Dependența energetică GTP a endocitozei și autofagiei în creierul îmbătrânit și boala Alzheimer Ⅱ

Căi comune de semnalizare a GTPazei în autofagie: macroautofagie (mitofagie), microautofagie și CMA

Superfamilia GTPase cuprinde o gamă largă de proteine ​​care acționează ca comutatoare moleculare prin legarea și hidroliza moleculelor GTP pentru legarea, andocarea și fuziunea veziculelor la membranele țintă [46]. Modificările în funcția GTPase sunt legate de modificări în traficul de mărfuri [47]. Comutarea între o stare „activă” (GTPază legată de GTP) și o stare „inactivă” (GTPază legată de GDP) necesită un factor de schimb de nucleotide de guanină (GEF) și proteină activatoare GTPază (GAP) [48] (Fig. 3) , numită cascada Rab GEF/GAP [22]. Pentru multe GTPaze, se crede că durata de viață a stării activate, legate de GTP, servește ca un regulator în determinarea timpului de activare a unui eveniment biologic, cum ar fi fuziunea membranei și transducția semnalului. Cu toate acestea, funcționarea adecvată a GTPazelor ar putea fi, de asemenea, limitată de o scădere a nivelurilor GTP intracelulare. Formarea autofagozomilor implică membrii familiei Rab Rab1, Rab5, Rab7, Rab9A, Rab11, Rab23, Rab32 și Rab33B. Rab9 este necesar în autofagia non-canonică. Rab7, Rab8B și Rab24 au un rol cheie în maturarea autofagozomului. Rab8A și Rab25 sunt implicate în aspecte necunoscute ale autofagiei [22]. Rab11 este necesar pentru exocitoză [49]. Eșecul autofagiei este asociat cu mai multe afecțiuni nesănătoase, cum ar fistresul metabolicşi agregarea proteinelor asociate cu tulburări neurodegenerative inclusivBoala Alzheimer. Rab8b are un rol cheie în orchestrarea autofagieimaturaredeși efectorul său în aval Tbk-1, fosforilează direct p62 la Ser-403, un reziduu crucial pentru funcția autofagică a p62 [50]. TBK-1 este, de asemenea, necesar pentru eliminarea autofagică indusă de citokineză a bacteriilor, în timp ce distrugerea Rab8 după inducerea autofagiei a determinat o scădere a fagozomilor [50].

Fig. 3 Comutare moleculară între stările GTPază. Starea activă a GTPazei mici (legată la GTP) este atinsă de factorul de schimb de nucleotide care catalizează schimbul de GDP cu GTP, rezultând activarea GTPază. GTPaza activă interacționează cu mai multe tipuri de efectori din aval pentru a le modula activitatea. Proteina activatoare a GTPază (GAP) inactivează proteinele legate de GTP prin creșterea activității lor pentru hidroliza GTP. Forma legată de PIB nu poate lega efectorii

Faceți clic aici pentru a obține Cistanche pe bază de plante pentru îmbunătățirea funcției cognitive

Deoarece PIB-ul este strâns legat de GTPazele Rab și ratele lor de hidroliză intrinsecă a GTP sunt scăzute, în ciuda afinității lor mari de 10-1-10-5 μM km [51], GEF-urile Rab catalizează disocierea PIB-ului. GAP-urile Rab facilitează hidroliza GTP. Ambii regulatori sunt necesari să coordoneze activitatea temporal-spațială a GTPazelor Rab [52]. Activitatea GTPazelor Rab, GEF-urilor și GAP-urilor este crucială pentru transportul și traficul de autofagozomi pentru macroautofagie. Macroautofagia are nevoie de un control strict, iar unele GAP-uri Rab par să funcționeze în căi suprapuse. De exemplu, proteinele care conțin domeniul TBC, TBC1D14 și TBC1D15, coordonează traficul endozomal și biogeneza autofagozomului. TBC1D5 este un GAP Rab7 care este recrutat în mitocondrii de proteina FIS1 pentru a gestiona hidroliza GTP Rab7, permițând și mitocondriilor să regleze contactul cu lizozomii [53]. Deoarece contactele mitocondrie-lizozomi marchează locurile evenimentelor de fisiune mitocondrială pozitivă Drp1-, modificările hidrolizei GTP Rab7 conduc atât la morfologie lizozomală anormală, cât și la o rată semnificativ redusă a motilității mitocondriale [53]. TBC1D2, care afectează GTPaza Rab7 și modulează fuziunea autofagozom-lizozom, s-a dovedit a fi activat de LRRK1 la inducerea macroautofagiei [54].

