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

Abstract

Interes crescut pentru îmbătrânire șiBoala AlzheimerDeficiențele legate de (AD) în autofagie în creier ridică întrebări importante cu privire la reglementare și tratament. Deoarece mulți pași în endocitoză și autofagie depind de GTPaze, sunt necesare noi măsuri ale nivelurilor de GTP celular pentru aevaluează reglarea energetică în îmbătrânire și AD. Dezvoltarea recentă a senzorilor ratiometric GTP (GEVALS) și constatările că nivelurile GTP nu sunt omogene în interiorul celulelor crescnoi probleme de reglementare a GTPazelorde disponibilitatea locală a GTP. În această recenzie, evidențiemmetabolismul GTPîn relație cu GTPazele Rab implicate în formarea endozomilor timpurii, a endozomilor tardivi și a transportului lizozomal pentru a executa degradarea autofagică a încărcăturii deteriorate. GTPazele specifice controlează macroautofagia (mitofagia), microautofagia și autofagia mediată de însoțitor (CMA). Prin deducere, nivelurile locale de GTP ar controla autofagia, dacă nu în exces. Niveluri suplimentare de control sunt impuse de starea redox a celulei, inclusiv implicarea tioredoxinei. Pe parcursul acestei recenzii, subliniemmodificări legate de vârstăasta ar puteacontribuie la deficitele în GTP și AD. Încheiem cu perspective de creștere a nivelurilor de GTP și de inversare a schimbărilor redox oxidative legate de vârstă pentru a restabili autofagia. Prin urmare, nivelurile de GTP ar putea regla numeroasele GTPaze implicate în endocitoză, autofagie și traficul vezicular. În îmbătrânire, adaptarea metabolică la un stil de viață sedentar ar putea afecta funcția mitocondrială, generând mai puțin GTP și energie redox pentru gestionarea sănătoasă a amiloidului șiproteostaza tau, funcția sinaptică, șiinflamaţie.

Cuvinte cheie GTP · Energetică · Autofagie · Mitofagie ·Endocitoza· Lizozomi ·Alzheimer · Îmbătrânire

Faceți clic aici pentru a obține Cistanhe pe bază de plante pentru boala anti-Alzheimer

GTP, cealaltă monedă energetică, în îmbătrânire și AD

Sinteza moleculelor de înaltă energie ATP și GTP se bazează ambele pe starea redox a NAD plus /NADH și pe concentrațiile lor suficiente. Sinteza ATP din glicoliză este alimentată în primul rând de puterea oxidativă a NAD și acționează asupra zaharurilor reducătoare. Sinteza ATP prin fosforilarea oxidativă în mitocondrii este alimentată de generarea de NADH în ciclul TCA pentru reducerea piruvatului, glicerolului sau acizilor grași cu oxigen ca acceptor terminal de electroni în lanțul de transport de electroni. Studiile noastre fără etichete în neuronii hipocampali vii de șobolan sau șoarece indică o depleție legată de vârstă a NAD și NADH, care ar putea afecta sinteza ATP și GTP [1-4]. Această epuizare a fost în continuare exacerbată în neuronii de la șoareci purtători de transgene pentru beta-amiloid uman și tau. În plus, analiza post-mortem a enzimelor ciclului TCA a indicat o afectare de până la 40% a enzimelor ciclului TCA din creierul AD, comparativ cu martorii potrivite în funcție de vârstă [5]. Astfel, epuizarea energetică legată de vârstă a NAD plus și NADH pe lângă afectarea mitocondrială legată de AD în activitatea enzimelor TCA ar putea afecta local nivelurile de ATP și GTP, chiar dacă concentrațiile lor în vrac au fost afectate minim.

