نقش EIF5A در عملکرد میتوکندری

لطفا تماس بگیریدoscar.xiao@wecistanche.comبرای اطلاعات بیشتر

خلاصه:فاکتور شروع ترجمه یوکاریوتی 5A (eF5A) یک پروتئین حفظ شده تکاملی است که به ریبوزوم ها متصل می شود تا ترجمه نقوش پپتیدی را با پرولین های متوالی یا ترکیبی از پرولین ها با گلیسین و اسیدهای آمینه باردار تسهیل کند. همچنین با سایر عملکردهای مولکولی و فرآیندهای سلولی، مانند صادرات mRNA هسته ای و فروپاشی mRNA، تکثیر، تمایز، اتوفاژی و آپوپتوز مرتبط است. علاقه روزافزون به elF5A به ارتباط آن با پاتوژنز چندین بیماری از جمله سرطان، عفونت ویروسی و دیابت مربوط می شود. همچنین به عنوان یک عامل ضد پیری پیشنهاد شده است: سطح آن در سلول‌های پیر تحلیل می‌رود، در حالی که افزایش سطح elF5A فعال منجر به جوان‌سازی سیستم ایمنی و عروقی و بهبود شناخت مغز می‌شود. داده های اخیر نقش eIF5A را در برخی آسیب شناسی ها با عملکرد آن در حفظ میتوکندری سالم مرتبط می کند. فاکتور شروع ترجمه یوکاریوتی 5A تحت متابولیسم تنفسی تنظیم می شود و کمبود آن باعث کاهش مصرف اکسیژن، تولید ATP و سطوح چندین آنزیم متابولیک میتوکندری می شود و همچنین پویایی میتوکندری را تغییر می دهد. با این حال، اگرچه تمام داده های انباشته شده به شدت eIF5A را به عملکرد میتوکندری مرتبط می کند، نقش مولکولی دقیق و مکانیسم های درگیر هنوز ناشناخته است. در این بررسی، یافته‌های مربوط به eIF5A و میتوکندری را مورد بحث قرار می‌دهیم، در مورد نقش آن در تنظیم هموستاز میتوکندریایی حدس می‌زنیم، و پتانسیل آن را به عنوان یک هدف در بیماری‌های مرتبط با متابولیسم انرژی برجسته می‌کنیم.

کلید واژه ها:elF5A; میتوکندری؛ ترجمه؛ اسپرمیدین؛ تنفس میتوکندری؛ OXPHOS; TCA

لطفا برای دانستن بیشتر اینجا را کلیک کنید

1. عملکرد مولکولی eIF5A

اگرچه تقریباً 50 سال پیش کشف شد، فاکتور شروع ترجمه یوکاریوتی 5A (eF5A) هنوز در بسیاری از جنبه‌ها معما است. eIF5A یک پروتئین کوچک، همه جا حاضر و ضروری است که به شدت در بین یوکاریوت ها و باستانی ها حفظ شده است [1]. همچنین بسیار فراوان است - در میان 100 پروتئین فراوان در Saccharomyces cerevisiae با تقریباً 273،{7}} نسخه در هر سلول، که تقریباً دو برابر تعداد ریبوزوم‌ها است [2]. در ابتدا به عنوان فاکتور شروع ترجمه 3،4 طبقه بندی شد، سپس گزارش شد که نقش اصلی elF5A ترویج افزایش طول ترجمه mRNA ها در توالی هایی است که برای موتیف های پپتیدی خاص کد می کنند و با تحریک هیدرولیز پپتیدیل-tRNA به خاتمه کمک می کند. [5-11].