Familia de proteine ​​a GTPazelor Rab mici controlează rutele de transport al veziculelor și asigură traficul de vezicule către compartimentele țintă adecvate ale acestora. GTPazele Rab interacționează cu proteinele efector, cum ar fi complexele de sortare a încărcăturii, proteinele motorii și factorii de legare, care sunt necesari pentru înmugurirea veziculelor, transportul și fuziunea diferitelor organele intracelulare. În celulele de mamifere, există trei tipuri principale de autofagie: macroautofagie, microautofagie și autofagie mediată de însoțitori (CMA) (Fig. 4). Fiecare subtip constă din mecanisme diferite de livrare a substratului la lizozom; cu toate acestea, rezultatul este același pentru toate acestea culminând cu livrarea încărcăturii către lizozom pentru degradare și reciclare.

Macroautofagia mitocondriilor este cea mai studiată și este denumită în mod obișnuit mitofagie. Semnalizarea mitofagiei este controlată în principal de complexul proteic țintă al rapamicinei 1 (TORC1). În urma inducerii autofagiei, se formează o membrană de sechestrare numită fagofor (Fig. 4A). Fagoforul cuprinde proteine ​​pliate greșit și/sau organele disfuncționale până când este completat într-un autofagozom învelit. Autofagozomul fuzionează apoi cu lizozomul, transferând încărcătura citoplasmatică pentru hidroliză. Organelele din interiorul încărcăturii sunt apoi degradate în aminoacizi și acizi grași simpli și carbohidrați pentru eliberarea în citoplasmă prin permeazele membranei lizozomale/vacuolare și reutilizarea în biosinteză [55].

Fig. 4 Tipuri de căi de autofagie reglate de GTP A În macroautofagie (mitofagie), proteinele marcate cu ubiquitină (Ub) recrutează p62 pentru a interacționa cu LC3 pentru a forma autofagozomi. Rab2 participă la formarea fagoforilor, în timp ce Rab8b și Rab9a participă la maturarea autofagozomului. Arl8 este situat pe membrana lizozomală și facilitează traficul lizozomal. B În autofagia mediată de însoțitor (CMA), proteinele substrat se leagă de forma monomerică a LAMP-2A după recunoașterea de către un motiv KFERQ de către complexul de însoțitori citosol Hsc70. Este necesară desfășurarea întregului substrat pentru translocarea acestuia într-un complex multimeric cu LAMPĂ-2A. Există două grupuri de GFAP în membrana lizozomilor: 1, în condiții cu activitate CMA ridicată, GFAP interacționează cu LAMP-2A pentru a stabiliza complexul necesar pentru translocarea încărcăturii CMA într-o manieră dependentă de GTP; 2, GFAP interacționează cu EF1, în timp ce GTP induce eliberarea de EF1 din GFAP inhibând CMA și promovând dezasamblarea LAMPEI multimerice-2AC În macroautofagie, încărcăturile autofagice sunt înghițite de invaginările membranei lizozomale pentru a capta conținutul. În toate, reciclarea are loc după degradarea lizozomală

CMA (Fig. 4B) nu folosește structuri membranoase pentru a sechestra încărcătura, ci în schimb folosește însoțitori pentru a identifica proteinele de marfă și pentru a le transloca în membrana lizozomală, în timp ce microautofagia (Fig. 4C) utilizează invaginările sau proeminențele membranei lizozomale pentru a captura și elibera încărcătură autofagică către membrana lizozomală [56, 57].

Speciile reactive de oxigen (ROS) controlează parțial autofagia. Înfometarea stimulează producția de ROS (în principal H2O2) în mitocondrii, ceea ce pare a fi necesar pentru formarea autofagozomilor. În drojdie, autofagia poate fi reglată de ROS prin Atg4, prin oxidarea-reducerea unei legături disulfurice între reziduurile Cys338 și Cys 394, care este necesară pentru o biogeneză adecvată a autofagozomului [58]. Atg4, o protează redox, acționează ca o enzimă de conjugare C-terminală de scindare în Atg8 imatur (omologul mamifer LC3) pentru a expune reziduul de glicină conservat pentru legarea sa ulterioară la fosfatidiletanolamină (PE). În plus, Atg4 acționează și ca o enzimă de deconjugare care scindează amida legată între Atg8 și PE, care o eliberează din membrană pentru reciclare, ceea ce este crucial pentru sistemele de conjugare esențiale pentru autofagie.

