وابستگی انرژی GTP اندوسیتوز و اتوفاژی در مغز پیر و بیماری آلزایمر Ⅲ

وابستگی به GTP مونتاژ توبولین، انتقال وزیکول و سنتز پروتئین

میکروتوبول ها بازیگران کلیدی در رشد آکسونی هستند و حمایت ساختاری از قاچاق تاولی آکسودندریتی را فراهم می کنند. انتهای ریز لوله‌ها تحت یک فرآیند مکرر پلیمریزاسیون/دپلیمریزاسیون قرار می‌گیرند که ناپایداری دینامیکی نامیده می‌شود. پلیمریزاسیون میکروتوبولی به افزودن هترودایمرهای متصل به GTP به انتهای آنها نیاز دارد (شکل 8A). هترودایمرهای توبولین به دو مولکول GTP در دو مکان جداگانه متصل می شوند. محل N در رابط درون دایمر، بین - و - توبولین قرار دارد که در آن GTP هیدرولیز نمی شود و با سرعت آهسته تبادل می شود. E-site در رابط درون دایمر قرار دارد که توسط زیرواحد یک هترودایمر و زیر واحد یک هترودایمر همسایه تشکیل شده است. GTP در E-site به GDP هیدرولیز می شود و با یک نوکلئوتید GTP جدید مبادله می شود. از آنجایی که میکروتوبول ها نشان می دهندنرخ بالای تعادل دینامیکیبینحالات پلیمریزاسیون, سطوح سیتوپلاسمی GTPباید به اندازه کافی بالا باشد تا تقاضای ناپایداری دینامیکی در میکرولوله ها را تامین کند (شکل 8A).

برای دانستن نحوه Cistanche اینجا را کلیک کنیدبهبود عملکرد شناختی

میکروتوبول ها مسیرهای اسکلت سلولی را تشکیل می دهند که در آن لیزوزوم ها به سمت اندوزوم ها و فاگوزوم های هدف خود حرکت می کنند (شکل 8B). موتور کینزین انتقال لیزوزوم ها را به سمت انتهای مثبت میکروتوبول های آکسون با ATP نیرو می دهد، اما اتصال موتور کینزین به لیزوزوم به Arl8 GTPase با GTP محدود نیاز دارد [101]. برعکس، انتقال آندوزوم‌های دیررس روی میکروتوبول‌ها به سمت لیزوزوم‌ها به Rab7 GTPase و GTP متصل برای اتصال موتور داینئین نیاز دارد.

در پس از میلاد، پروتئین تاو مرتبط با میکروتوبول با هایپرفسفوریلاسیون به رشته‌های نامحلول درهم‌تنه‌های نوروفیبریلاری آکسودندریتیک (NFT) پلیمریزه می‌شود [112، 113]. پس از هیپرفسفریله شدن، تاو تمایل خود را به میکروتوبول ها از دست می دهد. مطالعات گسترده به تغییرات در دینامیک میکروتوبول نزدیک شده‌اند، اما نتوانسته‌اند دلیل واضحی برای شکست در عملکرد تاو شناسایی کنند. تنظیم تاو شامل GTPases است. در مغزهای AD، سطح پروتئین Rac1 GTPase 50 درصد کاهش می یابد [114]. در شرایط آزمایشگاهی، فعال سازی Rac1 GTPase باعث هیپرفسفوریلاسیون tau181، افزایش تولید Abeta42 و کاهش پایداری اکتین در ستون فقرات شد [114]. این گروه همچنین شاهد افزایش دو فازی در Rac1 GTPase در هیپوکامپ جوان 3xTg-AD بودند که به دنبال آن کاهش بعداً مانند مغزهای AD انسان در مراحل پایانی مشاهده شد. در مطالعه دیگری روی موش‌های تائوپاتی، افزایش فعالیت فارنسیل ترانسفراز برای انتقال Rhes GTPase به وزیکول‌های اتوفاژیک با هیپرفسفوریلاسیون کم تاو همراه بود، در حالی که مهار Rhes باعث افزایش هیپرفسفوریلاسیون تاو شد [115]. بنابراین، اتوفاژی وابسته به GTPase به طور موثر pTau [116] را پاک می کند و اتوفاژی مختل از سطوح پایین GTP یا حالت اکسیداتیو اکسیداتیو ردوکس، پاکسازی pTau را مختل می کند.

