GTP energetska odvisnost endocitoze in avtofagije v starajočih se možganih in Alzheimerjevi bolezni Ⅱ

Pogoste signalne poti GTPaze v avtofagiji: makroavtofagija (mitofagija), mikroavtofagija in CMA

Superdružina GTPase obsega široko paleto proteinov, ki delujejo kot molekularna stikala z vezavo in hidrolizacijo molekul GTP za privezovanje, spajanje in zlivanje veziklov na ciljne membrane [46]. Spremembe v funkciji GTPaze so povezane s spremembami v prometu tovora [47]. Preklop med "aktivnim" stanjem (GTP-aza vezana na GTP) in "neaktivnim" stanjem (GTP-aza vezana na GDP) zahteva faktor izmenjave gvanin nukleotida (GEF) in protein, ki aktivira GTP-azo (GAP) [48] (slika 3) , imenovano kaskada Rab GEF/GAP [22]. Za mnoge GTPaze se verjame, da življenjska doba aktiviranega stanja, vezanega na GTP, služi kot regulator pri določanju aktivacijskega časa biološkega dogodka, kot sta fuzija membrane in transdukcija signala. Vendar pa je lahko pravilno delovanje GTPaz omejeno tudi z zmanjšanjem znotrajceličnih ravni GTP. Tvorba avtofagosoma vključuje člane družine Rab Rab1, Rab5, Rab7, Rab9A, Rab11, Rab23, Rab32 in Rab33B. Rab9 je potreben pri nekanonski avtofagiji. Rab7, Rab8B in Rab24 imajo ključno vlogo pri zorenju avtofagosomov. Rab8A in Rab25 sta vključena v neznane vidike avtofagije [22]. Rab11 je potreben za eksocitozo [49]. Neuspešna avtofagija je povezana z več nezdravimi stanji, kot je nprpresnovni stresin agregacijo proteinov, povezanih z nevrodegenerativnimi motnjami, vključno zAlzheimerjeva bolezen. Rab8b ima ključno vlogo pri orkestriranju avtofagijezorenječeprav njegov spodnji efektor Tbk-1 neposredno fosforilira p62 pri Ser-403, ključnem ostanku za avtofagično funkcijo p62 [50]. TBK-1 je prav tako potreben za avtofagično eliminacijo bakterij, ki jo povzroča citokineza, medtem ko je knockdown Rab8 po indukciji avtofagije povzročil zmanjšanje fagosomov [50].

Slika 3 Molekularni preklop med stanji GTPaze. Aktivno stanje majhne GTPaze (vezano na GTP) se doseže s faktorjem izmenjave nukleotidov, ki katalizira izmenjavo GDP v GTP, kar ima za posledico aktivacijo GTPaze. Aktivna GTPaza sodeluje z več vrstami spodnjih efektorjev, da modulira njihovo aktivnost. Protein, ki aktivira GTP-azo (GAP), inaktivira proteine, vezane na GTP, s povečanjem njihove aktivnosti za hidrolizo GTP. Oblika, vezana na BDP, ne more vezati efektorjev

Kliknite tukaj, če želite dobiti zeliščno cistančo za izboljšanje kognitivnih funkcij

Ker je BDP tesno vezan na Rab GTPases in so njihove intrinzične stopnje hidrolize GTP nizke kljub visoki afiniteti 10-1–10-5 μM km [51], Rab GEF-ji katalizirajo disociacijo BDP. Rab GAP olajšajo hidrolizo GTP. Oba regulatorja sta potrebna za usklajevanje časovno-prostorske aktivnosti Rab GTPases [52]. Aktivnost Rab GTPases, GEF in GAP je ključna za transport in promet avtofagosomov za makroavtofagijo. Makroavtofagija potrebuje strog nadzor in zdi se, da nekatere Rab GAP delujejo v prekrivajočih se poteh. Na primer, proteini, ki vsebujejo domeno TBC, TBC1D14 in TBC1D15, usklajujejo endosomsko trgovino in biogenezo avtofagosomov. TBC1D5 je Rab7 GAP, ki ga beljakovina FIS1 rekrutira v mitohondrije za obvladovanje hidrolize Rab7 GTP, kar mitohondrijem omogoča tudi uravnavanje odvezovanja stikov z lizosomi [53]. Ker stiki mitohondrijev in lizosomov označujejo mesta Drp1-pozitivnih dogodkov mitohondrijske cepitve, spremembe v hidrolizi Rab7 GTP vodijo tako do nenormalne lizosomske morfologije kot do izrazito zmanjšane stopnje gibljivosti mitohondrijev [53]. Pokazalo se je, da TBC1D2, ki vpliva na GTPazo Rab7 in modulira fuzijo avtofagosoma in lizosoma, aktivira LRRK1 po indukciji makroavtofagije [54].