در اکثر یوکاریوت ها، eIF5A دارای دو ایزوفرم TIF5A و TIF51B در مخمر، و EIF5A1 و EIF5A2 در انسان است که در هر ارگانیسم بیش از 90 درصد هویت توالی اسید آمینه مشترک دارند و در شرایط مختلف بیان می شوند. در اینجا، ما به رایج ترین ایزوفرم های بیان شده، Tif51A در مخمر و EIF5A1 در انسان، به عنوان elF5A اشاره می کنیم. این تنها پروتئین سلولی شناخته شده حاوی اسید آمینه غیرعادی و ضروری هیپوزین (Ne-({13}}آمینو-2-هیدروکسی بوتیل) لیزین است. Hypusination برای عملکرد eF5A حیاتی است و از یک واکنش پس از ترجمه دو مرحله ای ناشی می شود که به دو آنزیم، دئوکسی هیپوزین سنتاز (DHPS) و دئوکسی هیپوزین هیدروکسیلاز (DOHH) نیاز دارد (شکل 1). ابتدا، DHIPS بخش آمینوبوتیل را از پلی آمین اسپرمیدین به گروه e-آمینه یک باقیمانده لیزین خاص (Lys51 در مخمر و Lys50 در انسان) برای تولید یک ماده واسطه منتقل می کند. دوم، DOHH بلافاصله و به طور غیرقابل برگشتی هیدروکسیلاسیون باقیمانده دئوکسی هیپوسین به هیپوسین را کاتالیز می کند و شکل hvpusinated و بالغ elF5A را ایجاد می کند [12].سیستانچدر نتیجه، elF5A هیفن شده درون سلولی (hyp-elF5A) با فعالیت elF5A سلولی ارتباط دارد. فاکتور شروع ترجمه یوکاریوتی 5A می‌تواند تحت سایر تغییرات پس از ترجمه، مانند استیلاسیون (در باقیمانده‌های Lys47 و Lys68)، که فرض می‌شود هیفناسیون [13،14] یا فسفوریلاسیون (در Ser2) را حذف می‌کند [15l، که نقش آن است. کاملا درک نشده است

شکل 1. مسیر پلی آمین هیپوزین و مهارکننده های دارویی آن. بستر اسپرمیدین برای هیفناسیون elF5A با تبدیل پلی آمین اورنیتین در پوترسین توسط آنزیم اورنیتین دکربوکسیلاز (ODC) به دست می آید. در مرحله بعد، اسپرمیدین از پوترسین توسط اسپرمیدین سنتاز (SPDS) سنتز می شود. از طرف دیگر، اسپرمیدین توسط اسپرمین سنتاز (SPMS) به اسپرمین تبدیل می شود. اصلاح هیپوزینی باقیمانده لیزین-50(انسان) یا لیزین-51 (مخمر) elF5A با افزودن اسپرمیدین از طریق دو واکنش آنزیمی متوالی رخ می‌دهد.cistanche استرالیاابتدا، دئوکسی هیپوزین سنتاز (DHPS) گروه آمینوبوتیل اسپرمیدین را به گروه آمینو لیزین منتقل می کند و یک بستر میانی تولید می کند، که تجمع نمی یابد. دوم، دئوکسی هیپوزین هیدروکسیلاز (DOHH) یک گروه هیدروکسیل اضافه می کند و باقیمانده هیپوزین eF5A را تشکیل می دهد، که فعالیت را به پروتئین می دهد. اصلاحات بعد از ترجمه elF5A را می توان با مهارکننده های DHPS و DOHH سرکوب کرد، اما همچنین با مهار ODC، آنزیم محدود کننده سرعت برای بیوسنتز اسپرمیدین، سرکوب شد. پردازش شکل با استفاده از نرم افزار BioRender انجام شد.

