Små GTPaser från Rab- och Arf-familjerna: nyckelregulatorer för intracellulär handel med neurodegenerationⅠ

Abstrakt:

Små guanosintrifosfataser (GTPases) från familjerna Rab och Arf är nyckelregulatorer för vesikelbildning och membranhandel. Membrantransport spelar en viktig roll i det centrala nervsystemet. I detta avseende kräver neuroner ett konstant flöde av membran för korrekt fördelning av receptorer, för den exakta sammansättningen av proteiner och organeller i dendriter och axoner, för kontinuerlig exocytos/endocytos av synaptiska vesiklar och eliminering av dysfunktionella proteiner. Det är således inte förvånande att Rab och Arf GTPaser har associerats med neurodegenerativa sjukdomar som Alzheimers och Parkinsons.

Klicka för att cistanche tubulosa produkt för minnesförbättringseffekt

Båda patologierna delar egenskaper såsom närvaron av proteinaggregat och/eller fragmenteringen av Golgi-apparaten, kännetecken som har varit relaterade till både Rab- och Arf GTPas-funktioner. Trots deras förhållande till neurodegenerativa störningar har mycket få studier fokuserat på rollen av dessa GTPaser i patogenesen av neurodegeneration. I den här recensionen sammanfattar vi deras betydelse för uppkomsten och utvecklingen av Alzheimers och Parkinsons sjukdomar, såväl som deras uppkomst som potentiella terapeutiska mål för neurodegeneration.

Nyckelord: Rab GTPase; Arf GTPase; liten GTPas; Alzheimer; Parkinson; neurodegeneration; membranhandel; vesikel; transport

1. Introduktion

Eukaryota celler får ständigt information från det extracellulära mediet genom att tillväxtfaktorer, hormoner, peptider och joner binds till specifika receptorer. Denna bindning utlöser överföringen av ett meddelande genom signalkaskader i cytoplasman för att inducera ett exakt biologiskt svar [1]. Ett av de centrala elementen som är ansvariga för spridningen av detta meddelande är de små guanosintrifosfataserna (GTPases) från Ras-superfamiljen. Dessa små GTPaser deltar i signaleringskaskader som styr ett brett spektrum av cellsvar, såsom proliferation, differentiering och apoptos [2,3]. De små GTPaserna är molekylära switchar som kan hittas i två tillstånd: ett inaktivt tillstånd där det lilla GTPaset är bundet till GDP, och ett aktivt tillstånd där det är bundet till GTP. Processen genom vilken GTPase ändras från det inaktiva till det aktiva tillståndet är känd som GTPase-aktiveringscykeln. Tre huvudmolekyler styr aktiverings-/deaktiveringscykeln.

Guaninutbytesfaktorerna (GEF) är ansvariga för att aktivera GTPaset genom att gynna frisättningen av BNP och bindningen av GTP. De GTPas-aktiverande proteinerna (GAPs) är tvärtom ansvariga för inaktiveringen av GTPaset genom att inducera den inneboende GTPas-aktiviteten som resulterar i hydrolysen av GTP. Slutligen förhindrar guaninukleotiddissociationsinhibitorer (GDI) dissociationen av GDP från GTPaset, och håller därför GTPaset i ett inaktivt tillstånd [4,5]. Dessutom kan små GTPaser också regleras genom post-translationella modifieringar som tillåter deras bindning till antingen specifika proteiner eller membran. Således kan de vara farnesylerade, geranylgeranylerade eller palmitoylerade i sin C-terminala region och myristoylerade i sin N-terminala region [5,6]. Ras-superfamiljen av små GTPaser är uppdelad i fem familjer: Ras, Rho, Rab, Arf och Ran [2,3]. Ras-familjen är specialiserad på kontroll av celltillväxt och metabolism. Dessutom samarbetar Ras-familjen GTPaser med Rho-familjen för att reglera cellcykeln, genuttryck och celltransformation. Bortsett från dessa funktioner är Rho-familjen av GTPaser ansvarig för aktincytoskelettorganisationen, medan Rab- och Arf-familjerna kontrollerar den intracellulära trafiken av vesiklar och membran respektive bildandet och intracellulär transport av vesikler. Sist är GTPaserna i Ran-familjen ansvariga för den nukleocytoplasmatiska transporten [2,3,5,7].

