Dependència energètica del GTP de l'endocitosi i l'autofàgia en el cervell envellit i la malaltia d'Alzheimer

Resum

Augment de l'interès per l'envelliment iMalaltia d'AlzheimerLes deficiències relacionades amb (AD) en l'autofàgia al cervell plantegen preguntes importants sobre la regulació i el tractament. Com que molts passos en l'endocitosi i l'autofàgia depenen de les GTPases, es necessiten noves mesures dels nivells de GTP cel·lular peravaluar la regulació energètica en l'envelliment i la DA. El desenvolupament recent de sensors GTP ratiomètrics (GEVALS) i les troballes que els nivells de GTP no són homogenis dins de les cèl·lules augmentennous temes de regulació de GTPasesper la disponibilitat local de GTP. En aquesta ressenya, destaquem elmetabolisme del GTPen relació amb les GTPases Rab implicades en la formació d'endosomes primerencs, endosomes tardans i transport lisosomal per executar la degradació autofàgica de la càrrega danyada. Les GTPases específiques controlen la macroautofàgia (mitofagia), la microautofàgia i l'autofàgia mediada per chaperones (CMA). Per inferència, els nivells locals de GTP controlarien l'autofàgia, si no en excés. L'estat redox de la cèl·lula imposa nivells addicionals de control, inclosa la implicació de la tioredoxina. Al llarg d'aquesta revisió, posem èmfasi en elcanvis relacionats amb l'edataixò podriacontribueixen als dèficits de GTP i AD. Acabem amb perspectives per augmentar els nivells de GTP i revertir els canvis oxidatius redox relacionats amb l'edat per restaurar l'autofàgia. Per tant, els nivells de GTP podrien regular les nombroses GTPases implicades en l'endocitosi, l'autofàgia i el tràfic vesicular. En l'envelliment, l'adaptació metabòlica a un estil de vida sedentari podria afectar la funció mitocondrial generant menys GTP i energia redox per a una gestió saludable de l'amiloide iproteòstasi tau, funció sinàptica, iinflamació.

Paraules clau GTP · Energètica · Autofàgia · Mitofagia ·Endocitosi· Lisosomes ·Alzheimer · Envelliment

Feu clic aquí per obtenir Cistanhe a base d'herbes per a la malaltia d'Alzheimer

GTP, l'altra moneda energètica, en envelliment i AD

La síntesi de les molècules d'alta energia ATP i GTP depenen de l'estat redox de NAD més /NADH i de les seves concentracions suficients. La síntesi d'ATP a partir de la glucòlisi està impulsada principalment pel poder oxidatiu del NAD a més d'actuar en sucres reductors. La síntesi d'ATP per fosforilació oxidativa als mitocondris és impulsada per la generació de NADH en el cicle TCA per a la reducció de piruvat, glicerol o àcids grassos amb l'oxigen com a acceptor terminal d'electrons a la cadena de transport d'electrons. Els nostres estudis sense etiquetes en neurones de l'hipocamp de rata o ratolí vius indiquen un esgotament de NAD i NADH relacionat amb l'edat, que podria afectar la síntesi d'ATP i GTP [1–4]. Aquest esgotament es va agreujar encara més en les neurones de ratolins que portaven transgens per a beta-amiloide i tau humans. A més, l'anàlisi postmortem dels enzims del cicle TCA va indicar un deteriorament de fins a un 40 per cent en els enzims del cicle TCA dels cervells de l'AD en comparació amb els controls coincidents amb l'edat [5]. Així, l'esgotament energètic relacionat amb l'edat de NAD plus i NADH a més del deteriorament mitocondrial relacionat amb l'AD en l'activitat dels enzims TCA podria afectar localment els nivells d'ATP i GTP, fins i tot si les seves concentracions a granel es veiessin afectades mínimament.

