Dependencia energética de GTP de la endocitosis y la autofagia en el cerebro que envejece y la enfermedad de Alzheimer

Abstracto

Mayor interés por el envejecimiento yenfermedad de alzheimerLas deficiencias relacionadas con la (AD) en la autofagia en el cerebro plantean preguntas importantes sobre la regulación y el tratamiento. Dado que muchos pasos en la endocitosis y la autofagia dependen de las GTPasas, se necesitan nuevas medidas de los niveles de GTP celular paraevaluar la regulación energética en el envejecimiento y la DA. El desarrollo reciente de sensores de GTP radiométricos (GEVALS) y los hallazgos de que los niveles de GTP no son homogéneos dentro de las células planteannuevos temas de regulación de GTPasaspor la disponibilidad local de GTP. En esta revisión, destacamos lametabolismo de GTPen relación con las Rab GTPasas involucradas en la formación de endosomas tempranos, endosomas tardíos y transporte lisosomal para ejecutar la degradación autofágica de la carga dañada. Las GTPasas específicas controlan la macroautofagia (mitofagia), la microautofagia y la autofagia mediada por chaperonas (CMA). Por inferencia, los niveles locales de GTP controlarían la autofagia, si no en exceso. El estado redox de la célula impone niveles adicionales de control, incluida la participación de la tiorredoxina. A lo largo de esta revisión, enfatizamos lacambios relacionados con la edadeso podríacontribuyen a los déficits en GTP y AD. Concluimos con las perspectivas de aumentar los niveles de GTP y revertir los cambios redox oxidativos relacionados con la edad para restaurar la autofagia. Por lo tanto, los niveles de GTP podrían regular las numerosas GTPasas implicadas en la endocitosis, la autofagia y el tráfico vesicular. En el envejecimiento, la adaptación metabólica a un estilo de vida sedentario podría afectar la función mitocondrial generando menos GTP y energía redox para un manejo saludable de las proteínas amiloide yproteostasis tau, función sináptica, yinflamación.

Palabras clave GTP · Energética · Autofagia · Mitofagia ·endocitosis· Lisosomas ·alzheimer · Envejecimiento

Haga clic aquí para obtener hierbas Cistanhe para la enfermedad de Anti-Alzheimer

GTP, la otra moneda energética, en envejecimiento y AD

La síntesis de las moléculas de alta energía ATP y GTP se basa en el estado redox de NAD más /NADH y en sus concentraciones suficientes. La síntesis de ATP a partir de la glucólisis está impulsada principalmente por el poder oxidativo de NAD, además de actuar sobre los azúcares reductores. La síntesis de ATP por fosforilación oxidativa en las mitocondrias está impulsada por la generación de NADH en el ciclo TCA para la reducción de piruvato, glicerol o ácidos grasos con oxígeno como aceptor terminal de electrones en la cadena de transporte de electrones. Nuestros estudios sin etiquetas en neuronas vivas del hipocampo de rata o ratón indican un agotamiento de NAD y NADH relacionado con la edad, que podría afectar la síntesis de ATP y GTP [1–4]. Este agotamiento se exacerbó aún más en las neuronas de ratones portadores de transgenes para beta-amiloide y tau humanos. Además, el análisis post mortem de las enzimas del ciclo TCA indicó hasta un 40 por ciento de deterioro en las enzimas del ciclo TCA de cerebros con AD en comparación con los controles de la misma edad [5]. Por lo tanto, el agotamiento energético relacionado con la edad de NAD plus y NADH además del deterioro mitocondrial relacionado con la EA en la actividad de las enzimas TCA podría afectar localmente los niveles de ATP y GTP, incluso si sus concentraciones a granel se vieran mínimamente afectadas.

