GTP energiafhængighed af endocytose og autofagi i den aldrende hjerne og Alzheimers sygdom Ⅱ

Almindelige GTPase-signalveje i autofagi: makroautofagi (mitofagi), mikroautofagi og CMA

GTPase-superfamilien omfatter en bred vifte af proteiner, der fungerer som molekylære switches ved at binde og hydrolysere GTP-molekyler til binding, docking og fusion af vesikler til målmembraner [46]. Ændringer i GTPase-funktionen er relateret til ændringer i handelen med last [47]. Skiftet mellem en "aktiv" tilstand (GTP-bundet GTPase) og en "inaktiv" tilstand (GDP-bundet GTPase) kræver en guanin-nukleotidudvekslingsfaktor (GEF) og GTPase-aktiverende protein (GAP) [48] (fig. 3). , kaldet Rab GEF/GAP-kaskaden [22]. For mange GTPaser antages levetiden af ​​den aktiverede, GTP-bundne tilstand at tjene som en regulator ved bestemmelse af aktiveringstiden for en biologisk begivenhed, såsom membranfusion og signaltransduktion. Den korrekte funktion af GTPaserne kunne imidlertid også begrænses af et fald i intracellulære GTP-niveauer. Autophagosomdannelse involverer Rab-familiemedlemmer Rab1, Rab5, Rab7, Rab9A, Rab11, Rab23, Rab32 og Rab33B. Rab9 er påkrævet i ikke-kanonisk autofagi. Rab7, Rab8B og Rab24 har en nøglerolle i autophagosommodning. Rab8A og Rab25 er involveret i ukendte aspekter af autofagi [22]. Rab11 er påkrævet for exocytose [49]. Svigtende autofagi er forbundet med flere usunde tilstande som f.eksmetabolisk stressog aggregering af proteiner forbundet med neurodegenerative lidelser, herunderAlzheimers sygdom. Rab8b har en nøglerolle i at orkestrere autofagimodningselvom dens nedstrøms effekt Tbk-1, phosphorylerer p62 direkte ved Ser-403, en afgørende rest for den autofagiske funktion af p62 [50]. TBK-1 er også påkrævet til cytokinesis-induceret autofagisk eliminering af bakterier, hvorimod Rab8 knockdown efter induktion af autofagi forårsagede et fald i fagosomer [50].

Fig. 3 Molekylær skift mellem GTPase-tilstande. Lille GTPases aktive tilstand (GTP-bundet) opnås af nukleotidudvekslingsfaktor, der katalyserer udvekslingen af ​​GDP til GTP, hvilket resulterer i GTPase-aktivering. Aktiv GTPase interagerer med flere slags downstream-effektorer for at modulere deres aktivitet. GTPase-aktiverende protein (GAP) inaktiverer de GTP-bundne proteiner ved at booste deres aktivitet for GTP-hydrolyse. Den BNP-bundne form kan ikke binde effektorer

Klik her for at få urtecistanche til at forbedre kognitiv funktion

Da BNP er tæt bundet af Rab GTPaser og deres iboende GTP-hydrolysehastigheder er lave på trods af deres høje affinitet 10-1-10-5 μM km [51], katalyserer Rab GEF'erne dissociationen af ​​BNP. Rab GAP'er letter hydrolysen af ​​GTP. Begge regulatorer er forpligtet til at koordinere den tidsmæssige-rumlige aktivitet af Rab GTPaser [52]. Aktiviteten af ​​Rab GTPaser, GEF'er og GAP'er er afgørende for transport og overførsel af autofagosomer til makroautofagi. Makroautofagi har brug for stringent kontrol, og nogle Rab GAP'er ser ud til at fungere i overlappende veje. For eksempel koordinerer TBC-domæne-holdige proteiner, TBC1D14 og TBC1D15, endosomal trafficking og autophagosom biogenese. TBC1D5 er en Rab7 GAP, der rekrutteres til mitokondrier af protein FIS1 for at håndtere Rab7 GTP-hydrolyse, hvilket også tillader mitokondrier at regulere kontakten med lysosomer [53]. Da mitokondrier-lysosom-kontakter markerer stederne for Drp-1-positive mitokondriel fission-hændelser, fører ændringer i Rab7 GTP-hydrolysen til både unormal lysosomal morfologi og en markant reduceret hastighed af mitokondriel motilitet [53]. TBC1D2, som påvirker Rab7 GTPase og modulerer autophagosom-lysosom-fusion, blev vist at blive aktiveret af LRRK1 ved makroautofagi-induktion [54].

