by mohlo ustúpiť štiepeniu sekretázou vo vezikulárnej membráne [27] (obr. 1B). Pretože tvorba vezikúl obsahujúcich APP a tvorba fagoforu zahŕňa správne fungovanie ER-Golgiho poháňaného malými GTPázami, deficity v hladinách GTP by spôsobili poruchy v balení APP, ktoré by mohli ohroziť jeho sekréciu a podporiť intracelulárnu akumuláciu. .

Tieto vzťahy medzi autofágiou a akumuláciou intracelulárneho A sú podporované vekom podmieneným kolokalizačným signálom medzi p62-riadenou tvorbou autofagozómu a formami A pozorovanými v primárnych kultivovaných hipokampálnych neurónoch z dospelých myší 3xTg-AD [27] a v APP23-transgénne myši s líščími myšami Atg7 [73]. Ďalším zaujímavým faktom je, že pri autofágii nebol pozorovaný žiadny signál agregátov, ktorý je pozitívny na katepsín D [27]. Tieto údaje môžu naznačovať dysfunkciu v skorších krokoch autofágie alebo lyzozomálnej funkcie v modelových neurónoch AD (obr. 6) [26].

Regulácia GTP v CMA v AD

Namiesto organel CMA degraduje malé molekuly v eukaryotických bunkách vyvolaných dlhodobým hladovaním alebo miernym oxidačným stresom. Navrhlo sa, aby bola CMA regulovaná hladinami GTP [80]. Táto regulácia zahŕňa účasť intermediárneho filamentového gliálneho fibrilárneho kyslého proteínu (GFAP) a elongačného faktora -1 alfa (EF1) [46, 81]. GFAP je prítomný v dvoch rôznych skupinách na lyzozomálnej membráne, časť naviazaná na LAMP-2A a ďalšia neviazaná forma, ktorá interaguje s EF1. Tri motívy KFERQ v chaperóne Hsc70 ho smerujú do lyzozomálnych membrán, kde interaguje s proteínovým komplexom LAMP-2A a stabilizuje translokáciu nákladu CMA do lyzozomálneho lúmenu. Časť GFAP, ktorá nie je viazaná na LAMP-2A, prispieva k regulácii GTP. V prítomnosti GTP sa EF1 uvoľňuje z GFAP na lyzozomálnej membráne, čo podporuje disociáciu medzi GFAP a LAMP-2A, mobilizuje LAMP-2A na lipidové mikrodomény na jej degradáciu a následnú inhibíciu CMA [ 81]. Poruchy hustoty komplexu LAMP2A na lyzozomálnej membráne sú tiež spojené so starnutím, čo tiež vedie k zníženiu funkcie CMA [82] (obr. 4B)

Ešte iná forma autofagozómovej biogenézy cicavcov funguje prostredníctvom záhadnej nekánonickej VPS34-nezávislej dráhy. Fosfoinozitidy (PI) definujú identitu membrány a riadia niekoľko udalostí prenosu membrán. Fosfatidylinozitol 5-kináza (PIKfyve) konvertuje endozómovo lokalizovaný fosfatidylinozitol-3-fosfát (PI(3)P) na PI(3,5) P2, kľúčový regulátor včasného až neskorého prenosu endozómových membrán [83] . Ďalej, komplex PIKfyve je tiež zodpovedný za produkciu PI (5) P z PI a reguluje tvorbu autofagozómov. PI (5) P reguluje autofágiu prostredníctvom efektorov PI (3) P (nábor proteínov WIPI2 a DFCP1), ktoré poskytujú mechanický rámec pre túto alternatívnu autofágovú dráhu. PI(5)P používa fosfatidylinozitol 5-fosfát 4-kináza (PI5P4K), ktorá reguluje hladiny PI(5)P pomocou GTP namiesto ATP na fosforyláciu PI(5)P na získanie PI(4, 5)P2 ako konečný produkt, ktorý reguluje remodeláciu aktínového cytoskeletu [84]. Zistili, že PI (3, 5) P2 má nízku afinitu ku kofilínu, ktorý rozkladá aktínové filamenty, a vysokú afinitu k N-WASP, ktorý aktivuje komplex Arp2/3 na spustenie aktínovej nukleácie na transport endocytických vezikúl z plazmatickej membrány. Predpokladá sa, že aktivita PI5P4K odráža zmeny v priamej úmere k fyziologickej koncentrácii GTP a pôsobí ako intracelulárny GTP-senzor [85]. V bunkách, ktorým chýba PI3P (nízke PI(3,5)P2) s uzamknutým VPS34, komplex PIKfyve podporuje autofágiu pomocou PI5P [85]. Tieto údaje naznačujú, že PIKfyve má kľúčovú úlohu pri modulácii autofágie. Zhoršená funkcia PIKfyve vedie k tvorbe opuchnutých vakuol, ktoré sú ľahko viditeľné pri malom zväčšení v živých bunkách [86]. Intracelulárna doména APP viaže podjednotku Vac14 komplexu PIKfyve, čo ovplyvňuje produkciu PI(3,5)P2 [87]. PI(3,5)P2 sa viaže a aktivuje endolyzozomálny kanál TRPML [88]. Našli zväčšené vakuoly v PI(3,5)P2-deficientných myších fibroblastoch, ktoré boli potlačené nadmernou expresiou zdravého kanála TRPML1. TRPML vodivosť a acidifikácia lyzozómov boli narušené [89].

