GTP orkufíkn innfrumna og sjálfsáfalls í öldruðum heila og Alzheimerssjúkdómi

Ágrip

Aukinn áhugi á öldrun ogAlzheimer-sjúkdómur(AD)-tengd skerðing í sjálfsát í heila vekur mikilvægar spurningar um stjórnun og meðferð. Þar sem mörg skref í innfrumumyndun og sjálfsát eru háð GTPösum, þarf nýjar mælingar á GTP-gildum frumna til aðmeta orkustjórnun í öldrun og AD. Nýleg þróun hlutfallsmælinga GTP skynjara (GEVALS) og niðurstöður um að GTP gildi séu ekki einsleit inni í frumum hækkarný mál um reglugerð um GTPasaaf staðbundnu framboði á GTP. Í þessari umfjöllun leggjum við áherslu áumbrot GTPí tengslum við Rab GTPasa sem taka þátt í myndun snemmbúna endósóma, seint endosóma og lýsósóma flutnings til að framkvæma sjálfsát niðurbrot á skemmdum farmi. Sérstakir GTPasar stjórna stórsjálfvirkni (hvartvefsáhrifum), örsjálfvirkni og sjálfsáhrifum (chaperone-mediated autophagy) (CMA). Með ályktun myndu staðbundin GTP stig stjórna sjálfsáhrifum, ef ekki umfram. Viðbótarstig stjórnunar er sett af redox ástandi frumunnar, þar með talið þátttöku þíóredoxíns. Í þessari endurskoðun leggjum við áherslu áaldurstengdar breytingarþað gætistuðla að halla í GTP og AD. Við ályktum með horfur á að auka GTP gildi og snúa við aldurstengdum oxunarbreytingum til að endurheimta sjálfsát. Þess vegna gæti GTP-magn stjórnað þeim fjölmörgu GTPasa sem taka þátt í frumufrumumyndun, sjálfsát og verslun með bláæðar. Við öldrun gæti efnaskiptaaðlögun að kyrrsetu lífsstíl skert starfsemi hvatbera og myndað minni GTP og redoxorku fyrir heilbrigða stjórnun á amyloid ogtau proteostasis, synaptic virkni, ogbólga.

Leitarorð GTP · Orkufræði · Autophagy · Mitophagy ·Endocytosis· Lýsósóm ·Alzheimer · Öldrun

Smelltu hér til að fá Herbal Cistanhe fyrir sjúkdóminn gegn Alzheimer

GTP, hinn orkugjaldmiðillinn, í öldrun og AD

Nýmyndun háorkusameindanna ATP og GTP treysta báðar á afoxunarástandi NAD plús /NADH og nægjanlegum styrk þeirra. ATP nýmyndun úr glýkólýsu er fyrst og fremst knúin áfram af oxunarkrafti NAD auk þess sem verkar á að draga úr sykri. ATP nýmyndun með oxandi fosfórun í hvatberum er knúin áfram af NADH myndun í TCA hringrásinni til að draga úr pýruvati, glýseróli eða fitusýrum með súrefni sem enda rafeindaviðtakann í rafeindaflutningskeðjunni. Merkingarlausar rannsóknir okkar á lifandi rottum eða mús hippocampal taugafrumum benda til aldurstengdrar eyðingar á NAD og NADH, sem gæti skert nýmyndun ATP og GTP [1-4]. Þessi eyðing var enn versnuð í taugafrumum frá músum sem báru transgen fyrir beta-amyloid og tau úr mönnum. Ennfremur benti greining á TCA hringrás ensímum eftir slátrun allt að 40 prósenta skerðingu á TCA hringrás ensímum frá AD heila samanborið við aldurssamsett viðmið [5]. Þannig gæti aldurstengd orkuþurrkun á NAD plús og NADH ofan á AD-tengda hvatberaskerðingu í virkni TCA ensíma haft staðbundið áhrif á ATP og GTP gildi, jafnvel þótt magnstyrkur þeirra væri fyrir lítil áhrif.