Proteinfamilien af ​​små Rab GTPaser kontrollerer vesikeltransportruter og sikrer handel med vesikler til deres passende målrum. Rab GTPaser interagerer med efektorproteiner såsom lastsorteringskomplekser, motorproteiner og bindingsfaktorer, som er nødvendige for vesikelknoppning, transport og fusion af forskellige intracellulære organeller. I pattedyrsceller er der tre primære typer autofagi: makroautofagi, mikroautofagi og chaperone-medieret autofagi (CMA) (fig. 4). Hver undertype består af forskellige mekanismer for substratlevering til lysosomet; men resultatet er det samme for dem alle, hvilket kulminerer med levering af last til lysosomet til nedbrydning og genanvendelse.

Makroautofagi af mitokondrier er den mest undersøgte og omtales almindeligvis som mitofagi. Mitofagi-signalering er hovedsageligt styret af Target of Rapamycin protein complex 1 (TORC1). Efter induktion af autofagi dannes en sekvestreringsmembran kaldet en phagophor (fig. 4A). Fagoforen omslutter fejlfoldede proteiner og/eller dysfunktionelle organeller, indtil den er færdiggjort i et indhyllet autofagosomer. Autophagosomet smelter derefter sammen med lysosomet og overfører den cytoplasmatiske last til hydrolyse. Organellerne inde i lasten nedbrydes derefter til aminosyrer og simple fedtsyrer og kulhydrater til frigivelse i cytoplasmaet ved lysosomale/vakuolære membranpermeaser og genbrug i biosyntese [55].

Fig. 4 Typer af autofagiveje reguleret af GTP A I makroautofagi (mitofagi) rekrutterer ubiquitin (Ub)-mærkede proteiner p62 til at interagere med LC3 for at danne autofagosomer. Rab2 deltager i fagophordannelse, hvorimod Rab8b og Rab9a deltager i autophagosommodning. Arl8 er placeret på lysosommembranen og faciliteter lysosomal trafficking. B I chaperone-medieret autophagy (CMA) binder substratproteiner sig til den monomere form af LAMP-2A efter genkendelse af et KFERQ-motiv af cytosolisk Hsc70 chaperonkompleks. Udfoldning af det komplette substrat er påkrævet for dets translokation til et multimert kompleks med LAMP-2A. Der er to puljer af GFAP i membranen af ​​lysosomer: 1, under forhold med høj CMA-aktivitet interagerer GFAP med LAMP-2A for at stabilisere det kompleks, der kræves til translokation af CMA-last på en GTP-afhængig måde; 2 interagerer GFAP med EF1, mens GTP inducerer frigivelsen af ​​EF1 fra GFAP, der hæmmer CMA og fremmer adskillelsen af ​​multimer LAMP-2AC I makroautofagi opsluges autofagisk last af invaginationer af den lysosomale membran for at fange indhold. I dem alle sker genanvendelse efter lysosomal nedbrydning

CMA (fig. 4B) bruger ikke membranstrukturer til at sekvestrere last, men bruger i stedet chaperoner til at identificere lastproteiner og translokere dem til den lysosomale membran, mens mikroautofagi (fig. 4C) anvender invaginationer eller fremspring af den lysosomale membran til at fange og levere autofagisk last til den lysosomale membran [56, 57].

Reaktive oxygenarter (ROS) styrer delvist autofagi. Sult stimulerer ROS-produktion (hovedsageligt H2O2) i mitokondrier, hvilket ser ud til at være nødvendigt for dannelse af autofagosomer. I gær kan autofagi reguleres af ROS via Atg4 gennem oxidation-reduktion af en disulfidbinding mellem resterne Cys338 og Cys 394, som er påkrævet for korrekt autophagosom biogenese [58]. Atg4, en redoxprotease, fungerer som en konjugerende enzymspaltnings-C-terminal i umoden Atg8 (pattedyrhomolog LC3) for at eksponere den konserverede glycinrest for dens efterfølgende binding til phosphatidylethanolamin (PE). Yderligere fungerer Atg4 også som et dekonjugeringsenzym, der spalter amidet bundet mellem Atg8 og PE, som frigiver det fra membranen til genbrug, hvilket er afgørende for de konjugationssystemer, der er afgørende for autofagi.