Závislosť mitochondriálneho štiepenia a fúzie na GTP

Okrem poskytovania ATP prostredníctvom oxidačnej fosforylácie poskytujú mitochondrie aj GTP z NME4 a jeho nukleoziddifosfátkinázovú aktivitu [8]. Tento mitochondriálny prísun energie je nevyhnutný na generovanie synaptických vezikúl na uvoľnenie na axónových termináloch, ako aj na recykláciu vezikúl v synapsiách. Synaptická strata pri AD môže byť spôsobená stratou bioenergetickej kapacity na udržanie týchto základných procesov. Preto počet a lokalizácia mitochondrií na synapsiách pravdepodobne určuje energetickú kapacitu pre endocytózu a exocytózu. Mitochondriálna dynamika jemne vyvažuje štiepenie a fúziu riadenú Drp1 a Fis1, Mf1, Mfn2 a Opa1 [90, 91] (obr. 7). Konverzia ATP na GTP je lokálne riadená lokalizovanými nukleoziddifosfátkinázami (NDPK) z génov NME 1–4 [51]. NME1 a 2 (niekedy nazývané NM23 H1 a H2) sú prevažne cytosolické, zatiaľ čo NME3 a 4 (NM23 H3, H4) sú mitochondriálne. Mitochondriálny komplex NDPK so špecifickými dynamínovými GTPázami na kanál GTP priamo z hydrolýzy ATP [16]. Rovnováha štiepenia a fúzie mitochondrií je citlivá na redoxnú nerovnováhu. Buď endogénna alebo exogénna aplikácia ROS aktivuje mitochondriálne štiepenie, indukuje mitochondriálnu fragmentáciu a následnú mitochondriálnu dysfunkciu [90]. To vedie k ďalšej nadprodukcii ROS a začarovanému cyklu, ktorý zosilňuje oxidačný stres a v konečnom dôsledku spôsobuje oxidačnú nerovnováhu pri AD [92]. Štiepenie je regulované dynamínovými GTPázami Drp1 a Fis1 s Km okolo 100 μM [51]. Polymerizujú a sťahujú tubulárne membrány podobne ako endocytóza. Fis1 je lokalizovaný vo vonkajšej mitochondriálnej membráne [90, 93, 94].

Obr. 7 GTP-dependentná mitochondriálna dynamická morfológia štiepenia a fúzie. Ľavý fúzny panel: Proteín súvisiaci s dynamínom-1 (Drp1) vykonáva mitochondriálne štiepenie samopolymerizáciou okolo vonkajšej mitochondriálnej membrány, ktorá zužuje a oddeľuje obe membrány v procese závislom od hydrolýzy GTP. Pravý fúzny panel: Mitofusín-1 a -2 (MTF1/2) spájajú priľahlé vonkajšie mitochondriálne membrány v procese závislom od hydrolýzy GTP. OPA1 umožňuje fúziu membrán vnútornej mitochondrie pomocou lokálneho GTP poskytovaného NME4. Červené prerušované šípky označujú posun organely.

Fúzia je riadená tromi proteínmi GTPázy: Opa1, umiestnený vo vnútornej mitochondriálnej membráne, a Mfn1 a Mfn2, umiestnený vo vonkajšej mitochondriálnej membráne. Opa1 GTPáza s Km okolo 500 μM by vyžadovala hojné hladiny GTP na polymerizáciu a mechanizáciu mitochondriálnej membránovej fúzie do skúmaviek [51].

hypoxia, energetický stres a zvýšený oxidovaný redoxný stav. Zvýšený oxidačný stres a zvýšené hladiny ROS spôsobili fragmentáciu mitochondrií a indukciu mitofágie závislej od štiepenia DRP1 v myších a HeLa bunkách. To neviedlo k bunkovej smrti a autofágii, pretože stredné hladiny ROS nestačili na spustenie neselektívnej autofágie [95]. V skutočnosti môže byť táto mitofágia inhibovaná N-acetyl-l-cysteínom prostredníctvom poháňania glutatiónu a možného pôsobenia na Atg4. Zníženie množstva glutatiónu tiež vyvolalo mitofágiu, ale nie všeobecnú autofágiu. Naopak, pridanie bunkovo ​​permeabilnej formy glutatiónu inhibovalo mitofágiu [96]. Oxidačný redoxný stav teda podporuje cielene selektívne odstránenie dysfunkčných mitochondrií. To tiež naznačuje integráciu redoxnej rovnováhy a energetických hladín s cieľom maximalizovať zdravú mitochondriálnu funkciu a kontrolovať obrat poškodených mitochondrií.

