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

Yleiset GTPaasi-signalointireitit autofagiassa: makroautofagia (mitofagia), mikroautofagia ja CMA

GTPaasi-superperhe käsittää laajan valikoiman proteiineja, jotka toimivat molekyylikytkiminä sitomalla ja hydrolysoimalla GTP-molekyylejä rakkuloiden liittämistä, telakointia ja fuusiota varten kohdekalvoihin [46]. Muutokset GTPase-funktiossa liittyvät muutoksiin rahtikuljetuksessa [47]. Vaihto "aktiivisen" tilan (GTP-sidottu GTPaasi) ja "inaktiivisen" tilan (GDP-sidottu GTPaasi) välillä vaatii guaniininukleotidinvaihtotekijän (GEF) ja GTPaasia aktivoivan proteiinin (GAP) [48] (kuva 3). , jota kutsutaan nimellä Rab GEF/GAP -kaskadi [22]. Monien GTPaasien kohdalla aktivoidun, GTP:hen sitoutuneen tilan eliniän uskotaan toimivan säätelijänä määritettäessä biologisen tapahtuman, kuten kalvofuusion ja signaalitransduktion, aktivaatioaikaa. GTPaasien oikeaa toimintaa voisi kuitenkin rajoittaa myös solunsisäisten GTP-tasojen lasku. Autofagosomien muodostumiseen osallistuvat Rab-perheen jäsenet Rab1, Rab5, Rab7, Rab9A, Rab11, Rab23, Rab32 ja Rab33B. Rab9 tarvitaan ei-kanonisessa autofagiassa. Rab7:llä, Rab8B:llä ja Rab24:llä on keskeinen rooli autofagosomien kypsymisessä. Rab8A ja Rab25 ovat mukana autofagian tuntemattomissa osissa [22]. Rab11 tarvitaan eksosytoosiin [49]. Epäonnistunut autofagia liittyy useisiin epäterveellisiin tiloihin, kutenmetabolinen stressija neurodegeneratiivisiin sairauksiin liittyvien proteiinien aggregaatio, mukaan lukienAlzheimerin tauti. Rab8b:llä on avainrooli autofagien järjestämisessäkypsyminenvaikka sen alavirran efektori Tbk-1, fosforyloi suoraan p62:n Ser-403:ssa, joka on tärkeä jäännös p62:n autofagiselle toiminnalle [50]. TBK-1 tarvitaan myös sytokineesin aiheuttamaan bakteerien autofagiseen eliminaatioon, kun taas Rab8:n kaatuminen autofagian induktion jälkeen aiheutti fagosomien vähenemisen [50].

Kuva 3 Molekyylivaihto GTPaasi-tilojen välillä. Pienen GTPaasin aktiivinen tila (GTP-sidottu) saavutetaan nukleotidinvaihtotekijällä, joka katalysoi GDP:n vaihtoa GTP:ksi, mikä johtaa GTPaasin aktivoitumiseen. Aktiivinen GTPaasi on vuorovaikutuksessa useiden alavirran efektorien kanssa moduloidakseen niiden toimintaa. GTPaasia aktivoiva proteiini (GAP) inaktivoi GTP:hen sitoutuneet proteiinit tehostamalla niiden aktiivisuutta GTP:n hydrolyysissä. BKT:hen sidottu muoto ei voi sitoa efektoreita

Napsauta tästä saadaksesi Herbal Cistanchea kognitiivisten toimintojen parantamiseen

Koska GDP on tiukasti sidottu Rab GTPaasiin ja niiden luontaiset GTP-hydrolyysinopeudet ovat alhaiset huolimatta niiden korkeasta affiniteetista 10–1–10–5 μM km [51], Rab GEF:t katalysoivat GDP:n dissosiaatiota. Rab GAP:t helpottavat GTP:n hydrolyysiä. Molempia säätelijöitä tarvitaan koordinoimaan Rab GTPaasien ajallista ja spatiaalista aktiivisuutta [52]. Rab GTPaasien, GEF:ien ja GAP:ien aktiivisuus on ratkaisevan tärkeää makroautofagian autofagosomien kuljetukselle ja kuljetukselle. Makroautofagia tarvitsee tiukkaa hallintaa, ja jotkut Rab GAP:t näyttävät toimivan päällekkäisillä reiteillä. Esimerkiksi TBC-domeenia sisältävät proteiinit, TBC1D14 ja TBC1D15, koordinoivat endosomaalista ihmiskauppaa ja autofagosomien biogeneesiä. TBC1D5 on Rab7 GAP, jonka proteiini FIS1 värvää mitokondrioihin käsittelemään Rab7 GTP:n hydrolyysiä, jolloin myös mitokondriot voivat säädellä kontaktin irtoamista lysosomien kanssa [53]. Koska mitokondrio-lysosomikontaktit merkitsevät Drp1-positiivisten mitokondrioiden fissiotapahtumien kohdat, muutokset Rab7 GTP:n hydrolyysissä johtavat sekä epänormaaliin lysosomaaliseen morfologiaan että mitokondrioiden liikkuvuuden huomattavaan vähenemiseen [53]. LRRK1:n osoitettiin aktivoituvan TBC1D2:n, joka vaikuttaa Rab7 GTPaasiin ja moduloi autofagosomi-lysosomi-fuusiota makroautofagian induktion yhteydessä [54].