Orkan sem er tiltæk frá GTP vatnsrofi er sú sama og ATP vatnsrof, en GTP er nýtt í öðrum tilgangi en ATP vegna sértækrar ensíma. Styrkur GTP í frumum er að meðaltali tífalt lægri en millimól ATP. GTP er aðal eftirlitsaðili margra orkuháðra frumuferla próteinamyndunar og vesicular mansals sem felur í sér innfrumumyndun og sjálfsát. Áætlaður heildarþéttni GTP frumna í spendýrafrumum er á bilinu 250–700 μM [6], en frítt GTP í útskotum krabbameinsfrumna er nær 30 μM [7]. Helstu prótein knúin af GTP eru dínamín fyrir himnuklofnun og samruna, litlu stjórnandi GTPasana og örpíplar eins og lýst er hér að neðan. Fyrir utan nýmyndun úr inósíni með IDMPH2 og xanthosíni með GMPS, eru frumuuppsprettur GTP fyrst og fremst staðbundnir núkleósíð tvífosfat kínasar (NDPK) frá genum sem ekki eru meinvörpuð (NME; stundum kallað NM23) sem breyta ATP í GTP [8]. Það eru að minnsta kosti tíu meðlimir NME genafjölskyldunnar en aðeins fyrstu fjórir hafa núkleósíð tvífosfat kínasavirkni. Samkvæmt Allen Brain Atlas koma NME1 til 4 sterkt og sértækt fram í músum og hippocampus manna þar sem minnið er skert í AD. NME1–3 eru umfrymi, en NME4 er hvatbera. Þar sem bæði mismunandi ferli innfrumumyndunar og sjálfsáfalls eru fyrir áhrifum við öldrun og AD, höldum við því fram að breytingar andstreymis hafi áhrif á bæði, hugsanlega aldur og AD-tengda afleiðingu þess að takmarka GTP gildi á þessum amyloid mikilvægum aðgerðum.

Mæling á GTP stigum

Þrátt fyrir að GTP stýri nokkrum mikilvægum ferlum fyrir lifun frumna, er erfitt að mæla GTP gildi í lifandi frumu við lífeðlisfræðilegar og meinafræðilegar aðstæður vegna mikillar veltu og tilvistar bæði próteinbundins og frjálss ástands. Bianchi-Smira glia o.fl. [9] lýsti nýjum erfðakóðaðan GTP skynjara (GEVAL) sem byggir á gulu flúrljómandi próteini sem greinir hlutfallslegar breytingar á GTP-fríum og GTP-bundnum styrk in vitro og in vivo. Nýlega greindi sami hópur frá kerfi til að stjórna GTPase Rac1 við frumuinnrás af sortuæxlisfrumulínu úr mönnum sem knúin er áfram af staðbundinni GTP framleiðslu [7] og fór yfir aðferðafræði þeirra [10]. Eins og við munum sjá í þessari umfjöllun gegnir GTP mikilvægu hlutverki við innfrumumyndun og sjálfsát sem tengist amyloid vinnslu. Eins og er erum við að rannsaka aldurstengdar GTP breytingar á vinnslu A í frumræktun hippocampus taugafrumna frá þrefaldri erfðabreyttu 3xTg-AD músinni og áhrif þess á breytingar á sjálfsát. Mynd 1 sýnir bráðabirgðaniðurstöður GEVAL530 umbreytingar í aðal fullorðna taugafrumur úr þessu AD músamódeli samanborið við óerfðabreyttar mústaugafrumur. Eins og fram kom hjá Bianchi-Smiraglia o.fl. [7], sjáum við ósamræmda dreifingu GTP í ferlum og brúnum sema þegar laust GTP er mælt (Mynd 1Aa), með lægri ókeypis GTP stigum í 3xTg-AD taugafrumum (Mynd 1Ac). Eins og lýst er í kafla 10, hækkaði formeðhöndlun þessara taugafrumna með NAD plús-forvera, nikótínamíði, frjálsa GTP gildin (mynd 1Ab, d). 530-µM Kd fyrir GEVAL530 sem notaður var í þessum tilraunum bendir til þess að staðbundinn styrkur frjáls GTP sé innan við nokkurfalt 530 µM. Á mynd 1B skoðuðum við bundið GTP sem virðist vera staðbundið í blöðrum og aukið með nikótínamíði (mynd 1Bf, h), sérstaklega í 3xTg AD taugafrumum. Bráðabirgðavísbendingar benda til þess að taugafrumum sem meðhöndlaðir eru með NME1 siRNA lækki magn þeirra ókeypis GTP (Santana Martinez, óbirt). Frekari rannsóknir á fullorðnum taugafrumum yfir aldursrófið munu ákvarða aldursháð GTP-skort og getu til að bæta úr þeim með NAD plús -forverum. Með hliðsjón af mikilvægu hlutverki GTP í vesicular mansalsferlum innfrumumyndunar og autophagy og þessar bráðabirgðavísbendingar um breytingar á GTP með AD-líkum erfðum, veita eftirfarandi kaflar upplýsingar um þessa ferla og áhrif öldrunar og Alzheimerssjúkdóms á þá. Niðurstaða þessarar endurskoðunar lýsir þörfinni fyrir nýjar aðferðir eins og GEVAL rannsaka til að mæla beint breytingar á bundnu og lausu GTP og heildarstyrk GTP.