Energia disponibilă din hidroliza GTP este aceeași cu hidroliza ATP, dar GTP este utilizat în scopuri diferite decât ATP datorită selectivității enzimelor specifice. Concentrațiile de GTP în celule sunt în medie de zece ori mai mici decât ATP-ul milimolar. GTP este un regulator major al proceselor celulare multiple dependente de energie ale sintezei proteinelor și traficului vezicular care implică endocitoză și autofagie. Concentrația totală estimată de GTP celular în celulele de mamifere este în intervalul 250-700 μM [6], dar GTP liber în proeminențele celulelor canceroase este mai aproape de 30 μM [7]. Proteinele majore alimentate de GTP includ dinamine pentru fisiunea și fuziunea membranei, micile GTPaze de reglare și microtubuli, așa cum este detaliat mai jos. Pe lângă sinteza de novo din inozină de către IDMPH2 și xantozină de către GMPS, sursele celulare de GTP sunt în primul rând nucleozide difosfat kinaze (NDPK) localizate din genele nemetastatice (NME; uneori numite NM23) care convertesc ATP în GTP [8]. Există cel puțin zece membri ai familiei genelor NME, dar numai primii patru au activitate nucleozidă difosfat kinazei. Potrivit Allen Brain Atlas, NME1 până la 4 sunt puternic și selectiv exprimate în hipocampul șoarecelui și uman, unde memoria este afectată în AD. NME1-3 sunt citoplasmatice, în timp ce NME4 este mitocondrial. Deoarece ambele procese distincte de endocitoză și autofagie sunt afectate în îmbătrânire și AD, presupunem că modificările în amonte le afectează pe ambele, posibil vârsta și consecința legată de AD a limitării nivelurilor de GTP asupra acestor funcții critice pentru amiloid.

Măsurarea nivelurilor GTP

Deși GTP reglează câteva procese cruciale pentru supraviețuirea celulară, măsurarea nivelurilor de GTP în celula vie în condiții fiziologice și patologice este dificilă din cauza turnover-ului mare și a existenței atât a unei stări legate de proteine, cât și a unei stări libere. Bianchi-Smira glia et al. [9] a descris un nou senzor GTP codificat genetic (GEVAL) bazat pe o proteină fluorescentă galbenă care detectează modificări ratiometrice ale concentrației fără GTP și legate de GTP in vitro și in vivo. Recent, același grup a raportat un mecanism pentru reglarea GTPasei Rac1 în invazia celulară de către o linie celulară de melanom uman condusă de producția locală de GTP [7] și a revizuit metodologia lor [10]. După cum vom vedea în această revizuire, GTP joacă un rol crucial în timpul endocitozei și autofagiei legate de procesarea amiloidului. În prezent, studiem modificările GTP legate de vârstă în procesarea A în culturi primare de neuroni hipocampali de la șoarecele triplu transgenic 3xTg-AD și efectul acestuia asupra modificărilor în autofagie. Figura 1 prezintă rezultatele preliminare ale transfecției GEVAL530 în neuroni adulți primari din acest model de șoarece AD ​​în comparație cu neuronii de șoarece netransgenici. După cum s-a observat de către Bianchi-Smiraglia și colab. [7], vedem o distribuție neuniformă a GTP în procesele și marginile somei atunci când se măsoară GTP liber (Fig. 1Aa), cu niveluri mai scăzute de GTP liber în neuronii 3xTg-AD (Fig. 1Ac). După cum este detaliat în Secțiunea 10, pretratarea acestor neuroni cu un precursor NAD plus, nicotinamidă, a crescut nivelurile de GTP liber (Fig. 1Ab, d). 530-µM Kd pentru GEVAL530 utilizat în aceste experimente sugerează că concentrația locală de GTP liber este de câteva ori de 530 µM. În Fig. 1B, am examinat GTP-ul legat care pare a fi localizat în vezicule și crescut de nicotinamidă (Fig. 1Bf, h), în special în neuronii AD 3xTg. Dovezile preliminare indică faptul că neuronii tratați cu siRNA NME1 își scad nivelurile libere de GTP (Santana Martinez, nepublicat). Studii ulterioare cu neuroni adulți din spectrul de vârstă vor determina dependența de vârstă a deficitelor de GTP și capacitatea de a le remedia cu precursori NAD plus. Având în vedere rolul esențial al GTP în procesele de trafic vezicular de endocitoză și autofagie și aceste dovezi preliminare pentru modificările GTP cu genetica asemănătoare AD, următoarele secțiuni oferă detalii despre aceste procese și efectele îmbătrânirii și ale bolii Alzheimer asupra lor. Rezultatul acestei revizuiri evidențiază necesitatea unor noi metode, cum ar fi sondele GEVAL, pentru a măsura direct modificările concentrațiilor de GTP legat și liber și GTP total.