Pienten Rab GTPaasien proteiiniperhe säätelee vesikkelien kuljetusreittejä ja varmistaa rakkuloiden kuljettamisen asianmukaisiin kohdeosastoihinsa. Rab GTPaasit ovat vuorovaikutuksessa efector-proteiinien, kuten lastin lajittelukompleksien, moottoriproteiinien ja kiinnitystekijöiden kanssa, joita tarvitaan rakkuloiden muodostumiseen, kuljettamiseen ja erilaisten solunsisäisten organellien fuusioimiseen. Nisäkässoluissa on kolme ensisijaista autofagiatyyppiä: makroautofagia, mikroautofagia ja kaperonivälitteinen autofagia (CMA) (kuva 4). Jokainen alatyyppi koostuu erilaisista mekanismeista substraatin toimittamiseksi lysosomiin; tulos on kuitenkin kaikille sama, mikä huipentuu lastin toimittamiseen lysosomiin hajottamista ja kierrätystä varten.

Mitokondrioiden makroautofagia on tutkituin ja sitä kutsutaan yleisesti mitofagiana. Mitofagian signalointia ohjaa pääasiassa Rapamycinin proteiinikompleksi 1 (TORC1). Autofagian induktion jälkeen muodostuu eristävä kalvo, jota kutsutaan fagoforiksi (kuva 4A). Fagofori sulkee sisäänsä väärin laskostuneita proteiineja ja/tai toimintahäiriöisiä organelleja, kunnes se valmistuu vaipalliseksi autofagosomiksi. Sitten autofagosomi fuusioituu lysosomin kanssa siirtäen sytoplasmisen lastin hydrolyysiä varten. Lastin sisällä olevat organellit hajoavat sitten aminohapoiksi ja yksinkertaisiksi rasvahapoiksi ja hiilihydraateiksi vapautumaan sytoplasmaan lysosomaalisten/vakuolaaristen membraanien permeaasien avulla ja käyttämään niitä uudelleen biosynteesissä [55].

Kuva 4 GTP A:n säätelemien autofagiareittien tyypit Makroautofagiassa (mitofagiassa) ubikitiinilla (Ub) leimatut proteiinit värväävät p62:ta olemaan vuorovaikutuksessa LC3:n kanssa ja muodostamaan autofagosomeja. Rab2 osallistuu fagoforien muodostumiseen, kun taas Rab8b ja Rab9a osallistuvat autofagosomien kypsymiseen. Arl8 sijaitsee lysosomikalvolla ja mahdollistaa lysosomaalisen salakuljetuksen. B Kaperonivälitteisessä autofagiassa (CMA) substraattiproteiinit sitoutuvat LAMP-2A:n monomeeriseen muotoon sen jälkeen, kun sytosolisen Hsc70-chaperonikompleksin KFERQ-motiivi tunnistaa ne. Täydellisen substraatin avautuminen vaaditaan sen translokoimiseksi multimeeriseksi kompleksiksi LAMP-2A:n kanssa. Lysosomien kalvossa on kaksi GFAP-poolia: 1, olosuhteissa, joissa CMA-aktiivisuus on korkea, GFAP on vuorovaikutuksessa LAMP-2A:n kanssa stabiloidakseen kompleksin, joka tarvitaan CMA-lastin translokaatioon GTP-riippuvaisella tavalla; Kuvassa 2 GFAP on vuorovaikutuksessa EF1:n kanssa, kun taas GTP indusoi EF1:n vapautumista GFAP:sta inhiboimalla CMA:ta ja edistäen multimeerisen LAMP-2AC:n purkamista Makroautofagiassa lysosomaalisen kalvon invaginaatiot nielaisevat autofagisen lastin sisällön vangitsemiseksi. Kaikissa niissä kierrätys tapahtuu lysosomaalisen hajoamisen jälkeen

CMA (kuva 4B) ei käytä kalvorakenteita lastin eristämiseen, vaan sen sijaan käyttää chaperoneja lastin proteiinien tunnistamiseen ja niiden siirtämiseen lysosomaaliselle kalvolle, kun taas mikroautofagia (kuva 4C) hyödyntää lysosomaalisen kalvon invaginaatioita tai ulokkeita vangitakseen ja kuljettaakseen autofaginen lasti lysosomaaliseen kalvoon [56, 57].

Reaktiiviset happilajit (ROS) säätelevät osittain autofagiaa. Nälkä stimuloi ROS:n (pääasiassa H2O2) tuotantoa mitokondrioissa, mikä näyttää olevan välttämätön autofagosomien muodostumiselle. Hiivassa ROS voi säädellä autofagiaa Atg4:n kautta hapettamalla-pelkistämällä tähteiden Cys338 ja Cys 394 välistä disulfidisidosta, jota tarvitaan oikeaan autofagosomien biogeneesiin [58]. Atg4, redox-proteaasi, toimii konjugoivana entsyymin pilkkovana C-pään C-päässä epäkypsässä Atg8:ssa (nisäkäshomologi LC3) paljastaen konservoituneen glysiinitähteen sen myöhempää kytkemistä varten fosfatidyylietanoliamiiniin (PE). Lisäksi Atg4 toimii myös dekonjugaatioentsyyminä, joka pilkkoo Atg8:n ja PE:n väliin sitoutuneen amidin, mikä vapauttaa sen kalvosta kierrätystä varten, mikä on ratkaisevan tärkeää autofagialle välttämättömille konjugaatiojärjestelmille.