Autofagi: GTP-regulering ved aldring og AD

Autofagisk clearance af beskadigede cellulære komponenter eller afvigende proteinaggregater bliver stadig vigtigere for at håndtere den øgede oxidative stress forbundet med aldring og AD [59]. Den tovejs-smugling ind og ud af celler skal være meget koordineret. Autofagi virker i forbindelse med endocytose og exocytose, som begge bidrager til omsætningen af ​​beskadigede intracellulære bestanddele ved hjælp af lysosomal fusion og fordøjelse. Autofagi involverer mærkning af defekte cellulære organeller og proteinaggregater til nedbrydning, efterfulgt af samling af en autofagisk struktur til at transportere last til fusion med lysosomer for at nedbryde beskadigede proteiner og organeller til genanvendelse af aminosyrer og lipider eller bortskaffelse. Det er en meget dynamisk proces, der er afgørende for at opretholde cellulær homeostase og funktioner. Dysregulering af autofagi er blevet forbundet med aldring og patologiske neurodegenerative sygdomme, herunderAlzheimers sygdom. Selvom det er velkendt, at ATP-niveauer falder med alderen under patologiske forhold [60], er aldersrelaterede ændringer i GTP-niveauer dårligt belyst.

Autofagi-induktion er afhængig af ADP/ATP-balance. Nedsat ATP-produktion stimulerer AMP-aktiveret proteinkinase (AMPK), og stimulering af AMPK inaktiverer mTOR. AMPK øger autofagi ikke kun indirekte gennem inaktivering af mTOR, men også direkte gennem phosphorylering af Unc-51-lignende kinase 1(Ulk1), som er det molekylære mål for mTOR i det autofagiske maskineri [61].

GTP-udtømning kan påvirke autofagi ved aldring og AD

Post-mortem analyse af AD-patienter indikerer en akkumulering af autofagosomer og andre lysosomale autofagiske vakuoler i dystrofiske neuritter og synaptiske terminaler, som er neuropatologiske kendetegn ved AD [62]. Opregulering af autofagosomer i hippocampus CA1 pyramidale neuroner er relateret til ændringer i ekspressionen af ​​autofagi-relaterede gener (ATG3, ATG5, ATG12, ULK1 og PIK3C3/VPS34) og proteiner (LC3B-II og LC3B I) i tidlige AD-stadier [63 ]. Disse fakta tyder på, at AD er forbundet med ændringer i handelen med autophagosomer.

Autophagy-dysregulering forekommer i både AD-patienter og dyremodeller. Akkumulering af store mængder autofagiske vakuoler i neuronale dendritter forekommer i PS1/APP dobbelt transgene mus og vises selv før A plaques [64]. Tilsvarende blev umodne autofagiske vesikler i axoner observeret i hippocampale neuroner fra AD-mus, langt før synaptisk og neuronalt tab (Cat aldo et al., 2004 [44, 65, 66]. Tau-aggregater nedbrydes også gennem autofagi-vejen [67, 68]. Vildtype-presenilingen 1 (PS1) fungerer som en ligand af v-ATPase V0a1-underenheden, der regulerer fordelingen af ​​v-ATPase-underenheder til lysosomer til forsuring. Intracellulært A binder til v- ATPase og hæmmer forsuring [69] Mutation i PS1 bidrager således til dysreguleringen af ​​autofagi-lysosom nedbrydningssystemet [70] Den største genetiske risikofaktor for sporadisk AD, Apolipoprotein E4 (ApoE4), bidrager også til induktion af autofagi vha. lysosomal lækage [71] som fører til nedsat endolysosomal trafficking, forstyrrelse af synaptisk homeostase og reduceret amyloid clearance. Alt i alt tyder dette på, at den defekte autophagy-lysosom proteolyse pathway kan være ansvarlig for akkumuleringen af ​​patogene proteiner såsom A og tau i AD. En betinget knockout af et gen, der er nødvendigt for autophagosomdannelse, Atg7fox/ræv, krydset med APP23 transgene mus, indikerede, at nedsat autofagi-mangel fremmede A-akkumulering i CA1 og kortikale pyramidale neuroner, samt en drastisk reduktion i den ekstracellulære A-plakbyrde og hæmning af A-sekret [72]. Denne observation tyder på, at ændringer i autophagosomdannelse undgår korrekt A-behandling, der kan føre til en afvigende ophobning i somaen [27]. En akkumulering er også blevet observeret i cis- og transfladen af ​​Golgi-vesiklerne i det sene Golgi-apparat, hvilket indikerer, at denne organel også kunne producere funktionelle ændringer, der hæmmer den korrekte dannelse af fagophoren [73]. Understøtter denne antagelse, forbinder den lille GTPase Rab2 Golgi-netværket til autophagy pathway-maskineriet [74]. Rab2 deltager i dannelsen af ​​fagophorer ved yderligere at rekruttere og aktivere Ulk1. Rab2 interagerer med Rubcnl og Stx17 (et autophagosomalt SNARE-protein) for yderligere at specificere rekrutteringen af ​​HOPS-komplekset for at lette autophagosommodning og fusion med lysosomer [74].