GTP نیز برایسنتز پروتئین،سمت سنتز پروتئوستاز، که نیاز بههیدرولیز دو مولکول GTPبرای هر اسید آمینه ترکیب شده در یک پلی پپتید. در حالی که ATP برای شارژ aminoacyl-tRNA، برای RNA هلیکاز، و بازیافت تولید ناخالص داخلی به GTP استفاده می شود، GTP خود برای فعالیت عوامل افزایش طول در شروع (IF-2)، افزایش طول (EF-Tu، EF-G) ضروری است. و فاکتور رهاسازی ریبوزوم برای ختم (RF1) [117]. این گروه از یک سیستم بازسازی شده بدون سلول برای اندازه گیری کیلومتر کلی برای ATP 27 میکرومولار و 14 میکرومولار برای GTP استفاده کردند. این قرابت‌های بالا اولویت‌بندی سنتز پروتئین را در طول محدودیت انرژی برای حفظ ظرفیت بالا نشان می‌دهد، شاید به قیمت آندوسیتوز و اتوفاژی که احتمالاً کیلومتر بالاتری دارند. در نتیجه، مقدار زیادی GTP در شکل پذیری سیناپسی مورد نیاز است که در آن نیازهای متابولیکی بالاترین میزان برای حفظ هموستاز یونی برای عملکرد سیناپسی و گردش پروتئین است. سنتز پروتئین برای آزادسازی انتقال دهنده عصبی پیش سیناپسی و همچنین تثبیت شکل پذیری پس سیناپسی بسیار مهم است [118]. با این وجود، سنتز پروتئین همراه با سطوح RNA و tRNA ریبوزومی کاهش یافت، در حالی که اکسیداسیون RNA در فاز اولیه AD افزایش یافت [119]. تغییر سنتز پروتئین منجر به تجمع مداوم پروتئین های اکسید شده می شود که منجر به تا شدن و تجمع اشتباه می شود. تجمع پروتئین، به نوبه خود، فعالیت سیستم های پروتئولیتیک سلولی را مختل می کند که منجر به تجمع بیشتر پروتئین های اکسید شده می شود [120]. بنابراین، یک چرخه معیوب منجر به یوبی کوئیتیناسیون بیش از حد پروتئین و دیسپروتئوستاز می شود. چندین ژن دیگر که پروتئین‌های ریبوزومی را کد می‌کنند به‌طور غیرطبیعی تنظیم می‌شوند که منجر به تغییر سطح پروتئین فاکتورهای افزایش طول eIF2، eIF3η و eIF5 در AD می‌شود [121]. افزایش eIF2 و کاهش سطح eIF3η و eIF5 در ناحیه CA1 هیپوکامپ مغز AD مشاهده شد. فسفوریلاسیون مداوم eIF2 در Ser51 از طریق فعال سازی بیش از حد طولانی مدت کینازهای تنظیمی، از تحویل متیونیل-tRNA آغازگر جلوگیری می کند و از شروع ترجمه کلی زیر مجموعه ای از mRNA ها جلوگیری می کند. بنابراین، پروتئوستاز می تواند در غلظت های GTP به شدت محدود شود مختل می شود.