Autofagia: GTP:n säätely ikääntymisessä ja AD:ssa

Vaurioituneiden solukomponenttien tai poikkeavien proteiiniaggregaattien autofaginen puhdistuma tulee yhä tärkeämmäksi ikääntymiseen ja AD:hen liittyvän lisääntyneen oksidatiivisen stressin käsittelemiseksi [59]. Kaksisuuntaisen liikennöinnin soluihin ja soluista on oltava hyvin koordinoitua. Autofagia toimii yhdessä endosytoosin ja eksosytoosin kanssa, jotka molemmat edistävät vaurioituneiden solunsisäisten aineosien kiertoa käyttämällä lysosomaalista fuusiota ja ruoansulatusta. Autofagiaan kuuluu viallisten soluorganellien ja proteiiniaggregaattien merkitseminen hajoamista varten, mitä seuraa autofagisen rakenteen kokoaminen kuljettamaan lastia fuusiota varten lysosomien kanssa vaurioituneiden proteiinien ja organellien hajottamiseksi aminohappojen ja lipidien kierrätystä tai hävittämistä varten. Se on erittäin dynaaminen prosessi, joka on välttämätön solujen homeostaasin ja toimintojen ylläpitämiseksi. Autofagian säätelyhäiriöt on yhdistetty ikääntymiseen ja patologisiin hermostoa rappeutuviin sairauksiin, mukaan lukienAlzheimerin tauti. Vaikka tiedetään hyvin, että ATP-tasot laskevat iän myötä patologisissa olosuhteissa [60], ikään liittyvät muutokset GTP-tasoissa ovat huonosti selvitettyjä.

Autofagian induktio riippuu ADP/ATP-tasapainosta. Vähentynyt ATP-tuotanto stimuloi AMP-aktivoitua proteiinikinaasia (AMPK), ja AMPK:n stimulaatio inaktivoi mTOR:n. AMPK lisää autofagiaa ei vain epäsuorasti inaktivoimalla mTOR:a, vaan myös suoraan fosforyloimalla Unc-51--kuten kinaasi 1:tä (Ulk1), joka on mTOR:n molekyylikohde autofagisessa koneistossa [61].

GTP:n ehtyminen voi vaikuttaa autofagiaan ikääntymiseen ja AD:hen

AD-potilaiden post mortem -analyysi osoittaa autofagosomien ja muiden lysosomaalisten autofagisten vakuolien kerääntymisen dystrofisiin neuriitteihin ja synaptisiin terminaaleihin, jotka ovat AD:n neuropatologisia tunnusmerkkejä [62]. Autofagosomien lisääntyminen hippokampuksen CA1-pyramidaalisissa neuroneissa liittyy muutoksiin autofagiaan liittyvien geenien (ATG3, ATG5, ATG12, ULK1 ja PIK3C3/VPS34) ja proteiinien (LC3B-II ja LC3B I) ilmentymisessä AD varhaisessa vaiheessa [63] ]. Nämä tosiasiat viittaavat siihen, että AD liittyy muutoksiin autofagosomien salakuljetuksessa.

Autofagian säätelyhäiriöitä esiintyy sekä AD-potilailla että eläinmalleilla. Suuria määriä autofagisia vakuoleja kertyy hermosolujen dendriitteihin PS1/APP-kaksoissiirtogeenisissä hiirissä, ja se näkyy jo ennen A-plakkeja [64]. Samoin kypsymättömiä autofagisia rakkuloita aksoneissa havaittiin AD-hiirten aivotursohermosoluissa, paljon ennen synaptista ja hermosolujen häviämistä (Cat aldo et al., 2004 [44, 65, 66]. Tau-aggregaatit ovat myös hajoaneet autofagiareitin kautta [67, 68]. Villityypin preseniliinigeeni 1 (PS1) toimii v-ATPaasi V0a1 -alayksikön ligandina sääteleen v-ATPaasi-alayksiköiden jakautumista lysosomeihin happamoitumista varten. Solunsisäinen A sitoutuu v- ATPaasi ja estää happamoitumista [69] Mutaatio PS1:ssä edistää siten autofagia-lysosomien hajoamisjärjestelmän säätelyhäiriöitä [70]. Satunnaisen AD:n tärkein geneettinen riskitekijä, apolipoproteiini E4 (ApoE4), edistää myös autofagian induktiota lysosomaalinen vuoto [71], mikä johtaa heikentyneeseen endolysosomaaliseen liikenteeseen, synaptisen homeostaasin häiriintymiseen ja amyloidin puhdistuman vähenemiseen Kaiken kaikkiaan tämä viittaa siihen, että viallinen autofagia-lysosomiproteolyysireitti saattaa olla vastuussa patogeenisten proteiinien, kuten A:n ja taun, kertymisestä AD:ssa. Autofagosomien muodostumiseen tarvittavan geenin, Atg7fox/fox, ehdollinen tyrmäys APP23-siirtogeenisten hiirten kanssa osoitti, että heikentynyt autofagian puutos edisti A:n kertymistä CA1- ja aivokuoren pyramidaalisiin hermosoluihin sekä vähensi rajusti ekstrasellulaarisen A-plakkitaakkaa ja estoa. A-eritteen [72]. Tämä havainto viittaa siihen, että muutokset autofagosomien muodostumisessa välttävät asianmukaisen A-prosessoinnin, mikä voisi johtaa poikkeavaan kertymiseen somaan [27]. Myös Golgi-rakkuloiden cis- ja trans-pinnassa on havaittu kertymistä myöhäisessä Golgi-laitteistossa, mikä osoittaa, että tämä organelli voi myös tuottaa toiminnallisia muutoksia, jotka heikentävät fagoforin oikeaa muodostumista [73]. Pieni GTPaasi Rab2 tukee tätä olettamusta, joka yhdistää Golgi-verkon autofagiareitin koneistoon [74]. Rab2 osallistuu fagoforien muodostumiseen rekrytoimalla ja aktivoimalla Ulk1:tä. Rab2 on vuorovaikutuksessa Rubcnl:n ja Stx17:n (autofagosomaalinen SNARE-proteiini) kanssa tarkentamaan edelleen HOPS-kompleksin rekrytointia helpottamaan autofagosomien kypsymistä ja fuusiota lysosomien kanssa [74].