سیستانچ می تواند ضد پیری باشد

با توجه به ساختار elF5A، مطالعات مختلف، که موضوعات آنها از باستان‌شناسی تا انسان را در بر می‌گیرد، در دهه‌های گذشته منتشر شده است [16-18] که نشان می‌دهد چگونه hyp-elF5A به یک ساختار دو دامنه‌ای با کاراکتر غالباً صفحه‌ای تا می‌شود. که بخش N ترمینال دارای ویژگی منحصر به فرد eIF5A، باقیمانده هیپوزین است [19]. این باقیمانده در نوک یک حلقه گسترده، بدون ساختار و در معرض (حلقه هیپوزین) شبیه به tRNA قرار دارد. پس از اتصال به کمپلکس ریبوزومی 80S که از قبل تشکیل شده است، پیش‌بینی می‌شود که hyp-elF5A در مجاورت tRNA سایت P قرار بگیرد که روی E-سایت همپوشانی دارد [{15}}]. به این ترتیب، hyp-elF5A از توقف ریبوزوم‌ها در توالی‌های خاص با پرتاب کردن دامنه حاوی هیپوسین به سمت P-site جلوگیری می‌کند تا موقعیت باقیمانده روی آن را محدود کند. به طور خاص، hyp-elF5A با حمایت از تشکیل پیوند پپتیدی بین باقی مانده‌های اسید آمینه حیاتی که به عنوان بسترهای ضعیف برای واکنش شناخته می‌شوند، سنتز پروتئین‌ها را تحریک می‌کند، مانند امتداد سه یا چند باقیمانده پرولین متوالی (PPP) یا موتیف‌های پلی پرولین، اما همچنین ترکیبی از پرولین، گلیسین و اسیدهای آمینه باردار [{22}}]. بنابراین، hyp-elF5A به ترجمه تنها بخشی از جمعیت کلی mRNA کمک می کند، که ویژگی متمایز آن است. در ارتباط با نقش اصلی خود در ترجمه، hyp-elF5A همچنین می‌تواند در شبکه آندوپلاسمی (ER)، جایی که با ریبوزوم‌های متصل به غشای ER مرتبط است، موضع‌گیری شود و به نظر می‌رسد که انتقال همزمان برخی از پروتئین‌ها به داخل را تسهیل می‌کند. ER، مانند کلاژن [23-26].مزایای سیستانچبنابراین، مسدود کردن هیفناسیون elF5A باعث تنظیم مجدد چاپرون های ناشی از استرس در مخمر می شود [25] و منجر به استرس ER در سلول های پستانداران می شود [26،27]. چندین مطالعه نشان داده اند که elF5A در فرآیندهایی دخالت دارد که مستقیماً با سنتز پروتئین مرتبط نیستند. ویژگی های ساختاری elF5A نشان می دهد که پتانسیل تعامل با اسیدهای نوکلئیک را ارائه می دهد. دامنه C ترمینال شبیه دامنه شوک سرد (CSD) است که در پروتئین های متصل به DNA و RNA رایج است، در حالی که ترمینال N حامل باقیمانده هیپوسین است که حاوی دو بار مثبت است و شبیه اسپرمیدین است، مولکولی که به طور خاص برهمکنش می کند. با DNA و RNA در واقع، گزارش شده است که hyp-elF5A به برخی از مولکول‌های RNA به روش توالی خاص متصل می‌شود [28،29]، و به انتقال mRNA‌های تازه تولید شده از هسته به سیتوپلاسم کمک می‌کند [28،30]. علاوه بر این، جهش‌یافته‌های eF5A تأثیر قابل‌توجهی بر تعادل بین جذب mRNA به ریبوزوم‌ها برای ترجمه و تخریب آن دارند [24،31،32]، که نشان می‌دهد elF5A عملکردی را در مراحل فروپاشی mRNA در پایین دست decapping انجام می‌دهد [24،31]. Archaeal IF5A همچنین نقشی در متابولیسم RNA به عنوان یک پروتئین مهتابی دارد که با ریبوزوم‌ها ارتباط دارد اما فعالیت RNAse را نیز اعمال می‌کند[33].

همانطور که قبلاً گفته شد، hyp-elF5A به ترجمه پروتئین‌های خاصی که حاوی موتیف‌های حیاتی در توالی‌های اسید آمینه‌شان هستند کمک می‌کند، اگرچه این احتمال وجود دارد که ما در حال حاضر تنها بخش کوچکی از اهداف مستقیم آن را می‌شناسیم. بنابراین، نقش کلیدی که elF5A در فرآیندهای سلولی مختلف ایفا می کند، بیشتر به دلیل طیف گسترده ای از عملکردهای سلولی است که اهداف مستقیم آن ارائه می شود. یکی از نقش های اصلی hyp-elF5A در تکثیر سلولی و رشد حیوانات است. فاکتور شروع ترجمه یوکاریوتی 5A و هیفناسیون آن برای تکثیر سلولی در یوکاریوت ها ضروری است و اختلال در ژن های eIF5A یا DHPS و همچنین مهارکننده های DHPS باعث توقف رشد و اثرات ضد تکثیر قوی از جمله آپوپتوز می شود [13،{{ 9}}]. Hyp-eF5A همچنین از طریق ترجمه فاکتور رونویسی اصلی اتوفاژی TFEB و پروتئین ATG3، که دومی در لیپیداسیون LC3B و تشکیل اتوفاگوزوم دخیل است، واسطه اتوفاژی کارآمد می شود [42،43]. علاوه بر این، elF5A نقش مهمی در سازماندهی مناسب اسکلت سلولی و شکل سلولی [44-46] از طریق ترجمه فرمین ها در یوکاریوت ها ایفا می کند. در مخمر، elF5A برای ترجمه فرمین Bnil حاوی پلی پرولین، که در رشد پلاریزه در طول جفت گیری نقش دارد، مورد نیاز است [47]. بر این اساس، یک ارتباط مکانیکی بین elF5A و دیافانوس، فرمین دخیل در مونتاژ کابل غنی از اکتین در طول بسته شدن جنینی پشتی مگس سرکه و مهاجرت سلول های بنیادی عصبی نشان داده شده است [48]. Hyp-elF5A همچنین برای ترویج مهاجرت سلولی، تهاجم و متاستاز با کنترل بیان مجموعه‌ای از مولکول‌های سیگنال‌دهنده کلیدی از جمله RhoA و کیناز مرتبط با Rho، دو پروتئین تنظیم‌کننده اسکلت سلولی که در ترویج مهاجرت سلولی نقش دارند، توصیف شده است [49]، و با تنظیم مستقیم بیوسنتز MYC در موتیف های مکث خاص [50]. به طور خاص، ایزوفرم EIF5A2 نشان داده شده است که انتقال اپیتلیال - مزانشیمی را در چندین نوع سلول سرطانی ارتقا می‌دهد [5]. فاکتور شروع ترجمه یوکاریوتی 5A نیز در تنظیم آپوپتوز دخیل است، اما مکانیسم درگیر با توجه به اینکه به نظر می رسد این عملکرد برخلاف ترویج تکثیر [52-54] در هم پیچیده به نظر می رسد. اخیراً مشخص شد که در پاسخ به استرس، hyp-elF5A ترجمه سرکوبگر تومور و فاکتور پرواپوپتوز p53 را که حاوی موتیف‌های پلی پرولین حساس به عمل elF5A است، ترویج می‌کند [55] و به عنوان یک فاکتور رونویسی مسئول عمل می‌کند. راه اندازی انواع برنامه های ضد تکثیر.

