Sự phụ thuộc vào năng lượng GTP của endocytosis và Autophagy trong não lão hóa và bệnh Alzheimer Ⅲ

Sự phụ thuộc vào GTP của quá trình tổng hợp tubulin, vận chuyển túi và tổng hợp protein

Các vi ống là nhân tố chính trong sự phát triển của sợi trục và cung cấp hỗ trợ cấu trúc cho việc buôn bán túi nước trục. Các đầu vi ống trải qua một quá trình trùng hợp/khử trùng hợp lặp đi lặp lại, được gọi là sự mất ổn định động. Quá trình trùng hợp vi ống đòi hỏi phải bổ sung các chất dị vòng / liên kết GTP vào đầu của chúng (Hình 8A). Dị vòng tubulin liên kết với hai phân tử GTP tại hai vị trí riêng biệt. Vị trí N nằm ở giao diện intradimer, giữa - và -tubulin, tại đó GTP không bị thủy phân và trao đổi với tốc độ chậm. Trang web điện tử nằm ở giao diện nội bộ mờ được hình thành bởi -subunit của một dị vòng và -subunit của một dị vòng lân cận. GTP tại vị trí E được thủy phân thành GDP và được trao đổi để lấy một nucleotide GTP mới. Vì các vi ống thể hiệntỷ lệ cân bằng động caogiữatrạng thái trùng hợp, nồng độ tế bào chất của GTPphải đủ cao để đáp ứng nhu cầu về sự mất ổn định động trong các vi ống (Hình 8A).

Bấm vào đây để biết làm thế nào CistancheCải thiện chức năng nhận thức

Các vi ống tạo thành các rãnh tế bào mà trên đó lysosome di chuyển đến các thể nội bào và thể thực bào đích của chúng (Hình 8B). Động cơ kinesin vận chuyển các lysosome về phía đầu dương của các vi ống sợi trục với ATP, nhưng sự kết nối của động cơ kinesin với lysosome yêu cầu Arl8 GTPase với GTP liên kết [101]. Ngược lại, việc vận chuyển các endosome muộn trên các vi ống về phía lysosome cần Rab7 GTPase và GTP liên kết để gắn động cơ dynein

Trong AD, protein tau liên kết với vi ống trùng hợp với quá trình tăng phosphoryl hóa thành các sợi không hòa tan của đám rối sợi thần kinh trục (NFT) [112, 113]. Sau khi được tăng phosphoryl hóa, tau sẽ mất đi ái lực với các vi ống. Các nghiên cứu trên phạm vi rộng đã tiếp cận những thay đổi trong động lực học của vi ống, nhưng đã không xác định được nguyên nhân rõ ràng của sự thất bại trong chức năng tau. Quy định của tau liên quan đến GTPase. Trong não AD, mức protein Rac1 GTPase giảm 50% [114]. Trong ống nghiệm, kích hoạt Rac1 GTPase gây ra hiện tượng tăng phosphoryl hóa tau181, tăng sản xuất Abeta42 và giảm độ ổn định của actin trong gai [114]. Nhóm này cũng chứng kiến ​​sự gia tăng hai pha của Rac1 GTPase ở vùng hồi hải mã 3xTg-AD trẻ, sau đó là sự suy giảm sau đó, như ở não AD của con người giai đoạn cuối. Trong một nghiên cứu khác về bệnh lý tau ở chuột, hoạt động transferase farnesyl tăng lên để chuyển Rhes GTPase thành các túi tự thực có liên quan đến quá trình tăng phospho tau thấp, trong khi sự ức chế Rhes lại thúc đẩy quá trình tăng phospho tau [115]. Do đó, quá trình autophagy phụ thuộc vào GTPase sẽ loại bỏ pTau một cách hiệu quả [116] và quá trình autophagy bị suy yếu do mức GTP thấp hoặc trạng thái oxi hóa khử oxy hóa sẽ làm giảm khả năng thanh thải pTau.

