GTP energetická závislost endocytózy a autofagie u stárnoucího mozku a Alzheimerovy choroby Ⅲ

GTP-závislost tubulinového sestavení, transportu vezikul a syntézy proteinů

Mikrotubuly jsou klíčovými hráči v axonálním růstu a poskytují strukturální podporu axodendritickému vezikulárnímu přenosu. Konce mikrotubulů procházejí opakovaným procesem polymerace/depolymerizace, který se nazývá dynamická nestabilita. Polymerizace mikrotubulů vyžaduje přidání GTP-vázaných / heterodimerů na jejich konce (obr. 8A). Tubulinové heterodimery se vážou na dvě molekuly GTP na dvou samostatných místech. N-místo se nachází na intradimerním rozhraní, mezi - a -tubulinem, na kterém GTP není hydrolyzován a vyměňuje se pomalou rychlostí. E-místo je na intradimerním rozhraní tvořeném -podjednotkou jednoho heterodimeru a -podjednotkou sousedního heterodimeru. GTP v E-místě je hydrolyzován na GDP a vyměněn za nový GTP nukleotid. Vzhledem k tomu, mikrotubuly vykazujívysoká míra dynamické rovnováhymezipolymerační stavy, cytoplazmatické hladiny GTPmusí být dostatečně vysoká, aby pokryla požadavek dynamické nestability v mikrotrubičkách (obr. 8A).

Klikněte sem a zjistěte, jak CistancheZlepšit kognitivní funkce

Mikrotubuly tvoří cytoskeletální dráhy, na kterých lysozomy cestují ke svým cílovým endozomům a fagozomům (obr. 8B). Kinesinový motor pohání transport lysozomů směrem ke kladnému konci axonálních mikrotubulů s ATP, ale připojení kinesinového motoru k lysozomu vyžaduje Arl8 GTPázu s navázaným GTP [101]. Naopak transport pozdních endozomů na mikrotubulech směrem k lysozomům vyžaduje Rab7 GTPázu a vázaný GTP k připojení dyneinového motoru

U AD protein tau asociovaný s mikrotubuly polymeruje s hyperfosforylací do nerozpustných filament axodendritických neurofibrilárních klubek (NFT) [112, 113]. Jakmile je tau hyperfosforylován, ztrácí afinitu k mikrotubulům. Rozsáhlé studie se přiblížily změnám v dynamice mikrotubulů, ale nepodařilo se jim identifikovat jasnou příčinu selhání funkce tau. Regulace tau zahrnuje GTPázy. V mozcích AD klesají hladiny proteinu Rac1 GTPázy o 50 procent [114]. In vitro aktivace Rac1 GTPázy způsobila hyperfosforylaci tau181, zvýšila produkci Abeta42 a snížila stabilitu aktinu v páteřích [114]. Tato skupina také zaznamenala dvoufázový vzestup Rac1 GTPázy u mladého hippocampu 3xTg-AD, následovaný pozdějším poklesem, jako v pozdním stádiu lidských AD mozků. V jiné studii na myších s tauopatií byla zvýšená aktivita farnesyltransferázy pro translokaci Rhes GTPázy do autofagických vezikul spojena s hyperfosforylací nízkého tau, zatímco inhibice Rhes podporovala hyperfosforylaci tau [115]. Autofagie závislá na GTPáze tedy účinně odstraňuje pTau [116] a narušená autofagie z nízkých hladin GTP nebo oxidativního redoxního stavu by narušila clearance pTau.