Autofagie: reglarea GTP în îmbătrânire și AD

Eliminarea autofagică a componentelor celulare deteriorate sau a agregatelor proteice aberante devine din ce în ce mai importantă pentru a face față stresului oxidativ crescut asociat cu îmbătrânirea și AD [59]. Traficul bidirecțional în și din celule trebuie să fie foarte coordonat. Autofagia funcționează în asociere cu endocitoza și exocitoza, ambele contribuind la turnover-ul constituenților intracelulari deteriorați folosind fuziunea și digestia lizozomale. Autofagia implică marcarea organelelor celulare defecte și a agregatelor de proteine ​​pentru degradare, urmată de asamblarea unei structuri autofagice pentru a transporta încărcătura pentru fuziune cu lizozomi pentru a degrada proteinele și organelele deteriorate pentru reciclarea aminoacizilor și lipidelor sau eliminarea. Este un proces extrem de dinamic esențial pentru menținerea homeostaziei și a funcțiilor celulare. Dereglarea autofagiei a fost legată de îmbătrânire și boli neurodegenerative patologice, inclusivBoala Alzheimer. Deși este bine cunoscut faptul că nivelurile de ATP scad odată cu vârsta în condiții patologice [60], modificările legate de vârstă ale nivelurilor de GTP sunt slab elucidate.

Inducerea autofagiei depinde de echilibrul ADP/ATP. Scăderea producției de ATP stimulează protein kinaza activată de AMP (AMPK), iar stimularea AMPK inactivează mTOR. AMPK crește autofagia nu numai indirect prin inactivarea mTOR, ci și direct prin fosforilarea kinazei 1 (Ulk1) asemănătoare Unc-51-care este ținta moleculară a mTOR în mașinile autofagice [61].

Depleția GTP poate afecta autofagia în îmbătrânire și AD

Analiza post-mortem a pacienților cu AD indică o acumulare de autofagozomi și alte vacuole autofagice lizozomale în neuritele distrofice și terminalele sinaptice, care sunt semne distinctive neuropatologice ale AD [62]. Reglarea autofagozomilor în neuronii piramidali CA1 din hipocamp este legată de modificările exprimării genelor legate de autofagie (ATG3, ATG5, ATG12, ULK1 și PIK3C3/VPS34) și proteinele (LC3B-II și LC3B I) în stadiile incipiente ale AD [63]. ]. Aceste fapte sugerează că AD este asociată cu modificări ale traficului de autofagozomi.

Dereglarea autofagiei apare atât la pacienții cu AD, cât și la modelele animale. Acumularea de cantități mari de vacuole autofagice în dendritele neuronale are loc la șoarecii dublu transgenici PS1/APP și apare chiar înaintea plăcilor A [64]. În mod similar, veziculele autofagice imature din axoni au fost observate în neuronii hipocampali ai șoarecilor AD, cu mult înainte de pierderea sinaptică și neuronală (Cat aldo și colab., 2004 [44, 65, 66]. Agregatele Tau sunt, de asemenea, degradate). prin calea autofagiei [67, 68].Gena presenilinei de tip sălbatic 1 (PS1) acționează ca un ligand al subunității v-ATPazei V0a1 reglând distribuția subunităților v-ATPazei în lizozomi pentru acidificare.Intracelular A se leagă de v- ATPaza și inhibă acidificarea [69].Mutația în PS1 contribuie astfel la dereglarea sistemului de degradare autofagie-lizozom [70].Factorul de risc genetic major pentru AD sporadic, Apolipoproteina E4 (ApoE4), contribuie, de asemenea, la inducerea autofagiei prin scurgerea lizozomală [71] care duce la afectarea traficului endolizozomal, perturbarea homeostaziei sinaptice și clearance-ul amiloidului redus.În totalitate, acest lucru sugerează că calea defectuoasă de proteoliză autofagie-lizozom ar putea fi responsabilă pentru acumularea de proteine ​​patogene precum A și tau în AD. Un knockout condiționat al unei gene necesare pentru formarea autofagozomului, Atg7fox/fox, încrucișat cu șoareci transgenici APP23, a indicat că deficitul de autofagie afectat a promovat acumularea A în CA1 și neuronii piramidali corticali, precum și o reducere drastică a sarcinii și inhibarea plăcii A extracelulare. de A secretie [72]. Această observație sugerează că modificările în formarea autofagozomilor evită procesarea corectă a A care ar putea duce la o acumulare aberantă în somă [27]. S-a observat, de asemenea, o acumulare în fața cis- și trans a veziculelor Golgi din aparatul Golgi târziu, indicând că acest organel ar putea produce și modificări funcționale care afectează formarea corectă a fagoforului [73]. Sprijinind această presupunere, micul GTPase Rab2 conectează rețeaua Golgi la mașina căii autofagie [74]. Rab2 participă la formarea fagoforilor prin recrutarea și activarea în continuare a Ulk1. Rab2 interacționează cu Rubcnl și Stx17 (o proteină SNARE autofagozomală) pentru a specifica în continuare recrutarea complexului HOPS pentru a facilita maturarea autofagozomului și fuziunea cu lizozomi [74].