نقش اساسی eF5A در فرآیندهای سلولی بیان شده، این پروتئین را در پاتوژنز طیف گسترده ای از بیماری های انسانی نقش دارد. شواهد روزافزون نشان می دهد که hyp-elF5A نقش مهمی در تعدیل انتشار ویروس ایفا می کند. این به عنوان یک کوفاکتور ضروری ویروس نقص ایمنی انسانی نوع 1 (HIV{4}}) عامل انتقال REV تعریف شده است. از طریق اتصال اختصاصی Rev، در انتقال mRNA های ویروسی ناپیوسته در سراسر پوشش هسته شرکت می کند [56] و می تواند به عنوان یک پروتئین حرکتی نوکلئوسیتوپلاسمی [57] رفتار کند. اگرچه HIV اولین ویروسی بود که به elF5A نیاز داشت، اما این عامل در تکثیر سایر ویروس‌ها مانند ویروس Marburg (MARV) و ویروس ابولا نیز شرکت می‌کند [58]. دومین پاتوژنز انسانی با پیوند کاملاً مشخص با elF5A دیابت است. در مدل‌های موشی دیابت، hyp-elF5A در سلول‌های جزایر پانکراس مسئول ترجمه رونوشت‌های ناشی از سیتوکین و همچنین فعال‌سازی و تکثیر سلول‌های کمکی T است [41،59،60]. دو ژن پارالوگ که elfF5A، EIF5A و EIF5A2 را کد می‌کنند، تحت شرایط مختلف بیان می‌شوند. EIF5A1 در همه بافت‌ها و انواع سلولی پستانداران بیان می‌شود، در حالی که EIF5A2 بیان محدودی را در بافت سالم نشان می‌دهد (تقریباً غیرقابل تشخیص است) اما در بافت‌های خاص یا سلول‌های سرطانی بیش از حد بیان می‌شود. بیان بیش از حد هر دو ایزوفرم elF5A در چندین تومور مشاهده شده است و باعث مهاجرت سلولی، تهاجم و متاستاز سرطان می شود (برای جزئیات بیشتر به بررسی [51] مراجعه کنید)، اما EIF5A2 یک انکوژن بالقوه و نشانگر تشخیصی یا پیش آگهی [61،62] در نظر گرفته می شود. با بقای ضعیف، مرحله پیشرفته بیماری، پاسخ ضعیف به داروهای شیمی درمانی و متاستاز همراه است. انواع ژنتیکی elF5Agenes به عنوان پایه برخی از اختلالات رشد عصبی نادر در انسان شناسایی شده است [63].