Mynd 1 Hlutfallsmælingar á GTP-mælingum í frumum hippocampal-taugafrumum músa frá miðaldra músum sem hafa verið sýktar með GEVAL530 skynjara Falslitaðar pixla-fyrir-pixla hlutfallsmælingar af taugafrumum sýna ójafna dreifingu GTP. (a) Of mikið af lausu-GTP/bundnu-GTP miðaldra (14 mán.) óerfðafræðilegs (NTg) á brúnum og apical dendrite samanborið við (c) miðaldra (10 mán.) 3xTg-AD taugafrumu. (b, d) Aukning á frjálsu GTP í taugafrumum sem eru meðhöndlaðir með 2 mM nikótínamíði um 24 klst. (e, g) Ómeðhöndlaðar taugafrumur sýna blöðrubundið GTP sem er aukið í (f, h) taugafrumum sem eru meðhöndlaðir með 2 mM nikótínamíði um 24 klst.

Endocytosis: GTP-háð öldrun og AD

Í frumufrumuferlinu innbyrðir fruman stórsameindir og bindilbundna viðtaka og yfirborðsprótein þar á meðal amyloid forveraprótein (APP) [11] (Mynd 2A). Af tveimur helstu innfrumuleiðum á sér stað upptaka APP í plasmahimnunni að mestu leyti með clathrin-miðlaðri upptöku (Mynd 2B.1) frekar en caveola-miðlað frá cholesterólríkum blettum (Mynd 2B.2). Hins vegar, vatnsfælin A, skiptast í kólesterólríka bletti af lípíðflekum í plasmahimnunni með síðari upptöku með caveola leiðinni [12] (Mynd 2B.2). Í báðum tilfellum safnast dínamín GTPase fléttur saman við inndælingu til að hvetja GTP-háða himnubeygju fyrir endanlegan samruna og losun þroskaðra blaðra úr plasmahimnunni [13-15]. Staðbundin GTP eldsneyti er hvatað af NME1 og 2 núkleótíð fosfat kínasa sem bindast dínamíni [16]. Snemma ákvörðun um Rab5 GTPase innkirtla í átt að frumufrumu og endurvinnslu viðtaka eða umbreytingu í seint innkirtla Rab7 GTPase fyrir niðurbrot.

Rab5 GTPasinn er talinn merki fyrir snemma innkirtla [17]. Rab5 prótein er til staðar í plasmahimnunni, í clathrinhúðuðum blöðrum og snemma innkirtla (mynd 2). Í frumu- og fy-líkönum af Huntington-sjúkdómi tekur Rab5 þátt í myndun sjálfsátfalla til að stjórna sjálfsát og útrýma eitruðu stökkbreyttu huntingtini [18]. Hömlun á Rab5 dregur úr sjálfsátstýrandi próteasa Atg5-Atg12 samtengingu, sem leiðir til minnkunar á sjálfsátsátsmyndun. Atg12-Atg5 samtengingin stuðlar að blóðfitumyndun Atg8 og fitubundið Atg8 auðveldar myndun sjálfsátsáts og sértækrar greiningar á farmi við sjálfsát [19].