Un alt membru al superfamiliei Ras a GTPazelor mici implicate în formarea veziculelor este factorul de ribozilare ADP (Arf). Arf GTPase participă în principal la procesul de înmugurire în complexul Golgi, recrutarea proteinelor învelișului în timpul formării veziculelor pentru traficul membranei. Arf GTPase este implicată în controlul traficului de APP prin proteinele MINTs, componente cruciale pentru fuziunea veziculelor sinaptice. Proteinele MINT se leagă direct la GTPazele Arf și se co-localizează cu veziculele care conțin APP în regiunile rețelei Golgi/trans-Golgi (TGN), cu niveluri intracelulare de APP proporționale cu nivelurile MINT [75]. Knockdown Arf1 a scăzut secreția de peptide amiloide [76], sugerând impactul eșecurilor funcției Arf1 asupra traficului de APP, care ar putea converge în acumularea intracelulară (Fig. 5).

Dereglarea diferitelor proteine ​​Rab contribuie, de asemenea, la patologia AD. Dereglarea Rab1 induce fragmentarea aparatului Golgi, care declanșează hiperfosforilarea tau prin activarea cdk5 și ERK1/2 [77, 78]. Un defect în Rab6 poate influența secreția de APP în

Fig. 5 Autofagia necesită participarea mai multor GTPaze mici. În faza de inițiere, Rab2 recrutează și activează ULK1 în formarea fagoforului, în timp ce Rab9a și Rab8b participă la maturarea autofagozomului. Arf participă la înmugurire în complexul Golgi și la recrutarea proteinelor învelișului în timpul formării veziculelor. Rab1 participă la ruta de transport veziculară bidirecțională între reticulul endoplasmatic (ER) și aparatul Golgi. Sar1 GTPase este implicată în transportul mediat de COPII ca cale de ieșire a APP odată ce conformația sa finală a fost atinsă. Rab6 rezidă în TGN și participă la transportul retrograd de la Golgi la ER și a fost asociat cu reglarea transportului vezicular și procesării APP. Rab11 controlează reciclarea endozomului către membrana plasmatică. Întreruperea exportului vezicular care conține APP-BACE ar putea provoca o acumulare de exozomi. Arl8 reglează transportul și fuziunea lizozomală prin microtubuli de-a lungul mediului neuron, ceea ce duce la modificări ale ratei de secreție, care ar putea promova modificări în traficul anterograd de APP, ducând la acumularea intracelulară. Sprijinind acumularea intracelulară, o analiză de secvențiere a exomului a identificat Rab11A/B ca o componentă a riscului de AD cu debut tardiv. Rab11 controlează reciclarea endozomului către membrana plasmatică. Reducerea la tăcere a Rab11A/B în neuronii primari izolați de la șoarecii transgenici APP a redus nivelurile A din supernatanții colectați și analizați prin electrochimiluminiscență (ECL) [79]. Aceste date sugerează că acumularea de A ar putea fi, de asemenea, generată de eșecuri în exportul veziculelor care conțin APP, care ar putea face loc clivajului de către secretază din membrana veziculară [27] (Fig. 1B). Deoarece formarea veziculelor care conțin APP și formarea fagoforului implică o funcționare corectă a ER-Golgi condusă de mici GTPaze, deficitele de GTP ar provoca tulburări în ambalarea APP care ar putea compromite secreția acestuia și ar putea promova acumularea intracelulară. .