Družina beljakovin majhnih Rab GTPaz nadzoruje transportne poti veziklov in zagotavlja promet veziklov v njihove ustrezne ciljne predelke. Rab GTPaze medsebojno delujejo z efektorskimi proteini, kot so kompleksi za razvrščanje tovora, motorični proteini in faktorji privezovanja, ki so potrebni za brstenje veziklov, transport in fuzijo različnih znotrajceličnih organelov. V celicah sesalcev obstajajo tri primarne vrste avtofagije: makroavtofagija, mikroavtofagija in avtofagija, posredovana s šaperonom (CMA) (slika 4). Vsak podtip je sestavljen iz različnih mehanizmov dostave substrata v lizosom; vendar je rezultat enak za vse, ki kulminira z dostavo tovora v lizosom za razgradnjo in recikliranje.

Makroavtofagija mitohondrijev je najbolj raziskana in se običajno imenuje mitofagija. Signalizacijo mitofagije v glavnem nadzira tarča rapamicinskega proteinskega kompleksa 1 (TORC1). Po indukciji avtofagije se oblikuje sekvestrirna membrana, imenovana fagofor (slika 4A). Fagofor obdaja napačno zvite proteine ​​in/ali disfunkcionalne organele, dokler ni dokončan v avtofagosom z ovojnico. Avtofagosom se nato zlije z lizosomom in prenese citoplazmatski tovor za hidrolizo. Organele znotraj tovora se nato razgradijo v aminokisline in enostavne maščobne kisline ter ogljikove hidrate za sproščanje v citoplazmo s permeazami lizosomske/vakuolarne membrane in ponovno uporabo v biosintezi [55].

Slika 4 Vrste poti avtofagije, ki jih ureja GTP A Pri makroavtofagiji (mitofagiji) proteini, označeni z ubikvitinom (Ub), rekrutirajo p62 za interakcijo z LC3, da tvorijo avtofagosome. Rab2 sodeluje pri tvorbi fagoforja, medtem ko Rab8b in Rab9a sodelujeta pri zorenju avtofagosoma. Arl8 se nahaja na lizosomski membrani in omogoča lizosomski promet. B Pri avtofagiji, posredovani s šaperonom (CMA), se substratni proteini vežejo na monomerno obliko LAMP-2A po prepoznavanju motiva KFERQ s citosolnim kompleksom šaperona Hsc70. Za njegovo translokacijo v multimerni kompleks z LAMP-2A je potrebno razgrnitev celotnega substrata. V membrani lizosomov sta dve skupini GFAP: 1, v pogojih z visoko aktivnostjo CMA GFAP sodeluje z LAMP-2A, da stabilizira kompleks, potreben za translokacijo tovora CMA na način, ki je odvisen od GTP; 2, GFAP medsebojno deluje z EF1, medtem ko GTP inducira sproščanje EF1 iz GFAP, ki zavira CMA in spodbuja razstavljanje multimernega LAMP-2AC. Pri vseh pride do recikliranja po lizosomski razgradnji

CMA (slika 4B) ne uporablja membranskih struktur za sekvestracijo tovora, ampak namesto tega uporablja spremljevalce za identifikacijo tovornih beljakovin in njihovo premestitev na lizosomsko membrano, medtem ko mikroavtofagija (slika 4C) uporablja invaginacije ali izbokline lizosomske membrane za zajem in dostavo avtofagni tovor na lizosomsko membrano [56, 57].

Reaktivne kisikove vrste (ROS) delno nadzorujejo avtofagijo. Stradanje spodbuja proizvodnjo ROS (predvsem H2O2) v mitohondrijih, kar se zdi potrebno za tvorbo avtofagosomov. Pri kvasovkah lahko avtofagijo uravnava ROS prek Atg4 z oksidacijsko redukcijo disulfidne vezi med ostankoma Cys338 in Cys 394, ki je potrebna za pravilno avtofagosomsko biogenezo [58]. Atg4, redoks proteaza, deluje kot konjugacijski encim za cepitev C-konca v nezrelem Atg8 (homolog sesalcev LC3), da izpostavi ohranjeni ostanek glicina za njegovo kasnejšo povezavo s fosfatidiletanolaminom (PE). Nadalje Atg4 deluje tudi kot dekonjugacijski encim, ki cepi amid, vezan med Atg8 in PE, ki ga sprosti iz membrane za recikliranje, kar je ključnega pomena za konjugacijske sisteme, bistvene za avtofagijo.

