Endosytoosin ja autofagian GTP-energiariippuvuus ikääntyvissä aivoissa ja Alzheimerin taudissa Ⅲ

Tubuliinikokoonpanon, vesikkelikuljetuksen ja proteiinisynteesin GTP-riippuvuus

Mikrotubulukset ovat avaintoimijoita aksonien kasvussa ja tarjoavat rakenteellista tukea aksodendriittiselle vesikulaariliikenteelle. Mikrotubulusten päät käyvät läpi toistuvan polymerointi-/depolymerointiprosessin, jota kutsutaan dynaamiseksi epästabiiliudeksi. Mikrotubuluspolymerointi vaatii GTP:hen sitoutuneiden / heterodimeerien lisäämisen niiden päihin (kuvio 8A). Tubuliiniheterodimeerit sitoutuvat kahteen GTP-molekyyliin kahdessa eri paikassa. N-kohta sijaitsee intradimeerin rajapinnassa - ja -tubuliinin välissä, jossa GTP ei hydrolysoitu ja vaihtuu hitaasti. E-kohta on dimeerin sisäisessä rajapinnassa, jonka muodostavat yhden heterodimeerin -alayksikkö ja viereisen heterodimeerin -alayksikkö. E-paikan GTP hydrolysoituu GDP:ksi ja vaihdetaan uuteen GTP-nukleotidiin. Koska mikrotubulukset näkyvätkorkea dynaaminen tasapainovälilläpolymerointitilat, GTP:n sytoplasmiset tasoton oltava riittävän korkea, jotta se saa tehoa mikroputkien dynaamisen epävakauden tarpeeseen (kuva 8A).

Napsauta tätä saadaksesi tietää, miten CistancheParanna kognitiivista toimintaa

Mikrotubulukset muodostavat sytoskeletaalisia raitoja, joilla lysosomit kulkevat kohdeendosomeihinsa ja fagosomeihinsa (kuvio 8B). Kinesiinimoottori ohjaa lysosomien kuljetusta kohti aksonisten mikrotubulusten positiivista päätä ATP:llä, mutta kinesiinimoottorin yhdistäminen lysosomiin vaatii Arl8 GTPaasin sitoutuneen GTP:n kanssa [101]. Sitä vastoin myöhäisten endosomien kuljettaminen mikrotubuluksissa lysosomeihin vaatii Rab7 GTPaasin ja sitoutuneen GTP:n dyneiinimoottorin kiinnittämiseksi

AD:ssa mikrotubuluksiin liittyvä proteiini tau polymeroituu hyperfosforylaatiolla liukenemattomiksi filamenteiksi aksodendriittisten neurofibrillaaristen kimppujen (NFT) [112, 113]. Kun tau on hyperfosforyloitunut, se menettää affiniteetin mikrotubuluksiin. Laajat tutkimukset ovat lähestyneet muutoksia mikrotubulusten dynamiikassa, mutta niissä ei ole onnistuttu tunnistamaan selvää syytä tau-toiminnan epäonnistumiselle. Taun säätelyyn liittyy GTPaaseja. AD-aivoissa Rac1 GTPaasi -proteiinitasot laskevat 50 prosenttia [114]. In vitro Rac1 GTPaasin aktivaatio aiheutti tau181:n hyperfosforylaatiota, lisäsi Abeta42:n tuotantoa ja heikensi aktiinin stabiilisuutta selkärangoissa [114]. Tämä ryhmä havaitsi myös kaksivaiheisen nousun Rac1 GTPaasissa nuoressa 3xTg-AD-hippokampuksessa, mitä seurasi myöhempi lasku, kuten myöhäisvaiheen ihmisen AD-aivoissa. Toisessa tauopatiahiirillä tehdyssä tutkimuksessa lisääntynyt farnesyylitransferaasiaktiivisuus Rhes-GTPaasin siirtämiseksi autofagisiksi vesikkeleiksi liittyi alhaiseen tau-hyperfosforylaatioon, kun taas Rhesin estäminen edisti tau-hyperfosforylaatiota [115]. Siten GTPaasiriippuvainen autofagia puhdistaa tehokkaasti pTau:n [116] ja heikentynyt autofagia alhaisista GTP-tasoista tai oksidatiivisesta redox-tilasta heikentäisi pTau:n puhdistumaa.