Fig. 1 Măsurătorile GTP raționale în neuronii hipocampali primari de șoarece de la șoareci de vârstă mijlocie transfectați cu senzorul GEVAL530 Imaginile ratimetrice pixel cu pixel de culoare falsă ale neuronilor arată distribuții neuniforme ale GTP. (a) Excesul de GTP liber/legat de GTP de vârstă mijlocie (14 luni) netransgenic (NTg) la margini și dendrite apicale în comparație cu (c) neuronul de vârstă mijlocie (10 luni) 3xTg-AD. (b, d) Creșterea GTP liber în neuronii tratați cu nicotinamidă 2 mM cu 24 de ore. (e, g) Neuronii netratați prezintă GTP legat vezicular care este crescut în (f, h) neuronii tratați cu nicotinamidă 2 mM timp de 24 de ore

Endocitoză: dependență de GTP în îmbătrânire și AD

În procesul de endocitoză, celula internalizează macromolecule și receptori legați de liganzi și proteine ​​de suprafață, inclusiv proteina precursor de amiloid (APP) [11] (Fig. 2A). Dintre cele două căi endocitare principale, absorbția APP încorporată în membrana plasmatică are loc mai ales prin absorbția mediată de clatrină (Fig. 2B.1) mai degrabă decât mediată de caveola din plasturi bogate în colesterol (Fig. 2B.2). Cu toate acestea, A hidrofob se împarte în pete bogate în colesterol de plute lipidice în membrana plasmatică, cu captarea ulterioară de către calea caveola [12] (Fig. 2B.2). În ambele cazuri, complexele de dinamină GTPază se adună la invaginare pentru a cataliza curbura membranei dependentă de GTP pentru fuziunea finală și eliberarea veziculelor mature din membrana plasmatică [13-15]. Alimentarea locală cu GTP este catalizată de NME1 și 2 nucleotide fosfat kinaze care se leagă de dinamină [16]. Decizia timpurie a endozomului Rab5 GTPază față de exocitoză și reciclarea receptorului sau transformarea în endozomul tardiv Rab7 GTPază pentru degradare.

GTPaza Rab5 este considerată un marker pentru endozomul timpuriu [17]. Proteina Rab5 este prezentă în membrana plasmatică, în veziculele acoperite cu clatrină și endozomii timpurii (Fig. 2). În modelele celulare și fy ale bolii Huntington, Rab5 participă la formarea autofagozomului pentru a regla autofagia și a elimina huntingtina mutantă toxică [18]. Inhibarea Rab5 reduce conjugarea Atg5-Atg12 a proteazelor care reglează autofagia, rezultând o scădere a formării de autofagozomi. Conjugatul Atg12-Atg5 promovează lipidarea Atg8, iar Atg8 lipidat facilitează formarea autofagozomilor și recunoașterea selectivă a încărcăturii în timpul autofagiei [19].

Un alt factor care contribuie la autofagia5-mediată de Rab este fosfatidilinozitol-3-kinaza (PI3K). Complexul PI3-kinazei inhibă autofagia prin activarea căii de semnalizare Akt/mTOR [20]. Subunitatea P110 a complexului PI3K reglează activitatea catalitică a complexului Vps34 pentru a promova generarea PI3P [21]. Acest pas este esențial pentru formarea autofagozomului. P110 promovează tranziția de la Rab5- PIB la Rab5-GTP. Supraexpresia P110 atenuează deficiența autofagică după activarea complexului macromolecular compus din Rab5, Vps34 și Beclin1, care, la rândul său, duce la formarea autofagozomului [22]. Direcționarea acestor proteine ​​​​specifice poate elucida căile terapeutice pentru a atenua patologia AD.

Fig. 2 Endocitoza proteinei precursoare de amiloid (APP). Porțiunea N-terminală a proteinei APP cu 770 reziduuri cu umbrire verde a A predispusă la agregare necesită scindarea de către BACE și peptidaze Gamma. B Endocitoza APP. (1) Formarea mugurelui interior din membrana plasmatică orchestrată de clatrină cu endoproteazele BACE și 훾-secretaza. Endocitoza susținută de dinamină primește GTP local de către NME1. (2) Microdomeniile îmbogățite în colesterol (plute lipidice) leagă APP procesată la A sau A adsorbit din parenchim. (3) Endozomul timpuriu atrage GTPaza Rab5 care este recunoscută de o altă GTPază, Rab11, pentru a media (4) reciclarea endocitară a receptorilor înapoi la membrana plasmatică. Alternativ, (5) Rab7 mediază segregarea timpurie în endozomi tardivi, permițând prelucrarea ulterioară a APP și acumularea de A. (6) Fuziune tardivă a endozomului cu (7) lizozom pentru a degrada conținutul. Unele agregate A pot fi rezistente la digestie, iar cu perturbarea endozomului, A se poate acumula în citosol.