Aceste relații dintre autofagie și acumularea intracelulară A sunt susținute de un semnal de colocalizare legat de vârstă între formarea p62-dirijată de autofagozom și formele A observate în neuronii hipocampali de cultură primară de la șoarecii adulți 3xTg-AD [27] și în APP23-șoarecii transgenici cu șoareci foxed Atg7 [73]. Un alt fapt interesant este că nu s-a observat niciun semnal de agregate în autofagie care vine pozitiv pentru catepsina D [27]. Aceste date pot indica disfuncții în etapele anterioare ale autofagiei sau ale funcției lizozomale în neuronii modelului AD (Fig. 6) [26].

Reglementarea GTP în CMA în AD

În loc de organele, CMA degradează moleculele mici din celulele eucariote induse de foame prelungită sau stres oxidativ ușor. S-a propus ca CMA să fie reglementată de nivelurile GTP [80]. Această reglare implică participarea proteinei acide fibrilare gliale a filamentului intermediar (GFAP) și a factorului de alungire -1 alfa (EF1) [46, 81]. GFAP este prezent în două grupuri diferite la nivelul membranei lizozomale, o porțiune legată de LAMP-2A și o altă formă nelegată care interacționează cu EF1. Cele trei motive KFERQ din chaperonul Hsc70 îl direcționează către membranele lizozomale unde interacționează cu complexul proteic LAMP-2A și stabilizează translocarea încărcăturii CMA în lumenul lizozomal. Porțiunea GFAP care nu este legată de LAMP-2A contribuie la reglementarea GTP. În prezența GTP, EF1 este eliberat din GFAP la nivelul membranei lizozomale care promovează disocierea dintre GFAP și LAMP-2A, mobilizând LAMP-2A la microdomeniile lipidice pentru degradarea sa și inhibarea ulterioară a CMA [ 81]. Eșecurile în densitatea complexului LAMP2A pe membrana lizozomală sunt, de asemenea, asociate cu îmbătrânirea, ceea ce duce, de asemenea, la o scădere a funcției CMA [82] (Fig. 4B)

O altă formă de biogeneză a autofagozomilor la mamifere operează printr-o cale independentă VPS34-non-canonică enigmatică. Fosfoinozitide (PI) definesc identitatea membranei și controlează mai multe evenimente de trafic de membrane. Fosfatidilinozitol 5-kinaza (PIKfyve) convertește fosfatidilinozitol-3-fosfatul localizat în endozom (PI(3)P) în PI(3,5) P2, un regulator cheie al traficului membranei endozomale timpurii și tardive [83] . În plus, complexul PIKfyve este, de asemenea, responsabil pentru producerea de PI(5)P din PI și reglează formarea autofagozomului. PI(5)P reglează autofagia prin intermediul efectorilor PI(3)P (recrutarea proteinelor WIPI2 și DFCP1), care oferă un cadru mecanicist pentru această cale alternativă de autofagie. PI(5)P este folosit de fosfatidilinozitol 5-fosfat4-kinaza (PI5P4K ) care reglează nivelurile de PI(5)P folosind GTP mai degrabă decât ATP pentru fosforilarea PI(5)P pentru a obține PI(4, 5) P2 ca produs final care reglează remodelarea citoscheletului de actină [84]. Ei au descoperit că PI(3,5)P2 are o afinitate scăzută pentru cofilină, care dezasambla filamentele de actină și o afinitate mare pentru N-WASP, care activează complexul Arp2/3 pentru a iniția nuclearea actinei pentru a transporta veziculele endocitare din membrana plasmatică. Se propune ca activitatea PI5P4K să reflecte modificări direct proporționale cu concentrația fiziologică de GTP, acționând ca un senzor GTP intracelular [85]. În celulele lipsite de PI3P (PI(3,5)P2 scăzut) cu VPS34 blocat, complexul PIKfyve susține autofagia prin utilizarea PI5P [85]. Aceste date indică că PIKfyve are un rol esențial în modularea autofagiei. Funcția PIKfyve afectată conduce la formarea de vacuole umflate, ușor vizibile la mărire scăzută în celulele vii [86]. Domeniul intracelular al APP leagă subunitatea Vac14 a complexului PIKfyve, afectând producția de PI(3,5)P2 [87]. PI(3,5)P2 se leagă și activează canalul TRPML endolizozomal [88]. Ei au găsit vacuole mărite în fibroblastele de șoarece cu deficit de PI(3,5) P2-care au fost suprimate prin supraexprimarea canalului sănătos TRPML1. Conductivitatea TRPML și acidificarea lizozomală au fost afectate [89].

