EIF5A:n rooli mitokondriotoiminnassa

Ota yhteyttäoscar.xiao@wecistanche.comLisätietoja

Abstrakti:Eukaryoottinen translaation aloitustekijä 5A (eF5A) on evoluutionaalisesti konservoitunut proteiini, joka sitoo ribosomeja helpottaakseen peptidimotiivien translaatiota peräkkäisillä proliinilla tai proliinien yhdistelmillä glysiinin ja varautuneiden aminohappojen kanssa. Se on myös liitetty muihin molekyylitoimintoihin ja soluprosesseihin, kuten tuman mRNA:n vientiin ja mRNA:n hajoamiseen, lisääntymiseen, erilaistumiseen, autofagiaan ja apoptoosiin. Kasvava kiinnostus elF5A:ta kohtaan liittyy sen yhteyteen useiden sairauksien, kuten syövän, virusinfektion ja diabeteksen, patogeneesiin. Sitä on myös ehdotettu ikääntymistä estäväksi tekijäksi: sen tasot laskevat ikääntyneissä soluissa, kun taas aktiivisen elF5A:n lisääntyminen johtaa immuuni- ja verisuonijärjestelmän nuorentumiseen ja aivojen kognition paranemiseen. Viimeaikaiset tiedot ovat yhdistäneet eIF5A:n roolin joissakin patologioissa sen toimintoon terveiden mitokondrioiden ylläpitämisessä. Eukaryoottisen translaation aloitustekijän 5A säätely lisääntyy hengitysteiden aineenvaihdunnassa ja sen puute vähentää hapenkulutusta, ATP:n tuotantoa ja useiden mitokondrioiden aineenvaihduntaentsyymien tasoja sekä muuttaa mitokondrioiden dynamiikkaa. Vaikka kaikki kertyneet tiedot yhdistävät vahvasti eIF5A:n mitokondrioiden toimintaan, tarkkaa molekyyliroolia ja siihen liittyviä mekanismeja ei kuitenkaan tunneta. Tässä katsauksessa keskustelemme eIF5A:n ja mitokondrioiden yhdistävistä havainnoista, pohdimme sen roolia mitokondrioiden homeostaasin säätelyssä ja korostamme sen potentiaalia kohteena energia-aineenvaihduntaan liittyvissä sairauksissa.

Avainsanat:elF5A; mitokondriot; käännös; spermidiini; mitokondriaalinen hengitys; OXPHOS; TCA

Napsauta tätä saadaksesi lisätietoja

1. eIF5A:n molekyylifunktio

Vaikka eukaryoottisen translaation aloitustekijä 5A (eF5A) löydettiin lähes 50 vuotta sitten, se on edelleen arvoituksellinen monilta osin. eIF5A on pieni, kaikkialla esiintyvä ja välttämätön proteiini, joka on erittäin konservoitunut eukaryooteissa ja arkeissa [1]. Se on myös erittäin runsas – se on Saccharomyces cerevisiaen 100 runsaimman proteiinin joukossa, noin 273 000 kopiolla solua kohden, mikä on lähes kaksi kertaa ribosomien lukumäärä [2]. Alunperin luokiteltiin translaation aloitustekijäksi 3,4], mutta myöhemmin raportoitiin, että elF5A:n päätehtävät ovat edistää mRNA:iden translaation pidentymistä sekvensseissä, jotka koodaavat spesifisiä peptidimotiiveja, ja auttaa lopettamisessa stimuloimalla peptidyyli-tRNA:n hydrolyysiä. [5-11].