Avtofagija: regulacija GTP pri staranju in AD

Avtofagično čiščenje poškodovanih celičnih komponent ali aberantnih beljakovinskih agregatov postaja vse bolj pomembno za obvladovanje povečanega oksidativnega stresa, povezanega s staranjem in AD [59]. Dvosmerno trgovanje v celice in iz njih mora biti zelo usklajeno. Avtofagija deluje v povezavi z endocitozo in eksocitozo, ki obe prispevata k menjavi poškodovanih znotrajceličnih sestavin z uporabo lizosomske fuzije in prebave. Avtofagija vključuje označevanje okvarjenih celičnih organelov in beljakovinskih agregatov za razgradnjo, čemur sledi sestavljanje avtofagične strukture za transport tovora za fuzijo z lizosomi za razgradnjo poškodovanih proteinov in organelov za recikliranje aminokislin in lipidov ali odlaganje. Je zelo dinamičen proces, ki je bistven za vzdrževanje celične homeostaze in funkcij. Disregulacija avtofagije je bila povezana s staranjem in patološkimi nevrodegenerativnimi boleznimi, vključno zAlzheimerjeva bolezen. Čeprav je dobro znano, da ravni ATP padajo s starostjo v patoloških pogojih [60], so s starostjo povezane spremembe ravni GTP slabo pojasnjene.

Indukcija avtofagije je odvisna od ravnovesja ADP/ATP. Zmanjšana proizvodnja ATP stimulira z AMP aktivirano protein kinazo (AMPK), stimulacija AMPK pa inaktivira mTOR. AMPK poveča avtofagijo ne le posredno z inaktivacijo mTOR, ampak tudi neposredno s fosforilacijo Unc-51-podobne kinaze 1 (Ulk1), ki je molekularna tarča mTOR v avtofagnem stroju [61].

Izčrpanje GTP lahko vpliva na avtofagijo pri staranju in AD

Post mortem analiza bolnikov z AD kaže na kopičenje avtofagosomov in drugih lizosomskih avtofagnih vakuol v distrofičnih nevritih in sinaptičnih terminalih, ki so nevropatološki znaki AD [62]. Povečana regulacija avtofagosomov v hipokampalnih piramidnih nevronih CA1 je povezana s spremembami v izražanju z avtofagijo povezanih genov (ATG3, ATG5, ATG12, ULK1 in PIK3C3/VPS34) in proteinov (LC3B-II in LC3B I) v zgodnjih fazah AD [63]. ]. Ta dejstva kažejo, da je AD povezana s spremembami v trgovini z avtofagosomi.

Disregulacija avtofagije se pojavi tako pri bolnikih z AD kot pri živalskih modelih. Kopičenje velikih količin avtofagnih vakuol v nevronskih dendritih se pojavi pri dvojnih transgenih miših PS1/APP in se pojavi celo pred A plaki [64]. Podobno so nezrele avtofagne vezikle v aksonih opazili v hipokampalnih nevronih AD miši, veliko pred sinaptično in nevronsko izgubo (Cat aldo et al., 2004 [44, 65, 66]. Razgradijo se tudi agregati Tau skozi pot avtofagije [67, 68] Divji tip presenilinskega gena 1 (PS1) deluje kot ligand podenote v-ATPaze V0a1, ki uravnava porazdelitev podenot v-ATPaze v lizosome za zakisanje.Intracelularni A se veže na v- ATPazo in zavira zakisljevanje [69] Mutacija v PS1 tako prispeva k disregulaciji sistema razgradnje avtofagije-lizosoma [70] Glavni genetski dejavnik tveganja za občasno AD, Apolipoprotein E4 (ApoE4), prav tako prispeva k indukciji avtofagije z lizosomsko uhajanje [71], ki vodi do oslabljenega endolizosomskega prometa, motenj sinaptične homeostaze in zmanjšanega očistka amiloida.Vse skupaj nakazuje, da je lahko okvarjena pot proteolize avtofagije-lizosoma odgovorna za kopičenje patogenih proteinov, kot sta A in tau pri AD. Pogojni izločitev gena, potrebnega za tvorbo avtofagosoma, Atg7fox/fox, križanega s transgenskimi mišmi APP23, je pokazala, da oslabljeno pomanjkanje avtofagije spodbuja kopičenje A v CA1 in kortikalnih piramidnih nevronih ter drastično zmanjšanje obremenitve zunajceličnega A plaka in inhibicije izločanja A [72]. Ta ugotovitev kaže, da se spremembe v tvorbi avtofagosoma izogibajo pravilni obdelavi A, ki bi lahko povzročila nenormalno kopičenje v somi [27]. Kopičenje so opazili tudi na cis- in trans strani Golgijevih veziklov v poznem Golgijevem aparatu, kar kaže, da lahko ta organel povzroči tudi funkcionalne spremembe, ki ovirajo pravilno tvorbo fagoforja [73]. To domnevo podpira majhna GTPaza Rab2, ki povezuje Golgijevo omrežje s strojem poti avtofagije [74]. Rab2 sodeluje pri tvorbi fagoforjev z nadaljnjim novačenjem in aktiviranjem Ulk1. Rab2 medsebojno deluje z Rubcnl in Stx17 (avtofagosomski protein SNARE) za nadaljnjo določitev rekrutiranja kompleksa HOPS za olajšanje zorenja avtofagosomov in zlitja z lizosomi [74].