GTP on myös välttämätönproteiinisynteesi,proteostaasin synteesipuoli, joka edellyttääkahden GTP-molekyylin hydrolyysijokaiselle polypeptidiin sisällytetylle aminohapolle. Vaikka ATP:tä käytetään aminoasyyli-tRNA:n lataamiseen, RNA-helikaasiin ja GDP:n kierrättämiseen GTP:ksi, itse GTP on välttämätön elongaatiotekijöiden aktiivisuudelle initiaatiossa (IF-2), elongaatiossa (EF-Tu, EF-G). ) ja ribosomin vapautumistekijä terminaatiota varten (RF1) [117]. Tämä ryhmä käytti solutonta rekonstituoitua järjestelmää mittaamaan ATP:n kokonaiskm:n 27 µM ja 14 µM GTP:lle. Nämä korkeat affiniteetit viittaavat proteiinisynteesin priorisointiin energiarajoituksen aikana korkean kapasiteetin ylläpitämiseksi, ehkä endosytoosin ja autofagian kustannuksella, joilla on todennäköisesti korkeammat Km:t. Näin ollen suuri määrä GTP:tä tarvitaan synaptisessa plastisuudessa, jossa aineenvaihduntavaatimukset ovat suurimmat ionisen homeostaasin ylläpitämiseksi synaptista toimintaa ja proteiinien kiertoa varten. Proteiinisynteesi on ratkaisevan tärkeä presynaptisen välittäjäaineen vapautumiselle sekä postsynaptisen plastisuuden vahvistamiselle [118]. Siitä huolimatta proteiinisynteesi väheni ribosomaalisten RNA- ja tRNA-tasojen mukana, kun taas RNA:n hapettuminen lisääntyi AD:n alkuvaiheessa [119]. Muuttunut proteiinisynteesi johtaa hapettuneiden proteiinien jatkuvaan kertymiseen, mikä johtaa väärinlaskostumiseen ja aggregaatioon. Proteiinien aggregaatio puolestaan ​​heikentää solujen proteolyyttisten järjestelmien toimintaa, mikä johtaa hapettuneiden proteiinien lisäkertymiseen [120]. Siten noidankehä johtaa liialliseen proteiinien ubikvitinaatioon ja dysproteostaasiin. Useita muita ribosomaalisia proteiineja koodaavia geenejä säädellään epänormaalisti, mikä johtaa muuttuneisiin elongaatiotekijöiden eIF2, eIF3η ja eIF5 proteiinitasoihin AD:ssa [121]. Lisääntynyt eIF2 ja alentuneet eIF3η- ja eIF5-tasot havaittiin AD-aivojen hippokampuksen CA1-alueella. Jatkuva eIF2-fosforylaatio Ser51:ssä säätelykinaasien pitkittyneen yliaktivaation kautta estää initiaattorimetionyyli-tRNA:n kulkeutumisen estäen mRNA:iden osajoukon yleisen translaation alkamisen. Siten proteostaasi voi heikentyä voimakkaasti rajoittavilla GTP-pitoisuuksilla.

Heikentynyt GSH-Trx-järjestelmä autofagian epäonnistumisen laukaisejana ikääntymisessä ja AD:ssa