Useimmissa eukaryooteissa eIF5A:ssa on kaksi isoformia, TIF5A ja TIF51B hiivassa ja EIF5A1 ja EIF5A2 ihmisissä, joiden aminohapposekvenssi-identtisyys on yli 90 prosenttia kussakin organismissa ja jotka ilmentyvät erilaisissa olosuhteissa. Tässä viitataan yleisimmin ilmentyviin isoformeihin, Tif51A hiivassa ja EIF5A1 ihmisissä, nimellä elF5A. Se on ainoa tunnettu soluproteiini, joka sisältää epätavallisen ja välttämättömän aminohapon hypusiinin (Ne-(4-amino-2-hydroksibutyyli)lysiini). Hypusinaatio on kriittinen eF5A:n toiminnalle ja johtuu kaksivaiheisesta translaation jälkeisestä reaktiosta, joka vaatii kaksi entsyymiä, deoksihypusiinisyntaasin (DHPS) ja deoksihypusiinihydroksylaasin (DOHH) (kuva 1). Ensin DHIPS siirtää aminobutyyliosan polyamiinispermidiinistä spesifisen lysiinitähteen e-aminoryhmään (Lys51 hiivassa ja Lys50 ihmisissä) välituotteen muodostamiseksi. Toiseksi, DOHH katalysoi välittömästi ja peruuttamattomasti deoksihypusiinitähteen hydroksylaation hypusiiniksi, jolloin saadaan elF5A:n aktiivinen hvpusinoitu ja kypsä muoto [12].vesisäiliöTämän seurauksena solunsisäinen tavutettu elF5A (hyp-elF5A) korreloi solun elF5A-aktiivisuuden kanssa. Eukaryoottisen translaation aloitustekijä 5A voi käydä läpi muita translaation jälkeisiä modifikaatioita, kuten asetylaation (Lys47- ja Lys68-tähteissä), jonka oletetaan sulkevan pois tavutuksen [13,14] tai fosforylaation (Ser2:ssa)[15l, jonka rooli on ei täysin ymmärretty.

Kuva 1. Polyamiini-hypusiinireitti ja sen farmakologiset estäjät. Spermidiinisubstraatti elF5A-tavutusta varten saadaan muuntamalla polyamiiniornitiinia putreskiinissa entsyymin ornitiinidekarboksylaasi (ODC) avulla; seuraavaksi spermidiini syntetisoidaan putressiinista spermidiinisyntaasin (SPDS) avulla. Vaihtoehtoisesti spermiinisyntaasi (SPMS) muuttaa spermidiinin spermiiniksi. ElF5A:n lysiini-50(ihminen) tai lysiini-51 (hiiva) -tähteen hyposiinimodifikaatio tapahtuu lisäämällä spermidiiniä kahden peräkkäisen entsymaattisen reaktion kautta.cistanche AustraliaEnsinnäkin deoksihypusiinisyntaasi (DHPS) siirtää spermidiinin aminobutyyliryhmän lysiinin aminoryhmään muodostaen välisubstraatin, joka ei kerry. Toiseksi deoksihypusiinihydroksylaasi (DOHH) lisää hydroksyyliryhmän ja muodostaa eF5A:n hypusiinitähteen, joka antaa aktiivisuuden proteiinille. elF5A:n translaation jälkeistä modifikaatiota voidaan tukahduttaa DHPS:n ja DOHH:n estäjillä, mutta myös estämällä ODC:tä, spermidiinin biosynteesin nopeutta rajoittavaa entsyymiä. Kuvakäsittely suoritettiin BioRender-ohjelmistolla.

