GTP energiberoende av endocytos och autofagi i den åldrande hjärnan och Alzheimers sjukdom Ⅱ

Vanliga GTPas-signaleringsvägar i autofagi: makroautofagi (mitofagi), mikroautofagi och CMA

GTPase-superfamiljen omfattar ett brett spektrum av proteiner som fungerar som molekylära switchar genom att binda och hydrolysera GTP-molekyler för tjudra, dockning och fusion av vesiklar till målmembran [46]. Förändringar i GTPase-funktionen är relaterade till förändringar i handeln med last [47]. Bytet mellan ett "aktivt" tillstånd (GTP-bundet GTPas) och ett "inaktivt" tillstånd (GDP-bundet GTPas) kräver en guanin-nukleotidutbytesfaktor (GEF) och GTPas-aktiverande protein (GAP) [48] (Fig. 3). , kallad Rab GEF/GAP-kaskaden [22]. För många GTPaser tros livslängden för det aktiverade, GTP-bundna tillståndet tjäna som en regulator vid bestämning av aktiveringstiden för en biologisk händelse såsom membranfusion och signaltransduktion. Den korrekta funktionen av GTPaserna kan emellertid också begränsas av en minskning av intracellulära GTP-nivåer. Autofagosombildning involverar Rab familjemedlemmar Rab1, Rab5, Rab7, Rab9A, Rab11, Rab23, Rab32 och Rab33B. Rab9 krävs i icke-kanonisk autofagi. Rab7, Rab8B och Rab24 har en nyckelroll i autofagosommognad. Rab8A och Rab25 är involverade i okända aspekter av autofagi [22]. Rab11 krävs för exocytos [49]. Sviktande autofagi är förknippat med flera ohälsosamma tillstånd som t.exmetabolisk stressoch aggregering av proteiner associerade med neurodegenerativa störningar inklusiveAlzheimers sjukdom. Rab8b har en nyckelroll i orkestreringen av autofagimognandeäven om dess nedströms effekt Tbk-1, direkt fosforylerar p62 vid Ser-403, en avgörande rest för den autofagiska funktionen hos p62 [50]. TBK -1 krävs också för cytokinesis-inducerad autofagisk eliminering av bakterier, medan Rab8 knockdown efter induktion av autofagi orsakade en minskning av fagosomer [50].

Fig. 3 Molekylär växling mellan GTPas-tillstånd. Små GTPases aktiva tillstånd (GTP-bundet) uppnås av nukleotidutbytesfaktor som katalyserar utbytet av GDP till GTP vilket resulterar i GTPas-aktivering. Active GTPase interagerar med flera sorters nedströmseffektorer för att modulera deras aktivitet. GTPase-aktiverande protein (GAP) inaktiverar de GTP-bundna proteinerna genom att öka deras aktivitet för GTP-hydrolys. Den BNP-bundna formen kan inte binda effektorer

Klicka här för att få Herbal Cistanche för att förbättra kognitiv funktion

Eftersom BNP är hårt bunden av Rab GTPaser och deras inneboende GTP-hydrolyshastigheter är låga trots deras höga affinitet 10−1–10−5 μM km [51], katalyserar Rab GEFs dissociationen av BNP. Rab GAPs underlättar hydrolysen av GTP. Båda regulatorerna är skyldiga att samordna den temporal-spatiala aktiviteten hos Rab GTPaser [52]. Aktiviteten hos Rab GTPaser, GEFs och GAPs är avgörande för transport och transport av autofagosomer för makroautofagi. Makroautofagi behöver strikt kontroll, och vissa Rab GAP:er verkar fungera i överlappande vägar. Till exempel, TBC-domäninnehållande proteiner, TBC1D14 och TBC1D15, koordinerar endosomal trafficking och autofagosomes biogenes. TBC1D5 är en Rab7 GAP som rekryteras till mitokondrier av protein FIS1 för att hantera Rab7 GTP-hydrolys, vilket även tillåter mitokondrier att reglera kontakten med lysosomer [53]. Eftersom mitokondrier-lysosomkontakter markerar platserna för Drp1-positiva mitokondriell fissionshändelser, leder förändringar i Rab7 GTP-hydrolysen till både onormal lysosomal morfologi och en markant reducerad frekvens av mitokondriell motilitet [53]. TBC1D2, som påverkar Rab7 GTPase och modulerar autofagosom-lysosomfusion, visade sig aktiveras av LRRK1 vid makroautofaginduktion [54].