Ikä on AD:n tärkein riskitekijä, ja se liittyy epätasapainoon redox-puskurin suojauksen vähenemisen ja ROS-tuotantoa lisäävän oksidatiivisen siirtymän välillä. Ehdotusta, jonka mukaan ROS-vaurio on syytekijä AD:n patogeneesissä, ei kuitenkaan ole validoitu antioksidanttihoidolla, ja oksidatiivinen redox-siirtymä näyttää olevan ROS-vaurion yläpuolella [122]. Epigeneettisen hapettuneen redox-siirtymän (EORS) on ehdotettu edeltävän ROS-välitteistä oksidatiivista vauriota, jotta voidaan ottaa huomioon pysyviä metabolisia muutoksia ikääntymisessä ja AD:ssa [123]. Tämä ilmenee pelkistävän solunsisäisen redox-suhteen laskuna kriittisistä redox-homeostaasia ylläpitävistä järjestelmistä: kysteiini/kystiini, GSH/GSSH ja NAD(P)H/NAD(P) [3]. Ei-siirtogeenisten hiiren aivojen ikäjakauman yli hapettava glutationin redox-tila edeltää Akt-aineenvaihdunnan muutosta ja aggregoituneiden proteiinien kertymistä vanhuuteen, mikä kiihtyy suuresti 3xTg-AD-hiirimallissa ennen solunsisäistä A- tai ekstrasellulaaristen plakkien kertymistä hippokampukseen. [124]. GSH-aineenvaihduntaan liittyvien entsyymien mutaatioita on myös liitetty autofagian, kuten glutationireduktaasigeenin (grs-1) säätelyyn C. elegans -mallissa, joka poistaa HLH-30-transkriptiotekijän tuman translokaation ( nisäkkään TFEB:n ortologi) ja laukaisee autofagian aiheuttaman proteiiniaggregaattien puhdistumiseen liittyvien geenien transkription vähenemisen [125]. Subsellulaarinen vapaa NADH-pitoisuus laskee iän myötä elävien villityypin ja AD:n kaltaisten hermosolujen mitokondrioissa, ytimissä ja sytoplasmassa [2]. Voisiko tämä redox-siirtymä stimuloida solunsisäisten A-aggregaattien logaritmista kasvua iän myötä [27]?

Vaikka näyttää ilmeiseltä, että jokin yhdistelmä solunsisäisen A:n muodostumisnopeuden lisääntymisestä tai niiden autofagisen puhdistuman nopeudesta laskee iän myötä (pääasiallinen riskitekijä), nämä muutokset laukaisevat mekanismit jäävät epäselväksi. Ehdotamme, että solujen redox-tila ja mahdollisesti systeeminen redox-siirtymä ovat olennaisia ​​ikääntymisen tekijöitä [123]. GSH ja tioredoksiini (Trx) ovat tärkein tioli-pelkistysjärjestelmä soluissa oksidatiivista stressiä vastaan. Niiden jakautuminen solussa on kuitenkin hyvin erilainen. Fysiologinen GSH-pitoisuus on mM,~1000- kertaa suurempi kuin Trx (μM-alueella). Tästä huolimatta Trx-järjestelmä säätelee laajempaa valikoimaa proteiineja kuin GSH-järjestelmä [126]. Proteominen analyysi identifioi Trx:n osallistumisen pääasiassa glykolyysiin/glukoneogeneesiin ja sytoskeletaalin uusiutumiseen liittyvien reittien säätelyyn, kun taas reitit, joihin sekä Trx että GSH vaikuttavat, liittyvät translaation insuliinisäätelyyn, lipidimetaboliaan ja soluadheesioon [126]. Samassa tutkimuksessa Trx yhdistettiin myös muiden GTP:n ja autofagian käsittelyyn osallistuvien proteiinien säätelyyn, kuten (i) IQ-motiiviin, joka sisältyi GTPaasia aktivoivaan proteiiniin 1 (GAP), rakenneproteiiniin, joka integroi Rho GTPaasin ja Ca2 plus:n. /kalmoduliinisignaalit sytoskeletaalin eheyden ylläpitämisessä; (ii) GDP-dissosiaatioinhibiittori-1 (GDI-1), proteiini, joka säilyttää Rab-proteiinit GDP:hen sitoutuneessa konformaatiossa; (iii) ubikitiinia aktivoiva entsyymi E1 (UBA1), proteiini, jota tarvitaan Atg7-- ja Atg3--riippumattomaan autofagiaan [127]; ja (iv) kofiliini-1, aktiinia depolymeroiva tekijä, jonka toiminta on ratkaisevan tärkeä synaptisten piikien ylläpitämisessä ja mitokondrioiden fission ja mitofagian käynnistämisessä [128]. Mielenkiintoista on, että kofiliini{18}}-tasot ovat kohonneet AD-mallihiirissä ja ihmisen AD:ssa, mikä osoittaa sen epätasapainoisen säätelyn [129]. Nämä tiedot viittaavat siihen, että Trx:llä voi olla mahdollinen rooli GTP:n ja autofagian ylläpitämisessä ja käsittelyssä.