Drugi član superdružine Ras majhnih GTPaz, ki sodeluje pri tvorbi veziklov, je faktor ribozilacije ADP (Arf). Arf GTPaza sodeluje predvsem v procesu brstenja v Golgijevem kompleksu, pridobivanju plaščnih proteinov med tvorbo veziklov za trgovanje z membrano. Arf GTPase sodeluje pri nadzoru prometa z APP prek proteinov MINT, ki so ključne komponente za fuzijo sinaptičnih veziklov. Proteini MINT se vežejo neposredno na Arf GTPases in se lokalizirajo skupaj z vezikli, ki vsebujejo APP, v regije mreže Golgi/trans-Golgi (TGN), pri čemer so znotrajcelične ravni APP sorazmerne z ravnmi MINT [75]. Zrušitev Arf1 je zmanjšala izločanje amiloidnih peptidov [76], kar kaže na vpliv napak v delovanju Arf1 na promet z APP, ki bi se lahko združil v znotrajcelično kopičenje (slika 5).

K patologiji AD prispeva tudi disregulacija različnih proteinov Rab. Disregulacija Rab1 inducira fragmentacijo Golgijevega aparata, ki sproži hiperfosforilacijo tau z aktivacijo cdk5 in ERK1/2 [77, 78]. Napaka v Rab6 lahko vpliva na izločanje APP v

Slika 5 Avtofagija zahteva sodelovanje več majhnih GTPaz. V začetni fazi Rab2 rekrutira in aktivira ULK1 v tvorbi fagoforja, medtem ko Rab9a in Rab8b sodelujeta pri zorenju avtofagosoma. Arf sodeluje pri brstenju v Golgijevem kompleksu in pridobivanju plaščnih beljakovin med tvorbo veziklov. Rab1 sodeluje pri dvosmerni vezikularni transportni poti med endoplazmatskim retikulumom (ER) in Golgijevim aparatom. Sar1 GTPaza je vključena v transport, ki ga posreduje COPII, kot izhodna pot APP, ko je dosežena njegova končna konformacija. Rab6 prebiva v TGN in sodeluje pri retrogradnem transportu od Golgija do ER in je bil povezan z regulacijo vezikularnega transporta in obdelave APP. Rab11 nadzoruje recikliranje endosoma v plazemsko membrano. Motnje v vezikularnem izvozu, ki vsebuje APP-BACE, lahko povzročijo kopičenje eksosomov. Arl8 uravnava transport in lizosomsko fuzijo prek mikrotubulov vzdolž nevronskega medija, kar vodi do sprememb v hitrosti izločanja, kar bi lahko spodbudilo spremembe v anterogradnem prometu APP, kar vodi do znotrajceličnega kopičenja. V podporo intracelularnemu kopičenju je analiza zaporedja eksomov opredelila Rab11A/B kot komponento tveganja za pozen pojav AD. Rab11 nadzoruje recikliranje endosoma v plazemsko membrano. Utišanje Rab11A/B v primarnih nevronih, izoliranih iz transgenih miši APP, je zmanjšalo ravni A v supernatantih, zbranih in analiziranih z elektrokemiluminiscenco (ECL) [79]. Ti podatki kažejo, da bi lahko kopičenje A povzročilo tudi napake pri izvozu veziklov, ki vsebujejo APP, kar bi lahko povzročilo cepitev s sekretazo v vezikularni membrani [27] (slika 1B). Ker tvorba veziklov, ki vsebujejo APP, in tvorba fagoforja vključujeta pravilno delovanje ER-Golgi, ki ga poganjajo majhne GTPaze, bi pomanjkanje ravni GTP povzročilo motnje v pakiranju APP, ki bi lahko ogrozile njegovo izločanje in spodbudile znotrajcelično kopičenje .