Proteinfamiljen av små Rab GTPaser kontrollerar vesikeltransportvägar och säkerställer att vesikler transporteras till deras lämpliga målfack. Rab GTPaser interagerar med efektorproteiner såsom lastsorteringskomplex, motorproteiner och bindningsfaktorer, som krävs för vesikelknoppning, transport och fusion av olika intracellulära organeller. I däggdjursceller finns det tre primära typer av autofagi: makroautofagi, mikroautofagi och chaperonemedierad autofagi (CMA) (Fig. 4). Varje subtyp består av olika mekanismer för substratleverans till lysosomen; men resultatet är detsamma för dem alla, vilket kulminerar med leverans av last till lysosomen för nedbrytning och återvinning.

Makroautofagi av mitokondrier är den mest studerade och kallas vanligtvis mitofagi. Mitofagisignalering styrs huvudsakligen av Target of Rapamycin protein complex 1 (TORC1). Efter induktion av autofagi bildas ett sekvestrerande membran som kallas en fagofor (Fig. 4A). Fagoforen omsluter felveckade proteiner och/eller dysfunktionella organeller tills den är fullbordad till en hölje autofagosomen. Autofagosomen smälter sedan samman med lysosomen och överför den cytoplasmatiska lasten för hydrolys. Organellerna inuti lasten bryts sedan ned till aminosyror och enkla fettsyror och kolhydrater för frisättning till cytoplasman genom lysosomala/vakuolära membrangenomträngningar och återanvändning i biosyntes [55].

Fig. 4 Typer av autofagivägar som regleras av GTP A I makroautofagi (mitofagi) rekryterar ubiquitin (Ub)-märkta proteiner p62 för att interagera med LC3 för att bilda autofagosomer. Rab2 deltar i fagoforbildning, medan Rab8b och Rab9a deltar i autofagosommognad. Arl8 är beläget på lysosommembranet och anläggningar lysosomal trafficking. B I chaperonmedierad autofagi (CMA) binder substratproteiner till den monomera formen av LAMP -2A efter igenkänning av ett KFERQ-motiv av cytosoliskt Hsc70 chaperonkomplex. Utveckling av hela substratet krävs för dess translokering till ett multimert komplex med LAMP-2A. Det finns två pooler av GFAP i membranet av lysosomer: 1, under förhållanden med hög CMA-aktivitet, interagerar GFAP med LAMP-2A för att stabilisera komplexet som krävs för translokation av CMA-last på ett GTP-beroende sätt; 2 interagerar GFAP med EF1, medan GTP inducerar frisättningen av EF1 från GFAP, vilket hämmar CMA och främjar demonteringen av multimer LAMP-2AC I makroautofagi uppslukas autofagisk last av invaginationer av det lysosomala membranet för att fånga upp innehåll. I alla av dem sker återvinning efter lysosomal nedbrytning

CMA (Fig. 4B) använder inte membranstrukturer för att binda last utan använder istället chaperoner för att identifiera lastproteiner och translokera dem till det lysosomala membranet, medan mikroautofagi (Fig. 4C) använder invaginationer eller utsprång av det lysosomala membranet för att fånga och leverera autofagisk last till det lysosomala membranet [56, 57].

Reaktiva syrearter (ROS) styr delvis autofagi. Svält stimulerar ROS-produktion (främst H2O2) i mitokondrier, vilket verkar vara nödvändigt för autofagosomer. I jäst kan autofagi regleras av ROS via Atg4, genom oxidation-reduktion av en disulfidbindning mellan resterna Cys338 och Cys 394, vilket krävs för korrekt autofagosombiogenes [58]. Atg4, ett redoxproteas, fungerar som en konjugerande enzymklyvning C-terminal i omogen Atg8 (däggdjurshomolog LC3) för att exponera den konserverade glycinresten för dess efterföljande koppling till fosfatidyletanolamin (PE). Vidare fungerar Atg4 också som ett dekonjugeringsenzym som klyver amiden bunden mellan Atg8 och PE, vilket frigör den från membranet för återvinning, vilket är avgörande för de konjugationssystem som är nödvändiga för autofagi.