Cistanche voi estää ikääntymistä

Mitä tulee elF5A:n rakenteeseen, viime vuosikymmeninä on julkaistu erilaisia ​​tutkimuksia, joiden aiheet vaihtelevat arkeista ihmisiin [16-18] ja jotka osoittavat, kuinka hyp-elF5A taittuu kaksialueiseksi rakenteeksi, joka on pääasiassa arkkiluonteista. jonka N-terminaalinen osa sisältää eIF5A:n ainutlaatuisen ominaisuuden, hypusiinijäännöksen [19]. Tämä jäännös sijaitsee pidennetyn, rakenteettoman ja paljastetun silmukan (hypusiinisilmukan) kärjessä, joka muistuttaa tRNA:ta. Sen jälkeen kun hyp-elF5A on sitoutunut jo muodostuneeseen ribosomaaliseen 80S-kompleksiin, sen ennustetaan olevan P-kohdan tRNA:n vieressä, joka peittää E-kohdan [20-22]. Tällä tavalla hyp-elF5A estää ribosomeja pysähtymästä tiettyihin sekvensseihin projisoimalla hypusiinia sisältävän domeenin P-kohtaa kohti rajoittaakseen steerisesti sille asetetun tähteen asemaa. Erityisesti hyp-elF5A stimuloi proteiinien synteesiä edistämällä peptidisidoksen muodostumista kriittisten aminohappotähteiden välillä, joiden tiedetään olevan huonoja substraatteja reaktiolle, kuten kolmen tai useamman peräkkäisen proliinitähteen (PPP) tai polyproliinimotiivien osuudet, mutta myös yhdistelmät proliini, glysiini ja varautuneet aminohapot [9-11]. Siten hyp-elF5A auttaa translaatiossa vain osan kokonaismRNA-populaatiosta, mikä on sen erottuva piirre. Pääroolinsa translaatiossa yhteydessä hyp-elF5A voidaan myös lokalisoida endoplasmiseen retikulumiin (ER), jossa se liittyy ER-kalvoon sitoutuneisiin ribosomeihin, ja se näyttää helpottavan joidenkin proteiinien yhteistranslationaalista translokaatiota ER, kuten kollageeni [23-26].cistanchen edutSiten elF5A:n tavutuksen estäminen lisää stressin aiheuttamia kaperoneja hiivassa [25] ja johtaa ER-stressiin nisäkässoluissa [26,27]. Useat tutkimukset ovat osoittaneet, että elF5A osallistuu prosesseihin, jotka eivät liity suoraan proteiinisynteesiin. ElF5A:n rakenteelliset ominaisuudet viittaavat siihen, että se tarjoaa mahdollisuuden vuorovaikutukseen nukleiinihappojen kanssa. C-terminaalinen domeeni muistuttaa kylmäsokkidomeenia (CSD), joka on yleinen DNA:ta ja RNA:ta sitovissa proteiineissa, kun taas N-päässä on hypusiinijäännös, joka sisältää kaksi positiivista varausta ja muistuttaa spermidiiniä, molekyyliä, jonka tiedetään olevan spesifisesti vuorovaikutuksessa. DNA:n ja RNA:n kanssa. Todellakin, hyp-elF5A:n on raportoitu sitoutuvan joihinkin RNA-molekyyleihin sekvenssispesifisellä tavalla [28,29] ja auttavan vastasyntyneiden mRNA:iden kuljettamisessa ytimestä sytoplasmaan [28,30]. Lisäksi eF5A-mutantit vaikuttavat merkittävästi mRNA:n ribosomeihin translaatiota varten värväytymisen ja sen hajoamisen väliseen tasapainoon [24, 31, 32], mikä viittaa siihen, että elF5A suorittaa funktion mRNA:n hajoamisvaiheissa myöhemmässä vaiheessa korkin poistamisesta [24, 31]. Arkeaalisella IF5A:lla on myös rooli RNA:n aineenvaihdunnassa kuutamoproteiinina, joka liittyy ribosomeihin, mutta vaikuttaa myös RNAaasiaktiivisuuteen [33].

Kuten aiemmin todettiin, hyp-elF5A auttaa sellaisten spesifisten proteiinien translaatiossa, jotka sisältävät kriittisiä motiiveja aminohapposekvensseissään, vaikka on todennäköistä, että tällä hetkellä tunnemme vain pienen osan sen suorista kohteista. Siten elF5A:n avainrooli erilaisissa soluprosesseissa johtuu enimmäkseen laajasta solutoimintojen kirjosta, jota sen suorat kohteet esittävät. Yksi hyp-elF5A:n tärkeimmistä rooleista on solujen lisääntymisessä ja eläinten kehityksessä. Eukaryoottisen translaation aloitustekijä 5A ja sen tavutus ovat välttämättömiä solujen lisääntymiselle eukaryooteissa, ja eIF5A- tai DHPS-geenien sekä DHPS:n estäjien hajoaminen aiheuttaa kasvun pysähtymisen ja voimakkaita antiproliferatiivisia vaikutuksia, mukaan lukien apoptoosin [13,{{ 9}}]. Hyp-eF5A välittää myös tehokasta autofagiaa autofagian päätranskriptiotekijän TFEB:n ja ATG3-proteiinin translaation kautta, jälkimmäinen osallistuu LC3B:n lipidaatioon ja autofagosomin muodostumiseen [42,43]. Lisäksi elF5A:lla on tärkeä rooli oikean sytoskeleton organisoinnissa ja solumuodossa [44-46] eukaryoottien formiinien translaation kautta. Hiivassa elF5A:ta tarvitaan polyproliinia sisältävän Bnil-formiinin translaatioon, joka on osallisena polarisoituneessa kasvussa parittelun aikana [47]. Vastaavasti on osoitettu mekaaninen yhteys elF5A:n ja diafaanisen, aktiinirikkaiden kaapelien kokoamiseen Drosophilan alkion selkäsulkemisen aikana osallistuvan formiinin ja hermoston kantasolujen vaeltamisen välillä [48]. Hyp-elF5A:n on myös kuvattu edistävän solujen migraatiota, tunkeutumista ja etäpesäkkeitä säätelemällä joukon avainsignalointimolekyylien ilmentymistä, mukaan lukien RhoA ja Rho:hon liittyvä kinaasi, kaksi solun tukirankaa säätelevää proteiinia, jotka osallistuvat solumigraatioon [49], ja säätelemällä suoraan MYC:n biosynteesiä tietyissä taukomotiiveissa [50]. Erityisesti EIF5A2-isoformin on osoitettu edistävän epiteeli-mesenkymaalista siirtymää useissa syöpäsolutyypeissä [5]. Eukaryoottisen translaation aloitustekijä 5A on myös osallisena apoptoosin säätelyssä, mutta siihen liittyvä mekanismi näyttää sekaiselta, koska tämä toiminto näyttää olevan päinvastainen kuin proliferaation edistäminen [52-54]. Äskettäin havaittiin, että vasteena stressille hyp-elF5A edistää kasvaimen suppressorin ja pro-apoptoottisen tekijän p53 translaatiota, joka sisältää polyproliinimotiiveja, jotka ovat herkkiä elF5A:n vaikutukselle [55] ja toimii transkriptiotekijänä, joka vastaa käynnistää erilaisia ​​antiproliferatiivisia ohjelmia.