Porucha fúzie a štiepenia sa podieľa na AD. V myšom modeli A interaguje s fs sionovým proteínom Drp1 s následným zvýšením produkcie voľných radikálov, čo ďalej aktivuje Drp1 a Fis1, čo spôsobuje nadmernú fragmentáciu mitochondrií, defektný transport mitochondrií do synapsií, znižuje synaptický ATP a v konečnom dôsledku vedie k synaptickej dysfunkcie [97]. p-tau tiež interaguje s Drp1 a zvyšuje enzymatickú aktivitu GTPázy Drp1, čo vedie k nadmernej fragmentácii mitochondrií a mitochondriálnej dysfunkcii pri AD [98]. S-nitrozylačný adukt Drp1 (SNO-Drp1) ďalej stimuloval jeho aktivitu a viedol k nadmernej mitochondriálnej fragmentácii a strate synapsií [99].

Zhoršená lyzozomálna funkcia pri AD spôsobená depléciou energie súvisiacou s vekom

Lysozomálne trávenie autofagického nákladu je posledným krokom na dokončenie autofágie. Preto si lyzozómy musia zachovať svoje kyslé prostredie pre degradáciu nákladu na základe pH kyselinou aktivovanými peptidázami, lipázami, nukleázami a glykozidázami. V prípade acidifikácie lyzozómov sa prílev protónov uskutočňuje ako v-ATPázou, ATP-dependentnou protónovou pumpou, tak chloridovými protónovými antiportérmi, zatiaľ čo eflux katiónov je sprostredkovaný transportérmi TPC a TRPML, ktoré sa tiež podieľajú na rovnováhe pH [ 100]. Presenilín-1 (PS1) reguluje distribúciu podjednotiek v-ATPázy do lyzozómov, ktoré pôsobia ako ligandy podjednotky v-ATPázy V0a1 a udržiavajú lyzozomálnu homeostázu prostredníctvom TRPML1 [69]. Mutácie PS1 sú spojené s nízkou acidifikáciou lyzozómov, dysreguláciou systému autofagie-lyzozómovej degradácie a patogenézou AD so skorým nástupom [26].

Arl8 (G proteín podobný Arf) je malá GTPáza umiestnená na lyzozómoch, ktorá pôsobí ako spojka medzi lyzozómami a kinezínom-1 na uľahčenie lyzozomálneho prenosu pozdĺž axónov (obr. 8B) [101]. Arl8b tiež pôsobí ako prepínač na reguláciu asociácie HOPS komplexu s lyzozomálnou membránou [102]. Narušenie funkcie Arl8b spôsobuje abnormálnu akumuláciu cholesterolu v membránach lyzozómov, čo vedie k narušenému prenosu axonálnych lyzozómov a vedie k autofagickému stresu a akumulácii axonálnych autofagozómov [103]. Okrem toho zvýšená expresia Arl8b zachránila transport lyzozómov do axónov a autofagický stres. Nadmerná expresia Arl8 tiež stimulovala obojsmernú motilitu lyzozómov na mikrotubuloch väzbou na kinezín{11}} linker SKIP na prepojenie kine sin a silovej motility [104]. SKIP vyžadoval na väzbu Arl8 v aktívnom stave viazanom na GTP. Nadmerná expresia Arl8b však tiež spôsobila výraznú alkalizáciu lyzozómov a pohyb smerom k bunkovej periférii oproti rovnomernejšej distribúcii lyzozómov v cytoplazme [105]. Proteomická štúdia v ľudskom tkanive zaznamenala obohatenie Arl8b v amyloidných plakoch [106]. Tieto údaje naznačujú, že zmeny v expresii alebo fungovaní Arl8 ovplyvňujú fúziu lyzozómu s autofágiou alebo neskorým endozómom, čo by mohlo mať dôsledky na akumuláciu autofagozómov pozorovanú pri AD. Pretože tvorba sekrečných vezikúl dodávaných do plazmatickej membrány je proces závislý od GTP, ktorý vyžaduje Arf a Rab GTPázy, defekty v hladinách GTP môžu ohroziť správne vezikulárne prenášanie.