GTP cũng cần thiết choTổng hợp protein, cácmặt tổng hợp của proteostocation, yêu cầuthủy phân hai phân tử GTPcho mỗi axit amin kết hợp vào một polypeptide. Mặc dù ATP được sử dụng để nạp aminoacyl-tRNA, cho RNA helicase và tái chế GDP thành GTP, nhưng bản thân GTP lại cần thiết cho hoạt động của các yếu tố kéo dài khi bắt đầu (IF-2), kéo dài (EF-Tu, EF-G ) và yếu tố giải phóng ribosome để kết thúc (RF1) [117]. Nhóm này đã sử dụng một hệ thống hoàn nguyên không có tế bào để đo tổng Km đối với ATP là 27 µM và 14 µM đối với GTP. Những ái lực cao này gợi ý ưu tiên tổng hợp protein trong quá trình hạn chế năng lượng để duy trì công suất cao, có lẽ phải trả giá bằng endocytosis và autophagy có khả năng có Km cao hơn. Do đó, một lượng lớn GTP được yêu cầu ở độ dẻo của khớp thần kinh, nơi nhu cầu trao đổi chất là cao nhất để duy trì cân bằng nội môi ion cho chức năng khớp thần kinh và chuyển hóa protein. Sự tổng hợp protein là rất quan trọng để giải phóng chất dẫn truyền thần kinh trước khớp thần kinh cũng như củng cố tính dẻo sau khớp thần kinh [118]. Tuy nhiên, quá trình tổng hợp protein đã giảm cùng với mức RNA và tRNA của ribosome, trong khi quá trình oxy hóa RNA tăng lên trong giai đoạn đầu của AD [119]. Quá trình tổng hợp protein bị thay đổi dẫn đến sự tích tụ liên tục của các protein bị oxy hóa dẫn đến kết hợp và tổng hợp sai. Đổi lại, sự tổng hợp protein làm suy yếu hoạt động của các hệ thống phân giải protein của tế bào dẫn đến tích tụ thêm các protein bị oxy hóa [120]. Do đó, một vòng luẩn quẩn dẫn đến sự phổ biến protein dư thừa và rối loạn chuyển hóa protein. Một số gen khác mã hóa protein ribosome được điều hòa bất thường dẫn đến mức protein thay đổi của các yếu tố kéo dài eIF2 , eIF3η và eIF5 sau Công nguyên [121]. Tăng eIF2 và giảm mức eIF3η và eIF5 đã được quan sát thấy ở vùng CA1 hồi hải mã của não AD. Quá trình phosphoryl hóa eIF2 dai dẳng tại Ser51 thông qua quá trình kích hoạt quá mức kéo dài của các kinase điều hòa sẽ ức chế việc cung cấp chất khởi đầu methionyl-tRNA, ngăn cản quá trình bắt đầu dịch mã chung của một tập hợp con các mRNA. Do đó, quá trình tạo protein có thể bị suy giảm khi nồng độ GTP bị hạn chế nghiêm trọng.

Hệ thống GSH‑Trx bị suy yếu là nguyên nhân gây ra lỗi autophagy trong quá trình lão hóa và AD