Rab5- ja Rab7-GTPaasien N-päät sisältävät yksittäisiä tai kaksoiskysteiinejä, jotka tulisi altistaa hapettumiselle – pelkistykselle kystiiniksi tai farnesylaatiolle ankkuroimaan kalvoihin tai nitrosylaatioon, ehkä näiden Rab-aggregaattien muodossa. Muut redox-herkät proteiinit endosytoosissa, kuten TXNL1 [130], voivat nopeuttaa tai haitata siirtymiä reitin vaiheiden välillä.

Trx vähentää ja aktivoi Atg4:n disulfidisidoksen alhaista redox-potentiaalia tehokkaasti, mikä viittaa rooliin Atg4:n välittämänä autofagian redox-säätelijänä [131]. Muut tioredoksiinijärjestelmän komponentit osallistuvat autofagian säätelyyn. Tioredoksiinireduktaasin -2 (TrxR2, mitokondriaalinen isoformi) deleetio aiheutti mitokondrioiden rappeutumista, johon liittyi LC3:n, p62:n, LAMP1:n yli-ilmentymistä ja autofagisten kappaleiden kertymistä sydänlihassoluihin [132]. Mutta TrxR1-puutos lisäsi oksidatiivista stressiä, keskeytti varhaisen autofagian ja vähensi proteiinien hajoamista lysosomeissa [133]. Nämä tiedot viittaavat siihen, että useita autofagiakoneiston avainproteiineja, kuten Atg hiivassa, voidaan säädellä vasteena solunsisäisten redox-olosuhteiden muutoksiin GTP-tasojen mahdollisen säätelyn lisäksi.

Lisää energiaa AD-patologian pelastamiseksi

Vaikka yleisen autofagivuon stimulointi on hyödyllistä solujen ja kudosten kuntoon, ilman riittävää energiaa autofagian suorittamiseen, järjestelmä estyy. Kasvava näyttö osoittaa, että NAD plus/NADH:n saatavuuden väheneminen iän myötä [2, 134] on ratkaisevassa roolissa ikääntymiseen liittyvissä hermo- ja aivoverisuonihäiriöissä [135, 136]. Siten solujen oksidatiivisen ja pelkistävän energian nuorentaminen voi hyötyä autofagian ikääntymiseen liittyvistä lisääntyneistä vaatimuksista. Solujen NAD plus- ja NADH-tasojen palauttaminen nikotiiniamidimononukleotidi (NMN) -lisäaineella vanhoilla hiirillä pelasti hermosolujen toiminnan, lisäsi aivoverenkiertoa ja paransi suorituskykyä kognitiivisissa tehtävissä [135, 136]. Nikotiiniamidiribosidi (NR), NMN:n esiaste, parantaa mitokondrioiden ja aikuisten kantasolujen toimintaa iäkkäillä hiirillä sekä pidentää yleistä elinikää [137]. Nämä NAD-prekursorit voivat myös muuttaa autofagiaa. NR voi estää autofagivuon tukkeutumisen ja vähentää oksidatiivista stressiä doksorubisiinilla käsitellyissä kardiomyosyyteissä, mikä johtaa parantuneeseen autolysosomien puhdistumaan NAD plus / SIRT1-signalointireitin kautta [138]. NR-hoito lisäsi myös autofagista toimintaa ja palautti mitokondrioiden terveyttä Parkinsonin taudin eläinmalleissa, mikä viittaa mahdollisiin hoitoihin muissa hermostoa rappeutuvissa sairauksissa [139]. Koska Sirtuins- ja PARP-tuote on nikotiiniamidi, solut tarvitsevat NAD-pelastusreitin kierrättääkseen nikotiiniamidia takaisin NMN:ksi ja lopulta NAD plus:ksi. Kaksi laboratoriota on käsitellyt 3xTg AD-hiiriä nikotiiniamidilla ja havainneet hyödyllistä parannusta muistissa, DNA:n korjauksessa, autofagiassa, A:n kertymisessä, fosforyloituneessa tau:ssa ja parantuneen bioenergetiikassa [140, 141]. Samoin kognitiivisen toiminnallisuuden parantuminen useissa käyttäytymistokeissa 3xTgAD-hiirillä, joita hoidettiin nikotiiniamidiribosidilla, viittaa keskeiseen rooliin solun NAD:lla sekä ehtymiselle ennen neuronien rappeutumista AD:ssa [142]. Siksi käsitimme aikuisen 3xTg AD:n ja ei-siirtogeenisiä hermosoluja nikotiiniamidilla nähdäksemme, että bioenergeettinen parannus ulottui GTP-tasojen paranemiseen, sekä sitoutuneisiin että vapaisiin (kuvio 1). Kaiken kaikkiaan kohonneet NAD plus -tasot voivat edistää lukuisia alavirran toimintoja, kuten NAD-riippuvaisia ​​SIRT1-aktivoituja geenejä, jotka nuorentavat mitokondrioita ja estävät tulehdusta ja apoptoosia.