L'energia disponible de la hidròlisi de GTP és la mateixa que la hidròlisi de l'ATP, però el GTP s'utilitza per a finalitats diferents que l'ATP a causa de la selectivitat d'enzims específics. Les concentracions de GTP a les cèl·lules són de mitjana deu vegades més baixes que l'ATP mil·limolar. El GTP és un regulador important de múltiples processos cel·lulars dependents de l'energia de síntesi de proteïnes i tràfic vesicular que implica endocitosi i autofàgia. La concentració total estimada de GTP cel·lular a les cèl·lules de mamífers està entre 250 i 700 μM [6], però el GTP lliure a les protuberències de cèl·lules canceroses és més propera als 30 μM [7]. Les proteïnes principals alimentades per GTP inclouen dinamines per a la fissió i fusió de la membrana, les petites GTPases reguladores i els microtúbuls, tal com es detalla a continuació. A més de la síntesi de novo a partir d'inosina per IDMPH2 i xantosina per GMPS, les fonts cel·lulars de GTP són principalment les nucleòsids difosfat quinases (NDPK) localitzades dels gens no metastàtics (NME; de vegades anomenats NM23) que converteixen ATP en GTP [8]. Hi ha almenys deu membres de la família de gens NME, però només els quatre primers tenen activitat nucleòsid difosfat quinasa. Segons l'Allen Brain Atlas, NME1 a 4 s'expressen de manera forta i selectiva al ratolí i a l'hipocamp humà on la memòria es veu afectada en l'AD. NME1–3 són citoplasmàtiques, mentre que NME4 és mitocondrial. Atès que ambdós processos diferents d'endocitosi i autofàgia es veuen afectats en l'envelliment i la MA, postulem que les alteracions aigües amunt afecten a tots dos, possiblement l'edat i la conseqüència relacionada amb l'AD de limitar els nivells de GTP en aquestes funcions crítiques d'amiloide.

Mesura dels nivells de GTP

Tot i que el GTP regula diversos processos crucials per a la supervivència cel·lular, mesurar els nivells de GTP a la cèl·lula viva en condicions fisiològiques i patològiques és difícil a causa de l'alta rotació i l'existència d'un estat lligat a proteïnes i lliure. Bianchi-Smira glia et al. [9] va descriure un nou sensor GTP codificat genèticament (GEVAL) basat en una proteïna fluorescent groga que detecta canvis ratiomètrics en la concentració lliure de GTP i lligada a GTP in vitro i in vivo. Recentment, el mateix grup va informar d'un mecanisme per a la regulació de la GTPase Rac1 en la invasió cel·lular per una línia cel·lular de melanoma humà impulsada per la producció local de GTP [7] i va revisar la seva metodologia [10]. Com veurem en aquesta revisió, el GTP té un paper crucial durant l'endocitosi i l'autofàgia relacionada amb el processament de l'amiloide. Actualment, estem estudiant els canvis de GTP relacionats amb l'edat en el processament d'A en cultius primaris de neurones de l'hipocamp del ratolí triple transgènic 3xTg-AD i el seu efecte sobre les alteracions de l'autofàgia. La figura 1 mostra els resultats preliminars de la transfecció de GEVAL530 en neurones adultes primàries d'aquest model de ratolí AD en comparació amb les neurones de ratolí no transgèniques. Tal com va observar Bianchi-Smiraglia et al. [7], veiem una distribució no uniforme de GTP en els processos i vores del soma quan es mesura el GTP lliure (Fig. 1Aa), amb nivells de GTP lliure més baixos a les neurones 3xTg-AD (Fig. 1Ac). Tal com es detalla a la secció 10, el pretractament d'aquestes neurones amb un precursor de NAD més, la nicotinamida, va augmentar els nivells de GTP lliure (Fig. 1Ab, d). El 530-µM Kd per a GEVAL530 utilitzat en aquests experiments suggereix que la concentració local de GTP lliure es troba en uns quants vegades de 530 µM. A la figura 1B, vam examinar el GTP lligat que sembla estar localitzat a les vesícules i augmentat per la nicotinamida (Fig. 1Bf, h), especialment a les neurones AD 3xTg. Les proves preliminars indiquen que les neurones tractades amb siRNA NME1 redueixen els seus nivells de GTP lliure (Santana Martinez, no publicat). Estudis posteriors amb neurones adultes de tot l'espectre d'edat determinaran la dependència de l'edat dels dèficits de GTP i la capacitat de corregir-los amb precursors de NAD plus. Tenint en compte el paper essencial del GTP en els processos de tràfic vesicular d'endocitosi i autofàgia i aquesta evidència preliminar de canvis en GTP amb genètica semblant a l'AD, les seccions següents proporcionen detalls d'aquests processos i els efectes de l'envelliment i la malaltia d'Alzheimer sobre ells. El resultat d'aquesta revisió posa de manifest la necessitat de nous mètodes com les sondes GEVAL per mesurar directament els canvis en les concentracions de GTP lligat i lliure i de GTP total.