De flesta av de intracellulära avdelningarna, såsom kärnan, mitokondrierna eller Golgi-apparaten (GA), är separerade av membran. Således kräver eukaryota celler specifika mekanismer för trafiken mellan dessa organeller. Vidare behövs samordnad membranhandel mellan olika celltyper i flercelliga organismer [8]. Rab GTPaserna, den största familjen i Ras-superfamiljen, är nyckelregulatorer för vesikelsortering och membranhandel. De kan kontrollera denna trafik genom att interagera med effektormolekyler som pälsproteinerna (COPI, COPII och clathrin), motorproteiner (kinesins och dyneiner), tjudra komplex (tidigt endosomantigen 1 (EEA1), Golgins, exocyst och homotypa fusions- och proteinsortering (HOPS) komplex) och SNAREs [8]. Omvänt deltar Arf GTPaser i vesikelbildning, speciellt i GA [9], men de finns också i plasmamembranet, endosomerna och lipiddroppar [9]. För att reglera vesikelbildning, som Rab, interagerar Arf GTPaserna med effektormolekyler såsom höljesproteinerna och deras adaptrar (COPI, Golgi-lokaliserade öroninnehållande Arf-bindande proteiner (GGA) och Munc18-interagerande proteiner ( MYNTA)). Därför reglerar Rab- och Arf-familjerna av GTPaser endomembransystemet (Figur 1).

Membranhandel spelar en viktig roll i neuroner. Neuroner har en specifik morfologi som kräver konstant membrantrafik mellan axoner och dendriter för att upprätthålla synaptisk funktion [8]. Detta möjliggör synaptisk överföring, korrekt fördelning av membranreceptorer och exakt organell- och proteinsammansättning i dendriter och axoner [8]. Synaptisk funktion kräver ett kontinuerligt flöde av membran, eftersom synaptiska vesiklar ständigt utsätts för exocytos och endocytos. Dessutom måste proteiner transporteras mellan axonet, dendriterna och cellkroppen för att överföra signalmeddelandet eller för att degraderas. Dessutom möjliggör den retrograda transporten av sena endosomer och autofagosomer avlägsnande av dysfunktionella proteiner, vilket är viktigt för korrekt neuronal funktion och överlevnad. Därför är membranhandel involverad i alla aspekter av neuronal funktion, och dess dysfunktion har kopplats till neurodegeneration [8].

Neurodegeneration består av den progressiva förlusten av specifika delmängder av neuroner [10]. De viktigaste neurodegenerativa sjukdomarna är Alzheimers sjukdom (AD) och Parkinsons sjukdom (PD). AD är den vanligaste formen av demens [11]. Det kännetecknas av den progressiva förlusten av neuroner som resulterar i förlust av minne och kognitiva funktioner. De huvudsakliga kännetecknen för sjukdomen är de extracellulära amyloid-(A)-plackerna och den intracellulära ansamlingen av neurofibrillära trassel (NFT), bildade av pTau-aggregation. Trots att de är de klassiska särdragen är den molekylära patologin för AD inte helt förstått. Å ena sidan sker den amyloidogena bearbetningen av amyloidprekursorproteinet (APP) som leder till generering av A-peptider i de intracellulära kompartmenten som kräver endocytisk trafik. Under fysiologiska förhållanden bearbetas APP av -sekretaset (BACE1) i Rab5-positiva tidiga endosomer, vilket ger upphov till -klyvning av C-terminala fragment (-CTF). Sådana fragment bearbetas sedan i sena endosomer eller trans-Golgi-nätverket (TGN) för att producera A-peptider [12]. Detta understryker vikten av dessa GTPaser och membranhandel i AD-patologi. Dessutom har olika gener relaterade till endocytisk trafficking associerats med risken att utveckla AD [12].