La energía disponible de la hidrólisis de GTP es la misma que la de la hidrólisis de ATP, pero el GTP se utiliza para propósitos diferentes al ATP debido a la selectividad de enzimas específicas. Las concentraciones de GTP en las células son, en promedio, diez veces más bajas que el ATP milimolar. El GTP es un importante regulador de múltiples procesos celulares dependientes de la energía de la síntesis de proteínas y el tráfico vesicular que implica endocitosis y autofagia. La concentración estimada de GTP celular total en células de mamíferos está en el rango de 250 a 700 μM [6], pero el GTP libre en las protuberancias de células cancerosas está más cerca de 30 μM [7]. Las principales proteínas impulsadas por GTP incluyen dinaminas para la fisión y fusión de membranas, las pequeñas GTPasas reguladoras y los microtúbulos, como se detalla a continuación. Además de la síntesis de novo de inosina por IDMPH2 y xantosina por GMPS, las fuentes celulares de GTP son principalmente nucleósido difosfato quinasas (NDPK) localizadas de los genes no metastásicos (NME; a veces llamado NM23) que convierten ATP en GTP [8]. Hay al menos diez miembros de la familia de genes NME, pero solo los primeros cuatro tienen actividad de nucleósido difosfato quinasa. Según Allen Brain Atlas, NME1 a 4 se expresan fuerte y selectivamente en el hipocampo humano y de ratón, donde la memoria se ve afectada en la EA. NME1–3 son citoplasmáticos, mientras que NME4 es mitocondrial. Dado que ambos procesos distintos de endocitosis y autofagia se ven afectados en el envejecimiento y la EA, postulamos que las alteraciones aguas arriba afectan ambos, posiblemente la consecuencia relacionada con la edad y la EA de limitar los niveles de GTP en estas funciones críticas de amiloide.

Medición de los niveles de GTP

Aunque GTP regula varios procesos cruciales para la supervivencia celular, la medición de los niveles de GTP en la célula viva en condiciones fisiológicas y patológicas es difícil debido a la alta rotación y la existencia tanto de un estado unido a proteínas como libre. Bianchi-Smira glia et al. [9] describieron un nuevo sensor de GTP codificado genéticamente (GEVAL) basado en una proteína fluorescente amarilla que detecta cambios radiométricos en la concentración de GTP libre y unido a GTP in vitro e in vivo. Recientemente, el mismo grupo informó sobre un mecanismo para la regulación de GTPasa Rac1 en la invasión celular por una línea celular de melanoma humano impulsada por la producción local de GTP [7] y revisó su metodología [10]. Como veremos en esta revisión, GTP juega un papel crucial durante la endocitosis y la autofagia relacionada con el procesamiento de amiloide. Actualmente, estamos estudiando los cambios de GTP relacionados con la edad en el procesamiento de A en cultivos primarios de neuronas del hipocampo del ratón triple transgénico 3xTg-AD y su efecto sobre las alteraciones en la autofagia. La Figura 1 muestra los resultados preliminares de la transfección de GEVAL530 en neuronas adultas primarias de este modelo de ratón AD en comparación con las neuronas de ratón no transgénico. Como observaron Bianchi-Smiraglia et al. [7], vemos una distribución no uniforme de GTP en los procesos y bordes del soma al medir GTP libre (Fig. 1Aa), con niveles más bajos de GTP libre en las neuronas 3xTg-AD (Fig. 1Ac). Como se detalla en la Sección 10, el pretratamiento de estas neuronas con un precursor de NAD plus, nicotinamida, elevó los niveles de GTP libre (Fig. 1Ab, d). El 530-µM Kd para GEVAL530 utilizado en estos experimentos sugiere que la concentración de GTP libre local está dentro de unas pocas veces de 530 µM. En la Fig. 1B, examinamos el GTP unido que parece estar localizado en vesículas y aumentado por la nicotinamida (Fig. 1Bf, h), especialmente en las neuronas 3xTg AD. La evidencia preliminar indica que las neuronas tratadas con siRNA NME1 reducen sus niveles de GTP libre (Santana Martinez, sin publicar). Estudios adicionales con neuronas adultas en todo el espectro de edad determinarán la dependencia de la edad de los déficits de GTP y la capacidad de remediarlos con NAD más precursores. Dado el papel esencial de GTP en los procesos de tráfico vesicular de endocitosis y autofagia y esta evidencia preliminar de cambios en GTP con genética similar a la EA, las siguientes secciones brindan detalles de estos procesos y los efectos del envejecimiento y la enfermedad de Alzheimer en ellos. El resultado de esta revisión destaca la necesidad de nuevos métodos como las sondas GEVAL para medir directamente los cambios en las concentraciones de GTP unido y libre y GTP total.