GTP je také nezbytné proproteosyntéza,syntézní straně proteostázy, která vyžadujehydrolýza dvou molekul GTPpro každou aminokyselinu začleněnou do polypeptidu. Zatímco ATP se používá pro nabíjení aminoacyl-tRNA, pro RNA helikázu a recyklaci GDP na GTP, GTP samotný je nezbytný pro aktivitu elongačních faktorů při iniciaci (IF-2), elongaci (EF-Tu, EF-G ) a faktor uvolňování ribozomů pro terminaci (RF1) [117]. Tato skupina použila bezbuněčný rekonstituovaný systém k měření celkových Km pro ATP 27 uM a 14 uM pro GTP. Tyto vysoké afinity naznačují upřednostňování syntézy proteinů během energetického omezení pro udržení vysoké kapacity, možná na úkor endocytózy a autofagie, které mají pravděpodobně vyšší Km. V důsledku toho je potřeba velké množství GTP při synaptické plasticitě, kde jsou metabolické nároky nejvyšší pro udržení iontové homeostázy pro synaptickou funkci a obrat proteinů. Proteinová syntéza je klíčová pro presynaptické uvolňování neurotransmiterů a také pro konsolidaci postsynaptické plasticity [118]. Nicméně syntéza proteinů byla snížena spolu s hladinami ribozomální RNA a tRNA, zatímco oxidace RNA se zvýšila v časné fázi AD [119]. Změněná syntéza proteinů vede ke stálé akumulaci oxidovaných proteinů, což vede k chybnému skládání a agregaci. Agregace proteinů zase zhoršuje aktivitu buněčných proteolytických systémů, což vede k další akumulaci oxidovaných proteinů [120]. Začarovaný kruh tedy vede k nadměrné ubikvitinaci proteinů a dysproteostáze. Několik dalších genů, které kódují ribozomální proteiny, je abnormálně regulováno, což vede ke změněným hladinám proteinů elongačních faktorů eIF2, eIF3η a eIF5 u AD [121]. Zvýšené hladiny eIF2 a snížené hladiny eIF3η a eIF5 byly pozorovány v hipokampální oblasti CA1 mozku AD. Perzistentní fosforylace eIF2 na Ser51 prostřednictvím prodloužené nadměrné aktivace regulačních kináz inhibuje dodávání iniciátoru methionyl-tRNA, což brání iniciaci obecné translace podskupiny mRNA. Proteostáza by tedy mohla být narušena při výrazně limitujících koncentracích GTP.

Poškozený systém GSH‑Trx jako spouštěč selhání autofagie při stárnutí a AD

Věk je hlavním rizikovým faktorem AD a je spojen s nerovnováhou mezi poklesem ochrany redoxního pufru a oxidačním posunem, který zvyšuje produkci ROS. Nicméně návrh, že poškození ROS je kauzálním faktorem v patogenezi AD, nebyl potvrzen antioxidační terapií a zdá se, že oxidativní redoxní posun je před poškozením ROS [122]. Bylo navrženo, že epigenetický oxidovaný redoxní posun (EORS) předchází oxidačnímu poškození zprostředkovanému ROS, aby se zohlednily trvalé metabolické změny při stárnutí a AD [123]. To se projevuje snížením redukčních intracelulárních redoxních poměrů z kritických systémů, které udržují redoxní homeostázu: cystein/cystin, GSH/GSSH a NAD(P)H/NAD(P) [3]. V celém věkovém rozpětí mozků netransgenních myší oxidativní glutathionový redoxní stav předchází metabolickému posunu Akt a nahromadění agregovaných proteinů ve stáří, které jsou značně urychleny v myším modelu 3xTg-AD před intracelulární akumulací A nebo extracelulárních plaků v hipokampu. [124]. Mutace enzymů souvisejících s metabolismem GSH jsou také spojeny s regulací autofagie, jako je gen glutathionreduktázy (grs-1) v modelu C. elegans, který ruší jadernou translokaci transkripčního faktoru HLH-30 ( ortolog savčí TFEB) a spouštění redukce transkripce genů souvisejících s clearance proteinových agregátů autofagií [125]. Koncentrace subcelulárního volného NADH klesá s věkem v mitochondriích, jádrech a cytoplazmě u živých neuronů divokého typu a neuronů podobných AD [2]. Mohl by tento redoxní posun stimulovat logaritmický nárůst intracelulárních A-agregátů s věkem [27]?