مهار عملکرد elF5A به عنوان یک هدف بالقوه برای درمان بیماری های فوق الذکر ظاهر شده است. مهار هیفناسیون eIF5A را می توان با استفاده از مهارکننده های DHPS، مانند GC7(N1-guanyl-1،7-diamonheptane)، deoxyspergualin یا semapimod به دست آورد. مهارکننده های DOHH، مانند سیکلوپیروکس، دفریپرون یا میموزین. یا مهارکننده های اورنیتین دکربوکسیلاز (ODC)، مانند DFMO (دی فلورو متیل اورنیتین) (شکل 1). DFMO یک مهار کننده برگشت ناپذیر ODC است که آنزیم محدود کننده سرعت بیوسنتز پلی آمین است. بنابراین، DFMO برای کاهش سطح پلی آمین عمل می کند و به طور خاص از خط فاصله گذاری eIF5A جلوگیری نمی کند [64]. DFMO برای کاهش تکثیر چندین ویروس RNA از جمله ابولا، دنگی، زیکا، فلج اطفال و ویروس کوکساکی [58،65] و در پیشگیری/درمان سرطان [66] استفاده شده است. دفریپرون و آنالوگ ساختاری آن، سیکلوپیروکس، به ترتیب در درمان اضافه بار آهن و عفونت های قارچی استفاده می شود. با این حال، هر سه مهارکننده DOHIH بر فعالیت آنزیم‌های دیگر مانند آنزیم پرولین هیدروکسیلاز [37] تأثیر می‌گذارند. در میان بازدارنده های DHPS شناخته شده، GC7، مشتق دی آمینو هپتان، کارآمدترین مهارکننده است (K؛ مقدار برای GC7، 0.01 میکرومولار، در مقایسه با کیلومتر برای اسپرمیدین، 4.5 میکرومولار)[67] و امروزه به طور گسترده برای از دفع elF5A در سلول های پستانداران جلوگیری می کند [68،69]. در حال حاضر هیچ مهارکننده‌ای وجود ندارد که مستقیماً روی elF5A یا به‌طور انتخابی‌تر روی elF5A2 عمل کند: این یک راه ممکن برای تحقیق و توسعه آینده است.

در نهایت، نقش elF5A در پیری در دهه گذشته به طور گسترده مورد مطالعه قرار گرفته است. elF5A در حافظه بلند مدت، پاسخ ایمنی تطبیقی، عملکرد قلبی عروقی و عملکرد میتوکندری نقش دارد. شکست این فرآیندها نشانه پیری است [70]. در این بررسی، ما بر رابطه بین eF5A و متابولیسم میتوکندری و همچنین بیماری‌های مرتبط با میتوکندری تمرکز می‌کنیم، با هدف ارائه خلاصه‌ای از داده‌های اخیر که elF5A را به میتوکندری در ارگانیسم‌های مختلف مرتبط می‌کند.

2. متابولیسم میتوکندری در سلامت و بیماری

میتوکندری ها تولید کننده اصلی انرژی به شکل ATP هستند که برای فرآیندهای سلولی کلیدی مورد نیاز است. به این ترتیب، آنها برای زندگی یوکاریوتی ضروری هستند. میتوکندری ها از درون همزیستی پروتئوباکتری های o مشتق می شوند و میزبان چندین مسیر متابولیک مانند چرخه اسید تری کربوکسیلیک (TCA)، اکسیداسیون و سنتز لیپیدها هستند.کلسترول سیستانچچرخه TCA و زنجیره انتقال الکترون (ETC) ATP را از گرادیان ردوکس تولید می کنند [71]. این اندامک‌های زیر سلولی دولایه حاوی 8 یا 13 ژن کدکننده پروتئین (به ترتیب در انسان و وسیع) هستند که پروتئین‌های حیاتی عمدتاً در فسفوریلاسیون اکسیداتیو (OXPHOS) نقش دارند [72]. این ژنوم مستقل از ژنوم هسته ای تکثیر و رونویسی می شود، اما هر دو ژنوم باید با هم کار کنند تا عملکرد صحیح سلول را تضمین کنند. حدود 1500 پروتئین رمزگذاری شده با هسته‌ای به سمت میتوکندری هدف قرار می‌گیرند که به یک سیستم واردات، پردازش و مونتاژ پیچیده نیاز دارد [73]. با پردازش اکسیژن برای تأمین انرژی برای عملکرد سلول، میتوکندری ها به بازیگر اصلی در زندگی هوازی تبدیل شده اند و در بسیاری از جنبه های سلامت، بیماری و پیری حیاتی هستند [74-76]. هنگامی که الکترون ها به عنوان محصول جانبی تنفس اکسیداتیو فرار می کنند و تا حدی اکسیژن را کاهش می دهند، میتوکندری ها گونه های اکسیژن فعال (ROS) تولید می کنند. این حتی در شرایط عادی کاهش اکسیژن کارآمد اتفاق می افتد [77،78]. تحت شرایط بیماری، میتوکندری ها ناکارآمد می شوند و به طور کلی سه اختلال اصلی را نشان می دهند: انتشار ROS اضافی، OXPHOS غیر جفت نشده و جذب غیر طبیعی Ca2 [79،80]. این نقایص باعث آسیب به ماکرومولکول ها و تغییرات در تامین انرژی، محیط اکسیداسیون و کاهش، سیگنال دهی میتوکندری و زنده ماندن سلول می شود. برای کاهش این اثرات منفی، میتوکندری ها مسیرهای کنترل کیفیت مختلفی را برای حفظ عملکردهای حیاتی خود و کاهش استرس میتوکندری ایجاد کرده اند. یک مسیر کلیدی کنترل کیفیت، میتوفاژی، حذف اتوفاژیک خاص میتوکندری است [81].عوارض جانبی cistanche deserticolaعلاوه بر این، میتوکندری ها ماهیت بسیار پویایی را از طریق فرآیندهای همجوشی و شکافت نشان می دهند، که به آنها اجازه می دهد تا با بازسازی شبکه های میتوکندری با تنش های مختلف سازگار شوند [82،83]. یکی دیگر از مسیرهای ضروری کنترل کیفیت، پاسخ به استرس ناشی از نقص های وارداتی و تغییر متابولیسم لیپید است که شامل القای اجزای پاسخ شوک حرارتی و تضعیف ترجمه می شود[84]. علاوه بر این، میتوکندری ها می توانند تا شدن اشتباه پروتئین ماتریکس را حس کنند و یک برنامه رونویسی تطبیقی ​​را برای اطمینان از حفظ پروتئوستاز میتوکندری القا کنند [85]. هنگامی که آسیب سلولی خیلی زیاد است، میتوکندری ها نقش مهمی در سیگنال دادن به مرگ سلولی آپوپتوز دارند [86].