Biogenéza lyzozómov je regulovaná mTORC1 a transkripčným faktorom EB (TFEB) vytvárajúcim reverzibilný signálny komplex na povrchu lyzozómov. mTORC1 fosforyluje TFEB na Ser211, čím umožňuje transport TFEB do jadra, aby upreguloval expresiu v-ATPázy a ďalšie gény zapojené do biogenézy lyzozómov a tvorby autofagozómov [107, 108]. Pridanie A k mikrogliálnym bunkám znižuje TFEB v jadre a zhoršuje spracovanie A [109]. Táto regulácia prostredníctvom mTORC1 je zasa podporovaná malými GTPázami vrátane Rheb a Rag, zložkami snímajúcimi aminokyseliny, ktoré sú súčasťou regulátora multiproteínového signalizačného komplexu, ktorý pôsobí ako aktivátor mTORC1 [110]. Pretože acidifikácia lyzozómov vyžaduje ATP pre funkciu V-ATPázy a GTP pre reguláciu TORC1 sprostredkovanú GTPázou, predpokladáme, že vyčerpanie energie v dôsledku starnutia alebo patologických stavov podobných AD priamo zhoršuje funkciu lyzozómov. Okrem toho, ak vezmeme do úvahy, že acidifikácia lyzozómov zahŕňa regulačnú interakciu medzi v-ATPázou a TORC1 sprostredkovanú príjmom živín prostredníctvom TFEB, cykly hladovania a konzumácie živín by mohli prospieť lyzozomálnej funkcii pri AD [111], zatiaľ čo častá konzumácia cukru môže zhoršiť funkciu. Poškodené lyzozómy by mohli viesť k akumulácii autofagozómov plných poškodených mitochondrií a obohatených o A-agregáty, ktoré nie sú schopné degradácie. Keďže autofágia nahrádza poškodené alebo zostarnuté organely, jej udržiavanie je ovplyvnené metabolickými zmenami v dôsledku veku. Metabolické posuny súvisiace s vekom a poškodené lyzozómy by mohli viesť k akumulácii metabolických posunov, ako je vyčerpanie energie a/alebo oxidačné redoxné posuny. Hladiny GTP by teda mohli byť nižšie pri nízkoaktívnom sedavom životnom štýle, čo by viedlo k neefektívnym dráham závislým od GTP. degradácia bielkovín s postupujúcim vekom. Tieto pozorovania silne naznačujú vzťah medzi zmenami v procese dozrievania autofagozómu a metabolickými nedostatkami, ktoré sa vyskytujú s progresiou ochorenia a starnutím. Ďalej, aberantná akumulácia A by mohla byť dôsledkom upstream nedostatkov v GTP, ktoré zhoršujú autofagické spracovanie A a tau, možno skôr ako agregovaná sekrécia amyloidu, zápal a hromadenie plakov.

Obr. 8 Dynamická nestabilita mikrotubulov spojených s GTP. Molekuly GTP sa viažu na E-miesto a N-miesto na heterodimérnych tubulínoch. GTP na E-mieste sa hydrolyzuje, aby sa z neho stal GDP- -tubulín, a vymenil sa za nový heterodimér naviazaný na GTP / aby sa vytvorili podjednotky. Heterodiméry sa pridávajú do rastúcej mriežky mikrotubulov na polymerizáciu, čím sa vytvorí nová vrstva GTP-heterodimérov známych ako GTP-cap. K depolymerizácii dochádza, keď heterodiméry opúšťajú zmršťujúcu sa mriežku mikrotubulov. Hyperfosforylácia proteínu asociovaného s mikrotubulami, tau, podporuje tvorbu neurofibrilárneho spleti (NFT) a destabilizáciu mikrotubulov. Prechod z rastúceho stavu do katastrofického zmenšujúceho sa stavu. B Tvorba endolyzozómov vyžaduje, aby sa lyzozómy pohybovali po stopách mikrotubulov v pozitívnom smere, zatiaľ čo neskoré endozómy sa pohybovali v negatívnom smere. Lysozomálny multiproteínový komplex BORC (nie je znázornený) aktivuje malú GTPázu Arl8, aby sa zapojila kinezínom riadený plus-end transport. Pre transport s mínusovým koncom Rab7- stav viazaný na GTP získava Rab-interagujúci lyzozomálny proteín (RILP) a cytosolický proteín 1 viažuci oxysterol (ORP1L) tvoriaci komplex dyneín-dynaktín. Tvorba NFT narúša vezikulárnu premávku pozdĺž mikrotubulov.

Požiadajte o viac:

E-mail:wallence.suen@wecistanche.com

Whatsapp/Tel: plus 86 15292862950

OBCHOD

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