Fig. 1 Mesures de GTP ratiomètriques en neurones primaries de l'hipocamp del ratolí procedents de ratolins de mitjana edat transfectades amb el sensor GEVAL530. Imatges ratiomètriques de neurones píxel a píxel de color fals mostren distribucions no uniformes de GTP. ( a ) Excés de GTP lliure / lligat de GTP de mitjana edat (14 mesos) no transgènics (NTg) a les vores i dendrita apical en comparació amb (c) neurona de mitjana edat (10 mesos) 3xTg-AD. ( b, d ) Augment del GTP lliure a les neurones tractades amb nicotinamida 2 mM durant 24 h. (e, g) Les neurones no tractades presenten un GTP vesicular que s'incrementa en (f, h) neurones tractades amb nicotinamida 2 mM durant 24 h

Endocitosi: dependència del GTP en l'envelliment i la MA

En el procés d'endocitosi, la cèl·lula interioritza macromolècules i receptors units a lligands i proteïnes de superfície, inclosa la proteïna precursora de l'amiloide (APP) [11] (Fig. 2A). De les dues vies endocítiques principals, la captació d'APP incrustada a la membrana plasmàtica es produeix principalment a través de la captació mediada per clatrina (Fig. 2B.1) en lloc de mediada per caveola a partir de pegats rics en colesterol (Fig. 2B.2). No obstant això, l'A hidrofòbic es divideix en pegats rics en colesterol de basses de lípids a la membrana plasmàtica amb la posterior captació per la via de la caveola [12] (Fig. 2B.2). En ambdós casos, els complexos de dinamina GTPasa s'assemblen a la invaginació per catalitzar la curvatura de la membrana depenent del GTP per a la fusió final i l'alliberament de vesícules madures de la membrana plasmàtica [13–15]. L'alimentació local de GTP està catalitzada per NME1 i 2 nucleòtids fosfat quinases que s'uneixen a la dinamina [16]. Decisió primerenca de l'endosoma Rab5 GTPasa cap a l'exocitosi i el reciclatge del receptor o la transformació a l'endosoma tardana Rab7 GTPasa per a la seva degradació.

La GTPasa Rab5 es considera un marcador de l'endosoma precoç [17]. La proteïna Rab5 està present a la membrana plasmàtica, a les vesícules recobertes de clatrina i als primers endosomes (Fig. 2). En models cel·lulars i fy de la malaltia de Huntington, Rab5 participa en la formació d'autofagosoma per regular l'autofàgia i eliminar la huntingtina mutant tòxica [18]. La inhibició de Rab5 redueix la conjugació de les proteases reguladores de l'autofàgia Atg5-Atg12, donant lloc a una disminució de la formació d'autofagosoma. El conjugat Atg12-Atg5 afavoreix la lipidació d'Atg8, i l'Atg8 lipidat facilita la formació d'autofagosoma i el reconeixement selectiu de càrrega durant l'autofàgia [19].