Autofagi: GTP-reglering vid åldrande och AD

Autofagisk eliminering av skadade cellulära komponenter eller avvikande proteinaggregat blir allt viktigare för att hantera den ökade oxidativa stressen i samband med åldrande och AD [59]. Den dubbelriktade handeln in i och ut ur celler måste vara mycket samordnad. Autofagi fungerar tillsammans med endocytos och exocytos, som båda bidrar till omsättningen av skadade intracellulära beståndsdelar genom att använda lysosomal fusion och matsmältning. Autofagi innebär märkning av defekta cellorganeller och proteinaggregat för nedbrytning, följt av montering av en autofagisk struktur för att transportera last för fusion med lysosomer för att bryta ned skadade proteiner och organeller för återvinning av aminosyror och lipider eller bortskaffande. Det är en mycket dynamisk process som är väsentlig för att upprätthålla cellulär homeostas och funktioner. Dysregulation av autofagi har kopplats till åldrande och patologiska neurodegenerativa sjukdomar inklusiveAlzheimers sjukdom. Även om det är välkänt att ATP-nivåer minskar med åldern under patologiska tillstånd [60], är åldersrelaterade förändringar i GTP-nivåer dåligt belysta.

Autofaginduktion är beroende av ADP/ATP-balansen. Minskad ATP-produktion stimulerar AMP-aktiverat proteinkinas (AMPK), och stimulering av AMPK inaktiverar mTOR. AMPK ökar autofagin inte bara indirekt genom inaktivering av mTOR utan också direkt genom fosforylering av Unc-51-liknande kinas 1(Ulk1) som är det molekylära målet för mTOR i det autofagiska maskineriet [61].

GTP-utarmning kan påverka autofagi vid åldrande och AD

Obduktionsanalys av AD-patienter indikerar en ansamling av autofagosomer och andra lysosomala autofaga vakuoler i dystrofiska neuriter och synaptiska terminaler, vilket är neuropatologiska kännetecken för AD [62]. Uppreglering av autofagosomer i hippocampus CA1 pyramidala neuroner är relaterad till förändringar i uttrycket av autofagirelaterade gener (ATG3, ATG5, ATG12, ULK1 och PIK3C3/VPS34) och proteiner (LC3B-II och LC3B I) i tidiga AD-stadier [63 ]. Dessa fakta tyder på att AD är associerat med förändringar i handeln med autofagosomer.

Autophagy dysregulation förekommer i både AD-patienter och djurmodeller. Ackumulering av stora mängder autofagiska vakuoler i neuronala dendriter sker i PS1/APP dubbla transgena möss och uppträder även före A-plack [64]. På liknande sätt observerades omogna autofaga vesikler i axoner i hippocampala neuroner hos AD-möss, långt före synaptisk och neuronal förlust (Cat aldo et al., 2004 [44, 65, 66]. Tau-aggregat bryts också ned genom autofagivägen [67, 68]. Vildtypspresenilingen 1 (PS1) fungerar som en ligand av v-ATPas V0a1-subenheten som reglerar fördelningen av v-ATPas-subenheter till lysosomer för surgöring. Intracellulär A binder till v- ATPas och hämmar försurning [69]. Mutation i PS1 bidrar alltså till dysreglering av autofagi-lysosomnedbrytningssystemet [70]. Den stora genetiska riskfaktorn för sporadisk AD, Apolipoprotein E4 (ApoE4), bidrar också till induktion av autofagi genom att lysosomalt läckage [71] som leder till försämrad endolysosomal trafik, störning av synaptisk homeostas och minskat amyloidclearance. Sammantaget antyder detta att den defekta autofagi-lysosom proteolysvägen kan vara ansvarig för ackumuleringen av patogena proteiner som A och tau i AD. En villkorad knockout av en gen som behövs för autophagosombildning, Atg7fox/fox, korsad med APP23 transgena möss, indikerade att nedsatt autofagibrist främjade A-ackumulering i CA1 och kortikala pyramidala neuroner, såväl som en drastisk minskning av den extracellulära A-plackbördan och hämningen av A-sekret [72]. Denna observation tyder på att förändringar i autofagosombildning undviker korrekt A-bearbetning som kan leda till en avvikande ackumulering i soma [27]. En ackumulering har också observerats i cis- och transsidan av Golgi-vesiklerna i den sena Golgi-apparaten, vilket indikerar att denna organell också kan producera funktionella förändringar som försämrar den korrekta bildningen av fagoforen [73]. Som stöd för detta antagande, ansluter den lilla GTPase Rab2 Golgi-nätverket till autophagy pathway-maskineriet [74]. Rab2 deltar i bildandet av fagoforer genom att ytterligare rekrytera och aktivera Ulk1. Rab2 interagerar med Rubcnl och Stx17 (ett autofagosomalt SNARE-protein) för att ytterligare specificera rekryteringen av HOPS-komplexet för att underlätta mognad och fusion av autofagosomer med lysosomer [74].