Et andet medlem af Ras-superfamilien af ​​små GTPaser involveret i vesikeldannelse er ADP-ribosyleringsfaktoren (Arf). Arf GTPase deltager hovedsageligt i spireprocessen i Golgi-komplekset, rekruttering af pelsproteiner under vesikeldannelse til membranhandel. Arf GTPase er involveret i kontrollen af ​​APP-handel gennem MINTs-proteiner, afgørende komponenter for fusionen af ​​synaptiske vesikler. MINT-proteiner binder direkte til Arf GTPaser og co-lokaliserer med APP-holdige vesikler til regioner af Golgi/trans-Golgi-netværket (TGN), med intracellulære APP-niveauer proportionale med MINT-niveauer [75]. Nedbrydningen af ​​Arf1 reducerede sekretionen af ​​amyloidpeptider [76], hvilket tyder på virkningen af ​​fejl i Arf1-funktionen på handelen med APP, som kunne konvergere i intracellulær akkumulering (fig. 5).

Dysregulering af forskellige Rab-proteiner bidrager også til AD-patologi. Rab1-dysregulering inducerer fragmentering af Golgi-apparatet, som udløser hyperphosphorylering af tau ved aktivering af cdk5 og ERK1/2 [77, 78]. En defekt i Rab6 kan påvirke udskillelsen af ​​APP i

Fig. 5 Autofagi kræver deltagelse af flere små GTPaser. I initieringsfasen rekrutterer og aktiverer Rab2 ULK1 i fagophordannelsen, mens Rab9a og Rab8b deltager i autophagosommodning. Arf deltager i knopskydning i Golgi-komplekset og rekruttering af pelsproteiner under vesikeldannelse. Rab1 deltager i den tovejs vesikulære transportvej mellem det endoplasmatiske retikulum (ER) og Golgi-apparatet. Sar1 GTPase er involveret i den COPII-medierede transport som udgangsruten for APP'en, når dens endelige konformation er nået. Rab6 er bosat i TGN og deltager i retrograd transport fra Golgi til ER og har været forbundet med reguleringen af ​​vesikulær transport og behandling af APP. Rab11 styrer endosomgenanvendelsen til plasmamembranen. Forstyrrelser i vesikulær eksport, der indeholder APP-BACE, kan forårsage en ophobning af exosomer. Arl8 regulerer transporten og lysosomal fusion via mikrotubuli langs neuronmediet, hvilket fører til ændringer i sekretionshastigheden, hvilket kan fremme ændringer i den anterograde handel med APP, hvilket fører til intracellulær akkumulering. Under støtte til intracellulær akkumulering identificerede en exom-sekventeringsanalyse Rab11A/B som en komponent i sen-debut AD-risiko. Rab11 styrer endosomgenanvendelsen til plasmamembranen. Silencing Rab11A/B i primære neuroner isoleret fra APP-transgene mus reducerede A-niveauer i supernatanterne opsamlet og analyseret ved elektrokemiluminescens (ECL) [79]. Disse data tyder på, at akkumuleringen af ​​A også kunne genereres af fejl i eksporten af ​​APP-holdige vesikler, som kunne give plads til spaltning af sekretasen i den vesikulære membran [27] (fig. 1B). Da dannelsen af ​​de APP-holdige vesikler og dannelsen af ​​fagophoren involverer en korrekt funktion af ER-Golgi drevet af små GTPaser, ville underskud i GTP-niveauer forårsage forstyrrelser i pakningen af ​​APP, der kunne kompromittere dets sekretion og fremme intracellulær akkumulering .