اختلال در سیستم GSH-Trx به عنوان محرک شکست اتوفاژی در پیری و AD

سن عامل خطر اصلی در AD است و با عدم تعادل بین کاهش حفاظت بافر ردوکس و تغییر اکسیداتیو که تولید ROS را افزایش می‌دهد همراه است. با این حال، این پیشنهاد که آسیب ROS یک عامل علت در پاتوژنز AD است توسط درمان آنتی اکسیدانی تایید نشده است و به نظر می رسد تغییر اکسیداتیو اکسیداتیو در بالادست آسیب ROS باشد [122]. یک تغییر ردوکس اکسید شده اپی ژنتیکی (EORS) برای پیش از آسیب اکسیداتیو با واسطه ROS پیشنهاد شده است تا تغییرات متابولیکی پایدار در پیری و AD را در نظر بگیرد [123]. این امر به صورت کاهش نسبت‌های ردوکس درون سلولی کاهشی از سیستم‌های حیاتی که هموستاز ردوکس را حفظ می‌کنند آشکار می‌شود: سیستئین/سیستین، GSH/GSSH و NAD(P)H/NAD(P) [3]. در طول سنی مغز موش های غیر تراریخته، یک حالت اکسیداتیو گلوتاتیون اکسیداتیو قبل از تغییر متابولیک Akt و تجمع پروتئین های انباشته در سنین بالا ایجاد می شود که در مدل موش 3xTg-AD قبل از تجمع هیپوکامپ داخل سلولی A یا پلاک خارج سلولی به شدت تسریع می شود. [124]. جهش در آنزیم‌های مرتبط با متابولیسم GSH همچنین با تنظیم اتوفاژی مانند ژن گلوتاتیون ردوکتاز (grs-1) در مدل C. elegans که انتقال هسته‌ای فاکتور رونویسی HLH را لغو می‌کند، مرتبط است. ارتولوگ TFEB پستانداران) و باعث کاهش در رونویسی ژن های مربوط به پاکسازی دانه های پروتئین توسط اتوفاژی [125] می شود. غلظت NADH آزاد درون سلولی با افزایش سن در میتوکندری ها، هسته ها و سیتوپلاسم در نورون های زنده نوع وحشی و شبه AD کاهش می یابد [2]. آیا این تغییر ردوکس می تواند افزایش لگاریتمی A-aggregates داخل سلولی را با افزایش سن تحریک کند [27]؟

اگرچه واضح است که ترکیبی از افزایش سرعت تشکیل A داخل سلولی یا میزان کلیرانس اتوفاژیک آنها با افزایش سن کاهش می یابد (عامل خطر اصلی)، مکانیسم هایی که باعث این تغییرات می شوند نامشخص باقی می مانند. ما پیشنهاد می‌کنیم که وضعیت ردوکس سلول‌ها و احتمالاً یک تغییر ردوکس سیستمیک، محرک‌های اساسی پیری هستند [123]. GSH و تیوردوکسین (Trx) مهمترین سیستم اکسیداسیون و کاهش تیول در سلول ها در برابر استرس اکسیداتیو هستند. با این حال، توزیع آنها در سلول بسیار متفاوت است. غلظت فیزیولوژیکی GSH در محدوده mM، ~1000- برابر بیشتر از Trx (در محدوده میکرومولار) است. با وجود این، سیستم Trx طیف وسیع تری از پروتئین ها را نسبت به سیستم GSH تنظیم می کند [126]. تجزیه و تحلیل پروتئومیک دخالت Trx را در تنظیم مسیرهایی که عمدتاً به گلیکولیز/گلوکونئوژنز و بازسازی اسکلت سلولی مرتبط است، شناسایی کرد، در حالی که مسیرهای تحت تأثیر هر دو Trx و GSH با تنظیم انسولین ترجمه، متابولیسم لیپید و چسبندگی سلولی مرتبط هستند [126]. در همان مطالعه، Trx همچنین با تنظیم سایر پروتئین‌های درگیر در مدیریت GTP و اتوفاژی، مانند (i) موتیف IQ موجود در پروتئین فعال‌کننده GTPase 1 (GAP)، یک پروتئین داربستی که Rho GTPase و Ca2 plus را ادغام می‌کند، مرتبط بود. سیگنال های کالمودولین در حفظ یکپارچگی اسکلت سلولی. (ii) بازدارنده تفکیک تولید ناخالص داخلی-1 (GDI-1)، پروتئینی که پروتئین‌های Rab را در ترکیب GDP-محدود نگه می‌دارد. (iii) آنزیم فعال کننده یوبیکوئیتین E1 (UBA1)، یک پروتئین مورد نیاز برای Atg{12}} و Atg{13}}اتوفاژی مستقل [127]. و (IV) کوفیلین{15}}، یک عامل دپلیمریز کننده اکتین که عملکرد آن برای حفظ خارهای سیناپسی و تحریک شکافت میتوکندری و میتوفاژی بسیار مهم است [128]. جالب توجه است که سطوح کوفیلین{18}} در موش‌های مدل AD و انسان AD افزایش یافته است که نشان‌دهنده تنظیم نامتعادل آن است [129]. این داده ها نشان می دهد که Trx می تواند نقش احتمالی در حفظ و مدیریت GTP و اتوفاژی داشته باشد.