Till exempel har ett lågt uttryck av fosfatidylinositol-bindande clathrin assembly protein (PICALM) beskrivits i AD, som spelar en viktig roll i internalisering, trafficking och clearance av A-peptider [12,13]. När det gäller PD är det den näst vanligaste neurodegenerativa sjukdomen. Det kännetecknas av ackumulering av Lewy-kroppar, bildade av -synuklein (-syn) aggregation, och av den selektiva degenereringen av dopaminerga neuroner i substantia nigra pars compacta [14]. Detta resulterar i funktionshinder i rörelser, inklusive darrningar i vila och muskelstelhet. Mutationer i -syn, i PTEN-inducerat förmodat kinas 1 (PINK1) och i leucinrikt repeterande kinas 2 (LRRK2) har associerats med risken att utveckla PD [14]. Bortsett från dessa mutationer har mutationer i Rab39B GTPase varit relaterade till utvecklingen av denna sjukdom [15]. Rab39B kontrollerar handeln med GluA2-subenheten av AMPA-receptorn och den uttrycks uteslutande i neuroner [15]. Dessutom har olika GTPaser associerats med defekter i membranhandel som uppträder på grund av -syn-ackumulering [15]. Således, på samma sätt som i AD, är dessa GTPaser och membranhandel relaterade till PD-patologi. Sammanfattningsvis spelar små GTPas-beroende membranhandel en viktig roll i nervsystemet, och dysregleringar av sådana processer har korrelerats med neurodegenerativa sjukdomar som AD och PD (tabell 1). Som ett resultat, på ett liknande sätt som Ras- och Rho-familjerna [5], har Rab- och Arf-familjen av GTPaser dykt upp som terapeutiska mål för dessa patologier.

varför har cistanche en neuroskyddande effekt?

Cistanche är en traditionell kinesisk medicinalväxt som har använts i århundraden för att behandla olika hälsotillstånd. Ny forskning har visat att cistanche har neuroprotektiva effekter, vilket betyder att det kan hjälpa till att skydda hjärnan och nervsystemet från skador. Cistanche innehåller flera aktiva föreningar, inklusive echinakosid, fenyletanoidglykosider och acteosid, som tros vara ansvariga för deras neuroprotektiva effekter. Dessa föreningar hjälper till att minska oxidativ stress och inflammation i hjärnan, vilket är två viktiga faktorer som bidrar till neurodegenerativa sjukdomar som Alzheimers och Parkinsons. Dessutom har cistanche visat sig öka aktiviteten hos nervtillväxtfaktorer, som är proteiner som hjälper till att reglera tillväxten och överlevnaden av nervceller i hjärnan. Detta kan hjälpa till att förhindra neurons död och främja tillväxten av nya, vilket kan förbättra kognitiva funktioner och minska risken för neurologiska störningar. Sammantaget tros de neuroprotektiva effekterna av cistanche bero på dess förmåga att minska oxidativ stress och inflammation och främja nervtillväxtfaktoraktivitet i hjärnan.

Referenser

1Berridge, MJ Kalciumsignalering ombyggnad och sjukdom. Biochem. Soc. Trans. 2012, 40, 297–309. [CrossRef] [PubMed]

2. Struma, L.; Trapani, E.; Trabalzini, L.; Retta, SF The Ras Superfamily of Small GTPases: The Unlocked Secrets. Metoder Mol. Biol. 2014, 1120, 1–18.

3. Song, S.; Cong, W.; Zhou, S.; Shi, Y.; Dai, W.; Zhang, H.; Wang, X.; Han, B.; Zhang, Q. Små GTPaser: Struktur, biologisk funktion och dess interaktion med nanopartiklar. Asiaten J. Pharm. Sci. 2019, 14, 30–39. [CrossRef] [PubMed]

4. Toma-Fukai, S.; Shimizu, T. Strukturella insikter i regleringsmekanismen för små GTPaser av GEFs. Molecules 2019, 24, 3308. [CrossRef] [PubMed]

5. Arrazola Sastre, A.; Luque Montoro, M.; Gálvez-Martín, P.; Lacerda, HM; Lucia, AM; Llavero, F.; Zugaza, JL Small GTPases of the Ras and Rho Familys Slå på/av signalvägar vid neurodegenerativa sjukdomar. Int. J. Mol. Sci. 2020, 21, 6312. [CrossRef]

6. Peurois, F.; Peyroche, G.; Cherfils, J. Small GTPase perifer bindning till membran: molekylära determinanter och supramolekylär organisation. Biochem. Soc. Trans. 2018, 47, 13–22. [CrossRef]