Fig. 1 Mediciones radiométricas de GTP en neuronas primarias del hipocampo de ratón de ratones de mediana edad transfectados con el sensor GEVAL530 Las imágenes radiométricas píxel por píxel de color falso de las neuronas muestran distribuciones no uniformes de GTP. (a) Exceso de GTP libre/GTP unido de neuronas no transgénicas (NTg) de mediana edad (14 meses) en los bordes y dendrita apical en comparación con (c) neuronas 3xTg-AD de mediana edad (10 meses). ( b, d ) Aumento de GTP libre en neuronas tratadas con nicotinamida 2 mM por 24 h. ( e, g ) Las neuronas no tratadas exhiben GTP unido a vesículas que aumenta en ( f, h ) las neuronas tratadas con nicotinamida 2 mM por 24 h

Endocitosis: dependencia de GTP en el envejecimiento y la EA

En el proceso de endocitosis, la célula internaliza macromoléculas y receptores unidos a ligandos y proteínas de superficie, incluida la proteína precursora de amiloide (APP) [11] (Fig. 2A). De las dos vías endocíticas principales, la captación de APP incrustada en la membrana plasmática ocurre principalmente a través de la captación mediada por clatrina (Fig. 2B.1) en lugar de la mediada por caveola de parches ricos en colesterol (Fig. 2B.2). Sin embargo, el A hidrofóbico se divide en parches de balsas lipídicas ricas en colesterol en la membrana plasmática con la subsiguiente captación por la vía de la caveola [12] (Fig. 2B.2). En ambos casos, los complejos de dinamina GTPasa se ensamblan en la invaginación para catalizar la curvatura de la membrana dependiente de GTP para la fusión final y la liberación de vesículas maduras de la membrana plasmática [13-15]. El suministro local de GTP es catalizado por NME1 y 2 nucleótidos de fosfato quinasa que se unen a la dinamina [16]. Decisión de GTPasa Rab5 del endosoma temprano hacia la exocitosis y reciclaje o transformación del receptor a GTPasa Rab7 del endosoma tardío para su degradación.

El Rab5 GTPase se considera un marcador para el endosoma temprano [17]. La proteína Rab5 está presente en la membrana plasmática, en vesículas recubiertas de clatrina y endosomas tempranos (Fig. 2). En modelos celulares y fy de la enfermedad de Huntington, Rab5 participa en la formación de autofagosomas para regular la autofagia y eliminar la huntingtina mutante tóxica [18]. La inhibición de Rab5 reduce la conjugación Atg5-Atg12 de las proteasas que regulan la autofagia, lo que resulta en una disminución de la formación de autofagosomas. El conjugado Atg12-Atg5 promueve la lipidación de Atg8, y el Atg8 lipidado facilita la formación de autofagosomas y el reconocimiento selectivo de carga durante la autofagia [19].

Otro factor que contribuye a la autofagia mediada por Rab5-es la fosfatidilinositol-3-quinasa (PI3K). El complejo PI3-quinasa inhibe la autofagia al activar la vía de señalización Akt/mTOR [20]. La subunidad P110 del complejo PI3K regula la actividad catalítica del complejo Vps34 para promover la generación de PI3P [21]. Este paso es esencial para la formación de autofagosomas. P110 promueve la transición de Rab5- GDP a Rab5-GTP. La sobreexpresión de P110 mitiga la deficiencia autofágica luego de la activación del complejo macromolecular compuesto por Rab5, Vps34 y Beclin1, que a su vez conduce a la formación de autofagosomas [22]. Dirigirse a estas proteínas específicas puede dilucidar las vías terapéuticas para atenuar la patología de la EA.

Fig. 2 Endocitosis de la proteína precursora de amiloide (APP). La porción N-terminal de la proteína APP de 770 residuos con sombreado verde de la A propensa a la agregación requiere escisión por las peptidasas BACE y Gamma. B Endocitosis de APP. (1) Formación de la yema interna a partir de la membrana plasmática orquestada por clatrina con endoproteasas BACE y 훾 -secretasa. La endocitosis apoyada por dinamina recibe GTP local por NME1. (2) Los microdominios enriquecidos en colesterol (balsas lipídicas) unen APP procesada a A o A adsorbida del parénquima. (3) El endosoma temprano atrae la GTPasa Rab5 que es reconocida por otra GTPasa, Rab11, para mediar (4) el reciclaje endocítico de los receptores de regreso a la membrana plasmática. Alternativamente, (5) Rab7 media la segregación temprana en endosomas tardíos, lo que permite un mayor procesamiento de APP y la acumulación de A. (6) Fusión tardía del endosoma con (7) lisosoma para degradar el contenido. Algunos agregados de A pueden ser resistentes a la digestión y, con la alteración del endosoma, el A puede acumularse en el citosol.