En annan medlem av Ras-superfamiljen av små GTPaser involverade i vesikelbildning är ADP-ribosyleringsfaktorn (Arf). Arf GTPase deltar huvudsakligen i spiringsprocessen i Golgi-komplexet, rekryteringen av pälsproteiner under vesikelbildning för membranhandel. Arf GTPase är involverad i kontrollen av APP-trafik genom MINTs-proteiner, avgörande komponenter för fusionen av synaptiska vesiklar. MINT-proteiner binder direkt till Arf GTPaser och samlokaliserar med APP-innehållande vesiklar till regioner i Golgi/trans-Golgi-nätverket (TGN), med intracellulära APP-nivåer proportionella mot MINT-nivåer [75]. Nedbrytningen av Arf1 minskade utsöndringen av amyloidpeptider [76], vilket tyder på effekten av fel i Arf1-funktionen på handeln med APP, vilket kan konvergera i intracellulär ackumulering (Fig. 5).

Dysreglering av olika Rab-proteiner bidrar också till AD-patologi. Rab1 dysreglering inducerar fragmentering av Golgi-apparaten, vilket utlöser hyperfosforylering av tau genom aktivering av cdk5 och ERK1/2 [77, 78]. En defekt i Rab6 kan påverka utsöndringen av APP i

Fig. 5 Autofagi kräver deltagande av flera små GTPaser. I initieringsfasen rekryterar och aktiverar Rab2 ULK1 i fagoforbildningen, medan Rab9a och Rab8b deltar i autofagosommognad. Arf deltar i knoppning i Golgi-komplexet och rekrytering av pälsproteiner under vesikelbildning. Rab1 deltar i den dubbelriktade vesikulära transportvägen mellan det endoplasmatiska retikulumet (ER) och Golgi-apparaten. Sar1 GTPase är involverad i den COPII-medierade transporten som utgångsvägen för APP när dess slutliga konformation har uppnåtts. Rab6 är bosatt i TGN och deltar i retrograd transport från Golgi till ER, och har associerats med regleringen av vesikulär transport och bearbetning av APP. Rab11 styr endosomåterföringen till plasmamembranet. Störningar i vesikulär export som innehåller APP-BACE kan orsaka en ansamling av exosomer. Arl8 reglerar transporten och lysosomal fusion via mikrotubuli längs neuronmediet, vilket leder till förändringar i sekretionshastigheten, vilket kan främja förändringar i den anterograda handeln med APP som leder till intracellulär ackumulering. Understödjande av intracellulär ackumulering identifierade en exomsekvenseringsanalys Rab11A/B som en komponent i sen-debuterande AD-risk. Rab11 styr endosomåterföringen till plasmamembranet. Tysta Rab11A/B i primära neuroner isolerade från APP-transgena möss reducerade A-nivåer i supernatanterna som samlades in och analyserades med elektrokemiluminescens (ECL) [79]. Dessa data tyder på att ackumuleringen av A också kan genereras av misslyckanden i exporten av APP-innehållande vesiklar, vilket kan ge vika för klyvning av sekretaset i det vesikulära membranet [27] (Fig. 1B). Eftersom bildandet av de APP-innehållande vesiklarna och bildandet av fagoforen involverar en korrekt funktion av ER-Golgi driven av små GTPaser, skulle underskott i GTP-nivåer orsaka störningar i förpackningen av APP som kan äventyra dess sekretion och främja intracellulär ackumulering .