Ta razmerja med avtofagijo in kopičenjem intracelularnega A so podprta s starostjo povezanim kolokalizacijskim signalom med p62-usmerjeno tvorbo avtofagosoma in oblikami A, opaženimi v primarno kultiviranih hipokampalnih nevronih odraslih miši 3xTg-AD [27] in v APP23-transgene miši z Atg7 foxed mišmi [73]. Še eno zanimivo dejstvo je, da pri avtofagiji niso opazili nobenega signala agregatov, ki je pozitiven na katepsin D [27]. Ti podatki lahko kažejo na disfunkcijo v prejšnjih stopnjah avtofagije ali lizosomske funkcije nevronov modela AD (slika 6) [26].

Regulacija GTP v CMA v AD

Namesto organelov CMA razgrajuje majhne molekule v evkariontskih celicah, ki jih povzroči dolgotrajno stradanje ali blagi oksidativni stres. Predlagano je bilo, da se CMA ureja z ravnmi GTP [80]. Ta regulacija vključuje sodelovanje vmesnega filamentnega glialnega fibrilarnega kislega proteina (GFAP) in faktorja raztezka-1 alfa (EF1) [46, 81]. GFAP je prisoten v dveh različnih skupinah na lizosomski membrani, delu, vezanem na LAMP-2A, in drugi nevezani obliki, ki interagira z EF1. Trije motivi KFERQ v spremljevalcu Hsc70 ga usmerjajo v lizosomske membrane, kjer sodeluje z beljakovinskim kompleksom LAMP-2A in stabilizira translokacijo tovora CMA v lizosomski lumen. Del GFAP, ki ni vezan na LAMP-2A, prispeva k regulaciji GTP. V prisotnosti GTP se EF1 sprosti iz GFAP na lizosomski membrani, kar spodbuja disociacijo med GFAP in LAMP-2A, mobilizacijo LAMP-2A v lipidne mikrodomene za njegovo razgradnjo in kasnejšo inhibicijo CMA [ 81]. Napake v gostoti kompleksa LAMP2A na lizosomski membrani so povezane tudi s staranjem, kar vodi tudi do zmanjšanja funkcije CMA [82] (slika 4B)

Še ena oblika avtofagosomske biogeneze pri sesalcih deluje po enigmatični nekanonski VPS34-neodvisni poti. Fosfoinozitidi (PI) določajo identiteto membrane in nadzorujejo več dogodkov trgovanja z membrano. Fosfatidilinozitol 5-kinaza (PIKfyve) pretvori endosomsko lokaliziran fosfatidilinozitol-3-fosfat (PI(3)P) v PI(3,5)P2, ključni regulator zgodnjega do poznega prenosa endosomske membrane [83] . Poleg tega je kompleks PIKfyve odgovoren tudi za proizvodnjo PI(5)P iz PI in uravnava tvorbo avtofagosomov. PI(5)P uravnava avtofagijo prek efektorjev PI(3)P (rekrutiranje proteinov WIPI2 in DFCP1), ki zagotavljajo mehanični okvir za to alternativno pot avtofagije. PI(5)P uporablja fosfatidilinozitol 5-fosfat 4-kinaza (PI5P4K), ki uravnava ravni PI(5)P z uporabo GTP namesto ATP za fosforilacijo PI(5)P, da dobimo PI(4, 5) P2 kot končni produkt, ki uravnava remodeliranje aktinskega citoskeleta [84]. Ugotovili so, da ima PI(3,5)P2 nizko afiniteto za kofilin, ki razstavlja aktinske filamente, in visoko afiniteto za N-WASP, ki aktivira kompleks Arp2/3, da sproži nukleacijo aktina za transport endocitnih veziklov iz plazemske membrane. Predlaga se, da aktivnost PI5P4K odraža spremembe v neposrednem sorazmerju s fiziološko koncentracijo GTP in deluje kot znotrajcelični GTP-senzor [85]. V celicah brez PI3P (nizek PI(3,5)P2) z zaklenjenim VPS34 kompleks PIKfyve vzdržuje avtofagijo z uporabo PI5P [85]. Ti podatki kažejo, da ima PIKfyve ključno vlogo pri modulaciji avtofagije. Okvarjeno delovanje PIKfyve povzroči nastanek oteklih vakuol, ki so v živih celicah zlahka vidne pri majhni povečavi [86]. Znotrajcelična domena APP veže podenoto Vac14 kompleksa PIKfyve, kar vpliva na proizvodnjo PI(3,5)P2 [87]. PI(3,5)P2 veže in aktivira endolizosomski TRPML kanal [88]. Našli so povečane vakuole v mišjih fibroblastih s pomanjkanjem PI(3,5) P2-, ki so bile zatrte s prekomerno ekspresijo zdravega kanala TRPML1. Prevodnost TRPML in lizosomsko zakisanje sta bili oslabljeni [89].