Toinen rakkuloiden muodostukseen osallistuvien pienten GTPaasien Ras-superperheen jäsen on ADP-ribosylaatiotekijä (Arf). Arf GTPaasi osallistuu pääasiassa Golgi-kompleksin orastavaan prosessiin, kuoriproteiinien rekrytointiin rakkuloiden muodostumisen aikana kalvokuljetusta varten. Arf GTPase osallistuu APP-kuljettamisen hallintaan MINTs-proteiinien kautta, jotka ovat tärkeitä komponentteja synaptisten vesikkelien fuusiossa. MINT-proteiinit sitoutuvat suoraan Arf GTPaaseihin ja lokalisoituvat yhdessä APP:ta sisältävien vesikkeleiden kanssa Golgi/trans-Golgi-verkoston (TGN) alueille solunsisäisten APP-tasojen ollessa verrannollisia MINT-tasoihin [75]. Arf1:n kaatuminen vähensi amyloidipeptidien eritystä [76], mikä viittaa Arf1:n toiminnan epäonnistumisten vaikutukseen APP:n kuljetuksiin, jotka voivat lähentyä solunsisäiseen kertymiseen (kuva 5).

Erilaisten Rab-proteiinien säätelyhäiriöt myötävaikuttavat myös AD-patologiaan. Rab1-säätelyhäiriö indusoi Golgi-laitteen fragmentoitumista, mikä laukaisee tau:n hyperfosforylaation aktivoimalla cdk5:n ja ERK1/2:n [77, 78]. Rab6:n vika voi vaikuttaa APP:n erittymiseen

Kuva 5 Autofagia edellyttää useiden pienten GTPaasien osallistumista. Alkuvaiheessa Rab2 värvää ja aktivoi ULK1:n fagoforien muodostumiseen, kun taas Rab9a ja Rab8b osallistuvat autofagosomien kypsymiseen. Arf osallistuu silmujen muodostumiseen Golgi-kompleksissa ja kuoriproteiinien keräämiseen rakkuloiden muodostumisen aikana. Rab1 osallistuu kaksisuuntaiseen vesikulaariseen kuljetusreittiin endoplasmisen retikulumin (ER) ja Golgi-laitteen välillä. Sar1 GTPaasi on mukana COPII-välitteisessä kuljetuksessa APP:n poistumisreittinä, kun sen lopullinen konformaatio on saavutettu. Rab6 asuu TGN:ssä ja osallistuu retrogradiseen kuljetukseen Golgista ER:ään, ja se on yhdistetty APP:n vesikulaarikuljetuksen ja prosessoinnin säätelyyn. Rab11 säätelee endosomien kierrätystä plasmakalvoon. Häiriöt APP-BACE:tä sisältävässä vesikulaarisessa viennissä voivat aiheuttaa eksosomien kertymistä. Arl8 säätelee kuljetusta ja lysosomaalista fuusiota mikrotubulusten kautta neuroniväliaineessa, mikä johtaa muutoksiin eritysnopeudessa, mikä voi edistää muutoksia APP:n anterogradisessa liikenteessä, mikä johtaa solunsisäiseen kertymiseen. Solunsisäistä kertymistä tukeva eksomin sekvensointianalyysi tunnisti Rab11A/B:n osaksi myöhään alkavaa AD-riskiä. Rab11 säätelee endosomien kierrätystä plasmakalvoon. Rab11A/B:n hiljentäminen primaarisissa neuroneissa, jotka oli eristetty APP-siirtogeenisistä hiiristä, alensi A-tasoja supernatanteissa, jotka kerättiin ja analysoitiin elektrokemiluminesenssilla (ECL) [79]. Nämä tiedot viittaavat siihen, että A:n kerääntyminen voi johtua myös APP:tä sisältävien vesikkelien viennin epäonnistumisesta, mikä voisi antaa tietä rakkulakalvon sekretaasin pilkkoutumiseen [27] (kuvio 1B). Koska APP-pitoisten rakkuloiden muodostuminen ja fagoforin muodostuminen edellyttävät pienten GTPaasien ohjaamaa ER-Golgin oikeaa toimintaa, GTP-tasojen puutteet aiheuttaisivat häiriöitä APP:n pakkauksessa, mikä voisi vaarantaa sen erittymisen ja edistää solunsisäistä kertymistä. .