Annar þáttur í Rab5-miðluðum sjálfsáhrifum er fosfatidýlinositól-3-kínasi (PI3K). PI3-kínasa flókið hamlar sjálfsát með því að virkja Akt/mTOR-merkjaferilinn [20]. P110 undireining PI3K fléttunnar stjórnar hvatavirkni Vps34 fléttunnar til að stuðla að PI3P myndun [21]. Þetta skref er nauðsynlegt fyrir myndun autophagosome. P110 stuðlar að breytingunni frá Rab5- GDP í ​​Rab5-GTP. P110 oftjáning dregur úr sjálfsátsskorti í kjölfar virkjunar á stórsameindafléttunni sem samanstendur af Rab5, Vps34 og Beclin1, sem aftur leiðir til myndunar sjálfsátáts [22]. Með því að miða á þessi sértæku prótein getur það skýrt meðferðarleiðir til að draga úr AD meinafræði.

Mynd 2 Endocytosis amyloid forverapróteinsins (APP). N-endahluti APP próteins með 770 leifum með grænum skyggingum á samloðun A krefst klofnunar með BACE og Gamma peptíðasa. B Endocytosis APP. (1) Myndun innra brumsins úr plasmahimnunni sem er skipulögð af clathrin með endopróteasa BACE og 훾-secretasa. Endocytosis studd af dínamíni fær staðbundið GTP af NME1. (2) Örlén auðguð í kólesteróli (lípíðflekar) binda APP unnið við A eða A sem aðsogast frá parenchyma. (3) Snemma innkirtla dregur til sín GTPase Rab5 sem er viðurkennt af öðrum GTPase, Rab11, til að miðla (4) endurvinnslu innfrumuviðtaka aftur til plasmahimnunnar. Að öðrum kosti, (5) Rab7 miðlar aðskilnaði snemma í seint innkirtla sem gerir frekari vinnslu á APP og uppsöfnun A . (6) Seint samruni innkirtla við (7) lýsósóm til að brjóta niður innihald. Sumt samansafnað A getur verið ónæmt fyrir meltingu og með truflun á innkirtla getur A safnast fyrir í frumunni.

Himnubundið Rab5 er lykilatriði í því að stuðla beint að Mon1-Ccz1-háðri Rab7 virkjun og Rab7-háðri himnusamruna [23]. Mon1-Ccz1 er heterodimeric guanine nucleotide exchange factor GEF-complex sem virkjar Rab5. Mán1-miðuð tilfærsla Rab5 GEF leiðir til tilfærslu Rab5 með Rab7. C-Vps flókið virkar sem GEF fyrir Rab7 og stuðlar að því að Rab7 flytur úr GDP-bundnu ástandi í GTP-bundið ástand fyrir Rab7 virkjun. Útfjólubláa geislunarviðnám-tengt gen (UVRAG) örvar Rab7 virkjun með UVRAG-C-Vps víxlverkun í gegnum GDP/GTP skipti á Rab7 [24]. Annar stjórnunarpunktur í sjálfsátferlinu er homotypic fusion and vacuole protein-sortering (HOPS) flókið sem virkjar ger vacuolar Ypt-Rab GTPase við himnusamruna [25]. Ein af 6 undireiningum HOPS fléttunnar er Class C vacuolar protein sorting (C-Vps) flókið sem inniheldur Vps11, Vps16, Vps18 og Vps33. Rab7 seint innfrumublöðrur renna síðan saman við lýsósóm fyrir niðurbrot farms (mynd 2).