Odvisnost mitohondrijske fisije in fuzije od GTP

Poleg zagotavljanja ATP z oksidativno fosforilacijo mitohondriji zagotavljajo tudi GTP iz NME4 in njegove nukleozid difosfat kinazne aktivnosti [8]. Ta mitohondrijska oskrba z energijo je bistvenega pomena za nastanek sinaptičnih veziklov za sproščanje na koncih aksonov kot tudi za recikliranje veziklov v sinapsah. Sinaptično izgubo pri AD bi lahko povzročila izguba bioenergetske zmogljivosti za vzdrževanje teh bistvenih procesov. Zato število in lokalizacija mitohondrijev v sinapsah verjetno določata energetsko zmogljivost za endocitozo in eksocitozo. Mitohondrijska dinamika občutljivo uravnoteži cepitev in fuzijo, ki ju nadzirajo Drp1 in Fis1, Mf1, Mfn2 in Opa1 [90, 91] (slika 7). Pretvorbo ATP v GTP lokalno nadzirajo lokalizirane nukleozid difosfat kinaze (NDPK) iz genov NME 1–4 [51]. NME1 in 2 (včasih imenovana NM23 H1 in H2) sta pretežno citosolna, medtem ko sta NME3 in 4 (NM23 H3, H4) mitohondrijska. Kompleks mitohondrijskih NDPK s specifičnimi dinaminskimi GTPazami za kanaliziranje GTP neposredno iz hidrolize ATP [16]. Ravnovesje cepitve in fuzije mitohondrijev je občutljivo na redoks neravnovesje. Bodisi endogena ali eksogena uporaba ROS aktivira mitohondrijsko fisijo, inducira mitohondrijsko fragmentacijo in posledično mitohondrijsko disfunkcijo [90]. To vodi do nadaljnje prekomerne proizvodnje ROS in začaranega kroga, ki poveča oksidativni stres in na koncu povzroči oksidativno neravnovesje pri AD [92]. Cepitev uravnavata dinamični GTPazi Drp1 in Fis1 s Km približno 100 μM [51]. Polimerizirajo in zožijo tubularne membrane podobno kot endocitoza. Fis1 je lokaliziran v zunanji mitohondrijski membrani [90, 93, 94].

Slika 7 GTP-odvisna mitohondrijska dinamična morfologija cepitve in fuzije. Leva fuzijska plošča: z Dynaminom sorodna beljakovina-1 (Drp1) izvede mitohondrijsko fisijo s samopolimerizacijo okoli zunanje mitohondrijske membrane, ki skrči in prekine obe membrani v procesu, ki je odvisen od hidrolize GTP. Desna fuzijska plošča: Mitofusin-1 in -2 (MTF1/2) povezujeta sosednje zunanje mitohondrijske membrane v procesu, ki je odvisen od hidrolize GTP. OPA1 omogoča fuzijo notranje mitohondrijske membrane z uporabo lokalnega GTP, ki ga zagotavlja NME4. Rdeče črtkane puščice označujejo premik organele.

Fuzijo nadzirajo trije proteini GTPaze: Opa1, ki se nahaja v notranji mitohondrijski membrani, ter Mfn1 in Mfn2, ki se nahajata v zunanji mitohondrijski membrani. Opa1 GTPaza s Km okoli 500 μM bi zahtevala obilne ravni GTP za polimerizacijo in mehanizacijo fuzije mitohondrijske membrane v cevi [51].

hipoksija, energetski stres in povečano oksidirano redoks stanje. Povečan oksidativni stres in povišane ravni ROS so povzročile fragmentacijo mitohondrijev in indukcijo mitofagije, odvisne od cepitve DRP1, v mišjih in HeLa celicah. To ni povzročilo celične smrti in avtofagije, ker zmerne ravni ROS niso zadostovale za sprožitev neselektivne avtofagije [95]. Dejansko lahko to mitofagijo zavre N-acetil-l-cistein s spodbujanjem glutationskega bazena in možnim delovanjem na Atg4. Zmanjšanje količine glutationa je povzročilo tudi mitofagijo, vendar ne splošne avtofagije. Nasprotno pa je dodatek celično prepustne oblike glutationa zaviral mitofagijo [96]. Tako oksidativno redoks stanje spodbuja ciljno selektivno odstranitev disfunkcionalnih mitohondrijev. To tudi nakazuje integracijo redoks ravnovesja in ravni energije za maksimiranje zdrave mitohondrijske funkcije in nadzor nad kroženjem poškodovanih mitohondrijev.