Dessa samband mellan autofagi och ackumulering av intracellulärt A stöds av en åldersrelaterad kolokaliseringssignal mellan den p62-riktade bildningen av autofagosomer och A-former som observerats i primärt odlade hippocampusneuroner från vuxna 3xTg-AD-möss [27] och i APP23-transgena möss med Atg7 rävmöss [73]. Ett annat intressant faktum är att ingen signal av aggregat observerades i autofagi kommer positivt för cathepsin D [27]. Dessa data kan indikera dysfunktion i tidigare steg i autofagi eller i lysosomal funktion i AD-modellneuroner (Fig. 6) [26].

GTP-reglering i CMA i AD

Istället för organeller bryter CMA ned små molekyler i eukaryota celler som induceras av långvarig svält eller mild oxidativ stress. CMA har föreslagits regleras av GTP-nivåer [80]. Denna reglering involverar deltagandet av det intermediära filamentglialt fibrillära sura proteinet (GFAP) och förlängningsfaktorn -1 alfa (EF1) [46, 81]. GFAP finns i två olika pooler vid det lysosomala membranet, en del bunden till LAMP-2A och en annan obunden form som interagerar med EF1. De tre KFERQ-motiven i Hsc70-chaperonen riktar den till lysosomala membran där den interagerar med proteinkomplexet LAMP-2A och stabiliserar translokationen av CMA-last till det lysosomala lumen. Den del av GFAP som inte är bunden till LAMP-2A bidrar till GTP-reglering. I närvaro av GTP frisätts EF1 från GFAP vid det lysosomala membranet vilket främjar dissociationen mellan GFAP och LAMP-2A, mobiliserar LAMP-2A till lipidmikrodomänerna för dess nedbrytning och efterföljande CMA-hämning [ 81]. Fel i LAMP2A-komplexdensitet på det lysosomala membranet är också associerade med åldrande, vilket också leder till en minskning av CMA-funktionen [82] (Fig. 4B)

Ännu en form av däggdjurs autofagosombiogenes fungerar genom en gåtfull icke-kanonisk VPS34-oberoende väg. Fosfoinositider (PI) definierar membranidentiteten och kontrollerar flera membranhandelshändelser. Fosfatidylinositol 5-kinas (PIKfyve) omvandlar endosomlokaliserat fosfatidylinositol-3-fosfat (PI(3)P) till PI(3,5) P2, en nyckelregulator för tidig till sen endosommembranhandel [83] . Vidare är PIKfyve-komplexet också ansvarigt för produktionen av PI(5)P från PI och reglerar autofagosombildning. PI(5) P reglerar autofagi via PI(3)P-effektorer (rekrytering av WIPI2- och DFCP1-proteiner), som ger en mekanistisk ram för denna alternativa autofagiväg. PI(5)P används av fosfatidylinositol 5-fosfat4-kinas (PI5P4K ) som reglerar PI(5)P-nivåer med hjälp av GTP snarare än ATP för PI(5)P-fosforylering för att erhålla PI(4, 5) P2 som en slutprodukt som reglerar ombyggnad av aktincytoskelett [84]. De fann att PI(3,5)P2 har en låg affinitet för cofilin, som tar isär aktinfilament, och en hög affinitet för N-WASP, som aktiverar Arp2/3-komplex för att initiera aktinkärnbildning för att transportera endocytiska vesiklar från plasmamembranet. PI5P4K-aktivitet föreslås återspegla förändringar i direkt proportion till fysiologisk GTP-koncentration, som fungerar som en intracellulär GTP-sensor [85]. I celler som saknar PI3P (lågt PI(3,5)P2) med låst VPS34 upprätthåller PIKfyve-komplexet autofagi genom användning av PI5P [85]. Dessa data indikerar att PIKfyve har en avgörande roll i moduleringen av autofagi. Nedsatt PIKfyve-funktion driver bildandet av svullna vakuoler, lätt synliga vid låg förstoring i levande celler [86]. Den intracellulära domänen av APP binder Vac14-subenheten av PIKfyve-komplexet, vilket påverkar PI(3,5)P2-produktionen [87]. PI(3,5)P2 binder och aktiverar den endolysosomala TRPML-kanalen [88]. De hittade förstorade vakuoler i musfibroblaster med brist på PI(3,5) P2- som undertrycktes av överuttryck av frisk TRPML1-kanal. TRPML-ledningsförmåga och lysosomal försurning försämrades [89].