Näitä autofagian ja solunsisäisen A:n kertymisen välisiä suhteita tukee ikään liittyvä kolokalisaatiosignaali p62-ohjatun autofagosomin muodostumisen ja A-muotojen välillä, joka havaitaan aikuisten 3xTg-AD-hiirten primaariviljeltyissä aivotursohermosoluissa [27] ja APP23-siirtogeeniset hiiret Atg7-kettuhiirillä [73]. Toinen mielenkiintoinen tosiasia on, että autofagiassa ei havaittu aggregaattien signaalia, joka on positiivinen katepsiini D:lle [27]. Nämä tiedot voivat viitata toimintahäiriöihin autofagian aikaisemmissa vaiheissa tai lysosomaalisessa toiminnassa AD-mallin neuroneissa (kuva 6) [26].

GTP-sääntely AD:n CMA:ssa

Organellien sijaan CMA hajottaa pieniä molekyylejä eukaryoottisoluissa pitkittyneen nälänhädän tai lievän oksidatiivisen stressin aiheuttamina. CMA:ta on ehdotettu säännettäväksi GTP-tasoilla [80]. Tämä säätely sisältää välimuotoisen filamentin gliafibrillaarihappoproteiinin (GFAP) ja elongaatiotekijän -1 alfa (EF1) [46, 81]. GFAP on läsnä kahdessa eri poolissa lysosomaalisella kalvolla, osa, joka on sitoutunut LAMP-2A:han ja toinen sitoutumaton muoto, joka on vuorovaikutuksessa EF1:n kanssa. Hsc70-chaperonin kolme KFERQ-motiivia ohjaavat sen lysosomaalisille kalvoille, joissa se on vuorovaikutuksessa proteiinikompleksin LAMP-2A kanssa ja stabiloi CMA-lastin siirtymisen lysosomaaliseen onteloon. GFAP:n osa, joka ei ole sidottu LAMP-2A:han, vaikuttaa GTP:n säätelyyn. GTP:n läsnä ollessa EF1 vapautuu GFAP:sta lysosomaalisella kalvolla, mikä edistää GFAP:n ja LAMP-2A:n välistä dissosiaatiota mobilisoimalla LAMP-2A:n lipidien mikrodomeeneihin sen hajoamista ja myöhempää CMA:n estämistä varten [ 81]. Lysosomaalisen kalvon LAMP2A-kompleksitiheyden epäonnistumiset liittyvät myös ikääntymiseen, mikä johtaa myös CMA-toiminnan heikkenemiseen [82] (Kuva 4B)

Vielä toinen nisäkkään autofagosomien biogeneesin muoto toimii arvoituksellisella ei-kanonisella VPS{1}}riippumattomalla reitillä. Fosfoinositidit (PI:t) määrittävät kalvon identiteetin ja säätelevät useita kalvon kuljetustapahtumia. Fosfatidyyli-inositoli-5-kinaasi (PIKfyve) muuntaa endosomeihin lokalisoidun fosfatidyyli-inositoli-3-fosfaatin (PI(3)P) PI(3,5) P2:ksi, joka on keskeinen säätelijä endosomin varhaisesta myöhäiseen kalvoliikenteeseen [83] . Lisäksi PIKfyve-kompleksi on vastuussa myös PI(5)P:n tuotannosta PI:istä ja säätelee autofagosomien muodostumista. PI(5) P säätelee autofagiaa PI(3)P-efektorien kautta (rekrytoimalla WIPI2- ja DFCP1-proteiineja), jotka tarjoavat mekaanisen kehyksen tälle vaihtoehtoiselle autofagiareitille. PI(5)P:tä käyttää fosfatidyyli-inositoli-5-fosfaatti4--kinaasi (PI5P4K), joka säätelee PI(5)P-tasoja käyttämällä GTP:tä ATP:n sijaan PI(5)P:n fosforylaatioon PI(4:n, 5) P2 lopputuotteena, joka säätelee aktiinin sytoskeleton uudelleenmuodostumista [84]. He havaitsivat, että PI(3,5)P2:lla on alhainen affiniteetti kofiliiniin, joka hajottaa aktiinifilamentteja, ja korkea affiniteetti N-WASP:lle, joka aktivoi Arp2/3-kompleksin käynnistämään aktiinin nukleaation endosyyttisten rakkuloiden kuljettamiseksi plasmamembraanista. PI5P4K-aktiivisuuden ehdotetaan heijastavan muutoksia, jotka ovat suoraan verrannollisia fysiologiseen GTP-pitoisuuteen, toimien solunsisäisenä GTP-sensorina [85]. Soluissa, joista puuttuu PI3P (matala PI(3,5)P2), joissa on lukittu VPS34, PIKfyve-kompleksi ylläpitää autofagiaa PI5P:n käytön ansiosta [85]. Nämä tiedot osoittavat, että PIKfyvellä on keskeinen rooli autofagian moduloinnissa. Heikentynyt PIKfyve-toiminto saa aikaan turvonneiden vakuolien muodostumista, jotka näkyvät helposti pienellä suurennuksella elävissä soluissa [86]. APP:n solunsisäinen domeeni sitoo PIKfyve-kompleksin Vac14-alayksikköä vaikuttaen PI(3,5)P2:n tuotantoon [87]. PI(3,5)P2 sitoo ja aktivoi endolysosomaalisen TRPML-kanavan [88]. He löysivät laajentuneita vakuoleja PI(3,5) P2--puutteellisista hiiren fibroblasteista, joita terveen TRPML1-kanavan yli-ilmentyminen suppressoi. TRPML:n johtavuus ja lysosomien happamoituminen heikkenivät [89].

