Malé GTPázy z rodin Rab a Arf: Klíčové regulátory intracelulárního obchodování v neurodegeneraciⅠ

Abstraktní:

Malé guanosintrifosfatázy (GTPázy) rodin Rab a Arf jsou klíčovými regulátory tvorby vezikul a transportu membrán. Membránový transport hraje důležitou roli v centrálním nervovém systému. V tomto ohledu vyžadují neurony konstantní tok membrán pro správnou distribuci receptorů, pro přesné složení proteinů a organel v dendritech a axonech, pro kontinuální exocytózu/endocytózu synaptických váčků a eliminaci dysfunkčních proteinů. Není tedy překvapivé, že Rab a Arf GTPázy byly spojovány s neurodegenerativními onemocněními, jako je Alzheimerova a Parkinsonova choroba.

Klikněte pro produkt cistanche tubulosa pro zlepšení paměti

Obě patologie sdílejí charakteristiky, jako je přítomnost proteinových agregátů a/nebo fragmentace Golgiho aparátu, charakteristické znaky, které souvisejí s funkcemi Rab a Arf GTPáz. Přes jejich vztah k neurodegenerativním poruchám se jen velmi málo studií zaměřilo na roli těchto GTPáz v patogenezi neurodegenerace. V tomto přehledu shrnujeme jejich význam pro vznik a progresi Alzheimerovy a Parkinsonovy choroby a také jejich vznik jako potenciálních terapeutických cílů pro neurodegeneraci.

Klíčová slova: Rab GTPase; Arf GTPase; malá GTPáza; Alzheimer; Parkinson; neurodegenerace; membránové obchodování; váček; doprava

1. Úvod

Eukaryotické buňky neustále přijímají informace z extracelulárního média vazbou růstových faktorů, hormonů, peptidů a iontů na specifické receptory. Tato vazba spouští přenos zprávy prostřednictvím signálních kaskád v cytoplazmě k vyvolání přesné biologické odpovědi [1]. Jedním z ústředních prvků odpovědných za šíření této zprávy jsou malé guanosintrifosfatázy (GTPázy) nadrodiny Ras. Tyto malé GTPázy se účastní signálních kaskád, které řídí širokou škálu buněčných odpovědí, jako je proliferace, diferenciace a apoptóza [2,3]. Malé GTPázy jsou molekulární spínače, které lze nalézt ve dvou stavech: v neaktivním stavu, ve kterém je malá GTPáza vázána na GDP, a v aktivním stavu, ve kterém je vázána na GTP. Proces, kterým se GTPáza mění z neaktivního do aktivního stavu, je známý jako cyklus aktivace GTPázy. Cyklus aktivace/deaktivace řídí tři hlavní molekuly.

Faktory výměny guaninu (GEF) mají na starosti aktivaci GTPázy tím, že podporují uvolňování GDP a vazbu GTP. Proteiny aktivující GTPázu (GAP) jsou naopak zodpovědné za inaktivaci GTPázy tím, že indukují vlastní aktivitu GTPázy, která vede k hydrolýze GTP. A konečně, inhibitory disociace guaninnukleotidu (GDI) zabraňují disociaci GDP z GTPázy, čímž udržují GTPázu v neaktivním stavu [4,5]. Kromě toho mohou být malé GTPázy také regulovány posttranslačními modifikacemi, které umožňují jejich vazbu buď na specifické proteiny nebo membrány. Mohou být tedy farnesylovány, geranylgeranylovány nebo palmitoylovány ve své C-terminální oblasti a myristoylovány ve své N-terminální oblasti [5,6]. Nadrodina malých GTPáz Ras je rozdělena do pěti rodin: Ras, Rho, Rab, Arf a Ran [2,3]. Rodina Ras se specializuje na řízení buněčného růstu a metabolismu. Navíc GTPázy rodiny Ras spolupracují s rodinou Rho na regulaci buněčného cyklu, genové exprese a buněčné transformace. Kromě těchto funkcí je rodina Rho GTPáz odpovědná za organizaci aktinového cytoskeletu, zatímco rodiny Rab a Arf řídí intracelulární pohyb vezikul a membrán a tvorbu a intracelulární transport vezikul. A konečně, GTPázy z rodiny Ran mají na starosti nukleocytoplazmatický transport [2,3,5,7].