Beroende av mitokondriell fission och fusion av GTP

Förutom att tillhandahålla ATP genom oxidativ fosforylering, ger mitokondrier också GTP från NME4 och dess nukleosid-difosfatkinasaktivitet [8]. Denna mitokondriella energitillförsel är väsentlig för generering av synaptiska vesiklar för frisättning vid axonterminaler såväl som för vesikulär återvinning vid synapser. Synaptisk förlust i AD kan orsakas av förlust av bioenergetisk kapacitet för att upprätthålla dessa väsentliga processer. Därför bestämmer antalet och lokaliseringen av mitokondrier till synapser sannolikt den energiska kapaciteten för endocytos och exocytos. Mitokondriell dynamik balanserar hårfint fission och fusion kontrollerad av Drp1 och Fis1, Mf1, Mfn2 och Opa1 [90, 91] (Fig. 7). ATP-omvandling till GTP styrs lokalt av lokaliserade nukleosid-difosfatkinaser (NDPK) från NME-generna 1–4 [51]. NME1 och 2 (ibland kallade NM23 H1 och H2) är övervägande cytosoliska, medan NME3 och 4 (NM23 H3, H4) är mitokondriella. De mitokondriella NDPKs komplex med specifika dynamin GTPaser för att kanalisera GTP direkt från ATP-hydrolys [16]. Balansen mellan mitokondriernas fission och fusion är känslig för redoxobalans. Antingen endogen eller exogen tillämpning av ROS aktiverar mitokondriell fission, inducerar mitokondriell fragmentering och efterföljande mitokondriell dysfunktion [90]. Detta leder till ytterligare ROS-överproduktion och en ond cirkel som förstärker oxidativ stress och i slutändan orsakar en oxidativ obalans i AD [92]. Fission regleras av dynamin GTPaserna Drp1 och Fis1 med Km runt 100 μM [51]. De polymeriserar och drar ihop tubulära membran ungefär som endocytos. Fis1 är lokaliserad i det yttre mitokondriella membranet [90, 93, 94].

Fig. 7 GTP-beroende mitokondriell dynamisk morfologi av fission och fusion. Vänster fusionspanel: Dynamin-relaterat protein-1 (Drp1) utför den mitokondriella fissionen genom att självpolymerisera runt det yttre mitokondriella membranet och dra ihop sig och skära av båda membranen i en process som är beroende av GTP-hydrolys. Höger fusionspanel: Mitofusin-1 och -2 (MTF1/2) binder de intilliggande yttre mitokondriella membranen i en process som är beroende av GTP-hydrolys. OPA1 möjliggör fusion av inre mitokondriermembran med hjälp av lokal GTP från NME4. Röda streckade pilar indikerar organellens förskjutning.

Fusion styrs av tre GTPase-proteiner: Opa1, beläget i det inre mitokondrimembranet, och Mfn1 och Mfn2, beläget i det yttre mitokondriella membranet. Opa1 GTPase med en Km runt 500 μM skulle kräva rikliga nivåer av GTP för att polymerisera och mekanisera mitokondriell membranfusion till rör [51].

hypoxi, energetisk stress och ökat oxiderat redoxtillstånd. Ökad oxidativ stress och förhöjda ROS-nivåer orsakade fragmentering av mitokondrier och induktion av DRP1 fissionsberoende mitofagi i mus- och HeLa-celler. Detta resulterade inte i celldöd och autofagi eftersom måttliga nivåer av ROS inte var tillräckliga för att utlösa icke-selektiv autofagi [95]. I själva verket kan denna mitofagi hämmas av N-acetyl-l-cystein genom tankning av glutationpoolen och eventuell verkan på Atg4. En minskning av glutationpoolen inducerade också mitofagi men inte allmän autofagi. Omvänt hämmade tillägget av en cellgenomsläpplig form av glutation mitofagi [96]. Således främjar ett oxidativt redoxtillstånd målselektivt avlägsnande av dysfunktionella mitokondrier. Detta tyder också på integrationen av redoxbalans och energinivåer för att maximera hälsosam mitokondriefunktion och kontrollera omsättningen av skadade mitokondrier.