Ačkoli se zdá evidentní, že určitá kombinace zvýšení rychlosti tvorby intracelulárního A nebo jejich rychlosti autofagické clearance klesá s věkem (hlavní rizikový faktor), mechanismy, které spouštějí tyto změny, zůstávají nejasné. Navrhujeme, že redoxní stav buněk a možná systémový redoxní posun jsou zásadními hnacími silami stárnutí [123]. GSH a thioredoxin (Trx) jsou nejdůležitějším thiolredoxním systémem v buňkách proti oxidativnímu stresu. Jejich distribuce v buňce je však velmi odlišná. Fyziologická koncentrace GSH je v rozmezí mM,~1000-krát vyšší než Trx (v rozmezí μM). Navzdory tomu systém Trx reguluje širší spektrum proteinů než systém GSH [126]. Proteomická analýza identifikovala zapojení Trx do regulace drah spojených především s glykolýzou/glukoneogenezí a cytoskeletální remodelací, zatímco dráhy ovlivněné jak Trx, tak GSH souvisejí s inzulínovou regulací translace, metabolismu lipidů a buněčné adheze [126]. Ve stejné studii byl Trx také spojen s regulací dalších proteinů zapojených do manipulace s GTP a autofagií, jako je (i) IQ motiv obsažený v proteinu aktivujícím GTPázu 1 (GAP), lešení proteinu, který integruje Rho GTPázu a Ca2 plus. /kalmodulinové signály při udržování integrity cytoskeletu; (ii) GDP disociation inhibitor-1 (GDI-1), protein, který udržuje Rab proteiny v GDP-vázané konformaci; (iii) enzym aktivující ubikvitin E1 (UBA1), protein nutný pro autofagii nezávislou na Atg7- a Atg{13}} [127]; a (iv) kofilin-1, faktor depolymerizující aktin, jehož funkce je zásadní pro udržení synaptických trnů a podněcování mitochondriálního štěpení a mitofágie [128]. Zajímavé je, že hladiny kofilinu-1 jsou zvýšené u myší s modelem AD a lidské AD, což ukazuje na jeho nevyváženou regulaci [129]. Tato data naznačují, že Trx by mohl mít možnou roli při udržování a manipulaci s GTP a autofagií.

N-konec GTPáz Rab5 a Rab7 obsahuje jednoduché nebo dvojité cysteiny, které by měly podléhat oxidaci-redukci na cystin nebo farnesylaci, aby se ukotvily v membránách nebo nitrosylaci, možná jako tyto Rabovy agregáty. Jiné redox-senzitivní proteiny v endocytóze, jako je TXNL1 [130], by mohly urychlovat nebo bránit přechodům mezi kroky v dráze.

Nízký redoxní potenciál v disulfidové vazbě v Atg4 je účinně redukován a aktivován Trx, což naznačuje roli redoxního regulátoru autofagie zprostředkované Atg4 [131]. Na regulaci autofagie se podílejí další složky thioredoxinového systému. Delece thioredoxin reduktázy-2 (TrxR2, mitochondriální izoforma) způsobila mitochondriální degeneraci doprovázenou nadměrnou expresí LC3, p62, LAMP1 a akumulací autofagických tělísek v kardiomyocytech [132]. Ale nedostatek TrxR1 zvýšil oxidační stres, přerušil časnou autofagii a snížil degradaci proteinů v lysozomech [133]. Tato data naznačují, že několik klíčových proteinů autofagického aparátu, jako je Atg v kvasinkách, může být regulováno v reakci na změny intracelulárních redoxních podmínek, navíc k potenciální regulaci hladinami GTP.