eF5A:n olennainen rooli mainituissa soluprosesseissa liittää tämän proteiinin useiden ihmisten sairauksien patogeneesiin. Yhä useammat todisteet viittaavat siihen, että hyp-elF5A:lla on tärkeä rooli viruksen lisääntymisen moduloinnissa. Se on määritelty ihmisen immuunikatoviruksen tyypin 1 (HIV-1)Rev-kuljetustekijän olennaiseksi kofaktoriksi. Spesifisen Rev-sitoutumisen kautta se osallistuu silmukoitumattomien virus-mRNA:iden translokaatioon tuman vaipan poikki [56] ja voi toimia nukleosytoplasmisena shuttling-proteiinina [57]. Vaikka HIV oli ensimmäinen virus, jonka ehdotettiin vaativan elF5A:ta, tämä tekijä osallistuu myös muiden virusten, kuten Marburg-viruksen (MARV) ja Ebola-viruksen, replikaatioon [58]. Toinen ihmisen patogeneesi, jolla on hyvin määritelty yhteys elF5A:han, on diabetes. Diabeteksen hiirimalleissa haiman saarekesoluissa oleva hyp-elF5A on vastuussa sytokiinien indusoimien transkriptien translaatiosta sekä T-auttajasolujen aktivoinnista ja proliferaatiosta [41,59,60]. Kaksi paralogista geeniä, jotka koodaavat elfF5A:ta, EIF5A:ta ja EIF5A2:ta, ilmentyvät erilaisissa olosuhteissa. EIF5A1 ekspressoituu kaikkialla kaikissa nisäkäskudoksissa ja solutyypeissä, kun taas EIF5A2:n ilmentyminen on rajoitettua terveessä kudoksessa (olen melkein havaitsematon), mutta se yli-ilmentää tietyissä kudoksissa tai syöpäsoluissa. Molempien elF5A-isoformien yli-ilmentymistä on havaittu useissa kasvaimissa ja se laukaisee solujen migraation, invaasion ja syövän etäpesäkkeiden muodostumisen (katso tarkempia tietoja katsauksesta [51]), mutta EIF5A2:ta pidetään mahdollisena onkogeeninä ja diagnostisena tai prognostisena markkerina [61,62], koska se liittyy huonoon eloonjäämiseen, pitkälle edenneeseen sairauden vaiheeseen, huonoon vasteeseen kemoterapeuttisille lääkkeille ja etäpesäkkeisiin. ElF5Agenesin geneettiset variantit on tunnistettu tiettyjen harvinaisten hermoston kehityshäiriöiden perustaksi ihmisillä [63].