Dependența fisiunii și fuziunii mitocondriale de GTP

În plus față de furnizarea de ATP prin fosforilarea oxidativă, mitocondriile furnizează și GTP din NME4 și activitatea sa nucleozidă difosfat kinazei [8]. Această alimentare mitocondrială de energie este esențială pentru generarea veziculelor sinaptice pentru eliberare la terminalele axonilor, precum și pentru reciclarea veziculoasă la sinapse. Pierderea sinaptică în AD ar putea fi cauzată de pierderea capacității bioenergetice de a menține aceste procese esențiale. Prin urmare, numărul și localizarea mitocondriilor la sinapse determină probabil capacitatea energetică de endocitoză și exocitoză. Dinamica mitocondrială echilibrează delicat fisiunea și fuziunea controlate de Drp1 și Fis1, Mf1, Mfn2 și Opa1 [90, 91] (Fig. 7). Conversia ATP în GTP este controlată local de nucleozide difosfat kinaze (NDPK) localizate din genele NME 1-4 [51]. NME1 și 2 (numite uneori NM23 H1 și H2) sunt predominant citosolice, în timp ce NME3 și 4 (NM23 H3, H4) sunt mitocondriale. Complexul NDPK mitocondrial cu dinamină GTPaze specifice pentru a canaliza GTP direct din hidroliza ATP [16]. Echilibrul misiunii și fuziunii mitocondriilor este sensibil la dezechilibrul redox. Fie aplicarea endogenă, fie exogenă a ROS activează fisiunea mitocondrială, inducând fragmentarea mitocondrială și disfuncția mitocondrială ulterioară [90]. Acest lucru duce la o supraproducție suplimentară de ROS și la un cerc vicios care amplifică stresul oxidativ și în cele din urmă provoacă un dezechilibru oxidativ în AD [92]. Fisiunea este reglată de dinamina GTPazele Drp1 și Fis1 cu Km în jur de 100 μM [51]. Ele polimerizează și constrâng membranele tubulare la fel ca endocitoza. Fis1 este localizat în membrana mitocondrială exterioară [90, 93, 94].

Fig. 7 Morfologia dinamică mitocondrială dependentă de GTP a fisiunii și fuziunii. Panoul de fuziune din stânga: proteina legată de dinamină-1 (Drp1) execută fisiunea mitocondrială prin autopolimerizarea în jurul membranei mitocondriale exterioare, constrângând și rupând ambele membrane într-un proces dependent de hidroliza GTP. Panoul de fuziune din dreapta: Mitofusin-1 și -2 (MTF1/2) leagă membranele mitocondriale exterioare adiacente într-un proces dependent de hidroliza GTP. OPA1 permite fuziunea membranei mitocondriale interioare folosind GTP local furnizat de NME4. Săgețile roșii întrerupte indică deplasarea organelelor.

Fuziunea este controlată de trei proteine ​​GTPază: Opa1, situată în membrana interioară a mitocondriilor și Mfn1 și Mfn2, situate în membrana mitocondrială exterioară. GTPaza Opa1 cu un Km în jur de 500 μM ar necesita niveluri abundente de GTP pentru a polimeriza și mecaniza fuziunea membranei mitocondriale în tuburi [51].

hipoxie, stres energetic și stare redox oxidată crescută. Stresul oxidativ crescut și nivelurile crescute de ROS au cauzat fragmentarea mitocondriilor și inducerea mitofagiei dependente de fisiunea DRP1 în celulele de șoarece și HeLa. Acest lucru nu a dus la moartea celulelor și autofagie, deoarece nivelurile moderate de ROS nu au fost suficiente pentru a declanșa autofagia neselectivă [95]. Într-adevăr, această mitofagie poate fi inhibată de N-acetil-l-cisteină prin alimentarea rezervorului de glutation și o posibilă acțiune asupra Atg4. O scădere a rezervorului de glutation a indus și mitofagie, dar nu și autofagie generală. În schimb, adăugarea unei forme permeabile celulare de glutation a inhibat mitofagia [96]. Astfel, o stare redox oxidativă promovează îndepărtarea selectivă țintă a mitocondriilor disfuncționale. Acest lucru sugerează, de asemenea, integrarea echilibrului redox și a nivelurilor de energie pentru a maximiza funcția mitocondrială sănătoasă și pentru a controla turnover-ul mitocondriilor deteriorate.