Okvara pri fuziji in fisiji je bila vpletena v AD. V mišjem modelu A interagira s fs sion proteinom Drp1, s posledično povečanjem proizvodnje prostih radikalov, ki nadalje aktivirata Drp1 in Fis1, kar povzroči prekomerno fragmentacijo mitohondrijev, okvarjen transport mitohondrijev do sinaps, znižanje sinaptičnega ATP in končno vodi do sinaptična disfunkcija [97]. p-tau medsebojno deluje tudi z Drp1 in poveča encimsko aktivnost GTPase Drp1, kar vodi do čezmerne fragmentacije mitohondrijev in mitohondrijske disfunkcije pri AD [98]. S-nitrozilacijski adukt Drp1 (SNO-Drp1) je dodatno spodbudil njegovo aktivnost in povzročil prekomerno fragmentacijo mitohondrijev ter izgubo sinapse [99].

Oslabljena lizosomska funkcija pri AD, ki jo povzroča s starostjo povezano izčrpavanje energije

Lizosomska prebava avtofagnega tovora je zadnji korak za dokončanje avtofagije. Zato morajo lizosomi ohraniti svoje kislo okolje za razgradnjo tovora na podlagi pH s kislinsko aktiviranimi peptidazami, lipazami, nukleazami in glikozidazami. Za lizosomsko zakisljevanje dotok protonov izvajajo tako v-ATPaza, od ATP-odvisne protonske črpalke, kot antiporterji kloridnih protonov, medtem ko kationski izliv posredujeta prenašalca TPC in TRPML, ki sta prav tako vključena v pH ravnovesje [ 100]. Presenilin-1 (PS1) uravnava porazdelitev podenot v-ATPaze v lizosome, ki deluje kot ligand podenote v-ATPaze V0a1 in vzdržuje lizosomsko homeostazo prek TRPML1 [69]. Mutacije PS1 so bile povezane z nizko lizosomsko zakisanostjo, disregulacijo sistema razgradnje avtofagije-lizosoma in patogenezo AD z zgodnjim nastopom [26].

Arl8 (Arf-u podoben G protein) je majhna GTP-aza, ki se nahaja na lizosomih in deluje kot povezovalec med lizosomi in kinezinom-1, da olajša lizosomski promet vzdolž aksonov (slika 8B) [101]. Arl8b deluje tudi kot stikalo za uravnavanje povezave kompleksa HOPS z lizosomsko membrano [102]. Motnje v delovanju Arl8b povzročijo nenormalno kopičenje holesterola v membranah lizosomov, kar vodi do oslabljenega prometa aksonskih lizosomov in vodi do avtofagnega stresa in kopičenja aksonskih avtofagosomov [103]. Poleg tega je povišana ekspresija Arl8b rešila transport lizosomov v aksone in avtofagični stres. Prekomerna ekspresija Arl8 je prav tako spodbudila dvosmerno gibljivost lizosomov na mikrotubulih z vezavo na kinezin-1 povezovalec SKIP za povezavo kine sin in gibljivost moči [104]. SKIP je za vezavo zahteval Arl8 v njegovem aktivnem GTP-vezanem stanju. Vendar pa je prekomerna ekspresija Arl8b povzročila tudi izrazito alkalinizacijo lizosomov in premikanje proti celični periferiji v primerjavi z bolj enakomerno porazdelitvijo lizosomov po citoplazmi [105]. Proteomska študija v človeškem tkivu je poročala o obogatitvi Arl8b v amiloidnih plakih [106]. Ti podatki kažejo, da spremembe v izražanju ali delovanju Arl8 vplivajo na fuzijo lizosoma z avtofagijo ali poznim endosomom, kar bi lahko imelo posledice pri kopičenju avtofagosomov, opaženih pri AD. Ker je tvorba sekretornih veziklov, dostavljenih na plazemsko membrano, od GTP odvisen proces, ki zahteva Arf in Rab GTPases, lahko napake v ravneh GTP ogrozijo pravilno vezikularno trgovino.