عملکرد میتوکندری در طول پیری مغز [87-89] کاهش می‌یابد، اما در عضله، قلب، کبد و بافت‌های چربی نیز کاهش می‌یابد [90]. بنابراین، در سلول های پیر، کاهش در تعداد و تراکم میتوکندری ها، و همچنین در تولید بیوژنز میتوکندری [91] و ظرفیت/فعالیت زنجیره تنفسی [92،93] وجود دارد. سلول‌های پیر همچنین پویایی میتوکندری تغییر یافته، کاهش در سیستم‌های کنترل کیفیت میتوکندری و میتوکندری و افزایش آسیب mtDNA را نشان می‌دهند [83،94]. با توجه به نقش اساسی آن در سلول ها، اختلال عملکرد میتوکندری در نهایت می تواند چندین فرآیند بیولوژیکی را تحت تاثیر قرار دهد و به عنوان نشانه ای برجسته از بیماری های متابولیک، قلبی عروقی، التهابی و نورودژنراتیو ظاهر شده است. سرطان؛ و بسیاری از بیماری های مرتبط با سن [95-99]. به همین دلیل، درک مکانیسم های زیست شناسی میتوکندری برای امکان توسعه درمان های موثر مهم است.

3. بیان ایزوفرم های elF5A به حالت متابولیک سلولی پاسخ متفاوتی می دهد.

بیشتر یوکاریوت ها حاوی دو ژن پارالوگ هستند که دو ایزوفرم بسیار همولوگ elF5A را کد می کنند. این دو ژن یک الگوی بیان کاملاً متفاوت را در پستانداران و مخمرها نشان می‌دهند، که تخصص عملکردی متفاوتی را نشان می‌دهد، که، با این حال، هنوز به وضوح در شرایط مولکولی ثبت نشده است. بیشتر اطلاعات فعلی در مورد تنظیم افتراقی ایزوفرم های elF5A از مطالعات روی مخمر به دست آمده است و تأثیر متابولیک سلولی و وضعیت تنفسی را نشان می دهد.

انطباق متابولیسم سلولی با شرایط خارجی برای اکثر موجودات و به ویژه برای مخمرها که با محیطی دائما در حال تغییر سر و کار دارند مهم است. بیان ایزوفرم های elF5A الگوی تنظیم مخالف را در شرایط تخمیری و تنفسی نشان می دهد. سلول های مخمر به جای متابولیسم تنفسی به سمت متابولیسم تخمیری گرایش دارند. اگرچه از نظر انرژی کارایی کمتری نسبت به تنفس دارد، اما از نظر تولید ATP، تخمیر اجازه می‌دهد تا فعالیت‌های سلولی با سرعت بالاتری انجام شود و رشد و بقای رقابتی‌تری را ممکن می‌سازد. این متابولیسم تخمیری ترجیحی در سلول‌های سرطانی پستانداران نیز یافت می‌شود که در آن افزایش زیست توده در اولویت قرار دارد [100].