Posílení energie k záchraně AD patologie

Zatímco stimulace celkového autofagického toku je prospěšná pro zdatnost buněk a tkání, bez dostatečné energie k provedení autofagie bude systém inhibován. Stále více důkazů ukazuje, že pokles dostupnosti NAD plus /NADH s věkem [2, 134] hraje kritickou roli u věkem podmíněné neurovaskulární a cerebro mikrovaskulární dysfunkce [135, 136]. Omlazení buněčné oxidační a redukční energie tedy může být přínosem pro zvýšené požadavky autofagie související s věkem. Obnova buněčných hladin NAD plus a NADH pomocí doplňku nikotinamid mononukleotidu (NMN) u starých myší zachránila neurovaskulární funkce, zvýšilo průtok krve mozkem a zlepšilo výkon při kognitivních úlohách [135, 136]. Nikotinamid ribosid (NR), prekurzor NMN, zlepšuje funkci mitochondriálních a dospělých kmenových buněk u starých myší a také prodlužuje celkovou délku života [137]. Tyto prekurzory NAD mohou také změnit autofagii. NR může zabránit zablokování autofagického toku a snížit oxidační stres u kardiomyocytů ošetřených doxorubicinem, což vede ke zvýšené autolysozomální clearance prostřednictvím signální dráhy NAD plus/SIRT1 [138]. Léčba NR také zvýšila autofagickou funkci a obnovila mitochondriální zdraví u zvířecích modelů Parkinsonovy choroby, což naznačuje možnou léčbu u jiných neurodegenerativních onemocnění [139]. Protože produktem Sirtuins a PARP je nikotinamid, buňky potřebují záchrannou cestu NAD k recyklaci nikotinamidu zpět do NMN a nakonec NAD plus. Dvě laboratoře léčily 3xTg AD myši nikotinamidem a pozorovaly příznivé zlepšení paměti, opravy DNA, autofagii, akumulaci A , fosforylovaného tau a zlepšenou bioenergetiku [140, 141]. Podobně zlepšení kognitivní funkčnosti při četných behaviorálních testech u 3xTgAD myší léčených nikotinamid ribosidem naznačuje klíčovou roli pro buněčnou NAD plus depleci před neuronální degenerací u AD [142]. Proto jsme ošetřili dospělé 3xTg AD a netransgenní neurony nikotinamidem, abychom viděli, že bioenergetické zlepšení se rozšířilo na zlepšení hladin GTP, vázaného i volného (obr. 1). Celkově mohou zvýšené hladiny NAD plus ovlivnit četné následné funkce, jako jsou geny aktivované SIRT1 závislé na NAD, které omlazují mitochondrie a inhibují zánět a apoptózu.

Další třídou molekul prospívajících starým neuronům jsou aktivátory Nrf2 [143, 144]. Jedním z příkladů je ester epigallokatechinu a kyseliny gallové, (-)-Epigallocatechin-3-gallát (EGCG), bioaktivní polyfenol nalezený v extraktu ze zeleného čaje. EGCG významně zvýšilo expresi mRNA klíčových autofagických adaptorových proteinů NDP52 a p62 a zvýšilo clearance AD-relevantních fosforylovaných druhů tau v primárních neuronech [145] a také zlepšilo cerebrovaskulární tonus [146]. EGCG také aktivovalo autofagické dráhy indukcí Sirt1, což mělo ochranné účinky proti neurotoxicitě vyvolané lidským prionovým proteinem [69]. Podobné účinky byly pozorovány při použití dalších elektrofilů Nrf2 sulforafanu [147], fsetinu a urolitinu A z granátového jablka [148].