Un altre factor que contribueix a l'autofàgia mediada per Rab5-és la fosfatidilinositol-3-quinasa (PI3K). El complex PI3-quinasa inhibeix l'autofàgia activant la via de senyalització Akt/mTOR [20]. La subunitat P110 del complex PI3K regula l'activitat catalítica del complex Vps34 per promoure la generació de PI3P [21]. Aquest pas és essencial per a la formació d'autofagosoma. P110 promou la transició del PIB5- de Rab al GTP de Rab5-. La sobreexpressió de P110 mitiga la deficiència autofàgica després de l'activació del complex macromolecular compost per Rab5, Vps34 i Beclin1, que al seu torn condueix a la formació d'autofagosoma [22]. L'orientació a aquestes proteïnes específiques pot dilucidar vies terapèutiques per atenuar la patologia de l'AD.

Fig. 2 Endocitosi de la proteïna precursora de l'amiloide (APP). La porció N-terminal de la proteïna APP de 770 residus amb ombrejat verd de la A propensa a l'agregació requereix la divisió per part de les peptidases BACE i Gamma. B Endocitosi de l'APP. (1) Formació del brot interior a partir de la membrana plasmàtica orquestrada per clatrina amb endoproteases BACE i 훾-secretasa. L'endocitosi suportada per la dinamina rep GTP local per NME1. (2) Els microdominis enriquits en colesterol (basses de lípids) s'uneixen a l'APP processada a A o A adsorbida del parènquima. (3) L'endosoma primerenc atreu la GTPasa Rab5 que és reconeguda per una altra GTPasa, Rab11, per mediar (4) el reciclatge endocític dels receptors de tornada a la membrana plasmàtica. Alternativament, (5) Rab7 media la segregació primerenca en endosomes tardans, permetent un processament posterior de l'APP i l'acumulació d'A. (6) Fusió tardana de l'endosoma amb (7) lisosoma per degradar el contingut. Alguns A agregats poden ser resistents a la digestió, i amb la interrupció de l'endosoma, A pot acumular-se al citosol.

Rab5 lligat a la membrana és un factor clau per promoure directament l'activació de Rab7 depenent de Mon1-Ccz1- i la fusió de la membrana depenent de Rab7- [23]. Mon1-Ccz1 és un complex GEF de factor d'intercanvi de nucleòtids de guanina heterodimèric que activa Rab5. El desplaçament mediat1-Dl del GEF Rab5 provoca el desplaçament de Rab5 per Rab7. El complex C-Vps actua com a GEF per a Rab7 i promou que Rab7 transiti des de l'estat unit al PIB a l'estat unit al GTP per a l'activació de Rab7. El gen associat a la resistència a la radiació ultraviolada (UVRAG) estimula l'activació de Rab7 mitjançant la interacció UVRAG-C-Vps mitjançant l'intercanvi GDP/GTP de Rab7 [24]. Un altre punt regulador del procés autofàgic és el complex de fusió homotípica i classificació de proteïnes vacúols (HOPS) que activa la GTPasa Ypt-Rab vacuolar del llevat durant la fusió de la membrana [25]. Una de les 6 subunitats del complex HOPS és el complex de classificació de proteïnes vacuolars de classe C (C-Vps) que conté Vps11, Vps16, Vps18 i Vps33. Les vesícules endocítiques tardanes de Rab7 es fusionen posteriorment amb lisosomes per a la degradació de la càrrega (Fig. 2).