انتهای N از Rab5 و Rab7 GTPases حاوی سیستئین های منفرد یا دوگانه است که باید در معرض اکسیداسیون- احیا به سیستین یا فارنسیلاسیون برای لنگر انداختن در غشاها یا نیتروزیلاسیون قرار گیرند، شاید به عنوان تجمع این Rab. سایر پروتئین های حساس به ردوکس در اندوسیتوز مانند TXNL1 [130] می توانند انتقال بین مراحل در مسیر را تسریع یا مانع شوند.

پتانسیل کم ردوکس در پیوند دی سولفید در Atg4 به طور موثر توسط Trx کاهش و فعال می شود، که نقشی را به عنوان تنظیم کننده ردوکس اتوفاژی با واسطه Atg4 نشان می دهد [131]. سایر اجزای سیستم تیوردوکسین در تنظیم اتوفاژی نقش دارند. حذف تیوردوکسین ردوکتاز (TrxR2، ایزوفرم میتوکندری) باعث انحطاط میتوکندری همراه با بیان بیش از حد LC3، p62، LAMP1 و تجمع اجسام اتوفاژیک در کاردیومیوسیت ها شد [132]. اما کمبود TrxR1 استرس اکسیداتیو را افزایش داد، اتوفاژی اولیه را قطع کرد و تخریب پروتئین در لیزوزوم ها را کاهش داد [133]. این داده ها نشان می دهد که چندین پروتئین کلیدی دستگاه اتوفاژی، مانند Atg در مخمر، ممکن است در پاسخ به تغییرات شرایط ردوکس داخل سلولی، علاوه بر تنظیم بالقوه توسط سطوح GTP، تنظیم شوند.

افزایش انرژی برای نجات پاتولوژی AD

در حالی که تحریک شار اتوفاژیک کلی برای تناسب سلول و بافت مفید است، بدون انرژی کافی برای اجرای اتوفاژی، سیستم مهار خواهد شد. شواهد فزاینده نشان می دهد که کاهش در دسترس بودن NAD به علاوه / NADH با افزایش سن [2، 134] نقش مهمی در اختلال عملکرد میکروواسکولار عصبی و عروقی مرتبط با سن دارد [135، 136]. بنابراین، جوان‌سازی انرژی اکسیداتیو و کاهشی سلولی ممکن است به افزایش تقاضای اتوفاژی مرتبط با سن کمک کند. بازگرداندن سطوح NAD پلاس و NADH سلولی توسط مکمل نیکوتین آمید مونونوکلئوتید (NMN) در موش های مسن باعث نجات عملکرد عصبی عروقی، افزایش جریان خون مغزی و بهبود عملکرد در وظایف شناختی شد [135، 136]. ریبوزید نیکوتین آمید (NR)، پیش ساز NMN، عملکرد سلول های بنیادی میتوکندری و بالغ را در موش های مسن بهبود می بخشد و همچنین طول عمر کلی را افزایش می دهد [137]. این پیش سازهای NAD همچنین می توانند اتوفاژی را تغییر دهند. NR می تواند از انسداد شار اتوفاژیک جلوگیری کند و استرس اکسیداتیو را در کاردیومیوسیت های تحت درمان با دوکسوروبیسین کاهش دهد، که منجر به افزایش ترخیص کالا از گمرک اتولیزوزوم از طریق مسیر سیگنالینگ NAD plus / SIRT1 می شود [138]. درمان NR همچنین عملکرد اتوفاژیک را افزایش داد و سلامت میتوکندری را در مدل‌های حیوانی بیماری پارکینسون بازیابی کرد، که درمان‌های احتمالی را در سایر بیماری‌های نورودژنراتیو پیشنهاد می‌کند [139]. از آنجایی که محصول Sirtuins و PARP نیکوتین آمید است، سلول ها به مسیر نجات NAD برای بازیافت نیکوتین آمید به NMN و در نهایت NAD plus نیاز دارند. دو آزمایشگاه موش‌های AD 3xTg را با نیکوتین آمید درمان کرده‌اند و بهبود مفیدی را در حافظه، ترمیم DNA، اتوفاژی، تجمع A، تاو فسفریله و انرژی‌های زیستی بهبود یافته مشاهده کرده‌اند [140، 141]. به طور مشابه، بهبود عملکرد شناختی در تست‌های رفتاری متعدد در موش‌های 3xTgAD تحت درمان با ریبوزید نیکوتین آمید، نقش محوری را برای NAD سلولی به‌علاوه تخلیه بالادست انحطاط عصبی در AD نشان می‌دهد [142]. بنابراین، ما 3xTg AD بزرگسالان و نورون های غیر تراریخته را با نیکوتین آمید درمان کردیم تا ببینیم که بهبود بیوانرژیک به بهبود سطوح GTP، هم محدود و هم آزاد گسترش می یابد (شکل 1). به طور کلی، افزایش سطح NAD به علاوه ممکن است عملکردهای پایین دستی متعددی مانند ژن‌های فعال SIRT1 وابسته به NAD را که باعث جوان‌سازی میتوکندری و مهار التهاب و آپوپتوز می‌شوند، داشته باشد.