Mitokondrioiden fission ja fuusion riippuvuus GTP:stä

Sen lisäksi, että mitokondriot tarjoavat ATP:tä oksidatiivisen fosforylaation kautta, ne tarjoavat myös GTP:tä NME4:stä ja sen nukleosididifosfaattikinaasiaktiivisuudesta [8]. Tämä mitokondrioiden energian tarjonta on välttämätöntä synaptisten vesikkelien synnyttämiseksi vapautumista varten aksonipäätteissä sekä vesikulaariseen kierrätykseen synapseissa. Synaptinen menetys AD:ssa voi johtua bioenergeettisen kapasiteetin menetyksestä ylläpitää näitä olennaisia ​​prosesseja. Siksi mitokondrioiden lukumäärä ja sijainti synapseihin määräävät todennäköisesti endosytoosin ja eksosytoosin energisen kapasiteetin. Mitokondriodynamiikka tasapainottaa herkästi fissiota ja fuusiota Drp1:n ja Fis1:n, Mf1:n, Mfn2:n ja Opa1:n ohjaamana [90, 91] (Kuva 7). ATP:n muuntumista GTP:ksi säätelevät paikallisesti NME-geeneistä 1–4 peräisin olevat nukleosididifosfaattikinaasit (NDPK:t) [51]. NME1 ja 2 (joskus kutsutaan nimellä NM23 H1 ja H2) ovat pääosin sytosolisia, kun taas NME3 ja 4 (NM23 H3, H4) ovat mitokondriaalisia. Mitokondrioiden NDPK:t kompleksi spesifisten dynamiini-GTPaasien kanssa kanavoi GTP:tä suoraan ATP-hydrolyysistä [16]. Mitokondrioiden fission ja fuusion tasapaino on herkkä redox-epätasapainolle. Joko endogeeninen tai eksogeeninen ROS:n käyttö aktivoi mitokondrioiden fissiota, mikä aiheuttaa mitokondrioiden fragmentoitumista ja sitä seuraavaa mitokondrioiden toimintahäiriötä [90]. Tämä johtaa edelleen ROS-ylituotantoon ja noidankehään, joka voimistaa oksidatiivista stressiä ja lopulta aiheuttaa oksidatiivisen epätasapainon AD:ssa [92]. Fissiota säätelevät dynamiini-GTPaasit Drp1 ja Fis1, joiden Km:t ovat noin 100 μM [51]. Ne polymeroivat ja supistavat putkimaisia ​​kalvoja aivan kuten endosytoosi. Fis1 on paikantunut mitokondrioiden ulkokalvoon [90, 93, 94].

Kuva 7 GTP-riippuvainen mitokondrioiden fission ja fuusion dynaaminen morfologia. Vasen fuusiopaneeli: Dynamiiniin liittyvä proteiini-1 (Drp1) suorittaa mitokondrioiden fission itsepolymeroitumalla mitokondrioiden ulkokalvon ympärille supistaen ja katkaisemalla molemmat kalvot GTP-hydrolyysistä riippuvaisessa prosessissa. Oikea fuusiopaneeli: Mitofusiini-1 ja -2 (MTF1/2) sitovat viereiset ulommat mitokondriokalvot GTP-hydrolyysistä riippuvaisessa prosessissa. OPA1 mahdollistaa sisäisten mitokondrioiden kalvofuusion käyttämällä NME4:n tarjoamaa paikallista GTP:tä. Punaiset katkoviivat nuolet osoittavat organellin siirtymistä.

Fuusiota ohjaa kolme GTPaasi-proteiinia: Opa1, joka sijaitsee mitokondrioiden sisäisessä kalvossa, ja Mfn1 ja Mfn2, jotka sijaitsevat mitokondrioiden ulkokalvossa. Opa1 GTPaasi, jonka Km on noin 500 μM, vaatisi runsaasti GTP:tä polymeroitumaan ja mekanisoidakseen mitokondrioiden kalvofuusiota putkiksi [51].

hypoksia, energinen stressi ja lisääntynyt hapettunut redox-tila. Lisääntynyt oksidatiivinen stressi ja kohonneet ROS-tasot aiheuttivat mitokondrioiden fragmentoitumisen ja DRP1-fissiosta riippuvan mitofagian induktion hiiren ja HeLa-soluissa. Tämä ei johtanut solukuolemaan ja autofagiaan, koska kohtalaiset ROS-tasot eivät riittäneet laukaisemaan ei-selektiivistä autofagiaa [95]. N-asetyyli-l-kysteiini voi todellakin estää tämän mitofagian glutationipoolin ruokkimisen ja mahdollisen Atg4:n vaikutuksen kautta. Glutationipoolin väheneminen aiheutti myös mitofagian, mutta ei yleistä autofagiaa. Sitä vastoin soluja läpäisevän glutationin muodon lisääminen esti mitofagiaa [96]. Siten oksidatiivinen redox-tila edistää dysfunktionaalisten mitokondrioiden kohdeselektiivistä poistamista. Tämä viittaa myös redox-tasapainon ja energiatasojen yhdistämiseen terveen mitokondrioiden toiminnan maksimoimiseksi ja vaurioituneiden mitokondrioiden vaihtuvuuden hallitsemiseksi.