Canvis en el tràfic endosòmic Rab 5 i Rab 7 en models de ratolí i en AD

En models de ratolí d'AD amb mutacions a la proteïna precursora de l'amiloide (APP) o a la presenilina que produeix A, la via endosoma-autofagosoma-lisosoma sembla desregulada en part a causa de l'acidificació deteriorada dels lisosomes que no aconsegueix activar suficientment la proteasa i les lipases [26]. En models de ratolí d'AD, els cossos perinuclears grans que contenen agregats A s'etiqueten amb el marcador autofagosoma LC3 colocalitzat amb Rab7 i components endosòmics i lisosomals tardans. Això podria ser degut a una regulació protectora fallida o un deteriorament patològic. A les neurones cultivades a partir de ratolins 3xTg-AD durant tota la franja d'edat, vam trobar que l'A vesicular agregada augmentava de 30 a 50 vegades amb l'edat, sobretot als endosomes i mitocondris primerencs marcats amb Rab5-, però també a Rab{{9} } endosomes tardans i autofagosomes etiquetats [27]. L'acumulació semblant a una bola de neu d'A 42 i A 45 suggereix que les neurones antigues no van poder completar la degradació autofàgica d'aquests agregats més llargs d'A. Presentem la hipòtesi que la producció d'energia deteriorada a les neurones velles limita la capacitat energètica per completar l'autofàgia. En comparació amb els nivells de l'hipocamp i el còrtex joves, a l'hipocamp del ratolí APP/PS1 de 7-12-mesos d'edat, els nivells de Rab7 van disminuir juntament amb reduccions dels activadors de Beclin1 i Rubicon i un augment de l'inhibidor de Rubicon [28]. A l'hipocamp més jove i a totes les edats de l'escorça, Beclin1 activa Rab7, mentre que Rubicon inhibeix l'activació de Rab7 mitjançant la supressió de la interacció de la proteïna gènica associada a la resistència a la radiació UV (UVRAG) i el gen de classificació de proteïnes vacuolars (Vps). La deficiència de Rab7 en llevats i mosques de la fruita provoca una acumulació massiva d'autofagosomes [29]. La derrota de Rab7 també inactiva mTORC1 / S6K1 i la localització de mTOR en endosomes tardans [30]. Curiosament, la inhibició d'altres etapes del tràfic endocític no canvia l'activitat de mTORC1, cosa que suggereix que els endosomes tardans intactes són crucials per a la senyalització de mTORC1 en l'autofàgia. Aquesta és una raó important per la qual l'orientació a mTOR pot no frenar l'envelliment o la MA.

La regulació selectiva regional de les proteïnes Rab 5 i Rab7 i els ARNm a la MA suggereix contribucions selectives a la patologia de la malaltia o un mecanisme de protecció insuficient [31]. A s'acumula predominantment en endosomes tardans positius Rab7 i vacúols autofàgics de cèl·lules neuronals [32] d'una manera relacionada amb l'edat [27] provocant la internalització d'A i el posterior augment de Rab7 provocant la degeneració neuronal [33]. El bloqueig de la via endocítica tardana mitjançant la supressió de Rab7 indueix la formació de fibril·les amiloides depenent d'A a la superfície cel·lular, provocant l'ampliació endosòmica [34], donant lloc a un reciclatge accelerat de Rab7 i al tràfic endocític d'A a lisosomes per a la seva degradació [35]. La inhibició de la proteòlisi d'Iysoso mal també pot afectar el transport retrògrad axonal dels orgànuls autòfags causant una distròfia axonal semblant a l'AD [36]. Tanmateix, les intervencions pràctiques per promoure l'autofàgia7-mediada per Rab podrien retardar o revertir la progressió de l'AD. Els exemples inclouen un canvi d'un estat sedentari a l'exercici, una dieta mediterrània i compostos que augmenten l'energia com els precursors del NAD per crear un canvi redox [4] (Secció 10). Una altra via és l'estrany descobriment que els nivells de guanosina monofosfat reductasa 1 (GMPR1 dependent de NADPH) s'incrementen als cervells d'AD, cosa que podria reduir els nivells de GTP i augmentar la senyalització d'AMP [37]. Els embolics neurofibril·lars de tau es van reduir quan aquesta activitat es va inhibir en ratolins AD.