Většina intracelulárních kompartmentů, jako je jádro, mitochondrie nebo Golgiho aparát (GA), je oddělena membránami. Eukaryotické buňky tedy vyžadují specifické mechanismy pro přenos mezi těmito organelami. Kromě toho je u mnohobuněčných organismů nutný koordinovaný transport membrán mezi různými typy buněk [8]. Rab GTPázy, největší rodina nadrodiny Ras, jsou klíčovými regulátory třídění vezikul a membránového obchodování. Mohou řídit tento provoz interakcí s efektorovými molekulami, jako jsou obalové proteiny (COPI, COPII a klatrin), motorické proteiny (kinesiny a dyneiny), vazné komplexy (časný endozomový antigen 1 (EEA1), Golginy, exocysty a homotypické fúze a komplex třídění proteinů (HOPS) a SNARE [8]. Naopak Arf GTPázy se podílejí na tvorbě vezikul, zejména v GA [9], ale jsou také přítomny v plazmatické membráně, endozomech a kapéčkách lipidů [9]. K regulaci tvorby vezikul, jako je Rab, Arf GTPázy interagují s efektorovými molekulami, jako jsou obalové proteiny a jejich adaptéry (COPI, Golgi-lokalizované - ucho obsahující proteiny vázající Arf (GGA) a Munc18-interagující proteiny ( MÁTA)). Proto rodiny GTPáz Rab a Arf regulují endomembránový systém (obrázek 1).

V neuronech hraje důležitou roli obchodování s membránami. Neurony mají specifickou morfologii, která vyžaduje neustálý přenos membrány mezi axony a dendrity k udržení synaptické funkce [8]. To umožňuje synaptický přenos, správnou distribuci membránových receptorů a přesné složení organel a proteinů v dendritech a axonech [8]. Synaptická funkce vyžaduje nepřetržitý tok membrán, protože synaptické váčky jsou neustále vystaveny exocytóze a endocytóze. Kromě toho musí být proteiny transportovány mezi axonem, dendrity a buněčným tělem, aby přenesly signální zprávu nebo aby byly degradovány. Kromě toho retrográdní transport pozdních endozomů a autofagozomů umožňuje odstranění dysfunkčních proteinů, což je důležité pro správnou funkci neuronů a přežití. Membránový transport je tedy zapojen do všech aspektů neuronální funkce a jeho dysfunkce je spojována s neurodegenerací [8].

Neurodegenerace spočívá v progresivní ztrátě specifických podskupin neuronů [10]. Mezi hlavní neurodegenerativní onemocnění patří Alzheimerova choroba (AD) a Parkinsonova choroba (PD). AD je nejčastější formou demence [11]. Je charakterizována progresivní ztrátou neuronů, která má za následek ztrátu paměti a kognitivních funkcí. Hlavními znaky onemocnění jsou extracelulární amyloidní (A) plaky a intracelulární akumulace neurofibrilárních klubek (NFT), vytvořených agregací pTau. Přestože se jedná o klasické rysy, molekulární patologie AD není zcela pochopena. Na jedné straně k amyloidogennímu zpracování amyloidního prekurzorového proteinu (APP), které vede ke tvorbě A peptidů, dochází v intracelulárních kompartmentech, které vyžadují endocytární transport. Za fyziologických podmínek je APP zpracováván -sekretázou (BACE1) v Rab5-pozitivních časných endozomech, což vede ke vzniku -cleavage C-terminálních fragmentů (-CTF). Takové fragmenty jsou pak zpracovány v pozdních endozomech nebo trans-Golgiho síti (TGN) za vzniku A peptidů [12]. To zdůrazňuje význam těchto GTPáz a membránového obchodování v patologii AD. Kromě toho jsou různé geny související s endocytárním transportem spojovány s rizikem rozvoje AD [12].