Nedsättning av fusion och fission har varit inblandad i AD. I en musmodell interagerar A med fs-sionsproteinet Drp1, med en efterföljande ökning av produktionen av fria radikaler, vilket ytterligare aktiverar Drp1 och Fis1, vilket orsakar överdriven mitokondrierfragmentering, defekt transport av mitokondrier till synapser, lägre synaptisk ATP och i slutändan leder till synaptisk dysfunktion [97]. p-tau interagerar också med Drp1 och förbättrar GTPase Drp1 enzymaktivitet, vilket leder till överdriven fragmentering av mitokondrier och mitokondriell dysfunktion i AD [98]. En Drp1 S-nitrosyleringsaddukt (SNO-Drp1), stimulerade dess aktivitet ytterligare och ledde till överdriven mitokondriell fragmentering och synapsförlust [99].

Nedsatt lysosomal funktion vid AD orsakad av åldersrelaterad energiutarmning

Lysosomal nedbrytning av autofagisk last är det sista steget för att fullborda autofagi. Därför måste lysosomer bibehålla sin sura miljö för pH-baserad nedbrytning av last av syraaktiverade peptidaser, lipaser, nukleaser och glykosidaser. För lysosomal försurning utförs inflödet av protoner av både v-ATPas, en ATP-beroende protonpump och kloridprotonantiportörer, medan katjonutflöde medieras av transportörerna TPC och TRPML, som också är involverade i pH-balansen [ 100]. Presenilin-1 (PS1) reglerar fördelningen av v-ATPas-subenheter till lysosomer som fungerar som en ligand av v-ATPase V0a1-subenheten och upprätthåller lysosomal homeostas via TRPML1 [69]. PS1-mutationer har kopplats till låg lysosomal försurning, dysreglering av autofagi-lysosomnedbrytningssystemet och patogenesen av tidig AD [26].

Arl8 (ett Arf-liknande G-protein) är ett litet GTPas beläget på lysosomer som fungerar som en länk mellan lysosomer och kinesin-1 för att underlätta lysosomal trafik längs axoner (Fig. 8B) [101]. Arl8b fungerar också som en switch för att reglera associationen av HOPS-komplexet med det lysosomala membranet [102]. Störning av Arl8b-funktionen orsakar onormal ackumulering av kolesterol i membranen av lysosomer som driver försämrad handel med axonal lysosom och leder till autofagisk stress och ackumulering av axonal autofagosomer [103]. Dessutom räddade förhöjt Arl8b-uttryck lysosomtransport in i axoner och autofagisk stress. Överuttryck av Arl8 stimulerade också den dubbelriktade rörligheten hos lysosomer på mikrotubuli genom att binda till kinesin-1-linkern SKIP för att länka kine sin och kraftmotilitet [104]. SKIP krävde Arl8 i dess aktiva GTP-bundna tillstånd för bindning. Men överuttryck av Arl8b orsakade också en slående alkalinisering av lysosomer och rörelse mot cellperiferin kontra en mer enhetlig fördelning av lysosomer i hela cytoplasman [105]. En proteomisk studie i mänsklig vävnad rapporterade anrikningen av Arl8b i amyloidplack [106]. Dessa data tyder på att förändringar i uttrycket eller funktionen av Arl8 påverkar fusionen av lysosomen med autofagin eller sena endosomen, vilket kan ha implikationer i autofagosomackumulering som observerats i AD. Eftersom bildningen av sekretoriska vesiklar som levereras till plasmamembranet är en GTP-beroende process, som kräver Arf- och Rab GTPaser, kan defekter i GTP-nivåer äventyra korrekt vesikulär trafik.