ElF5A-toiminnan estäminen on noussut potentiaaliseksi kohteeksi edellä mainittujen sairauksien hoidossa. eIF5A:n tavutus voidaan estää DHPS-estäjien, kuten GC7(N1-guanyyli-1, 7-diamonheptaanin), deoksispergualiinin tai semapimodin avulla; DOHH-estäjät, kuten siklopiroksi, deferiproni tai mimosiini; tai ornitiinidekarboksylaasin (ODC) estäjät, kuten DFMO (difluorimetyyliornitiini) (kuvio 1). DFMO on ODC:n peruuttamaton estäjä, joka on polyamiinin biosynteesin nopeutta rajoittava entsyymi. Siksi DFMO vähentää polyamiinitasoja eikä estä spesifisesti eIF5A:n tavutusta [64]. DFMO:ta on käytetty vähentämään useiden RNA-virusten, mukaan lukien Ebola-, dengue-, Zika-, polio- ja Coxsackievirus [58,65], replikaatiota sekä syövän ehkäisyssä/hoidossa [66]. Deferipronia ja sen rakenteellista analogia, siklopiroksia, käytetään raudan liikakuormituksen ja sieni-infektioiden hoidossa. Kaikki kolme DOHIH-estäjää vaikuttavat kuitenkin muiden entsyymien, kuten proliinihydroksylaasientsyymin, aktiivisuuteen [37]. Tunnetuista DHPS:n estäjistä GC7, diaminoheptaanijohdannainen, on tehokkain estäjä (K; arvo GC7:lle, 0,01 uM, verrattuna Km spermidiiniin, 4,5 uM)[67], ja sitä käytetään nykyään laajalti estävät elF5A-depurinaatiota nisäkässoluissa [68,69]. Tällä hetkellä ei ole olemassa estäjiä, jotka vaikuttaisivat suoraan elF5A:han tai selektiivisemmin elF5A2:een: tämä on mahdollinen tie tulevalle tutkimukselle ja kehitykselle.

Lopuksi, elF5A:n roolia ikääntymisessä on tutkittu laajasti viimeisen vuosikymmenen aikana. elF5A liittyy pitkäkestoiseen muistiin, adaptiiviseen immuunivasteeseen, sydän- ja verisuonitoimintoihin ja mitokondrioiden toimintaan; näiden prosessien epäonnistumiset ovat ikääntymisen tunnusmerkkejä [70]. Tässä katsauksessa keskitymme eF5A:n ja mitokondrioiden aineenvaihdunnan väliseen suhteeseen sekä mitokondrioihin liittyviin sairauksiin, tarkoituksena on tarjota yhteenveto viimeaikaisista tiedoista, jotka yhdistävät elF5A:n mitokondrioihin eri organismeissa.

2. Mitokondrioiden aineenvaihdunta terveydessä ja sairaudessa

Mitokondriot ovat tärkeimmät energian tuottajat ATP:n muodossa, jota tarvitaan solun tärkeimpiin prosesseihin. Sellaisenaan ne ovat välttämättömiä eukaryoottielämälle. Mitokondriot ovat peräisin o-proteobakteerien endosymbioosista ja isännöivät useita aineenvaihduntareittejä, kuten trikarboksyylihapposyklin (TCA), hapettumisen ja lipidisynteesin.cistanche-kolesteroliTCA-sykli ja elektroninkuljetusketju (ETC) tuottavat ATP:tä redox-gradientista [71]. Nämä kaksikerroksiset subsellulaariset organellit sisältävät omassa genomissaan (mtDNA)8 tai 13 proteiinia koodaavaa geeniä (vastaavasti valtavassa ja ihmisessä), jotka koodaavat kriittisiä proteiineja, jotka liittyvät pääasiassa oksidatiiviseen fosforylaatioon (OXPHOS) [72]. Tämä genomi replikoituu ja transkriptoituu ydingenomista riippumatta, mutta molempien genomien on toimittava yhdessä oikean solun toiminnan varmistamiseksi. Noin 1500 tuman koodaamaa proteiinia kohdistetaan mitokondrioihin, mikä vaatii monimutkaisen tuonti-, käsittely- ja kokoamisjärjestelmän [73]. Prosessoimalla happea tuottaakseen energiaa solujen toimintaan, mitokondrioista on tullut keskeisiä toimijoita aerobisessa elämässä ja ne ovat kriittisiä monilla terveyden, sairauksien ja ikääntymisen alueilla [74-76]. Kun elektronit pakenevat oksidatiivisen hengityksen sivutuotteena ja vähentävät osittain happea, mitokondriot synnyttävät reaktiivisia happilajeja (ROS). Tämä tapahtuu jopa normaaleissa olosuhteissa tehokkaan hapen vähentämisen [77,78]. Sairausolosuhteissa mitokondrioista tulee toimintahäiriöitä ja niissä on yleensä kolme päähäiriötä: liiallinen ROS-emissio, irrotettu OXPHOS ja epänormaali Ca2-otto [79,80]. Nämä viat aiheuttavat vaurioita makromolekyyleille ja muutoksia energiahuollossa, redox-ympäristössä, mitokondrioiden signaloinnissa ja solujen elinkelpoisuudessa. Näiden negatiivisten vaikutusten vaimentamiseksi mitokondriot ovat kehittäneet erilaisia ​​laadunvalvontareittejä kriittisten toimintojensa ylläpitämiseksi ja mitokondrioiden stressin vähentämiseksi. Keskeinen laadunvalvontareitti on mitofagia, mitokondrioiden spesifinen autofaginen poisto [81].cistanche deserticolan sivuvaikutuksetLisäksi mitokondrioilla on erittäin dynaaminen luonne fuusio- ja fissioprosessien kautta, minkä ansiosta ne voivat sopeutua erilaisiin rasituksiin muokkaamalla mitokondrioverkkoja [82,83]. Toinen olennainen laadunvalvontareitti on tuontivirheiden ja lipidiaineenvaihdunnan muutoksen aiheuttama vastaus stressiin, joka koostuu lämpösokkivasteen komponenttien induktiosta ja translaation vaimenemisesta[84]. Lisäksi mitokondriot voivat aistia matriisiproteiinin väärinlaskostumisen ja indusoida mukautuvan transkriptio-ohjelman mitokondrioiden proteostaasin ylläpitämisen varmistamiseksi [85]. Kun soluvaurio on liian suuri, mitokondrioilla on tärkeä rooli apoptoottisen solukuoleman signaloinnissa [86].