Biogenezo lizosoma regulirata mTORC1 in transkripcijski faktor EB (TFEB), ki ustvarjata reverzibilni signalni kompleks na površini lizosoma. mTORC1 fosforilira TFEB na Ser211, s čimer omogoči transport TFEB v jedro za uravnavanje izražanja v-ATPaze in drugih genov, vključenih v biogenezo lizosomov in tvorbo avtofagosomov [107, 108]. Dodajanje A celicam mikroglije zniža TFEB v jedru in poslabša procesiranje A [109]. To regulacijo mTORC1 nato podpirajo majhne GTPaze, vključno z Rheb in Rag, komponentami, ki zaznavajo aminokisline in so vključene v regulator multiproteinskega signalnega kompleksa, ki deluje kot aktivator mTORC1 [110]. Ker lizosomsko zakisanje zahteva ATP za delovanje V-ATPaze in GTP za regulacijo TORC1, ki jo posreduje GTPaza, domnevamo, da izčrpanost energije zaradi staranja ali AD podobnih patoloških stanj neposredno poslabša lizosomsko funkcijo. Poleg tega glede na to, da lizosomsko zakisljevanje vključuje regulativno interakcijo med v-ATPazo in TORC1 prek TFEB, posredovano z vnosom hranil, bi lahko cikli posta in uživanja hranil koristili lizosomski funkciji pri AD [111], medtem ko lahko pogosto uživanje sladkorja poslabša delovanje. Oslabljeni lizosomi lahko povzročijo kopičenje avtofagosomov, polnih poškodovanih mitohondrijev in obogatenih z A-agregati, ki jih ni mogoče razgraditi. Ker avtofagija izvaja zamenjavo poškodovanih ali postaranih organelov, na njeno vzdrževanje vplivajo presnovne spremembe zaradi starosti. S starostjo povezani presnovni premiki in oslabljeni lizosomi lahko povzročijo kopičenje presnovnih premikov, kot je izčrpavanje energije in/ali oksidativni redoks premiki. Tako bi lahko bile ravni GTP nižje pri sedečem življenjskem slogu z nizko aktivnostjo, kar bi vodilo do neučinkovitih poti od GTP odvisnih razgradnja beljakovin s starostjo. Ta opažanja močno kažejo na povezavo med spremembami v procesu zorenja avtofagosoma in presnovnimi pomanjkljivostmi, ki se pojavijo z napredovanjem bolezni in staranjem. Poleg tega je aberantno kopičenje A lahko posledica pomanjkljivosti v GTP navzgor, ki poslabšajo avtofagično procesiranje A in tau, verjetno prej kot agregatno izločanje amiloida, vnetje in kopičenje plakov.

Slika 8 Dinamična nestabilnost mikrotubulov, povezanih z GTP. Molekule GTP se vežejo na E-mesto in N-mesto na / heterodimernih tubulini. GTP na E-mestu se hidrolizira, da postane GDP- -tubulin in se zamenja za nov, na GTP vezan heterodimer / za sestavljanje podenot. Heterodimeri so dodani v rastočo mrežo mikrotubulov za polimerizacijo, ki tvori novo plast GTP-heterodimerov, znanih kot GTP-cap. Do depolimerizacije pride, ko heterodimeri zapustijo skrčeno mrežo mikrotubulov. Hiperfosforilacija proteina, povezanega z mikrotubulami, tau spodbuja tvorbo nevrofibrilarnega zapleta (NFT) in destabilizacijo mikrotubulov. Prehod iz rastočega stanja v stanje katastrofalnega krčenja. B Nastajanje endolizosomov zahteva, da se lizosomi premikajo po tirih mikrotubulov v pozitivni smeri, medtem ko se pozni endosomi premikajo v negativni smeri. Lizosomski multiproteinski kompleks BORC (ni prikazan) aktivira majhno GTPazo Arl8, da vključi kinezin usmerjen transport plus-end. Za transport na minus koncu stanje, vezano na Rab7- GTP, rekrutira lizosomski protein, ki deluje z Rabom (RILP), in protein 1, povezan s citosolnim oksisterolom, ki veže protein 1 (ORP1L), ki tvori kompleks dinein-dinaktin. Tvorba NFT moti vezikularni promet vzdolž mikrotubulov.

Vprašaj za več:

E-pošta:wallence.suen@wecistanche.com

Whatsapp/Tel: plus 86 15292862950

NAKUPUJTE

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