Fusion ja fission heikkeneminen on osallisena AD:ssa. Hiirimallissa A on vuorovaikutuksessa fsion-proteiinin Drp1 kanssa, mikä lisää vapaiden radikaalien tuotantoa, mikä edelleen aktivoi Drp1:tä ja Fis1:tä, mikä aiheuttaa liiallista mitokondrioiden fragmentoitumista, mitokondrioiden viallista kuljetusta synapseihin, alentaa synaptista ATP:tä ja johtaa lopulta synaptinen toimintahäiriö [97]. p-tau on myös vuorovaikutuksessa Drp1:n kanssa ja lisää GTPaasi Drp1 -entsymaattista aktiivisuutta, mikä johtaa liialliseen mitokondrioiden fragmentoitumiseen ja mitokondrioiden toimintahäiriöihin AD:ssa [98]. Drp1 S-nitrosylaatioaddukti (SNO-Drp1) stimuloi entisestään sen aktiivisuutta ja johti liialliseen mitokondrioiden fragmentoitumiseen ja synapsien katoamiseen [99].

Lysosomaalisen toiminnan heikkeneminen AD:ssa ikään liittyvän energian ehtymisen aiheuttamana

Autofagisen lastin lysosomaalinen pilkkominen on viimeinen vaihe autofagian loppuun saattamisessa. Sen vuoksi lysosomien on säilytettävä hapan ympäristönsä lastin pH-pohjaista hajottamista varten happoaktivoitujen peptidaasien, lipaasien, nukleaasien ja glykosidaasien vaikutuksesta. Lysosomaalista happamoitumista varten protonien sisäänvirtauksen suorittavat sekä v-ATPaasi, ATP-riippuvainen protonipumppu että kloridiprotoniantiportterit, kun taas kationien ulosvirtausta välittävät kuljettajat TPC ja TRPML, jotka myös osallistuvat pH-tasapainoon. 100]. Preseniliini-1 (PS1) säätelee v-ATPaasi-alayksiköiden jakautumista lysosomeihin, jotka toimivat v-ATPaasi V0a1 -alayksikön ligandina ja ylläpitävät lysosomaalista homeostaasia TRPML1:n kautta [69]. PS1-mutaatiot on liitetty alhaiseen lysosomaaliseen happamoittumiseen, autofagia-lysosomien hajoamisjärjestelmän häiriöihin ja varhain alkavan AD:n patogeneesiin [26].

Arl8 (Arf:n kaltainen G-proteiini) on pieni GTPaasi, joka sijaitsee lysosomeissa ja toimii linkkerinä lysosomien ja kinesiinin välillä -1 helpottaen lysosomaalista liikennettä aksoneja pitkin (kuva 8B) [101]. Arl8b toimii myös kytkimenä säätelemään HOPS-kompleksin assosiaatiota lysosomaalisen kalvon kanssa [102]. Arl8b-toiminnan häiriintyminen aiheuttaa epänormaalia kolesterolin kertymistä lysosomien kalvoihin, mikä aiheuttaa heikentynyttä aksonaalista lysosomien kauppaa ja johtaa autofagiseen stressiin ja aksonien autofagosomien kertymiseen [103]. Lisäksi kohonnut Arl8b-ekspressio pelasti lysosomien kuljetuksen aksoneihin ja autofagiseen stressiin. Arl8:n yli-ilmentyminen stimuloi myös mikrotubulusten lysosomien kaksisuuntaista liikkuvuutta sitoutumalla kinesiini-1-linkkeriin SKIP yhdistämään kiinesin ja voiman liikkuvuuden [104]. SKIP vaati Arl8:n aktiivisessa GTP-sidottussa tilassa sitoutumista varten. Arl8b:n yli-ilmentyminen aiheutti kuitenkin myös lysosomien silmiinpistävän alkalisoitumisen ja liikkeen solun reuna-alueita kohti verrattuna lysosomien tasaisempaan jakautumiseen kaikkialla sytoplasmassa [105]. Proteominen tutkimus ihmiskudoksella raportoi Arl8b:n rikastumisesta amyloidiplakkeissa [106]. Nämä tiedot viittaavat siihen, että muutokset Arl8:n ilmentymisessä tai toiminnassa vaikuttavat lysosomin fuusioon autofagian tai myöhäisen endosomin kanssa, millä voi olla vaikutuksia AD:ssa havaittuun autofagosomien kertymiseen. Koska plasmakalvoon toimitettujen erittyvien vesikkeleiden muodostuminen on GTP-riippuvainen prosessi, joka vaatii Arf- ja Rab-GTPaaseja, GTP-tasojen puutteet voivat vaarantaa oikean vesikulaariliikenteen.