Mitokondrioiden toiminta heikkenee aivojen ikääntyessä [87-89], mutta myös ikääntyneissä lihaksissa, sydämessä, maksassa ja rasvakudoksissa [90]. Näin ollen ikääntyneissä soluissa mitokondrioiden lukumäärä ja tiheys sekä mitokondrioiden biogeneesin [91] tuotanto ja hengitysketjun kapasiteetti/aktiivisuus vähenevät [92,93]. Ikääntyneet solut osoittavat myös muuttunutta mitokondrioiden dynamiikkaa, mitofagian ja mitokondrioiden laadunvalvontajärjestelmien heikkenemistä ja lisääntynyttä mtDNA-vauriota [83,94]. Ottaen huomioon sen keskeisen roolin soluissa, mitokondrioiden toimintahäiriö voi viime kädessä vaikuttaa useisiin biologisiin prosesseihin, ja se on noussut merkittäväksi aineenvaihdunta-, sydän- ja verisuoni-, tulehdus- ja hermostoa rappeutuvien sairauksien tunnusmerkiksi; syöpä; ja monet ikään liittyvät sairaudet [95-99]. Tämän vuoksi on tärkeää ymmärtää mitokondriobiologian mekanismit, jotta voidaan kehittää tehokkaita hoitoja.

3. ElF5A-isoformien ilmentyminen reagoi eri tavalla solujen aineenvaihduntatilaan

Useimmat eukaryootit sisältävät kaksi paralogista geeniä, jotka koodaavat kahta erittäin homologista elF5A:n isoformia. Näillä kahdella geenillä on selvästi erilainen ilmentymiskuvio nisäkkäissä ja hiivoissa, mikä viittaa erilaiseen toiminnalliseen erikoistumiseen, jota ei kuitenkaan ole vielä selkeästi dokumentoitu molekyylien kannalta. Useimmat nykyiset tiedot elF5A-isoformien erilaisesta säätelystä on saatu hiivatutkimuksista ja osoittavat solujen metabolisen ja hengitystilan vaikutuksen.

Solujen aineenvaihdunnan sopeutuminen ulkoisiin olosuhteisiin on tärkeää useimmille organismeille ja erityisesti hiivalle, joka käsittelee jatkuvasti muuttuvaa ympäristöä. ElF5A-isoformien ilmentyminen osoittaa päinvastaisen säätelymallin fermentatiivisissa ja hengitysolosuhteissa. Hiivasolut ovat taipuvaisia ​​fermentatiiviseen aineenvaihduntaan hengitysteiden sijaan. Vaikka fermentaatio on energeettisesti vähemmän tehokasta kuin hengitys, ATP-tuotannon kannalta fermentaatio mahdollistaa solujen toiminnan edetä nopeammin ja mahdollistaa kilpailukykyisemmän kasvun ja selviytymisen. Tämä edullinen fermentatiivinen aineenvaihdunta löytyy myös nisäkässyöpäsoluista, joissa biomassan lisääminen on etusijalla [100].