ژن‌های مخمر گلیکولیز و تخمیر در حضور اکسیژن و گلوکز القا می‌شوند، در حالی که ژن‌های دخیل در استفاده از منابع کربن جایگزین، از جمله آنزیم‌های تنفسی از چرخه TCA، ETC و OXPHOS، در معرض سرکوب گلوکز هستند [{{0} }]. سطوح بالای گلوکز فعالیت پروتئین کیناز A و مسیرهای سیگنال دهی راپامایسین کمپلکس 1 (TORC1) را حفظ می کند و در عین حال مانع از تنفس میتوکندری می شود. تحت این شرایط، TIF51A به طور اساسی بیان می شود در حالی که TIF51B ضعیف بیان می شود، تقریبا غیرقابل تشخیص است. مانند سایر پروتئین های دخیل در ترجمه [104-106]، Tif51A بسیار فعال است و به طور مثبت توسط TORC1 تنظیم می شود تا فعالیت بیوسنتزی را با در دسترس بودن مواد مغذی فراوان پیوند دهد [107]. پس از محدود شدن گلوکز و با داشتن اکسیژن کافی، سلول های مخمر متابولیسم خود را به تنفس هوازی تغییر می دهند. در طی این انتقال، بیان TIF51A دو تا چهار برابر افزایش می‌یابد [107، همانطور که ژن‌های درگیر در چرخه TCA، ETC و OXPHOS [101-103,108،109] افزایش می‌یابد، در حالی که بیان TIF51B به طور مداوم کاهش می‌یابد. با کاهش غلظت گلوکز، TORC1 غیرفعال می شود که منجر به کاهش آهسته در ترجمه و سنتز اجزای ریبوزومی می شود [104-106]. این بدان معناست که رشد سلولی آهسته است و به ترجمه سیتوپلاسمی کمتری نیاز است، اما در کمال تعجب، پروتئین elF5A بیشتری مورد نیاز است [107]. بر این اساس، با رشد نمایی تحت شرایط غیر تخمیری، مانند گلیسرول یا اتانول، سطوح mRNA TIF51A نیز به طور قابل توجهی در مقایسه با سطوح در طول رشد نمایی در گلوکز افزایش می‌یابد، در حالی که سطوح TIF51B کاهش می‌یابد [107]. عوامل اصلی دخیل در برنامه ریزی مجدد متابولیک مخمر بین دو حالت فیزیولوژیکی جایگزین، تخمیر و تنفس، پروتئین کیناز A، Snf1 و فاکتورهای رونویسی پاسخگوی همم/اکسیژن Hap1 و کمپلکس Hap2/3/4/5 هستند. در مرحله گذار، Hap1 و Hap4 ژن‌های درگیر در فرآیندهای تنفسی، مانند چرخه TCA، ETC و OXPHOS را القا می‌کنند و تنظیم مثبت می‌کنند [101،{33}}]. Hap1 همچنین عامل رونویسی است که در تنظیم مثبت بیان TIF51A پس از تغییر متابولیک به رشد تنفسی نقش دارد. این تنظیم در یک جهش یافته hap1 از بین می رود [107]. Hap1 به افزایش سطوح سلولی هم ناشی از افزایش شار متابولیک به چرخه TCA تولید شده در شرایط تنفسی پاسخ می دهد [108,109,111,114]. قابل توجه است، تنظیم ژنتیکی elF5A به وضوح با سایر عوامل ترجمه متفاوت است. بیان اکثر عوامل ترجمه پس از این تغییر متابولیک کاهش می یابد، اما Tif51A یک تنظیم منحصر به فرد و دوگانه با کاهش اولیه ناشی از غیرفعال شدن TORC1 و افزایش تدریجی متعاقب آن از طریق عمل Hap1 نشان می دهد [107)]. این به وضوح نقش اساسی elF5A را در فرآیند تنفسی برجسته می کند.