Tuổi tác là yếu tố rủi ro chính trong AD và có liên quan đến sự mất cân bằng giữa việc giảm khả năng bảo vệ đệm oxy hóa khử và sự chuyển đổi oxy hóa làm tăng sản xuất ROS. Tuy nhiên, đề xuất rằng tổn thương ROS là một yếu tố nguyên nhân trong cơ chế bệnh sinh của AD chưa được xác nhận bằng liệu pháp chống oxy hóa và sự dịch chuyển oxi hóa khử oxy hóa dường như ngược dòng với tổn thương ROS [122]. Một sự dịch chuyển oxi hóa khử oxy hóa biểu sinh (EORS) đã được đề xuất trước tổn thương oxy hóa qua trung gian ROS để giải thích cho những thay đổi chuyển hóa lâu dài trong quá trình lão hóa và AD [123]. Điều này biểu hiện là sự giảm tỷ lệ oxy hóa khử nội bào từ các hệ thống quan trọng duy trì cân bằng nội môi oxy hóa khử: cysteine/cystine, GSH/GSSH và NAD(P)H/NAD(P) [3]. Xuyên suốt độ tuổi của não chuột không biến đổi gen, trạng thái oxy hóa khử glutathione xảy ra trước sự chuyển đổi trao đổi chất Akt và sự tích tụ các protein tổng hợp ở tuổi già được tăng tốc đáng kể trong mô hình chuột 3xTg-AD trước khi tích lũy vùng đồi thị nội bào của A hoặc các mảng ngoại bào [124]. Đột biến trong các enzym liên quan đến chuyển hóa GSH cũng có liên quan đến sự điều hòa quá trình tự thực chẳng hạn như gen glutathione reductase (grs-1) trong mô hình C. elegans hủy bỏ chuyển vị nhân của yếu tố phiên mã HLH-30 ( orthologue của TFEB động vật có vú) và kích hoạt sự giảm phiên mã của các gen liên quan đến việc loại bỏ các tập hợp protein bằng autophagy [125]. Nồng độ NADH tự do dưới tế bào giảm theo tuổi tác trong ty thể, nhân và tế bào chất ở các tế bào thần kinh hoang dại và giống AD [2]. Liệu sự dịch chuyển oxi hóa khử này có thể kích thích sự gia tăng logarit của các tập hợp A nội bào theo tuổi [27]?

Mặc dù có vẻ như rõ ràng rằng một số sự kết hợp của sự gia tăng tốc độ hình thành A nội bào hoặc tốc độ thanh thải tự thực của chúng giảm theo tuổi tác (yếu tố rủi ro chính), các cơ chế kích hoạt những thay đổi này vẫn chưa rõ ràng. Chúng tôi đề xuất rằng trạng thái oxy hóa khử của các tế bào và có thể là sự thay đổi oxy hóa khử trong hệ thống là những động lực thiết yếu của quá trình lão hóa [123]. GSH và thioredoxin (Trx) là hệ thống oxy hóa khử thiol quan trọng nhất trong các tế bào chống lại stress oxy hóa. Tuy nhiên, sự phân bố của chúng trong tế bào rất khác nhau. Nồng độ GSH sinh lý nằm trong khoảng mM,~1000-cao hơn Trx (trong khoảng μM). Mặc dù vậy, hệ thống Trx điều chỉnh nhiều loại protein hơn hệ thống GSH [126]. Phân tích proteomic đã xác định sự tham gia của Trx trong việc điều hòa các con đường chủ yếu liên quan đến quá trình đường phân/tạo glucose và tái cấu trúc tế bào, trong khi các con đường bị ảnh hưởng bởi cả Trx và GSH có liên quan đến điều hòa dịch mã insulin, chuyển hóa lipid và kết dính tế bào [126]. Trong cùng một nghiên cứu, Trx cũng liên quan đến việc điều chỉnh các protein khác liên quan đến việc xử lý GTP và quá trình tự thực, chẳng hạn như (i) mô-đun IQ có trong protein kích hoạt GTPase 1 (GAP), một protein giàn giáo tích hợp Rho GTPase và Ca2 plus tín hiệu /calmodulin trong việc duy trì tính toàn vẹn của tế bào; (ii) Chất ức chế phân ly GDP-1 (GDI-1), một loại protein duy trì protein Rab trong cấu trúc liên kết với GDP; (iii) enzyme kích hoạt ubiquitin E1(UBA1), một loại protein cần thiết cho quá trình tự thực độc lập Atg7- và Atg3- [127]; và (iv) cofilin-1, một yếu tố khử polyme Actin có chức năng rất quan trọng để duy trì các gai khớp thần kinh và thúc đẩy quá trình phân hạch và giảm thiểu ty thể [128]. Thật thú vị, mức độ cofilin-1 tăng lên ở chuột mô hình AD và AD ở người, cho thấy quy định không cân bằng của nó [129]. Những dữ liệu này gợi ý rằng Trx có thể có một vai trò khả dĩ trong việc duy trì và xử lý GTP và autophagy.