Glykolyysi- ja fermentaatiohiivageenit indusoituvat hapen ja glukoosin läsnä ollessa, kun taas geenit, jotka osallistuvat vaihtoehtoisten hiilenlähteiden käyttöön, mukaan lukien TCA-syklin hengitysentsyymit, ETC ja OXPHOS, ovat alttiina glukoosirepressiolle [{{0} }]. Korkeat glukoositasot ylläpitävät proteiinikinaasi A:n aktiivisuutta ja kohderapamysiinikompleksin 1 (TORC1) -signalointireittejä, edistäen proliferaatiota samalla kun estävät mitokondrioiden hengitystä. Näissä olosuhteissa TIF51A ilmentyy konstitutiivisesti, kun taas TIF51B ilmentyy heikosti, koska se on melkein havaitsematon. Kuten muutkin translaatioon osallistuvat proteiinit [104-106], Tif51A on erittäin aktiivinen ja TORC1:n säätelemä positiivisesti yhdistäen biosynteettisen aktiivisuuden ravinteiden runsaaseen saatavuuteen [107]. Kun glukoosi tulee rajoittavaksi ja kun on riittävästi happea, hiivasolut siirtyvät aineenvaihduntaan aerobiseen hengitykseen. Tämän siirtymän aikana TIF51A:n ilmentyminen lisääntyy kahdesta nelinkertaiseksi [107, samoin kuin TCA-sykliin osallistuvien geenien, ETC:n ja OXPHOS:n [101-103,108,109], kun taas TIF51B:n ilmentyminen vähenee jatkuvasti. Kun glukoosipitoisuus laskee, TORC1 inaktivoituu, mikä johtaa ribosomaalisten komponenttien translaation ja synteesin hitaaseen vähenemiseen [104-106]. Tämä tarkoittaa, että solujen kasvu on hidasta ja sytoplasmista translaatiota tarvitaan vähemmän, mutta yllättäen tarvitaan enemmän elF5A-proteiinia [107]. Näin ollen eksponentiaalisessa kasvussa ei-fermentatiivisissa olosuhteissa, kuten glyserolissa tai etanolissa, TIF51A-mRNA-tasot kohoavat myös merkittävästi verrattuna tasoihin glukoosin eksponentiaalisen kasvun aikana, kun taas TIF51B-tasot vähenevät [107]. Tärkeimmät tekijät, jotka osallistuvat hiivan metaboliseen uudelleenohjelmointiin kahden vaihtoehtoisen fysiologisen tilan, fermentaation ja hengityksen, välillä ovat proteiinikinaasi A, Snf1 ja hemi/happiresponsiiviset transkriptiotekijät Hap1 ja Hap2/3/4/5-kompleksi. Siirtymävaiheessa Hap1 ja Hap4 indusoituvat ja säätelevät geenejä, jotka osallistuvat hengitysprosesseihin, kuten TCA-sykliin, ETC:hen ja OXPHOS:iin [101,110-113]. Hapl on myös transkriptiotekijä, joka osallistuu TIF51A:n ilmentymisen voimistumiseen sen jälkeen, kun metabolinen siirtymä hengityskasvuun; tämä säätely menetetään hap1-mutantissa [107]. Hap1 reagoi hemisolutasojen nousuun, jonka aiheuttaa lisääntynyt aineenvaihduntavirtaus hengitysolosuhteissa tuotettuun TCA-kiertoon [108, 109, 111, 114]. Huomattavaa on, että elF5A:n geneettinen säätely eroaa selvästi muiden translaatiotekijöiden säätelystä. Useimpien translaatiotekijöiden ilmentyminen vähenee tämän metabolisen muutoksen jälkeen, mutta Tif51A:lla on ainutlaatuinen ja kaksinkertainen säätely, jossa alkuvaiheen väheneminen johtuu TORC1:n inaktivaatiosta ja sitä seuraava asteittainen lisääntyminen Hap1:n vaikutuksesta [107)]. Tämä korostaa selvästi elF5A:n olennaista roolia hengitysprosessissa.