Například u AD byla popsána nízká exprese fosfatidylinositol vázajícího klatrinového assembleru (PICALM), který hraje důležitou roli v internalizaci, transportu a clearance A peptidů [12,13]. Pokud jde o PD, jde o druhé nejčastější neurodegenerativní onemocnění. Je charakterizována akumulací Lewyho tělísek, tvořených agregací -synukleinu ( -syn) a selektivní degenerací dopaminergních neuronů substantia nigra pars compacta [14]. To má za následek poruchy pohybů, včetně klidového třesu a svalové ztuhlosti. Mutace v -syn, v PTEN-indukované domnělé kináze 1 (PINK1) a v leucin bohaté repetitivní kináze 2 (LRRK2) byly spojeny s rizikem rozvoje PD [14]. Kromě těchto mutací souvisí s rozvojem tohoto onemocnění mutace v Rab39B GTPase [15]. Rab39B řídí přenos podjednotky GluA2 AMPA receptoru a je exprimován výhradně v neuronech [15]. Kromě toho byly různé GTPázy spojovány s defekty v membránovém transportu, které se objevují v důsledku akumulace -syn [15]. Stejným způsobem jako u AD tedy tyto GTPázy a membránový transport souvisí s patologií PD. Souhrnně lze konstatovat, že v nervovém systému hraje důležitou roli membránový transport závislý na malé GTPáze a dysregulace takových procesů byly korelovány s neurodegenerativními onemocněními, jako je AD a PD (tabulka 1). V důsledku toho se podobným způsobem jako u rodin Ras a Rho [5] objevila rodina GTPáz Rab a Arf jako terapeutické cíle pro tyto patologie.

proč má cistanche neuroprotektivní účinek?

Cistanche je tradiční čínská léčivá rostlina, která se po staletí používá k léčbě různých zdravotních stavů. Nedávný výzkum ukázal, že cistanche má neuroprotektivní účinky, což znamená, že může pomoci chránit mozek a nervový systém před poškozením. Cistanche obsahuje několik účinných látek, včetně echinakosidu, fenylethanoidních glykosidů a akteosidu, o kterých se předpokládá, že jsou zodpovědné za jejich neuroprotektivní účinky. Tyto sloučeniny pomáhají snižovat oxidační stres a záněty v mozku, což jsou dva hlavní faktory, které přispívají k neurodegenerativním onemocněním, jako je Alzheimerova a Parkinsonova choroba. Kromě toho bylo prokázáno, že cistanche zvyšuje aktivitu nervových růstových faktorů, což jsou proteiny, které pomáhají regulovat růst a přežití neuronů v mozku. To může pomoci zabránit smrti neuronů a podpořit růst nových, což může zlepšit kognitivní funkce a snížit riziko neurologických poruch. Celkově se předpokládá, že neuroprotektivní účinky cistanche jsou způsobeny jeho schopností snižovat oxidační stres a záněty a podporovat aktivitu nervového růstového faktoru v mozku.

Reference

1Berridge, MJ Vápník signalizující remodelaci a onemocnění. Biochem. Soc. Trans. 2012, 40, 297–309. [CrossRef] [PubMed]

2. Struma, L.; Trapani, E.; Trabalzini, L.; Retta, SF Superrodina malých GTPáz Ras: Odemčená tajemství. Metody Mol. Biol. 2014, 1120, 1–18.

3. Píseň, S.; Cong, W.; Zhou, S.; Shi, Y.; Dai, W.; Zhang, H.; Wang, X.; On, B.; Zhang, Q. Malé GTPázy: Struktura, biologická funkce a její interakce s nanočásticemi. Asian J. Pharm. Sci. 2019, 14, 30–39. [CrossRef] [PubMed]

4. Toma-Fukai, S.; Shimizu, T. Strukturální pohledy na mechanismus regulace malých GTPáz pomocí GEF. Molekuly 2019, 24, 3308. [CrossRef] [PubMed]

5. Arrazola Sastre, A.; Luque Montoro, M.; Gálvez-Martín, P.; Lacerda, HM; Lucia, AM; Llavero, F.; Zugaza, JL Malé GTPázy z rodin Ras a Rho Zapnutí/vypnutí signálních drah u neurodegenerativních onemocnění. Int. J. Mol. Sci. 2020, 21, 6312. [CrossRef]

6. Peurois, F.; Peyroche, G.; Cherfils, J. Malá periferní vazba GTPázy na membrány: Molekulární determinanty a supramolekulární organizace. Biochem. Soc. Trans. 2018, 47, 13–22. [CrossRef]