Lysosomien biogeneesiä säätelevät mTORC1 ja transkriptiotekijä EB (TFEB), jotka luovat palautuvan signalointikompleksin lysosomin pinnalle. mTORC1 fosforyloi TFEB:n Ser211:ssä ja mahdollistaa siten TFEB:n kuljetuksen tumaan v-ATPaasin ilmentymisen ja muiden lysosomien biogeneesiin ja autofagosomien muodostukseen osallistuvien geenien säätelemiseksi [107, 108]. A:n lisääminen mikrogliasoluihin alentaa TFEB:tä ytimessä ja heikentää A:n prosessointia [109]. Tätä mTORC1:n säätelyä puolestaan ​​tukevat pienet GTPaasit, mukaan lukien Rheb ja Rag, aminohappoja tunnistavat komponentit, jotka sisältyvät mTORC1:n aktivaattorina toimivaan moniproteiinisignaalikompleksisäätelijään [110]. Koska lysosomin happamoittaminen vaatii ATP:tä V-ATPaasin toimintaan ja GTP:tä GTPaasi-välitteiseen TORC1:n säätelyyn, oletamme, että ikääntymisestä tai AD:n kaltaisista patologisista tiloista johtuva energian väheneminen heikentää suoraan lysosomaalista toimintaa. Lisäksi, kun otetaan huomioon, että lysosomaaliseen happamoitumiseen liittyy ravinteiden saantivälitteinen säätelevä vuorovaikutus v-ATPaasin ja TORC1:n välillä TFEB:n kautta, paasto- ja ravintoaineiden kulutuksen syklit voivat hyödyttää lysosomaalista toimintaa AD:ssa [111], kun taas toistuva sokerin kulutus voi heikentää toimintaa. Heikentyneet lysosomit voivat johtaa autofagosomien kerääntymiseen, jotka ovat täynnä vaurioituneita mitokondrioita ja rikastuneita A-aggregaateilla, joita ei voida hajottaa. Koska autofagia korvaa vaurioituneita tai vanhentuneita organelleja, sen ylläpitoon vaikuttavat iästä johtuvat aineenvaihduntamuutokset. Ikään liittyvät aineenvaihduntamuutokset ja heikentyneet lysosomit voivat johtaa aineenvaihduntamuutosten, kuten energian vähenemiseen ja/tai oksidatiivisiin redox-siirtymiin, kerääntymiseen. Näin ollen GTP-tasot voivat olla alhaisemmat vähäaktiivisissa istuvassa elämäntyylissä, mikä johtaisi GTP-riippuvaisten GTP-reittien tehottomuuteen. proteiinien hajoaminen iän myötä. Nämä havainnot viittaavat vahvasti yhteyteen autofagosomin kypsymisprosessin muutosten ja taudin etenemisen ja ikääntymisen myötä ilmenevien aineenvaihdunnan puutteiden välillä. Lisäksi poikkeava A:n kerääntyminen voi olla seurausta GTP:n ylävirran puutteista, jotka heikentävät A:n ja tau:n autofagista prosessointia, mahdollisesti aikaisemmin kuin aggregoitunut amyloidieritys, tulehdus ja plakin muodostuminen.

Kuva 8 GTP:hen liittyvien mikrotubulusten dynaaminen epästabiilisuus. GTP-molekyylit sitoutuvat E-kohtaan ja N-kohtaan heterodimeeri-tubuliineissa. E-paikan GTP hydrolysoituu GDP- -tubuliiniksi ja vaihdetaan uuteen GTP:hen sitoutuneeseen heterodimeeriin / alayksiköiden kokoamiseksi. Heterodimeerejä lisätään kasvavaan mikrotubulushilaan polymerointia varten, jolloin muodostuu uusi GTP-heterodimeerikerros, joka tunnetaan nimellä GTP-cap. Depolymeroituminen tapahtuu, kun heterodimeerit poistuvat kutistuvasta mikrotubulushilasta. Mikrotubuluksiin liittyvän proteiinin, taun, hyperfosforylaatio edistää neurofibrillaarisen sotkun (NFT) muodostumista ja mikrotubulusten epävakautta. Siirtyminen kasvavasta tilasta katastrofaalisesti kutistuvaan tilaan. B Endolysosomien muodostuminen edellyttää lysosomien liikkumista mikrotubulusratoja pitkin positiiviseen suuntaan, kun taas myöhäiset endosomit liikkuvat negatiiviseen suuntaan. Lysosomaalinen moniproteiinikompleksi BORC (ei esitetty) aktivoi pienen GTPaasi Arl8:n kytkemään kinesiiniohjatun plus-pään kuljetuksen. Miinuspään kuljetusta varten Rab7- GTP:hen sitoutunut tila värvää Rab-vuorovaikutteisen lysosomaalisen proteiinin (RILP) ja sytosolisen oksisterolia sitovan proteiiniin liittyvän proteiinin 1:n (ORP1L), jotka muodostavat dyneiini-dynaktiinikompleksin. NFT:n muodostuminen häiritsee vesikulaariliikennettä mikrotubuluksia pitkin.

Kysy lisää:

Sähköposti:wallence.suen@wecistanche.com

Whatsapp/Puh.: plus 86 15292862950

MYYMÄLÄ

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