Disse forhold mellem autofagi og akkumulering af intracellulær A understøttes af et aldersrelateret kolokaliseringssignal mellem den p62-rettede dannelse af autophagosom og A-former observeret i primære dyrkede hippocampale neuroner fra voksne 3xTg-AD-mus [27] og i APP23-transgene mus med Atg7-rævemus [73]. En anden interessant kendsgerning er, at der ikke blev observeret noget signal om aggregater i autofagi, der er positivt for cathepsin D [27]. Disse data kan indikere dysfunktion i tidligere trin i autofagi eller i lysosomal funktion i AD model neuroner (fig. 6) [26].

GTP-regulering i CMA i AD

I stedet for organeller nedbryder CMA små molekyler i eukaryote celler induceret af langvarig sult eller mild oxidativ stress. CMA er blevet foreslået reguleret af GTP-niveauer [80]. Denne regulering involverer deltagelse af det mellemliggende filament gliale fibrillære sure protein (GFAP) og forlængelsesfaktoren -1 alfa (EF1) [46, 81]. GFAP er til stede i to forskellige pools ved den lysosomale membran, en del bundet til LAMP-2A og en anden ubundet form, der interagerer med EF1. De tre KFERQ-motiver i Hsc70-chaperonen dirigerer den til lysosomale membraner, hvor den interagerer med proteinkompleks LAMP-2A og stabiliserer translokationen af ​​CMA-last ind i det lysosomale lumen. Den del af GFAP, der ikke er bundet til LAMP-2A, bidrager til GTP-regulering. I nærvær af GTP frigives EF1 fra GFAP ved den lysosomale membran, hvilket fremmer dissociationen mellem GFAP og LAMP-2A, mobiliserer LAMP-2A til lipidmikrodomænerne for dets nedbrydning og efterfølgende CMA-hæmning [ 81]. Fejl i LAMP2A kompleks tæthed på lysosommembranen er også forbundet med aldring, hvilket også fører til et fald i CMA funktion [82] (fig. 4B)

Endnu en form for pattedyrs autophagosombiogenese fungerer gennem en gådefuld ikke-kanonisk VPS34-uafhængig vej. Phosphoinositides (PI'er) definerer membranidentiteten og kontrollerer adskillige hændelser for membranhandel. Phosphatidylinositol 5-kinase (PIKfyve) omdanner endosom-lokaliseret phosphatidylinositol-3-phosphat (PI(3)P) til PI(3,5) P2, en nøgleregulator for tidlig til sen endosommembranhandel [83] . Yderligere er PIKfyve-komplekset også ansvarlig for produktionen af ​​PI(5)P fra PI'er og regulerer autophagosomdannelse. PI(5) P regulerer autofagi via PI(3)P-effektorer (rekruttering af WIPI2- og DFCP1-proteiner), som giver en mekanistisk ramme for denne alternative autofagi-vej. PI(5)P bruges af phosphatidylinositol 5-phosphat 4-kinase (PI5P4K), der regulerer PI(5)P-niveauer ved hjælp af GTP frem for ATP til PI(5)P-phosphorylering for at opnå PI(4, 5) P2 som et slutprodukt, der regulerer actin cytoskelet remodeling [84]. De fandt, at PI(3,5)P2 har en lav affinitet for cofilin, som adskiller actinfilamenter, og en høj affinitet for N-WASP, som aktiverer Arp2/3-komplekset for at initiere actinkernedannelse for at transportere endocytiske vesikler fra plasmamembranen. PI5P4K-aktivitet foreslås at afspejle ændringer i direkte forhold til fysiologisk GTP-koncentration, der fungerer som en intracellulær GTP-sensor [85]. I celler, der mangler PI3P (lav PI(3,5)P2) med låst VPS34, opretholder PIKfyve-komplekset autofagi gennem brug af PI5P [85]. Disse data indikerer, at PIKfyve har en central rolle i moduleringen af ​​autofagi. Nedsat PIKfyve-funktion driver dannelsen af ​​hævede vakuoler, der er let synlige ved lav forstørrelse i levende celler [86]. Det intracellulære domæne af APP binder Vac14-underenheden af ​​PIKfyve-komplekset, hvilket påvirker PI(3,5)P2-produktion [87]. PI(3,5)P2 binder og aktiverer den endolysosomale TRPML-kanal [88]. De fandt forstørrede vakuoler i musefibroblaster med mangel på PI(3,5) P2-, der blev undertrykt ved overekspression af sund TRPML1-kanal. TRPML-ledningsevne og lysosomal forsuring var svækket [89].