Đầu tận cùng N của Rab5 và Rab7 GTPase chứa các cystein đơn hoặc kép phải chịu quá trình oxy hóa–khử thành cystine hoặc farnesylation để neo trong màng hoặc nitrosyl hóa, có lẽ là tập hợp của các Rab này. Các protein nhạy cảm với oxi hóa khử khác trong quá trình nội tiết như TXNL1 [130] có thể đẩy nhanh hoặc cản trở quá trình chuyển đổi giữa các bước trong lộ trình.

Tiềm năng oxy hóa khử thấp trong liên kết disulfide trong Atg4 được Trx khử và kích hoạt một cách hiệu quả, cho thấy vai trò là chất điều hòa oxy hóa khử của quá trình tự thực qua trung gian Atg4 [131]. Các thành phần khác trong hệ thống thioredoxin có liên quan đến quy định autophagy. Việc xóa thioredoxin reductase-2 (TrxR2, đồng dạng ty thể) gây ra thoái hóa ty thể kèm theo biểu hiện quá mức của LC3, p62, LAMP1 và tích tụ các thể tự thực trong tế bào cơ tim [132]. Nhưng sự thiếu hụt TrxR1 làm tăng căng thẳng oxy hóa, làm gián đoạn quá trình tự thực sớm và giảm sự thoái hóa protein trong lysosome [133]. Những dữ liệu này cho thấy rằng một số protein quan trọng của bộ máy autophagy, chẳng hạn như Atg trong men, có thể được điều chỉnh để đáp ứng với những thay đổi của điều kiện oxy hóa khử nội bào, bên cạnh khả năng điều chỉnh theo mức GTP.

Tăng lực giải cứu bệnh AD

Mặc dù việc kích thích dòng autophagic tổng thể có lợi cho sự khỏe mạnh của tế bào và mô, nhưng nếu không có đủ năng lượng để thực hiện autophagy, hệ thống sẽ bị ức chế. Ngày càng có nhiều bằng chứng cho thấy rằng việc giảm NAD cộng với/NADH sẵn có theo độ tuổi [2, 134] đóng một vai trò quan trọng trong rối loạn chức năng mạch máu thần kinh và mạch máu não liên quan đến tuổi tác [135, 136]. Do đó, việc trẻ hóa năng lượng oxy hóa và khử tế bào có thể có lợi cho nhu cầu tự trị gia tăng liên quan đến tuổi tác. Khôi phục mức NAD plus và NADH của tế bào bằng chất bổ sung nicotinamide mononucleotide (NMN) ở chuột già đã cứu được chức năng mạch máu thần kinh, tăng lưu lượng máu não và cải thiện hiệu suất trong các nhiệm vụ nhận thức [135, 136]. Nicotinamide riboside (NR), tiền chất của NMN, cải thiện chức năng của ty thể và tế bào gốc trưởng thành ở chuột già cũng như kéo dài tuổi thọ tổng thể [137]. Những tiền chất NAD này cũng có thể thay đổi quá trình tự thực. NR có thể ngăn chặn sự tắc nghẽn của dòng autophagic và giảm stress oxy hóa trong các tế bào cơ tim được điều trị bằng doxorubicin, dẫn đến tăng cường thanh thải autolysosome thông qua con đường truyền tín hiệu NAD plus / SIRT1 [138]. Điều trị NR cũng làm tăng chức năng tự thực và phục hồi sức khỏe của ty thể trong các mô hình động vật mắc bệnh Parkinson, gợi ý các phương pháp điều trị khả thi trong các bệnh thoái hóa thần kinh khác [139]. Vì sản phẩm của Sirtuins và PARP là nicotinamide, nên các tế bào cần con đường trục vớt NAD để tái chế nicotinamide trở lại thành NMN và cuối cùng là NAD plus. Hai phòng thí nghiệm đã điều trị cho chuột 3xTg AD bằng nicotinamide và quan sát thấy sự cải thiện có lợi về trí nhớ, sửa chữa DNA, quá trình tự thực, tích lũy A, tau phosphoryl hóa và cải thiện năng lượng sinh học [140, 141]. Tương tự, sự cải thiện về chức năng nhận thức trong nhiều bài kiểm tra hành vi ở chuột 3xTgAD được điều trị bằng nicotinamide riboside cho thấy vai trò then chốt đối với NAD của tế bào cộng với sự suy giảm ngược dòng của thoái hóa tế bào thần kinh ở AD [142]. Do đó, chúng tôi đã xử lý 3xTg AD trưởng thành và các tế bào thần kinh không chuyển gen bằng nicotinamide để thấy rằng sự cải thiện năng lượng sinh học đã mở rộng để cải thiện mức GTP, cả bị ràng buộc và tự do (Hình 1). Nhìn chung, mức NAD cộng với tăng lên có thể mang lại nhiều chức năng xuôi dòng như các gen kích hoạt SIRT1 phụ thuộc vào NAD giúp trẻ hóa ty thể và ức chế viêm và quá trình tự hủy.