Toinen molekyyliluokka, joka hyödyttää vanhoja hermosoluja, ovat Nrf2-aktivaattorit [143, 144]. Yksi esimerkki on epigallokatekiinin ja gallushapon esteri, (−)-epigallokatekiini-3-gallaatti (EGCG), bioaktiivisin vihreän teen uutteesta löytyvä polyfenoli. EGCG lisäsi merkittävästi tärkeimpien autofagiaadapteriproteiinien NDP52 ja p62 mRNA-ilmentymistä ja paransi AD:n kannalta merkityksellisten fosforyloitujen tau-lajien puhdistumaa primaarisissa hermosoluissa [145] sekä paransi aivoverenkiertoa [146]. EGCG aktivoi myös autofagisia reittejä indusoimalla Sirt1:tä, mikä suojaa ihmisen prioniproteiinin aiheuttamaa neurotoksisuutta vastaan ​​[69]. Samanlaisia ​​vaikutuksia havaittiin käytettäessä muita Nrf2-elektrofiilejä sulforafaania [147], fsetiiniä ja granaattiomenasta peräisin olevaa urolitiini A:ta [148].

Päätelmät ja tulevat tutkimukset

Yllättävä joukko spesifisiä GTPaasi-säätelymakroautofagiaa (mitofagia), mikroautofagiaa, kaperonivälitteistä autofagiaa (CMA) jaendosytoosi, ja rakkula jamitokondrioiden salakuljetus. Koska ne kaikki riippuvat paikallisista GTP-tasoista, on tärkeää määrittää niiden sitoutumisvakiot GTP:lle. Zala et ai. [51] osoitti toiminnallista merkitystä mitokondrioiden fissio-GTPaasien Drp1 ja Fis1 Km noin 100 µM, kun taas Opa1 GTPaasi, jonka Km noin 500 µM, vaatisi korkeampia GTP-tasoja edistää mitokondrioiden fuusio. SisäänILMOITUS,endosyyttinenjaeksosyyttinensynaptisen adheesioproteiinin beeta-APP prosessointia voivat heikentää alhaisemmat paikalliset GTP-tasot ja GTPaasit sekä paikallisetoksidatiiviset redox-tilat. Selvempi AD onautofagisten rakkuloiden kerääntyminenjohtuen joko pitkän reitin tukkeutumisesta tai kyvyttömyydestä säädellä riittävän vahvaa vastetta sisäiseen soluvaurioon yhdistettynä siihen, että lysosomeja ei saada riittävästi happamaksi lastin hajoamisen aktivoimiseksi. Vähemmän selvää on, kuinka suuri osa näistä puutteista johtuu ikään liittyvästä rappeutumisesta, jonka tiedetään liittyvän ikääntymiseen liittyviin oksidatiivisiin redox-siirtymiin. Ikään liittyvät muutokset GTP-tasoissa tai kyvyssä säädellä bioenergeettisiä kettuja ovat tärkeä näkökohta tulevassa tutkimuksessa, varsinkin jos NAD plus prekursorit pystyvät lisäämään kapasiteettia ja edistämään autofagista puhdistumaa. Metabolinen sopeutuminen istuvaan elämäntapaan voi heikentää mitokondrioiden toimintaa vähemmällä energialla amyloidin ja taun proteostaasin, synaptisen toiminnan ja tulehduksen terveelliseen hallintaan. Aiheissa, joilla on puutteita,tietyt energian esiasteetja redox-modulaattorit voivat lisätäharjoituksen hyödytja aterveellinen dieettitopidentää ja edistää maksimaalista terveyttä.