در مقابل، سطوح بالای اکسیژن/هم منجر به سرکوب TIF51B از طریق عملکرد هم افزایی دو پروتئین سرکوبگر متصل شونده به DNA Rox1 و Mot3 [115-118] می‌شود، با Rox1 که توسط Hap1 متصل به هم فعال می‌شود [110]. با این حال، در شرایط هیپوکسیک و کاهش سطح هم و آهن، بیان پروتئین Tif51A کاهش می یابد. مکانیسم این تنظیم منفی ترکیبی از کاهش فعالیت DOHH است که از اکسیژن به عنوان یک بستر در هیدروکسیلاسیون eF5A استفاده می کند [119]، و عمل Hap1، که می تواند به عنوان یک سرکوب کننده نیز عمل کند [107] . از سوی دیگر، هال که در شرایط هیپوکسیک به عنوان یک سرکوب کننده عمل می کند، ROX1 را کاهش می دهد، که بیان TIF51B را القا می کند [120].

در مخمر، کنترل هر دو ایزوفرم elF5A توسط هال از طریق فعال‌سازی/سرکوب بیان TIF51A و سرکوب/فعال‌سازی با واسطه Roxy از TIF51B اجازه تنظیم مخالف دو ژن را تنها توسط یک عامل رونویسی می‌دهد. بنابراین، این بیان متفاوت بر نتایج متابولیک متفاوتی تأثیر می‌گذارد، با Tif51A باعث افزایش تنفس و Tif51B گلیکولیز بی‌هوازی می‌شود. لازم به ذکر است که پروتئین Hap1 مخمر فاقد همولوگ در سلول های پستانداران است، اما وجود فاکتور رونویسی غیر همولوگ دیگری که واسطه تنظیم مشابه ایزوفرم های انسانی EIF5Al و EIF5A2 است را نمی توان رد کرد. در واقع، نمونه‌هایی از عبارات مختلف ایزوفرم‌های انسانی eIF5A وجود دارد که به خروجی‌های متابولیکی مختلف متصل هستند. در نمونه‌های بیمار سرطان کبد (ACC)، معمولاً برنامه‌ریزی مجدد متابولیسم داخل سلولی را نشان می‌دهند. EIE5A2 تنظیم مثبت شد. علاوه بر این، بیان نابجا EIF5A2 در سلول‌های hHCC بیان آنزیم‌های گلیکولیز را همراه با لاکتات دهیدروژناز افزایش داد و باعث افزایش گلیکولیز بی‌هوازی شد [121]. در نتیجه، جذب گلوکز و ترشح لاکتات از طریق تنظیم مثبت آنزیم‌های گلیکولیتیک، که رایج‌ترین برنامه‌ریزی مجدد متابولیک اکثر سلول‌های سرطانی است، افزایش یافت [122].

علاوه بر این، elF5A برای بیان فاکتور 1 القایی هیپوکسی پستانداران (HIF{3}}a)، اصلی ترین فاکتور رونویسی تنظیمی پاسخ تطبیقی ​​سلولی به هیپوکسی ضروری است [119]. فاکتور شروع ترجمه یوکاریوتی 5A به شکل استیله آن که غیرفعال است، در دوره های هیپوکسی طولانی افزایش می یابد و مسئول کاهش فعالیت HIF{6}} است. اگرچه مکانیسم زیربنای بیان eIF5A و HIF-1 هنوز مشخص نشده است، این مقررات elF5A را به یک هدف درمانی جذاب تبدیل می‌کند زیرا HF{10}} واسطه پاسخ انطباقی در محیط هیپوکسیک اسفروئیدهای تومور است [119,123].

به طور خلاصه، داده‌های مخمر و انسان از بیان متفاوت ژن‌های EIF5A1 و EIF5A2 مرتبط با وضعیت متابولیک سلول‌ها پشتیبانی می‌کنند، اگرچه مشخص نیست که آیا این بیان متفاوت علت یا پیامد وضعیت سلولی متابولیک است. ما می‌خواهیم تاکید کنیم که بسیاری از مطالعاتی که عملکرد elF5A را در مدل‌های پستانداران بررسی می‌کنند، از مهارکننده هیپوزین GC7 استفاده می‌کنند، که تا به امروز اعتقاد بر این است که خط فاصله هر دو ایزوفرم elF5A را کاهش می‌دهد. اگر هر ایزوفرم elF5A نوع متفاوتی از متابولیسم، یعنی گلیکولیز هوازی یا بی‌هوازی را ترویج کند، تفسیر نتایج مهار خط فاصله هر دو ایزوفرم به طور همزمان دشوارتر است.

این مقاله از Int استخراج شده است. جی. مول. علمی 2022، 23، 1284. https://doi.org/10.3390/ijms23031284 https://www.mdpi.com/journal/ijms