Rab5 legat de membrană este un factor cheie în promovarea directă a activării Rab7 dependentă de Mon1-Ccz1-și fuziunii membranei dependente de Rab7-[23]. Mon1-Ccz1 este un complex GEF-factor de schimb de nucleotide guanină heterodimeric care activează Rab5. Deplasarea mediată luni1-a Rab5 GEF are ca rezultat deplasarea Rab5 de către Rab7. Complexul C-Vps acționează ca un GEF pentru Rab7 și promovează tranzitarea Rab7 de la starea legată de GDP la starea legată de GTP pentru activarea Rab7. Gena asociată rezistenței la radiații ultraviolete (UVRAG) stimulează activarea Rab7 prin interacțiunea UVRAG-C-Vps prin schimbul GDP/GTP al Rab7 [24]. Un alt punct de reglementare în procesul autofagic este complexul de fuziune homotipică și sortare a proteinelor vacuole (HOPS) care activează Ypt-Rab GTPaza vacuolară de drojdie în timpul fuziunii membranei [25]. Una dintre cele 6 subunități ale complexului HOPS este complexul de sortare a proteinelor vacuolare de clasă C (C-Vps) care conține Vps11, Vps16, Vps18 și Vps33. Veziculele endocitare tardive Rab7 fuzionează ulterior cu lizozomi pentru degradarea încărcăturii (Fig. 2).

Modificări în traficul endozomal Rab 5 și Rab 7 în modelele de șoarece și în AD

În modelele de șoarece de AD cu mutații ale proteinei precursoare de amiloid (APP) sau presenilinei producătoare de A, calea endozom-autofagozom-lizozom pare dereglată parțial din cauza acidificării afectate a lizozomilor care nu reușește să activeze suficient proteaza și lipazele [26]. În modelele de șoarece de AD, corpurile perinucleare mari care conțin agregate A se etichetează cu markerul autofagozomal LC3 colocalizat cu Rab7 și componentele endozomale și lizozomale tardive. Acest lucru s-ar putea datora unei reglări pozitive de protecție eșuate sau unei afectări patologice. În neuronii cultivați de la șoareci 3xTg-AD de-a lungul intervalului de vârstă, am constatat că A veziculul agregat crește de 30-50 de ori odată cu vârsta, cel mai proeminent în endozomii și mitocondriile timpurii marcați Rab5-, dar și în Rab{{9} }endozomi tardivi și autofagozomi marcați [27]. Acumularea ca un bulgăre de zăpadă a A 42 și A 45 sugerează că neuronii vechi nu au fost capabili să completeze degradarea autofagică a acestor agregate mai lungi de A. Emitem ipoteza că producerea de energie afectată în neuronii vechi limitează capacitatea energetică pentru finalizarea autofagiei. În comparație cu nivelurile din hipocampul și cortexul tânăr, în hipocampul șoarecelui APP/PS1 vechi de 7-12-luni, nivelurile Rab7 au scăzut împreună cu reduceri ale activatorilor Beclin1 și Rubicon și o creștere a inhibitorului Rubicon [28]. În hipocampul mai tânăr și la toate vârstele din cortex, Beclin1 activează Rab7, în timp ce Rubicon inhibă activarea Rab7 prin suprimarea interacțiunii dintre proteina genetică asociată rezistenței la radiații UV (UVRAG) și gena de sortare a proteinei vacuolare (Vps). Deficiența Rab7 la drojdia și muștele fructelor are ca rezultat o acumulare masivă de autofagozomi [29]. Knockdown Rab7 inactivează, de asemenea, mTORC1/S6K1 și localizarea mTOR în endozomii tardivi [30]. Interesant este că inhibarea altor etape ale traficului endocitar nu schimbă activitatea mTORC1, sugerând că endozomii tardivi intacți sunt cruciali pentru semnalizarea mTORC1 în autofagie. Acesta este un motiv important pentru care țintirea mTOR poate să nu încetinească îmbătrânirea sau AD.

Reglarea selectivă regională a proteinelor Rab 5 și Rab7 și a ARNm-urilor în AD sugerează contribuții selective la patologia bolii sau un mecanism de protecție insuficient [31]. A se acumulează predominant în endozomii tardivi pozitivi pentru Rab7 și vacuolele autofagice ale celulelor neuronale [32] într-o manieră legată de vârstă [27] provocând internalizarea lui A și creșterea ulterioară a Rab7 declanșând degenerarea neuronală [33]. Blocarea căii endocitare tardive prin suprimarea Rab7 induce formarea de fibrile de amiloid dependentă de A pe suprafața celulei, determinând creșterea endozomală [34], ducând la reciclarea accelerată a Rab7 și la traficul endocitar de A la lizozomi pentru degradare [35]. Inhibarea proteolizei Iysoso mal poate afecta, de asemenea, transportul retrograd axonal al organitelor autofagice, provocând distrofie axonală asemănătoare AD [36]. Cu toate acestea, intervențiile practice pentru promovarea autofagiei7-mediate de Rab ar putea întârzia sau inversa progresia AD. Exemplele includ o trecere de la o stare sedentară la exerciții fizice, o dietă mediteraneană și compuși care stimulează energia, cum ar fi precursorii NAD, pentru a crea o schimbare redox [4] (Secțiunea 10). O altă cale este descoperirea ciudată că nivelurile de guanozin monofosfat reductazei 1 (GMPR1 dependent de NADPH) sunt crescute în creierul AD, ceea ce ar putea scădea nivelul GTP și crește semnalizarea AMP [37]. Încurcăturile neurofibrilare de tau au fost reduse atunci când această activitate a fost inhibată la șoarecii AD.