Deteriorarea fuziunii și fisiunii a fost implicată în AD. Într-un model de șoarece, A interacționează cu proteina fs sion Drp1, cu o creștere ulterioară a producției de radicali liberi, care activează în continuare Drp1 și Fis1, provocând fragmentarea excesivă a mitocondriilor, transportul defect al mitocondriilor la sinapse, scăderea ATP-ului sinaptic și, în cele din urmă, duce la disfuncție sinaptică [97]. p-tau interacționează, de asemenea, cu Drp1 și îmbunătățește activitatea enzimatică a GTPase Drp1, ducând la fragmentarea excesivă a mitocondriilor și la disfuncția mitocondrială în AD [98]. Un aduct de nitrozilare Drp1 S (SNO-Drp1), i-a stimulat în continuare activitatea și a condus la fragmentarea mitocondrială excesivă și pierderea sinapselor [99].

Funcția lizozomală afectată în AD cauzată de epuizarea energiei legată de vârstă

Digestia lizozomală a încărcăturii autofagice este ultimul pas pentru finalizarea autofagiei. Prin urmare, lizozomii trebuie să-și mențină mediul acid pentru degradarea pe bază de pH a încărcăturii de către peptidaze, lipaze, nucleaze și glicozidaze activate de acid. Pentru acidificarea lizozomală, afluxul de protoni este realizat atât de v-ATPaza, o pompă de protoni dependentă de ATP, cât și de antiportori de protoni cloruri, în timp ce efluxul de cationi este mediat de transportorii TPC și TRPML, care sunt, de asemenea, implicați în echilibrul pH-ului. 100]. Presenilin-1 (PS1) reglează distribuția subunităților v-ATPazei în lizozomi acționând ca un ligand al subunității v-ATPazei V0a1 și menținând homeostazia lizozomală prin intermediul TRPML1 [69]. Mutațiile PS1 au fost legate de acidificarea lizozomală scăzută, dereglarea sistemului de degradare autofagie-lizozom și patogeneza AD cu debut precoce [26].

Arl8 (o proteină G asemănătoare Arf) este o mică GTPază situată pe lizozomi care acționează ca un linker între lizozomi și kinesină-1 pentru a facilita traficul lizozomal de-a lungul axonilor (Fig. 8B) [101]. Arl8b acționează, de asemenea, ca un comutator pentru a regla asocierea complexului HOPS cu membrana lizozomală [102]. Perturbarea funcției Arl8b determină acumularea anormală de colesterol în membranele lizozomilor conducând la un trafic afectat de lizozomi axonali și conducând la stres autofagic și acumulare de autofagozomi axonali [103]. În plus, expresia Arl8b crescută a salvat transportul lizozomului în axoni și stresul autofagic. Supraexprimarea Arl8 a stimulat, de asemenea, motilitatea bidirecțională a lizozomilor pe microtubuli prin legarea de linker-ul kinesin-1 SKIP pentru a lega sinul kine și motilitatea puterii [104]. SKIP a necesitat Arl8 în starea sa activă legată de GTP pentru legare. Cu toate acestea, supraexprimarea Arl8b a provocat, de asemenea, o alcalinizare izbitoare a lizozomilor și mișcarea către periferia celulei, comparativ cu o distribuție mai uniformă a lizozomilor în întreaga citoplasmă [105]. Un studiu proteomic în țesutul uman a raportat îmbogățirea Arl8b în plăci de amiloid [106]. Aceste date sugerează că modificările în expresia sau funcționarea Arl8 afectează fuziunea lizozomului cu autofagia sau endozomul târziu, ceea ce ar putea avea implicații în acumularea de autofagozom observată în AD. Deoarece formarea veziculelor secretoare livrate membranei plasmatice este un proces dependent de GTP, care necesită GTPazele Arf și Rab, defectele nivelurilor de GTP pot compromite traficul vezicular adecvat.