El Rab5 unido a la membrana es un factor clave en la promoción directa de la activación de Rab7 dependiente de Mon1-Ccz1- y la fusión de membrana dependiente de Rab7- [23]. Mon1-Ccz1 es un complejo GEF de factor de intercambio de nucleótidos de guanina heterodimérico que activa Rab5. El desplazamiento mediado por Mon1-del Rab5 GEF da como resultado el desplazamiento de Rab5 por Rab7. El complejo C-Vps actúa como un GEF para Rab7 y promueve el tránsito de Rab7 desde el estado unido a GDP al estado unido a GTP para la activación de Rab7. El gen asociado a la resistencia a la radiación ultravioleta (UVRAG) estimula la activación de Rab7 mediante la interacción UVRAG-C-Vps a través del intercambio GDP/GTP de Rab7 [24]. Otro punto regulador en el proceso autofágico es la fusión homotípica y el complejo de clasificación de proteínas vacuolas (HOPS) que activa la Ypt-Rab GTPasa vacuolar de la levadura durante la fusión de la membrana [25]. Una de las 6 subunidades del complejo HOPS es el complejo de clasificación de proteína vacuolar de clase C (C-Vps) que contiene Vps11, Vps16, Vps18 y Vps33. Posteriormente, las vesículas endocíticas tardías de Rab7 se fusionan con los lisosomas para la degradación de la carga (Fig. 2).

Cambios en el tráfico endosomal Rab 5 y Rab 7 en modelos de ratón y en AD

En modelos de ratones con EA con mutaciones en la proteína precursora de amiloide (APP) o presenilina productora de A, la vía del endosoma-autofagosoma-lisosoma parece desregulada en parte debido a la alteración de la acidificación de los lisosomas que no logra activar suficientemente la proteasa y las lipasas [26]. En modelos de ratones con AD, los cuerpos perinucleares grandes que contienen agregados A se etiquetan con el marcador de autofagosoma LC3 colocalizado con Rab7 y los componentes endosomal y lisosomal tardío. Esto podría deberse a una regulación al alza protectora fallida o a un deterioro patológico. En neuronas cultivadas de ratones 3xTg-AD a lo largo del intervalo de edad, encontramos que el A vesicular agregado aumenta de 30 a 50 veces con la edad, más prominentemente en los endosomas tempranos y las mitocondrias marcados con Rab5-, pero también dentro de Rab{{9} }etiquetados endosomas tardíos y autofagosomas [27]. La acumulación similar a una bola de nieve de A 42 y A 45 sugiere que las neuronas viejas no pudieron completar la degradación autofágica de estos agregados más largos de A . Presumimos que la producción de energía deteriorada en las neuronas viejas limita la capacidad energética para completar la autofagia. En comparación con los niveles en el hipocampo y la corteza jóvenes, en el hipocampo de ratón APP/PS1 de 7–12-meses de edad, los niveles de Rab7 disminuyeron junto con reducciones en los activadores de Beclin1 y Rubicon y un aumento en el inhibidor de Rubicon [28]. En el hipocampo más joven y todas las edades en la corteza, Beclin1 activa Rab7, mientras que Rubicon inhibe la activación de Rab7 a través de la supresión de la interacción de la proteína del gen asociado a la resistencia a la radiación UV (UVRAG) y el gen de clasificación de proteínas vacuolar (Vps). La deficiencia de Rab7 en levaduras y moscas de la fruta da como resultado una acumulación masiva de autofagosomas [29]. La caída de Rab7 también inactiva mTORC1/S6K1 y la localización de mTOR en los endosomas tardíos [30]. Curiosamente, la inhibición de otras etapas del tráfico endocítico no cambia la actividad de mTORC1, lo que sugiere que los endosomas tardíos intactos son cruciales para la señalización de mTORC1 en la autofagia. Esta es una razón importante por la que centrarse en mTOR puede no retrasar el envejecimiento o la EA.

La regulación positiva regionalmente selectiva de las proteínas Rab 5 y Rab7 y los ARNm en la EA sugiere contribuciones selectivas a la patología de la enfermedad o un mecanismo de protección insuficiente [31]. A se acumula predominantemente en los endosomas tardíos Rab7 positivos y en las vacuolas autofágicas de las células neuronales [32] de una manera relacionada con la edad [27], lo que provoca la internalización de A y el posterior aumento de Rab7 que desencadena la degeneración neuronal [33]. El bloqueo de la vía endocítica tardía mediante la supresión de Rab7 induce la formación de fibrillas de amiloide dependientes de A en la superficie celular, lo que provoca un agrandamiento endosómico [34], lo que resulta en un reciclado acelerado de Rab7 y el tráfico endocítico de A a los lisosomas para su degradación [35]. La inhibición de la proteólisis de los lisosomas también puede afectar el transporte retrógrado axonal de los orgánulos autofágicos que causan distrofia axonal similar a la EA [36]. Sin embargo, las intervenciones prácticas para promover la autofagia mediada por Rab7-podrían retrasar o revertir la progresión de la EA. Los ejemplos incluyen un cambio de un estado sedentario a ejercicio, una dieta mediterránea y compuestos que aumentan la energía como los precursores de NAD para crear un cambio redox [4] (Sección 10). Otra vía es el extraño descubrimiento de que los niveles de guanosina monofosfato reductasa 1 (GMPR1 dependiente de NADPH) aumentan en los cerebros con AD, lo que podría reducir los niveles de GTP y aumentar la señalización de AMP [37]. Los ovillos neurofibrilares de tau se redujeron cuando se inhibió esta actividad en ratones con AD.