7. Llavero, F.; Arrazola Sastre, A.; Luque Montoro, M.; Martín, MA; Arenas, J.; Lucia, A.; Zugaza, JL Malé GTPázy nadrodiny Ras a regulace glykogen fosforylázy v T buňkách. Malé GTPase 2021, 12, 106–113. [CrossRef] [PubMed]

8. Kiral, FR; Kohrs, FE; Jin, EJ; Hiesinger, PR Rab GTPázy a obchodování s membránami v neurodegeneraci. Curr. Biol. 2018, 28, R471–R486. [CrossRef]

9. Sztul, E.; Chen, P.-W.; Casanova, JE; Cherfils, J.; Dacks, JB; Lambright, DG; Lee, F.-JS; Randazzo, PA; Santy, LC; Schürmann, A.; a kol. ARF GTPase a jejich GEF a GAP: Koncepty a výzvy. Mol. Biol. Buňka 2019, 30, 1249–1271. [CrossRef]

10. Gan, L.; Cookson, MR; Petrucelli, L.; La Spada, AR Konvergující cesty v neurodegeneraci, od genetiky k mechanismům. Nat. Neurosci. 2018, 21, 1300–1309. [CrossRef]

11. Soria Lopez, JA; González, HM; Léger, GC Alzheimerova choroba. Handb. Clin. Neurol. 2019, 167, 231–255.

12. Xu, W.; Fang, F.; Ding, J.; Wu, C. Dysregulation of Rab5-zprostředkované endocytární dráhy u Alzheimerovy choroby. Doprava 2018, 19, 253–262. [CrossRef]

13. Parikh, I.; Fardo, DW; Estus, S. Genetika exprese PICALM a Alzheimerova choroba. PLoS ONE 2014, 9, e91242.

14. Yang, L.; Mao, K.; Yu, H.; Chen, J. Neurozánětlivé reakce a Parkinsonova nemoc: Patogenní mechanismy a terapeutické cíle. J. Neuroimmune Pharmacol. 2020, 15, 830–837. [CrossRef]

15. Guadagno, NA; Progida, C. Rab GTPases: Switching to Human Diseases. Buňky 2019, 8, 909. [CrossRef] [PubMed]

16. Mohamed, N.-V.; Desjardins, A.; Leclerc, N. Sekrece Tau koreluje se zvýšením Golgiho dynamiky. PLoS ONE 2017, 12, e0178288. [CrossRef]

17. Coune, PG; Bensadoun, JC; Aebischer, P.; Schneider, BL Rab1A Nadměrná exprese zabraňuje fragmentaci Golgiho aparátu a částečně koriguje motorické deficity u krysího modelu Parkinsonovy choroby na bázi alfa-synukleinu. J. Parkinsons Dis. 2011, 1, 373–387. [CrossRef]

18. Tomáš, M.; Martínez-Alonso, E.; Martínez-Martínez, N.; Cara-Esteban, M.; Martínez-Menárguez, JA Fragmentace Golgiho komplexu dopaminergních neuronů v lidské substantia nigra: Nové cytopatologické nálezy u Parkinsonovy choroby. Histol. Histopathol. 2020, 36, 47–60.

Pokračování příště...

Alazne Arrazola Sastre 1,2, Miriam Luque Montoro 1 , Hadriano M. Lacerda 3 , Francisco Llavero 1,4,* a José L. Zugaza 1,2,5,*

1 Achucarro Basque Center for Neuroscience, Science Park UPV/EHU, 48940 Leioa, Španělsko; alazne.arrazola@ehu.eus (AAS); miriamluquem@gmail.com (MLM)

2 Katedra genetiky, fyzické antropologie a fyziologie zvířat, Baskická univerzita UPV/EHU, 48940 Leioa, Španělsko

3 Three R Labs, Science Park of the UPV/EHU, 48940 Leioa, Spain; hadrilac@gmail.com 

4 Hospital 12 de Octubre Research Institute (i plus 12), 28041 Madrid, Španělsko

5 IKERBASQUE, Basque Foundation for Science, 48013 Bilbao, Španělsko * Korespondence: fcollavero.imas12@h12o.es (FL); joseluis.zugaza@ehu.es (JLZ)