Sitä vastoin korkeat happi/hemitasot johtavat TIF51B-repressioon kahden DNA:ta sitovan repressoriproteiinin Rox1 ja Mot3 synergistisen toiminnan kautta [115-118], jolloin Rox1 aktivoi hemiin sitoutuneen Hap1:n [110]. Kuitenkin hypoksisissa olosuhteissa ja alentuneissa hemi- ja rautatasoissa Tif51A-proteiinin ilmentyminen laskee. Tämän negatiivisen säätelyn mekanismin ehdotetaan olevan yhdistelmä DOHH:n aktiivisuuden laskusta, joka käyttää happea substraattina eF5A:n hydroksylaatiossa [119], ja Hap1:n vaikutuksesta, joka voi toimia myös repressorina [107]. . Toisaalta Hall, joka toimii repressorina hypoksisissa olosuhteissa, vähentää ROX1:tä, joka indusoi TIF51B:n ilmentymistä [120].

Hiivassa molempien elF5A-isoformien säätely Hallin toimesta TIF51A:n ilmentymisen aktivoinnin/repressoinnin kautta ja TIF51B:n Roxy-välitteinen repressio/aktivaatio mahdollistaa kahden geenin vastakkaisen säätelyn vain yhdellä transkriptiotekijällä. Siten tämä erilainen ilmentyminen vaikuttaa erilaisiin metabolisiin tuloksiin, kun Tif51A edistää hengitystä ja Tif51B edistää anaerobista glykolyysiä. On huomattava, että hiivan Hap1-proteiinissa ei ole homologeja nisäkässoluissa, mutta toisen ei-homologisen transkriptiotekijän olemassaoloa, joka välittää samanlaista ihmisen EIF5Al- ja EIF5A2-isoformien säätelyä, ei voida sulkea pois. Todellakin, on esimerkkejä ihmisen eIF5A-isoformien erilaisista ilmentymistä, jotka on kytketty erilaisiin metabolisiin lähtöihin. Ihmisen hepatosellulaarinen karsinooma (ACC) -potilasnäytteissä näkyy yleensä solunsisäisen aineenvaihdunnan uudelleenohjelmointi. EIE5A2:ta säädeltiin ylöspäin. Lisäksi EIF5A2:n ektooppinen ilmentyminen hHCC-soluissa lisäsi glykolyysientsyymien ilmentymistä yhdessä laktaattidehydrogenaasin kanssa edistäen anaerobista glykolyysiä [121]. Siten glukoosin otto ja laktaatin eritys lisääntyivät glykolyyttisten entsyymien säätelyn myötä, mikä on useimpien syöpäsolujen yleisin metabolinen uudelleenohjelmointi [122].

Lisäksi elF5A on tunnistettu välttämättömäksi nisäkkään hypoksialla indusoituvan tekijän 1:n (HIF-1a) ilmentymiselle, joka on solun hypoksiaan mukautuvan adaptiivisen vasteen pääsäätelytranskriptiotekijä [119]. Eukaryoottinen translaation aloitustekijä 5A asetyloidussa muodossaan, joka on inaktiivinen, lisääntyy pitkien hypoksisten jaksojen aikana ja on vastuussa HIF-1-aktiivisuuden vähenemisestä. Vaikka eIF5A:n ja HIF{8}}:n ilmentymisen taustalla oleva mekanismi on vielä selvittämättä, tämä säätely tekee elF5A:sta houkuttelevan terapeuttisen kohteen, koska HF-1 välittää adaptiivista vastetta kasvainsferoidien hypoksisessa ympäristössä [119,123].

Yhteenvetona voidaan todeta, että hiivasta ja ihmisestä saadut tiedot tukevat solujen metaboliseen tilaan liittyvää EIF5A1- ja EIF5A2-geenien erilaista ilmentymistä, vaikka ei ole selvää, onko tämä erilainen ilmentymä syy vai seuraus solujen metabolisesta tilasta. Haluamme korostaa, että monissa tutkimuksissa, joissa tutkitaan elF5A:n toimintaa nisäkäsmalleissa, käytetään hypusiini-inhibiittoria GC7, jonka tähän mennessä uskotaan vähentävän molempien elF5A-isoformien tavutusta. Jos kukin elF5A-isoformi edistää erityyppistä aineenvaihduntaa, eli aerobista tai anaerobista glykolyysiä, molempien isoformien tavutus samanaikaisesti estäviä tuloksia on vaikeampi tulkita.

Tämä artikkeli on poimittu Int. J. Mol. Sci. 2022, 23, 1284. https://doi.org/10.3390/ijms23031284 https://www.mdpi.com/journal/ijms