Breytingar á Rab 5 og Rab 7 innkirtlaverslun í músalíkönum og AD

Í músalíkönum af AD með stökkbreytingar í amyloid forverapróteininu (APP) eða A-framleiðandi presenilíni virðist innkirtla-sjálffagósóm-lýsósóm-ferillinn vera óstýrður að hluta til vegna skertrar súrnunar lýsósóma sem tekst ekki að virkja próteasa og lípasa nægilega [26]. Í músalíkönum af AD merktu stórir kjarnahlutar sem innihalda A-samstæður með sjálfsfagósómamerkinu LC3 með Rab7 og síðbúnum innkirtla- og ljósósómahlutum. Þetta gæti stafað af misheppnuðum verndandi uppstillingu eða meinafræðilegri skerðingu. Í taugafrumum sem ræktaðar voru úr 3xTg-AD músum á aldursbilinu, fundum við að samansafn blöðru A eykst 30–50-falt með aldrinum, mest áberandi í Rab5-merktum snemma innkirtlum og hvatberum, en einnig innan Rab{{9} }merkt síð endosóm og autophagosomes [27]. Snjókúlulík uppsöfnun A 42 og A 45 bendir til þess að gamlar taugafrumur hafi ekki getað fullkomnað sjálfsát niðurbrot þessara lengri efna A . Við gerum ráð fyrir að skert orkuframleiðsla í gömlum taugafrumum takmarki orkugetu til að ljúka sjálfsát. Samanborið við magn í unga hippocampus og heilaberki, í 7–{16}}mánaða gömlum APP/PS1 mús hippocampus, lækkaði Rab7 gildi ásamt lækkun á Beclin1 og Rubicon virkjunum og aukningu á Rubicon hemli [28]. Í yngri hippocampus og á öllum aldri í heilaberki, virkjar Beclin1 Rab7, en Rubicon hindrar virkjun Rab7 með bælingu á UV geislunarþolstengdu genpróteini (UVRAG)-vacuolar protein sorting gen (Vps) samspili. Rab7 skortur á ger og ávaxtaflugum leiðir til gríðarlegrar uppsöfnunar á sjálfsátfrumum [29]. Rab7 niðursveifla óvirkjar einnig mTORC1/S6K1 og staðsetningu mTOR í seint innkirtla [30]. Athyglisvert er að hömlun á öðrum stigum innfrumusölu breytir ekki virkni mTORC1, sem bendir til þess að ósnortin síð innkirtla skipti sköpum fyrir mTORC1 merki í sjálfsát. Þetta er mikilvæg ástæða fyrir því að miða á mTOR gæti ekki hægja á öldrun eða AD.

Svæðisbundin uppstjórnun á Rab 5 og Rab7 próteinum og mRNA í AD, bendir til sértækra framlaga til meinafræði sjúkdóma eða ófullnægjandi verndarkerfi [31]. A safnast aðallega upp í Rab7-jákvæðum seint innkirtlum og sjálfsofnum lofttæmum taugafrumna [32] á aldurstengdan hátt [27] sem veldur innbyrðis A og síðari aukningu á Rab7 sem kallar á hrörnun taugafrumna [33]. Að hindra seint innfrumuferli með Rab7 bælingu veldur myndun háðs amyloid fibril á frumuyfirborði sem veldur stækkun innkirtla [34] sem leiðir til hraðari endurvinnslu á Rab7 og innfrumuflutningi á A til leysisóma til niðurbrots [35]. Hömlun á Iysoso mal próteólýsu getur einnig haft áhrif á axonal retrograde flutning autophagic frumfæra sem veldur AD-líkri axonal dystrophy [36]. Hins vegar gætu hagnýt inngrip til að stuðla að Rab7-miðluðum sjálfsáfalli seinkað eða snúið við framvindu AD. Dæmi eru breyting frá kyrrsetu yfir í hreyfingu, Miðjarðarhafsmataræði og orkueyðandi efnasambönd eins og NAD forefni til að búa til enduroxunarbreytingu [4] (kafli 10). Önnur leið er sú undarlega uppgötvun að gúanósín mónófosfat redúktasa 1 (NADPH-háð GMPR1) gildi eru aukin í AD heila sem gæti sjálft lækkað GTP gildi og aukið AMP boð [37]. Taugaflækjur af tau voru lækkaðar þegar þessi virkni var hindruð í AD músum.