Afhængighed af mitokondriel fission og fusion af GTP

Udover at give ATP gennem oxidativ phosphorylering, giver mitokondrier også GTP fra NME4 og dets nukleosid-diphosphatkinaseaktivitet [8]. Denne mitokondrielle energiforsyning er essentiel for generering af synaptiske vesikler til frigivelse ved axonterminaler såvel som for vesikulær genbrug ved synapser. Synaptisk tab i AD kan være forårsaget af tab af bioenergetisk kapacitet til at opretholde disse væsentlige processer. Derfor bestemmer antallet og lokaliseringen af ​​mitokondrier til synapser sandsynligvis den energiske kapacitet for endocytose og exocytose. Mitokondriel dynamik balancerer fint fission og fusion styret af Drp1 og Fis1, Mf1, Mfn2 og Opa1 [90, 91] (fig. 7). ATP-konvertering til GTP er lokalt styret af lokaliserede nukleosid-diphosphatkinaser (NDPK'er) fra NME-generne 1-4 [51]. NME1 og 2 (nogle gange kaldet NM23 H1 og H2) er overvejende cytosoliske, mens NME3 og 4 (NM23 H3, H4) er mitokondrielle. De mitokondrielle NDPK'er kompleks med specifikke dynamin GTPaser for at kanalisere GTP direkte fra ATP hydrolyse [16]. Balancen af ​​mitokondrier fission og fusion er følsom over for redox ubalance. Enten endogen eller eksogen anvendelse af ROS aktiverer mitokondriel fission, hvilket inducerer mitokondriel fragmentering og efterfølgende mitokondriel dysfunktion [90]. Dette fører til yderligere ROS-overproduktion og en ond cirkel, der forstærker oxidativt stress og i sidste ende forårsager en oxidativ ubalance i AD [92]. Fission reguleres af dynamin GTPaserne Drp1 og Fis1 med Km'er omkring 100 μM [51]. De polymeriserer og sammentrækker rørformede membraner ligesom endocytose. Fis1 er lokaliseret i den ydre mitokondriemembran [90, 93, 94].

Fig. 7 GTP-afhængig mitokondriel dynamisk morfologi af fission og fusion. Venstre fusionspanel: Dynamin-relateret protein-1 (Drp1) udfører mitokondriel fission ved at selvpolymerisere omkring den ydre mitokondrielle membran og indsnævre og adskille begge membraner i en proces afhængig af GTP-hydrolyse. Højre fusionspanel: Mitofusin-1 og -2 (MTF1/2) binder de tilstødende ydre mitokondrielle membraner i en proces afhængig af GTP-hydrolyse. OPA1 muliggør indre mitokondriermembranfusion ved hjælp af lokal GTP leveret af NME4. Røde stiplede pile angiver organellens forskydning.

Fusion styres af tre GTPase-proteiner: Opa1, placeret i den indre mitokondriemembran, og Mfn1 og Mfn2, placeret i den ydre mitokondriemembran. Opa1 GTPase med en Km omkring 500 μM ville kræve rigelige niveauer af GTP for at polymerisere og mekanisere mitokondriel membranfusion i rør [51].