7. Llavero, F.; Arrazola Sastre, A.; Luque Montoro, M.; Martin, MA; Arenas, J.; Lucia, A.; Zugaza, JL Små GTPaser av Ras-superfamiljen och glykogenfosforylasreglering i T-celler. Små GTPaser 2021, 12, 106–113. [CrossRef] [PubMed]

8. Kiral, FR; Kohrs, FE; Jin, EJ; Hiesinger, PR Rab GTPaser och membranhandel vid neurodegeneration. Curr. Biol. 2018, 28, R471–R486. [CrossRef]

9. Sztul, E.; Chen, P.-W.; Casanova, JE; Cherfils, J.; Dacks, JB; Lambright, DG; Lee, F.-JS; Randazzo, PA; Santy, LC; Schürmann, A.; et al. ARF GTPaser och deras GEF:er och GAP:er: koncept och utmaningar. Mol. Biol. Cell 2019, 30, 1249–1271. [CrossRef]

10. Gan, L.; Cookson, MR; Petrocelli, L.; La Spada, AR Konvergerande vägar i neurodegeneration, från genetik till mekanismer. Nat. Neurosci. 2018, 21, 1300–1309. [CrossRef]

11. Soria Lopez, JA; González, HM; Léger, GC Alzheimers sjukdom. Handb. Clin. Neurol. 2019, 167, 231–255.

12. Xu, W.; Fang, F.; Ding, J.; Wu, C. Dysregulation of Rab5-medierade endocytiska vägar vid Alzheimers sjukdom. Trafik 2018, 19, 253–262. [CrossRef]

13. Parikh, I.; Fardo, DW; Estus, S. Genetics of PICALM expression and Alzheimers disease. PLoS ONE 2014, 9, e91242.

14. Yang, L.; Mao, K.; Yu, H.; Chen, J. Neuroinflammatoriska svar och Parkinsons sjukdom: patogena mekanismer och terapeutiska mål. J. Neuroimmune Pharmacol. 2020, 15, 830–837. [CrossRef]

15. Guadagno, NA; Progida, C. Rab GTPaser: Byte till mänskliga sjukdomar. Cells 2019, 8, 909. [CrossRef] [PubMed]

16. Mohamed, N.-V.; Desjardins, A.; Leclerc, N. Tau-sekretion är korrelerad till en ökning av Golgi-dynamiken. PLoS ONE 2017, 12, e0178288. [CrossRef]

17. Coune, PG; Bensadoun, JC; Aebischer, P.; Schneider, BL Rab1A-överuttryck förhindrar fragmentering av Golgi-apparater och korrigerar delvis motoriska underskott i en alfa-synukleinbaserad råttmodell av Parkinsons sjukdom. J. Parkinsons Dis. 2011, 1, 373–387. [CrossRef]

18. Tomás, M.; Martínez-Alonso, E.; Martínez-Martínez, N.; Cara-Esteban, M.; Martínez-Menárguez, JA Fragmentering av Golgi-komplexet av dopaminerga neuroner i mänsklig substantia nigra: Nya cytopatologiska fynd vid Parkinsons sjukdom. Histol. Histopathol. 2020, 36, 47–60.

Fortsättning följer...

Alazne Arrazola Sastre 1,2, Miriam Luque Montoro 1, Hadriano M. Lacerda 3, Francisco Llavero 1,4,* och José L. Zugaza 1,2,5,*

1 Achucarro Basque Centre for Neuroscience, Science Park of the UPV/EHU, 48940 Leioa, Spanien; alazne.arrazola@ehu.eus (AAS); miriamluquem@gmail.com (MLM)

2 Institutionen för genetik, fysisk antropologi och djurfysiologi, universitetet i Baskien UPV/EHU, 48940 Leioa, Spanien

3 Three R Labs, Science Park of the UPV/EHU, 48940 Leioa, Spain; hadrilac@gmail.com 

4 Hospital 12 de Octubre Research Institute (i plus 12), 28041 Madrid, Spanien

5 IKERBASQUE, Basque Foundation for Science, 48013 Bilbao, Spanien * Korrespondens: fcollavero.imas12@h12o.es (FL); joseluis.zugaza@ehu.es (JLZ)