Með versnun frá vægri vitsmunalegri skerðingu í AD, voru bæði Rab5 og Rab7 tjáning í endosomal uppstýrð í CA1 taugafrumum í hippocampal eins og mæld var með umritunar örfylki [31]. Stækkun Rab5-jákvæðra innkirtla tengdist taugatrefjaflækjum og amyloid útfellingu. Taugakerfisþættir eins og taugavaxtarþáttur (NGF) bindast Trk viðtökum þeirra og innlimast í Rab5-jákvæð innkirtla til að koma af stað niðurstreymisboðum [38]. Það er áhugavert að hafa í huga að merkjaendósómið er haldið sem Rab5 snemma innkirtla og fer ekki yfir í Rab7 seint innkirtla, meðan á flutningi þeirra stendur innan langra öxna [39]. Þessi munur aðgreinir viðtakamiðlaða boðsendingu frá innkirtlavinnslu í átt að sjálfsát [40]. Í kjölfar virkjunar með NGF, ræður TrkA Rab5‐GAP til að umbreyta GTP‐Rab5 fljótt í GDP‐Rab5 til að halda magni GTP-Rab5 í skefjum, sem kemur í veg fyrir að Rab5-Rab7 umbreytingin leiðir til hömlunar á NGF/TrkA merkjum og ótímabært niðurbrot.

Rab5 virkni er í hættu á fyrstu stigum AD [41]. Viðvarandi ofvirkjun á Rab5 ýtti undir innfrumuleiðina í átt að síðbúnum endósómum, samruna lýsósóma og sjálfsát sem leiddi til ótímabæra niðurbrots taugakerfisþáttar boðefna og rýrnunar í taugafrumum. Vps35 og Vps26, tvö lykil retromer prótein, voru einnig skert í AD heila [42]. Vps26 binst SorLA sem er flokkunarviðtaka sem stjórnar APP verslun frá innkirtla til Golgi. Minnkun á Vps retromer próteinum leiðir til óeðlilegs Vps-SorLA flóka sem hindrar APP verslun með hlíf APP uppsöfnun í innkirtlum þar sem það er háð beta-secretasa. Hins vegar, með því að líkja eftir APP fosfórun við S655, innan APP 653YTSI656 basolateral mótífsins, getur það aukið APP endurheimt í retromer-miðluðu ferli sem veldur minnkaðri APP lysosomal targeting og minnkaðri Abeta framleiðslu [43]. Aukning á APP og APP broti -CTF í fullri lengd getur aftur á móti hækkað Rab5 GTPase virkni sem veldur stækkun snemma innkirtla [44]. Athyglisvert er að taugafrumurýrnun framkallað af APP ‐CTFs gæti verið bjargað af ríkjandi neikvæðum Rab5 stökkbrigði bæði in vitro [39] og in vivo [45].

Nettó afleiðing öldrunar er eyðing seint innkirtla, seint innfrumuvandamál og skert samruna leysis. Í AD eykst innfrumumyndun A í stækkað Rab5 snemma innkirtla. Hlutverk Rab7 í AD hefur enn ekki verið skýrt með skýrum hætti þar sem sést hefur bæði snemmbúna uppstjórnun og seint niðurstjórnun Rab7 sem hefur áhrif á heilsu taugafrumna í báðar áttir. Eins og Bianchi-Smiraglia o.fl. [7], heildarfrumu-GTP sem er mældur í einsleitum hlutum leyfir ekki mat á ókeypis GTP sem er fáanlegt á staðnum fyrir Rab GTPasana. Ekki hefur verið greint frá ókeypis GTP-mælingum ennþá, svo hugsanlegt hlutverk þeirra í aldurs- og AD-tengdum skerðingum í innfrumumyndun er ókannað. Þess vegna verður mikilvægt að mæla frítt GTP í lifandi frumum og áhrif breytileika í fríu GTP á frumufrumu sem fall af aldri og AD módelum.

Biðja um meira:

Netfang:wallence.suen@wecistanche.com

Whatsapp/Sími: plús 86 15292862950

VERSLUN:

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