hypoxi, energetisk stress og øget oxideret redoxtilstand. Øget oxidativ stress og forhøjede ROS-niveauer forårsagede fragmentering af mitokondrier og induktion af DRP1 fissionsafhængig mitofagi i muse- og HeLa-celler. Dette resulterede ikke i celledød og autofagi, fordi moderate niveauer af ROS ikke var tilstrækkelige til at udløse ikke-selektiv autofagi [95]. Faktisk kan denne mitofagi hæmmes af N-acetyl-l-cystein gennem brændstof til glutathionpuljen og mulig virkning på Atg4. Et fald i glutathionpuljen inducerede også mitofagi, men ikke generel autofagi. Omvendt hæmmede tilføjelsen af ​​en cellegennemtrængelig form af glutathion mitofagi [96]. En oxidativ redoxtilstand fremmer således målselektiv fjernelse af dysfunktionelle mitokondrier. Dette tyder også på integration af redoxbalance og energiniveauer for at maksimere sund mitokondriefunktion og kontrollere omsætningen af ​​beskadigede mitokondrier.

Nedsættelse af fusion og fission har været impliceret i AD. I en musemodel interagerer A med fs-sionsproteinet Drp1, med en efterfølgende stigning i fri radikal produktion, som yderligere aktiverer Drp1 og Fis1, hvilket forårsager overdreven mitokondrierfragmentering, defekt transport af mitokondrier til synapser, lavere synaptisk ATP og i sidste ende fører til synaptisk dysfunktion [97]. p-tau interagerer også med Drp1 og øger GTPase Drp1 enzymaktivitet, hvilket fører til overdreven fragmentering af mitokondrier og mitokondriel dysfunktion i AD [98]. Et Drp1 S-nitrosyleringsaddukt (SNO-Drp1) stimulerede yderligere dets aktivitet og førte til overdreven mitokondriel fragmentering og synapsetab [99].

Nedsat lysosomal funktion i AD forårsaget af aldersrelateret energiudtømning

Lysosomal fordøjelse af autofagisk last er det sidste trin for fuldførelsen af ​​autofagi. Derfor skal lysosomer opretholde deres sure miljø for pH-baseret nedbrydning af last af syreaktiverede peptidaser, lipaser, nukleaser og glycosidaser. Til lysosomal forsuring udføres tilstrømningen af ​​protoner af både v-ATPase, en ATP-afhængig protonpumpe og chloridprotonantiportere, mens kationeflux medieres af transportører TPC og TRPML, som også er involveret i pH-balancen [ 100]. Presenilin-1 (PS1) regulerer fordelingen af ​​v-ATPase-underenheder i lysosomer, der fungerer som en ligand af v-ATPase V0a1-underenheden og opretholder lysosomal homeostase via TRPML1 [69]. PS1-mutationer er blevet forbundet med lav lysosomal forsuring, dysregulering af autofagi-lysosom-nedbrydningssystemet og patogenesen af ​​tidligt debuterende AD [26].

Arl8 (et Arf-lignende G-protein) er en lille GTPase placeret på lysosomer, der fungerer som en linker mellem lysosomer og kinesin-1 for at lette lysosomal trafik langs axoner (fig. 8B) [101]. Arl8b fungerer også som en switch til at regulere associationen af ​​HOPS-komplekset med den lysosomale membran [102]. Afbrydelse af Arl8b-funktionen forårsager unormal akkumulering af kolesterol i lysosomers membraner, hvilket fører til nedsat aksonal lysosomhandel og fører til autofagisk stress og aksonal autophagosomakkumulering [103]. Derudover reddede forhøjet Arl8b-ekspression lysosomtransport ind i axoner og autofagisk stress. Overekspression af Arl8 stimulerede også lysosomers bidirektionelle motilitet på mikrotubuli ved at binde til kinesin-1-linkeren SKIP for at forbinde kinesind og kraftmotilitet [104]. SKIP krævede Arl8 i sin aktive GTP-bundne tilstand til binding. Imidlertid forårsagede overekspression af Arl8b også en slående alkalinisering af lysosomer og bevægelse mod celleperiferien versus en mere ensartet fordeling af lysosomer i hele cytoplasmaet [105]. En proteomisk undersøgelse i humant væv rapporterede berigelsen af ​​Arl8b i amyloide plaques [106]. Disse data tyder på, at ændringer i ekspressionen eller funktionen af ​​Arl8 påvirker fusionen af ​​lysosomet med autofagen eller det sene endosom, hvilket kunne have implikationer i autophagosomakkumulering observeret i AD. Da dannelsen af ​​sekretoriske vesikler leveret til plasmamembranen er en GTP-afhængig proces, der kræver Arf og Rab GTPaser, kan defekter i GTP-niveauer kompromittere korrekt vesikulær trafficking.