Con la progresión del deterioro cognitivo leve a la EA, las expresiones de Rab5 y Rab7 endosomal aumentaron en las neuronas CA1 del hipocampo, según lo medido por microarrays transcripcionales [31]. El agrandamiento de los endosomas Rab5-positivos se asoció con ovillos neurofibrilares y depósito de amiloide. Los factores neurotróficos como el factor de crecimiento nervioso (NGF) se unen a sus receptores Trk y se internalizan en endosomas positivos para Rab5-para iniciar la señalización posterior [38]. Es interesante notar que el endosoma de señalización se retiene como endosomas tempranos Rab5 y no progresa a endosomas tardíos Rab7, durante su tránsito dentro de los axones largos [39]. Esta diferencia diferencia la entrega de señales mediada por receptores desde el procesamiento del endosoma hacia la autofagia [40]. Luego de la activación por NGF, TrkA recluta un Rab5‐GAP para convertir rápidamente GTP‐Rab5 en GDP‐Rab5 para mantener bajo control el nivel de GTP‐Rab5, lo que evita que la conversión de Rab5 a Rab7 resulte en la inhibición de la señalización de NGF/TrkA y degradación prematura.

La función Rab5 se ve comprometida en las primeras fases de la EA [41]. La hiperactivación persistente de Rab5 promovió la vía endocítica hacia endosomas tardíos, fusión de lisosomas y autofagia, lo que resultó en una degradación prematura de la señalización del factor neurotrófico y atrofia neuronal. Vps35 y Vps26, dos proteínas retroméricas clave, también se redujeron en los cerebros con EA [42]. Vps26 se une a SorLA, que es un receptor de clasificación que controla el tráfico de APP desde los endosomas hasta el aparato de Golgi. Una reducción en las proteínas retroméricas Vps conduce a un complejo Vps-SorLA anormal que dificulta el tráfico de APP y la acumulación de APP en los endosomas donde está sujeto a la beta-secretasa. Sin embargo, imitar la fosforilación de APP en S655, dentro del motivo basolateral APP 653YTSI656, puede mejorar la recuperación de APP en un proceso mediado por retrómeros, lo que provoca una disminución de la orientación lisosomal de APP y una disminución de la producción de Abeta [43]. Un aumento en la APP de longitud completa y el fragmento de APP ‐CTF puede, a su vez, elevar la actividad GTPasa de Rab5 induciendo el agrandamiento de los endosomas tempranos [44]. Curiosamente, la atrofia neuronal inducida por APP-CTF podría ser rescatada por un mutante Rab5 dominante negativo tanto in vitro [39] como in vivo [45].

El resultado neto del envejecimiento es el agotamiento de los endosomas tardíos, la disfunción endocítica tardía y el deterioro de la fusión lisosomal. En AD, la endocitosis de A aumenta en endosomas tempranos de Rab5 agrandados. El papel de Rab7 en la EA aún no se ha dilucidado claramente, ya que se ha observado que tanto la regulación al alza temprana como la regulación a la baja tardía de Rab7 afectan la salud neuronal en ambas direcciones. Como enfatizan Bianchi-Smiraglia et al. [7], el GTP celular total que se mide en homogeneizados no permite evaluar el GTP libre disponible localmente para las Rab GTPasas. Las medidas de GTP libre aún no se han informado, por lo que su posible papel en la edad y las deficiencias relacionadas con la EA en la endocitosis no se han explorado. Por lo tanto, será importante medir el GTP libre en células vivas y los efectos de las variaciones del GTP libre sobre la endocitosis en función de la edad y los modelos de EA.

Pregunta por más:

Correo electrónico:wallence.suen@wecistanche.com

Whatsapp/Tel: más 86 15292862950

COMERCIO:

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