Lysosombiogenes regleras av mTORC1 och transkriptionsfaktorn EB (TFEB) som skapar ett reversibelt signalkomplex på lysosomytan. mTORC1 fosforylerar TFEB på Ser211 och driver därigenom TFEB-transport till kärnan för att uppreglera v-ATPas-uttryck och andra gener som är involverade i lysosombiogenes och autofagosombildning [107, 108]. Tillägget av A till mikrogliaceller sänker TFEB i kärnan och försämrar bearbetningen av A [109]. Denna reglering av mTORC1 stöds i sin tur av små GTPaser inklusive Rheb och Rag, aminosyraavkännande komponenter som ingår i multiproteinsignalkomplexregulatorn som fungerar som en aktivator av mTORC1 [110]. Eftersom lysosomal försurning kräver ATP för V-ATPas-funktion och GTP för GTPase-medierad reglering av TORC1, antar vi att energiutarmning på grund av åldrande eller AD-liknande patologiska tillstånd direkt försämrar lysosomal funktion. Dessutom, med tanke på att lysosomal försurning involverar en näringsintagsmedierad reglerande interaktion mellan v-ATPas och TORC1 via TFEB, kan cykler av fasta och näringskonsumtion gynna lysosomal funktion i AD [111], medan frekvent sockerkonsumtion kan försämra funktionen. Försämrade lysosomer kan leda till ackumulering av autofagosomer fulla av skadade mitokondrier och berikade med A-aggregat som inte kan brytas ned. Eftersom autophagy utför ersättning av skadade eller åldrade organeller, påverkas dess underhåll av metaboliska förändringar på grund av ålder. Åldersrelaterade metaboliska förändringar och försämrade lysosomer kan leda till ackumulering av metabola förändringar såsom energiutarmning och/eller oxidativa redoxförskjutningar. Således kan GTP-nivåerna vara lägre i lågaktiv stillasittande livsstil, vilket skulle leda till ineffektiva vägar för GTP-beroende proteinnedbrytning med stigande ålder. Dessa observationer tyder starkt på ett samband mellan förändringar i mognadsprocessen för autofagosomen och de metabola brister som uppstår med sjukdomens fortskridande och åldrande. Vidare kan avvikande A-ackumulering vara konsekvensen av uppströms brister i GTP som försämrar autofagisk bearbetning av A och tau, möjligen tidigare än aggregerad amyloidsekretion, inflammation och plackuppbyggnad.

Fig. 8 Dynamisk instabilitet hos mikrotubuli associerad med GTP. GTP-molekyler binder till E-stället och N-stället på/heterodimera tubuliner. GTP på E-platsen hydrolyseras för att bli GDP- -tubulin och utbyts mot en ny GTP-bunden heterodimer / för att sätta samman subenheter. Heterodimerer läggs till det växande mikrotubuligittret för polymerisation och bildar ett nytt lager av GTP-heterodimerer, känt som en GTP-cap. Depolymerisation sker när heterodimerer lämnar det krympande mikrotubuligittret. Hyperfosforylering av det mikrotubuli-associerade proteinet, tau främjar bildning av neurofibrillär trassel (NFT) och destabilisering av mikrotubuli. Övergången från ett växande tillstånd till ett katastrofalt krympande tillstånd. B Endolysosombildning kräver att lysosomer rör sig längs mikrotubulusspår i positiv riktning, medan sena endosomer rör sig i negativ riktning. Det lysosomala multiproteinkomplexet BORC (ej visat) aktiverar det lilla GTPaset Arl8 för att engagera kinesindriven plus-end-transport. För transport i minusänden rekryterar det Rab7- GTP-bundna tillståndet det Rab-interagerande lysosomala proteinet (RILP) och det cytosoliska oxysterolbindande proteinrelaterade proteinet 1 (ORP1L) som bildar dynein-dynaktinkomplexet. NFT-bildning stör vesikulär trafik längs mikrotubuli.

Fråga för mer:

E-post:wallence.suen@wecistanche.com

Whatsapp/Tel: plus 86 15292862950

AFFÄR

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