Lysosombiogenese reguleres af mTORC1 og transkriptionsfaktoren EB (TFEB), der skaber et reversibelt signalkompleks på lysosomoverfladen. mTORC1 phosphorylerer TFEB på Ser211, hvilket driver og muliggør derved TFEB-transport til kernen for at opregulere v-ATPase-ekspression og andre gener involveret i lysosombiogenese og autophagosomdannelse [107, 108]. Tilføjelsen af ​​A til mikrogliaceller sænker TFEB i kernen og forringer behandlingen af ​​A [109]. Denne regulering af mTORC1 er igen understøttet af små GTPaser, herunder Rheb og Rag, aminosyre-sansende komponenter inkluderet i multiprotein-signalkompleksregulatoren, der fungerer som en aktivator af mTORC1 [110]. Da lysosomal forsuring kræver ATP for V-ATPase-funktion og GTP for GTPase-medieret regulering af TORC1, antager vi, at energiudtømning på grund af aldring eller AD-lignende patologiske tilstande direkte forringer lysosomal funktion. I betragtning af, at lysosomal forsuring involverer en næringsindtag-medieret regulatorisk interaktion mellem v-ATPase og TORC1 via TFEB, kan cyklusser af faste og næringsstofforbrug gavne lysosomal funktion i AD [111], mens hyppigt sukkerforbrug kan svække funktionen. Forringede lysosomer kan føre til akkumulering af autofagosomer fulde af beskadigede mitokondrier og beriget med A-aggregater, der ikke er i stand til at blive nedbrudt. Da autofagi udfører udskiftning af beskadigede eller ældede organeller, påvirkes dens vedligeholdelse af metaboliske ændringer på grund af alder. Aldersrelaterede metaboliske skift og svækkede lysosomer kan føre til akkumulering af metaboliske skift, såsom energiudtømning og/eller oxidative redox-skift. GTP-niveauer kan således være lavere i lavaktiv stillesiddende livsstil, hvilket ville føre til ineffektive veje for GTP-afhængige proteinnedbrydning med alderen. Disse observationer tyder stærkt på en sammenhæng mellem ændringer i modningsprocessen af ​​autophagosomet og de metaboliske mangler, der opstår med sygdommens progression og aldring. Yderligere kan afvigende A-akkumulering være konsekvensen af ​​opstrøms mangler i GTP, der hæmmer autofagisk behandling af A og tau, muligvis tidligere end samlet amyloidsekretion, inflammation og plakopbygning.

Fig. 8 Dynamisk ustabilitet af mikrotubuli forbundet med GTP. GTP-molekyler binder til E-site og N-site på / heterodimere tubuliner. GTP på E-stedet hydrolyseres til at blive GDP- -tubulin og ombyttes til en ny GTP-bundet heterodimer / for at samle underenheder. Heterodimerer tilsættes til det voksende mikrotubuli-gitter til polymerisering, der danner et nyt lag af GTP-heterodimerer kendt som en GTP-cap. Depolymerisering sker, når heterodimerer forlader det krympende mikrotubuli-gitter. Hyperphosphorylering af det mikrotubuli-associerede protein, tau fremmer neurofibrillær tangle (NFT) dannelse og mikrotubuli destabilisering. Overgangen fra en voksende tilstand til en katastrofal krympende tilstand. B Endolysosomdannelse kræver, at lysosomer bevæger sig langs mikrotubulusspor i positiv retning, mens sene endosomer bevæger sig i negativ retning. Det lysosomale multiproteinkompleks BORC (ikke vist) aktiverer den lille GTPase Arl8 for at engagere kinesin-drevet plus-ende-transport. Til minus-ende transport rekrutterer den Rab7- GTP-bundne tilstand det Rab-interagerende lysosomale protein (RILP) og det cytosoliske oxysterol-bindende protein-relaterede protein 1 (ORP1L), der danner dynein-dynactin-komplekset. NFT-dannelse forstyrrer vesikulær trafik langs mikrotubuli.

Spørg for mere:

E-mail:wallence.suen@wecistanche.com

Whatsapp/Tlf: plus 86 15292862950

BUTIK

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