Biogeneza lizozomului este reglată de mTORC1 și factorul de transcripție EB (TFEB) creând un complex de semnalizare reversibil pe suprafața lizozomului. mTORC1 fosforilează TFEB pe Ser211, permițând astfel transportul TFEB către nucleu să regleze expresia v-ATPazei și alte gene implicate în biogeneza lizozomului și formarea autofagozomului [107, 108]. Adăugarea lui A la celulele microgliale scade TFEB în nucleu și afectează procesarea lui A [109]. Această reglare de către mTORC1 este, la rândul său, susținută de mici GTPaze, inclusiv Rheb și Rag, componente sensibile la aminoacizi incluse în regulatorul complexului de semnalizare multiproteică care acționează ca un activator al mTORC1 [110]. Deoarece acidificarea lizozomală necesită ATP pentru funcția V-ATPază și GTP pentru reglarea mediată de GTPază a TORC1, presupunem că epuizarea energiei din cauza îmbătrânirii sau a condițiilor patologice asemănătoare AD afectează direct funcția lizozomală. În plus, având în vedere că acidificarea lizozomală implică o interacțiune reglatoare mediată de aportul de nutrienți între v-ATPază și TORC1 prin TFEB, ciclurile de post și consumul de nutrienți ar putea aduce beneficii funcției lizozomale în AD [111], în timp ce consumul frecvent de zahăr poate afecta funcția. Lizozomi afectați ar putea duce la acumularea de autofagozomi plini de mitocondrii deteriorate și îmbogățiți cu agregate A incapabile de a fi degradate. Deoarece autofagia realizează înlocuirea organelelor deteriorate sau îmbătrânite, menținerea acesteia este afectată de modificările metabolice datorate vârstei. Schimbările metabolice legate de vârstă și lizozomii afectați ar putea duce la acumularea de modificări metabolice, cum ar fi epuizarea energiei și/sau schimbări oxidative redox. Astfel, nivelurile de GTP ar putea fi mai scăzute în stilurile de viață sedentare cu activitate scăzută, ceea ce ar duce la căi ineficiente ale dependenței de GTP. degradarea proteinelor odată cu înaintarea în vârstă. Aceste observații sugerează cu tărie o relație între modificările procesului de maturare a autofagozomului și deficiențele metabolice care apar odată cu progresia bolii și îmbătrânirea. În plus, acumularea aberantă de A ar putea fi consecința deficiențelor din amonte în GTP care afectează procesarea autofagică a A și tau, posibil mai devreme decât secreția agregată de amiloid, inflamația și acumularea plăcii.

Fig. 8 Instabilitatea dinamică a microtubulilor asociați cu GTP. Moleculele GTP se leagă la site-ul E și la situsul N de pe tubulinele / heterodimer. GTP de la site-ul E este hidrolizat pentru a deveni GDP- -tubulină și schimbat cu un nou heterodimer legat de GTP / pentru a asambla subunități. Heterodimerii sunt adăugați la rețeaua microtubulilor în creștere pentru polimerizare, formând un nou strat de heterodimeri GTP cunoscut sub numele de capac GTP. Depolimerizarea are loc atunci când heterodimerii părăsesc rețeaua microtubulilor care se micșorează. Hiperfosforilarea proteinei asociate microtubulilor, tau promovează formarea încurcăturii neurofibrilare (NFT) și destabilizarea microtubulilor. Tranziția de la o stare în creștere la o stare catastrofală în scădere. B Formarea endolizozomului necesită ca lizozomii să se miște de-a lungul pistelor microtubulilor în direcția pozitivă, în timp ce endozomii tardivi se mișcă în direcția negativă. Complexul multiproteic lizozomal BORC (nu este prezentat) activează mica GTPază Arl8 pentru a angaja transportul plus-end condus de kinesină. Pentru transportul la capătul minus, starea legată de Rab7- GTP recrutează proteina lizozomală care interacționează cu Rab (RILP) și proteina 1 legată de proteina de legare a oxisterolului citosolic (ORP1L) formând complexul dineină-dinactină. Formarea NFT perturbă traficul vezicular de-a lungul microtubulilor.

Cere mai mult:

E-mail:wallence.suen@wecistanche.com

Whatsapp/Tel: plus 86 15292862950

MAGAZIN

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