Odată cu progresia de la o afectare cognitivă ușoară la AD, atât expresiile endozomale Rab5, cât și Rab7 au fost reglate în sus în neuronii CA1 hipocampali, măsurați prin microarray transcripțional [31]. Mărirea endozomilor Rab5-pozitivi a fost asociată cu încurcături neurofibrilare și depunerea de amiloid. Factorii neurotrofici, cum ar fi factorul de creștere a nervilor (NGF) se leagă de receptorii lor Trk și se internalizează în endozomii Rab5-pozitivi pentru a iniția semnalizarea în aval [38]. Este interesant de observat că, endozomul de semnalizare este reținut ca endozomi timpurii Rab5 și nu progresează la endozomii tardivi Rab7, în timpul tranzitului lor în axonii lungi [39]. Această diferență diferențiază livrarea semnalului mediată de receptor de procesarea endozomului către autofagie [40]. După activarea de către NGF, TrkA recrutează un Rab5-GAP pentru a converti rapid GTP-Rab5 în GDP-Rab5 pentru a menține sub control nivelul GTP-Rab5, ceea ce previne conversia Rab5 în Rab7, ceea ce duce la inhibarea semnalizării NGF/TrkA și degradare prematură.

Funcția Rab5 este compromisă în fazele incipiente ale AD [41]. Hiperactivarea persistentă a Rab5 a promovat calea endocitară către endozomi tardivi, fuziunea lizozomilor și autofagie, ducând la degradarea prematură a semnalizării factorului neurotrofic și atrofie neuronală. Vps35 și Vps26, două proteine ​​cheie retromer, au fost, de asemenea, reduse în creierul AD [42]. Vps26 se leagă de SorLA, care este un receptor de sortare care controlează traficul APP de la endozomi la Golgi. O reducere a proteinelor retromer Vps duce la un complex Vps-SorLA anormal care împiedică acumularea de APP în carcasa de trafic de APP în endozomi unde este supus beta-secretazei. Cu toate acestea, imitarea fosforilării APP la S655, în cadrul motivului bazolateral APP 653YTSI656, poate îmbunătăți regăsirea APP într-un proces mediat de retromer care provoacă scăderea țintirii lizozomale APP și scăderea producției de Abeta [43]. O creștere a APP de lungime completă și a fragmentului APP ‐CTF poate, la rândul său, să crească activitatea GTPazei Rab5, inducând mărirea endozomilor timpurii [44]. Interesant este că atrofia neuronală indusă de APP-CTF-urile ar putea fi salvată de un mutant Rab5 dominant-negativ atât in vitro [39], cât și in vivo [45].

Rezultatul net al îmbătrânirii este epuizarea endozomilor tardivi, disfuncția endocitară tardivă și fuziunea lizozomală afectată. În AD, endocitoza A crește în endozomi timpurii Rab5 măriți. Rolul Rab7 în AD nu a fost încă elucidat în mod clar, deoarece s-au observat atât reglarea precoce, cât și reglarea tardivă a Rab7 care afectează sănătatea neuronală în ambele direcții. După cum au subliniat Bianchi-Smiraglia și colab. [7], GTP celular total care este măsurat în omogenate nu permite evaluarea GTP liber disponibil local pentru GTPazele Rab. Măsurile GTP gratuite nu au fost raportate încă, astfel încât posibilul lor rol în vârstă și tulburările legate de AD în endocitoză este neexplorat. Prin urmare, va fi important să se măsoare GTP liber în celulele vii și efectele variațiilor în GTP liber asupra endocitozei în funcție de vârstă și modelele AD.

Cere mai mult:

E-mail:wallence.suen@wecistanche.com

Whatsapp/Tel: plus 86 15292862950

MAGAZIN:

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