Závěr a budoucí studie

Překvapivé pole specifické makroautofagie řídící GTPázy (mitofágie), mikroautofagie, autofagie zprostředkované chaperony (CMA) aendocytóza, a vezikula amitochondriální obchodování. Protože všechny závisí na místních úrovních GTP, bude důležité určit jejich vazebné konstanty pro GTP. Zala a kol. [51] prokázali funkční význam pro mitochondriální štěpení GTPázy Drp1 a Fis1 s Km kolem 100 μM, zatímco Opa1 GTPáza s Km kolem 500 μM, by vyžadovala vyšší hladiny GTP k podpoře mitochondriální fúze. vINZERÁT,endocytárníaexocytárnízpracování synaptického adhezního proteinu beta-APP může být narušeno nižšími lokálními hladinami GTP a GTPáz, stejně jako lokálnímioxidační redoxní stavy. Jasnější v AD jeakumulace autofagických váčkůz buď zablokování v dlouhé dráze nebo selhání upregulace dostatečně robustní reakce na vnitřní poškození buněk spojené se selháním dostatečně okyselit lysozomy pro aktivaci degradace nákladu. Méně jasné je, kolik z těchto deficitů je způsobeno věkem podmíněnou degenerací, o které je známo, že je spojena s věkem souvisejícími oxidativními redox posuny. Změny v hladinách GTP nebo schopnosti upregulovat bioenergetické lišky související s věkem budou důležitým aspektem budoucího výzkumu, zvláště pokud budou NAD plus prekurzory schopny zvýšit kapacitu a podpořit autofagickou clearance. Metabolická adaptace na sedavý životní styl by mohla snížit mitochondriální funkci s menší energií pro zdravé řízení amyloidové a tau proteostázy, synaptické funkce a zánětu. U subjektů s deficitem,určité energetické prekurzorya redox modulátory mohou přidat kvýhody cvičenía azdravá dietanaprodloužit a podpořit maximální zdraví.

Poděkování

Obrázky byly vytvořeny na Biorender.com.

FinancováníTato práce byla částečně podpořena grantem Národního institutu zdraví RF1 AG058218 pro GJB. RAS získává podporu od Secretaría de Educación, Ciencia, Tecnología e Innovación (SECTEI) pro vypracování produktů odvozených z této postdoktorské práce.

Dostupnost dat Nezpracovaná obrazová data pro obrázek 1 jsou k dispozici na přiměřenou žádost příslušnému autorovi.

Prohlášení Konflikt zájmů Autoři neuvádějí žádné konkurenční zájmy.

Reference

1. Parihar MS, Kunz EA, Brewer GJ. Věkem související poklesy NAD(P)H a glutathionu způsobují redoxní poklesy před ztrátou ATP během glutamátové léčby hipokampálních neuronů. J Neurosci Res. 2008;86:2339–52.

2. Dong Y, Digman MA, Brewer GJ. Redoxní stav NADH v subcelulárních kompartmentech související s věkem a AD pomocí fluorescenční celoživotní zobrazovací mikroskopie. Geroscience. 2019;41:51–67.

3. Dong Y, Harlan BA, Brewer GJ. Když stárnutí zapne Alzheimerovu chorobu. Stárnutí. 2021;13:13376–7.

4. Dong Y, Sameni S, Digman MA, Brewer GJ. Reverzibilita oxidovaných volných NADH redoxních stavů souvisejících s věkem v neuronech Alzheimerovy choroby vnucenými externími redoxními posuny Cys/ CySS. Sci Rep. 2019;9:11274. 5. Bubber P, Haroutunian V, Fisch G, Blass JP, Gibson GE. Mitochondriální abnormality v mozku Alzheimerovy choroby: mechanické důsledky. Ann Neurol. 2005;57:695–703. 6. Traut TW. Fyziologické koncentrace purinů a pyrimidinů. 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. Regulace místní dostupnosti GTP řídí aktivitu RAC1 a buněčnou invazi. Nat Com mun. 2021;12:6091.

8. Schlattner U. Komplexní funkce rodiny NME – záležitost umístění a molekulární aktivity. Int J Mol Sci. 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. Interně poměrové fluorescenční senzory pro hodnocení intracelulárních hladin a distribuce GTP. Metody Nat. 2017;14:1003–9.

10. Bianchi-Smiraglia A, Nikiforov MA. Hodnocení intracelulárních hladin GTP pomocí geneticky kódovaných fluorescenčních senzorů. Metody Mol Biol. 2022;2394:163–9.

Požádat o víc:

E-mail:wallence.suen@wecistanche.com

Whatsapp% 2fTel% 3a plus % 7b % 7b0% 7d

PRODEJNA

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