دسته دیگری از مولکول‌هایی که از نورون‌های قدیمی سود می‌برند، فعال‌کننده‌های Nrf2 هستند [143، 144]. یک مثال، استر اپی گالوکاتچین و گالیک اسید، (-)-اپی گالوکاتچین-3-گالات (EGCG)، زیست فعال ترین پلی فنول موجود در عصاره چای سبز است. EGCG به طور قابل توجهی بیان mRNA پروتئین های کلیدی آداپتور اتوفاژی NDP52 و p62 را افزایش داد و پاکسازی گونه های تاو فسفریله شده مرتبط با AD را در نورون های اولیه [145] و همچنین تون عروق مغزی را بهبود بخشید [146]. EGCG همچنین مسیرهای اتوفاژیک را با القای Sirt1 فعال کرد و اثرات محافظتی در برابر سمیت عصبی ناشی از پروتیین پریون انسانی را اعمال کرد [69]. اثرات مشابهی با استفاده از سایر الکتروفیل های Nrf2 سولفورافان [147]، fsetin و urolithin A از انار مشاهده شد [148].

نتیجه گیری و مطالعات آتی

مجموعه ای شگفت انگیز از ماکرواتوفاژی کنترل GTPase خاص (میتوفاژی)، میکرواتوفاژی، اتوفاژی با واسطه چاپرون (CMA) واندوسیتوز، و وزیکول وقاچاق میتوکندری. از آنجایی که همه آنها به سطوح GTP محلی بستگی دارند، تعیین ثابت های اتصال آنها برای GTP مهم خواهد بود. زالا و همکاران [51] اهمیت عملکردی برای شکافت میتوکندری GTPases Drp1 و Fis1 با کیلومتر حدود 100 میکرومولار نشان داد، در حالی که Opa1 GTPase با کیلومتر حدود 500 میکرومولار، به سطوح بالاتر GTP برای ترویج همجوشی میتوکندری نیاز دارد. که درآگهی،درون سلولیواگزوسیتیکپردازش پروتئین چسبندگی سیناپسی بتا-APP ممکن است به دلیل کاهش سطح GTP محلی و GTPases و همچنین موضعی مختل شود.حالات ردوکس اکسیداتیو. واضح تر در AD استتجمع وزیکول های اتوفاژیکاز انسداد در مسیر طولانی یا عدم تنظیم یک پاسخ به اندازه کافی قوی به آسیب سلولی داخلی همراه با شکست در اسیدی کردن کافی لیزوزوم ها برای فعال سازی تخریب محموله. مشخص نیست که چه مقدار از این کمبودها ناشی از انحطاط مربوط به سن است که با تغییرات اکسیداتیو اکسیداتیو مرتبط با سن مرتبط است. تغییرات مرتبط با سن در سطوح GTP یا ظرفیت برای تنظیم روباه های پرانرژی زیستی جنبه مهمی از تحقیقات آینده خواهد بود، به خصوص اگر NAD به علاوه پیش سازها قادر به افزایش ظرفیت و ترویج پاکسازی اتوفاژیک بیشتر باشند. سازگاری متابولیک با سبک زندگی بی تحرک می تواند عملکرد میتوکندری را با انرژی کمتر برای مدیریت سالم پروتئوستاز آمیلوئید و تاو، عملکرد سیناپسی و التهاب کاهش دهد. در افراد دارای کمبود،پیش سازهای انرژی خاصو تعدیل کننده های ردوکس ممکن است به آن اضافه کنندفواید ورزشو الفرژیم غذایی سالمبهافزایش و ارتقای حداکثر طول سلامت.