Amb la progressió d'un deteriorament cognitiu lleu a l'AD, les expressions endosòmiques Rab5 i Rab7 es van regular a l'alça a les neurones CA1 de l'hipocamp, mesurades per microarrays transcripcionals [31]. L'ampliació dels endosomes Rab5-positius es va associar amb embulls neurofibril·lars i deposició d'amiloide. Els factors neurotròfics com el factor de creixement nerviós (NGF) s'uneixen als seus receptors Trk i s'internalitzen en endosomes Rab5-positius per iniciar la senyalització aigües avall [38]. És interessant assenyalar que l'endosoma de senyalització es manté com a endosomes primerencs de Rab5 i no progressa cap a endosomes tardans de Rab7, durant el seu trànsit dins dels axons llargs [39]. Aquesta diferència diferencia el lliurament de senyal mediat pel receptor del processament de l'endosoma cap a l'autofàgia [40]. Després de l'activació per part de NGF, TrkA recluta un Rab5-GAP per convertir ràpidament GTP-Rab5 a GDP-Rab5 per mantenir el nivell de GTP-Rab5 sota control, la qual cosa evita la conversió de Rab5 a Rab7 que resulta en la inhibició de la senyalització NGF/TrkA i degradació prematura.

La funció Rab5 es veu compromesa en les primeres fases de l'AD [41]. La hiperactivació persistent de Rab5 va promoure la via endocítica cap als endosomes tardans, la fusió de lisosomes i l'autofàgia, donant lloc a una degradació prematura de la senyalització del factor neurotròfic i a l'atròfia neuronal. Vps35 i Vps26, dues proteïnes retròmeres clau, també es van reduir als cervells d'AD [42]. Vps26 s'uneix a SorLA, que és un receptor de classificació que controla el tràfic d'APP des dels endosomes al Golgi. Una reducció de les proteïnes retròmeres Vps condueix a un complex Vps-SorLA anormal que dificulta l'acumulació d'APP a la carcassa del tràfic d'APP als endosomes on està subjecta a la beta-secretasa. Tanmateix, imitar la fosforilació d'APP a S655, dins del motiu basolateral APP 653YTSI656, pot millorar la recuperació d'APP en un procés mediat per retròmers que provoca una disminució de l'orientació lisosomal de l'APP i una disminució de la producció d'Abeta [43]. Un augment de l'APP de longitud completa i el fragment APP -CTF pot, al seu torn, augmentar l'activitat GTPasa de Rab5 induint l'ampliació dels endosomes primerencs [44]. Curiosament, l'atròfia neuronal induïda pels APP-CTF podria ser rescatada per un mutant Rab5 dominant-negatiu tant in vitro [39] com in vivo [45].

El resultat net de l'envelliment és l'esgotament dels endosomes tardà, la disfunció endocítica tardana i la fusió lisosomal deteriorada. A l'AD, l'endocitosi d'A augmenta en endosomes primerencs Rab5 ampliats. El paper de Rab7 en l'AD encara no s'ha dilucidat clarament, ja que s'ha observat que tant la regulació precoç com la baixada tardana de Rab7 afecten la salut neuronal en ambdues direccions. Com subratllen Bianchi-Smiraglia et al. [7], el GTP cel·lular total que es mesura en homogeneïtats no permet l'avaluació del GTP lliure disponible localment per a les GTPases Rab. Encara no s'han informat mesures de GTP gratuïtes, de manera que no s'explora el seu possible paper en l'edat i les alteracions relacionades amb l'AD en l'endocitosi. Per tant, serà important mesurar el GTP lliure a les cèl·lules vives i els efectes de les variacions del GTP lliure sobre l'endocitosi en funció de l'edat i els models d'AD.

Demana més:

Correu electrònic:wallence.suen@wecistanche.com

Whatsapp/Tel: més 86 15292862950

BOTIGA:

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