Một loại phân tử khác mang lại lợi ích cho các tế bào thần kinh cũ là chất kích hoạt Nrf2 [143, 144]. Một ví dụ là este của epigallocatechin và axit gallic, (-)-Epigallocatechin-3-Gallate (EGCG), polyphenol có hoạt tính sinh học cao nhất được tìm thấy trong chiết xuất trà xanh. EGCG làm tăng đáng kể biểu hiện mRNA của các protein bộ điều hợp autophagy chính NDP52 và p62, đồng thời tăng cường thanh thải các loài tau phosphoryl hóa liên quan đến AD trong tế bào thần kinh sơ cấp [145], cũng như cải thiện trương lực mạch máu não [146]. EGCG cũng kích hoạt các con đường tự thực bằng cách tạo ra Sirt1, phát huy tác dụng bảo vệ chống lại nhiễm độc thần kinh do prion pro-tein gây ra ở người [69]. Các hiệu ứng tương tự cũng được quan sát thấy khi sử dụng các chất điện di Nrf2 khác sulforaphane [147], fsetin và urolithin A từ quả lựu [148].

Kết luận và nghiên cứu trong tương lai

Một loạt đáng ngạc nhiên về macroautophagy kiểm soát GTPase cụ thể (mitophagy), microautophagy, autophagy qua trung gian chaperone (CMA) vànội tiết, và túi vàbuôn bán ty thể. Vì tất cả chúng đều phụ thuộc vào các mức GTP cục bộ, điều quan trọng là phải xác định các hằng số liên kết của chúng đối với GTP. Zalo và cộng sự. [51] đã chứng minh ý nghĩa chức năng đối với GTPase phân hạch ty thể Drp1 và Fis1 với Km khoảng 100 μM, trong khi GTPase Opa1 với Km khoảng 500 μM, sẽ yêu cầu mức GTP cao hơn để thúc đẩy phản ứng tổng hợp ty thể. TRONGQUẢNG CÁO, cácnội tiếtVàngoại bàoquá trình xử lý beta-APP protein bám dính khớp thần kinh có thể bị suy yếu do mức GTP và GTPase cục bộ thấp hơn cũng như cục bộtrạng thái oxi hóa khử. Rõ ràng hơn trong AD làtích tụ các túi autophagictừ sự tắc nghẽn trong con đường dài hoặc không điều chỉnh được phản ứng đủ mạnh đối với tổn thương tế bào bên trong cùng với việc không axit hóa đủ lysosome để kích hoạt quá trình phân hủy hàng hóa. Ít rõ ràng hơn là bao nhiêu trong số những thâm hụt này là do thoái hóa liên quan đến tuổi tác, được biết là có liên quan đến sự dịch chuyển oxy hóa khử liên quan đến tuổi tác. Những thay đổi liên quan đến tuổi tác ở mức độ GTP hoặc khả năng điều chỉnh tăng năng lượng sinh học của cáo sẽ là một khía cạnh quan trọng của cuộc điều tra trong tương lai, đặc biệt nếu NAD cộng với tiền chất có thể tăng cường năng lực và thúc đẩy quá trình thanh thải tự động nhiều hơn. Sự thích nghi trao đổi chất với lối sống ít vận động có thể điều chỉnh giảm chức năng ty thể với ít năng lượng hơn để quản lý lành mạnh amyloid và tau proteostatic, chức năng khớp thần kinh và viêm nhiễm. Đối với những môn học còn khiếm khuyết,một số tiền chất năng lượngvà bộ điều biến oxi hóa khử có thể thêm vàolợi ích của việc tập thể dụcvà mộtchế độ ăn uống lành mạnhĐẾNkéo dài và tăng cường sức khỏe tối đa.