قدردانی

ارقام در Biorender.com ایجاد شدند.

منابع مالیاین کار تا حدی توسط مؤسسه ملی بهداشت RF1 AG058218 به GJB حمایت شد. RAS از Secretaría de Educación, Ciencia, Tecnología e Innovación (SECTEI) برای شرح و بسط محصولات به دست آمده از این کار فوق دکترا پشتیبانی دریافت می کند.

در دسترس بودن داده ها داده های تصویر خام برای شکل 1 بنا به درخواست منطقی برای نویسنده مربوطه در دسترس است.

اعلامیه ها تضاد منافع نویسندگان هیچ منفعت رقیب را اعلام نمی کنند.

منابع

1. Parihar MS، Kunz EA، Brewer GJ. کاهش وابسته به سن در NAD(P)H و گلوتاتیون باعث کاهش ردوکس قبل از از دست دادن ATP در طول درمان گلوتامات نورون های هیپوکامپ می شود. J Neurosci Res. 2008؛ 86:2339-52.

2. دونگ وای، دیگمن MA، بروور جی. وضعیت ردوکس مرتبط با سن و AD NADH در بخش های درون سلولی توسط میکروسکوپ تصویربرداری طول عمر فلورسانس. علوم زمین. 2019؛ 41:51-67.

3. دونگ وای، هارلان بی‌ای، بروور جی. وقتی پیری آلزایمر را روشن می کند. سالخورده. 2021؛ 13: 13376-7.

4. دونگ یی، ثامنی س، دیگمن MA، بروور جی. برگشت‌پذیری حالت‌های ردوکس NADH آزاد اکسید شده مرتبط با سن در نورون‌های بیماری آلزایمر توسط تغییرات خارجی Cys/CySS ردوکس تحمیلی. Sci Rep. 2019; 9:11274. 5. Bubber P، Haroutunian V، Fisch G، Blass JP، Gibson GE. ناهنجاری های میتوکندری در مغز آلزایمر: پیامدهای مکانیکی آن نورول. 2005؛ 57:695-703. 6. Traut TW. غلظت فیزیولوژیکی پورین ها و پیریمیدین ها. Mol Cell Biochem. 1994؛ 140: 1-22.

7. Bianchi-Smiraglia A، Wolf DW، Marston DJ، Deng Z، Han Z، Moparthy S، Wombacher RM، Mussell AL، Shen S، Chen J، Yun DH، O'Brien Cox A، Furdui CM، Hurley E، Feltri ML، Qu J، Hollis T، Kengne JBN، Fon gang B، Sousa RJ، Kandel ME، Kandel ES، Hahn KM، Nikiforov MA. تنظیم در دسترس بودن GTP محلی فعالیت RAC1 و تهاجم سلولی را کنترل می کند. Nat Commun. 2021؛ 12:6091.

8. Schlattner U. توابع پیچیده خانواده NME - موضوع مکان و فعالیت مولکولی. Int J Mol Sci. 2021؛ 22:13083

9. Bianchi-Smiraglia A, Rana MS, Foley CE, Paul LM, Lipchick BC, Moparthy S, Moparthy K, Fink EE, Bagati A, Hurley E, Afronti HC, Bakin AV, Kandel ES, Smira glia DJ, Feltri ML, سوزا آر، نیکیفوروف MA. حسگرهای فلورسنت نسبت سنجی داخلی برای ارزیابی سطوح و توزیع GTP درون سلولی روش‌های Nat 2017؛ 14:1003–9.

10. Bianchi-Smiraglia A, Nikiforov MA. ارزیابی سطوح GTP درون سلولی با استفاده از سنسورهای فوئورسانس کدگذاری شده ژنتیکی روش‌ها Mol Biol. 2022؛ 2394: 163-9.

بیشتر بخواهید:

ایمیل:wallence.suen@wecistanche.com

واتساپ٪2fTel٪3a ٪7b٪7b0٪7d٪7d

فروشگاه

https٪3a٪2f٪2fwww.xjcistanche.com٪2fcistanche-shop