Kiitokset

Luvut luotiin osoitteessa Biorender.com.

RahoitusTätä työtä tuki osittain National Institutes of Health -apuraha RF1 AG058218 GJB:lle. RAS saa tukea Secretaría de Educaciónilta, Ciencialta, Tecnología e Innovaciónilta (SECTEI) tästä post doc -työstä saatujen tuotteiden kehittämiseen.

Tietojen saatavuus Kuvan 1 raakakuvadata on saatavilla kohtuullisesta pyynnöstä vastaavalta tekijältä.

Ilmoitukset Eturistiriita Kirjoittajat eivät ole ilmoittaneet kilpailevia etuja.

Viitteet

1. Parihar MS, Kunz EA, Brewer GJ. Ikään liittyvät NAD(P)H:n ja glutationin laskut aiheuttavat redox-vähennyksiä ennen ATP:n häviämistä hippokampuksen hermosolujen glutamaattihoidon aikana. J Neurosci Res. 2008;86:2339–52.

2. Dong Y, Digman MA, Brewer GJ. NADH:n ikään ja AD:hen liittyvä redox-tila subsellulaarisissa osastoissa fluoresenssielinikäisellä kuvantamismikroskoopilla. Geroscience. 2019; 41:51–67.

3. Dong Y, Harlan BA, Brewer GJ. Kun ikääntyminen sytyttää Alzheimerin. Ikääntyminen. 2021;13:13376–7.

4. Dong Y, Sameni S, Digman MA, Brewer GJ. Ikään liittyvien hapettuneiden vapaiden NADH-pelkistystilojen palautuvuus Alzheimerin taudin hermosoluissa pakotettujen ulkoisten Cys/CySS-pelkistyssiirtymien avulla. Sci Rep. 2019;9:11274. 5. Bubber P, Haroutunian V, Fisch G, Blass JP, Gibson GE. Mitokondrioiden poikkeavuudet Alzheimerin aivoissa: mekaaniset vaikutukset. Ann Neurol. 2005;57:695–703. 6. Traut TW. Puriinien ja pyrimidiinien fysiologiset pitoisuudet. 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 gang B, Sousa RJ, Kandel ME, Kandel ES, Hahn KM, Nikiforov MA. Paikallisen GTP:n saatavuuden säätely säätelee RAC1:n aktiivisuutta ja soluinvaasiota. Nat Com mun. 2021;12:6091.

8. Schlattner U. NME-perheen monimutkaiset toiminnot – sijainti ja molekyyliaktiivisuus. Int J Mol Sei. 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, Nikiforov MA. Sisäisesti ratiometriset fluoresoivat sensorit solunsisäisten GTP-tasojen ja -jakauman arvioimiseen. Nat Methods. 2017;14:1003–9.

10. Bianchi-Smiraglia A, Nikiforov MA. Solunsisäisten GTP-tasojen arviointi käyttämällä geneettisesti koodattuja fluoresoivia antureita. Menetelmät Mol Biol. 2022; 2394:163–9.

Kysy lisää:

Sähköposti:wallence.suen@wecistanche.com

Whatsapp/Puh.: plus 86 15292862950

MYYMÄLÄ

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