Sự nhìn nhận

Các số liệu được tạo trên Biorender.com.

Kinh phíCông việc này được hỗ trợ một phần bởi Viện Y tế Quốc gia cấp RF1 AG058218 cho GJB. RAS nhận được sự hỗ trợ từ Secretaría de Educación, Ciencia, Tecnología e Innovación (SECTEI) để xây dựng các sản phẩm thu được từ nghiên cứu sau tiến sĩ này.

Tính khả dụng của dữ liệu Dữ liệu hình ảnh thô cho Hình 1 có sẵn theo yêu cầu hợp lý của tác giả tương ứng.

Tuyên bố Xung đột lợi ích Các tác giả tuyên bố không có lợi ích cạnh tranh.

Người giới thiệu

1. Parihar MS, Kunz EA, Nhà sản xuất bia GJ. Sự suy giảm NAD(P)H và glutathione liên quan đến tuổi tác gây ra sự suy giảm oxi hóa khử trước khi mất ATP trong quá trình điều trị glutamate đối với các tế bào thần kinh hồi hải mã. J thần kinh Res. 2008;86:2339–52.

2. Đông Y, Digman MA, Brewer GJ. Trạng thái oxy hóa khử liên quan đến tuổi và AD của NADH trong các ngăn dưới tế bào bằng kính hiển vi hình ảnh suốt đời huỳnh quang. khoa học lão khoa. 2019;41:51–67.

3. Đông Y, Harlan BA, Brewer GJ. Khi lão hóa chuyển sang bệnh Alzheimer. Sự lão hóa. 2021;13:13376–7.

4. Đông Y, Sameni S, Digman MA, Brewer GJ. Khả năng đảo ngược của các trạng thái oxi hóa khử NADH tự do bị oxy hóa liên quan đến tuổi tác trong các tế bào thần kinh của bệnh Alzheimer bằng cách áp đặt các dịch chuyển oxi hóa khử Cys/CySS bên ngoài. Đại diện Khoa học 2019;9:11274. 5. Bubber P, Haroutunian V, Fisch G, Blass JP, Gibson GE. Những bất thường về ty thể trong não của bệnh Alzheimer: ý nghĩa cơ học. Ann thần kinh. 2005;57:695–703. 6. Traut TW. Nồng độ sinh lý của purin và pyrimidine. Sinh hóa tế bào Mol. 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. Quy định về tính khả dụng của GTP cục bộ kiểm soát hoạt động RAC1 và sự xâm nhập tế bào. Nat Com mun. 2021;12:6091.

8. Schlattner U. Các chức năng phức tạp của họ NME—vấn đề vị trí và hoạt động phân tử. Int J Mol Khoa học. 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, Sousa R, Nikiforov MA. Các cảm biến huỳnh quang đo lường bên trong để đánh giá mức độ và phân phối GTP nội bào. Phương pháp Nat. 2017;14:1003–9.

10. Bianchi-Smiraglia A, Nikiforov MA. Đánh giá mức GTP nội bào bằng cảm biến huỳnh quang được mã hóa di truyền. Phương pháp Mol Biol. 2022;2394:163–9.

Hỏi thêm:

Email:wallence.suen@wecistanche.com

Whatsapp/Điện thoại: cộng với 86 15292862950

CỬA HÀNG

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