Rola EIF5A w funkcji mitochondriów Część 2

Proszę o kontaktoscar.xiao@wecistanche.compo więcej informacji

4. Powiązania między elF5A a funkcją mitochondrialną

Od dawna istnieją dowody na powiązania między elF5A, jego enzymami do dzielenia wyrazów, a spermidyną jako substratem do dzielenia wyrazów i funkcją mitochondriów, ale suma wszystkich danych nadal daje obraz, który nie jest do końca jasny i czasami wydaje się sprzeczny. Z jednej strony, różne raporty udokumentowały, że zarówno defekt, jak i nadmiar elfF5A powodują szkodliwe skutki dla funkcji mitochondriów. Na przykład w komórkach mięśnia sercowego szczura nadekspresja elF5A indukowana przez środek przeciwnowotworowy doksorubicynę skutkowała stopniowym wzrostem ROS i wzrostem Ca2 plus napływ do mitochondriów [54]. Zmiany te korelowały z utratą mitochondrialnego potencjału transbłonowego i indukcją apoptozy, podczas gdy zakłócenie ekspresji EIF5A1 zmniejszało apoptozę. Wyniki te były zgodne z wynikami przedstawionymi przez Sun i wsp. (2010) [124], które uzyskano w komórkach ludzkich, w których nadekspresja EIF5A1 była stymulowana przez infekcję wirusową, ale także nadekspresję mutanta EIF5A1 niezdolnego do dzielenia indukował apoptotyczną śmierć komórek poprzez wewnętrzny szlak mitochondrialny. Wzrost poziomów EIF5A1 spowodował utratę potencjału błony mitochondrialnej i spowodował translokację białka X(Bax) związanego z chłoniakiem z komórek B apoptozy 2-do mitochondriów, uwolnienie cytochromu c i aktywację kaspazy. Kolejnym interesującym aspektem tego badania było to, że analiza proteomiczna komórek HeLa z nadekspresją eIE5A wykazała regulację w górę białek mitochondrialnych [124]. W związku z tym w tych badaniach rozregulowanie poziomów hyp-eIF5A i nie dzielonego białka elF5A wywołało dysfunkcję mitochondriów i apoptozę.

Kliknij tutaj, aby dowiedzieć się więcej

W przypadku drożdży, jak wspomniano powyżej, wcześnie zidentyfikowano, że izoforma elF5A kodowana przez gen TIF51A S.cerevisiae jest wymagana do wzrostu w obecności tlenu, podczas gdy izoforma kodowana przez gen TIF51B jest indukowana w warunkach niedotlenienia [1]. Rzeczywiście, redukcja białka Tif51A powoduje spadek tempa oddychania mitochondrialnego [107]. U drożdży rozszczepialnych Schizosaccharomyces pombe mutacja punktowa w genie DOHH (kodowanym przez gen MMD1) powoduje wzrost temperatury wrażliwej oraz defekty w morfologii i rozmieszczeniu mitochondriów. W niedozwolonej temperaturze mikrotubule, które pośredniczą w pozycjonowaniu mitochondriów, wykazują nieprawidłową organizację i mitochondria zagregowane na dwóch końcach komórek [125]. Ostatnie badania w różnych kontekstach chorób, takich jak przeszczep nerki, udar i infekcja malarią, podkreśliły pozytywny związek między aktywnością eF5A i mitochondriami, wskazując na hamowanie hyp-eIF5A jako sposób na ochronę komórek w przejściowych sytuacjach niskiego dostępność tlenu, która w przeciwnym razie przyczynia się do uszkodzenia mitochondriów i śmierci komórki. Melis i wsp. (2017) [126] zbadali możliwy związek między dzieleniem wyrazów elF5A a opornością komórkową na niedotlenienie/niedotlenienie. Wykazali, że leczenie za pomocą GC7-lub hamowania DHPS lub DOHH, w którym pośredniczy GC7-lub RNA, zapobiegało śmierci komórkowej w mysich komórkach nerkowych wywołanej niedotlenieniem. Co ważne, leczenie GC7 wywołało odwracalną przemianę metaboliczną w kierunku glikolizy, której towarzyszyła przebudowa mitochondrialna i zmniejszenie ekspresji i aktywności kompleksów łańcucha oddechowego ETC wraz ze zmniejszonym tempem zużycia tlenu przez mitochondria i osłabionym wytwarzaniem ROS indukowanym przez anoksję. Razem dane te pokazują, że zmniejszona aktywność hyp-elF5A prowadzi do wyciszenia mitochondriów. Zostało to potwierdzone w szczurzych modelach uszkodzenia nerek wywołanego niedokrwieniem i przeszczepu nerki świni, które wykazały korzystny wpływ wyciszania mitochondriów poprzez hamowanie hyp-eIF5A w celu zapobiegania śmierci komórek wywołanej niedotlenieniem [126]. Niedawno ta sama grupa wykorzystała model przeszczepu świń, aby wykazać, że hamowanie eF5A przez leczenie GC7 wstępnie kondycjonowało nerki do przeszczepu od dawców ze śmiercią mózgu, której towarzyszyło zmniejszone spożycie tlenu ]127I. W szczególności wydaje się, że leczenie GC7 zachowuje obronę antyoksydacyjną poprzez zwiększenie ekspresji białek chroniących mitochondria (dysmutaza ponadtlenkowa, oksygenaza hemowa i inne) oraz integralność/homeostazę mitochondriów poprzez zmniejszenie ekspresji białka I związanego z dynaminą i zwiększenie ekspresji mitofuzyny-2 . Te ochronne efekty skutkowały lepszymi wynikami przeszczepu [127].dawkowanie cistanche redditZachowanie funkcji mitochondriów przez zmniejszenie jego aktywności w warunkach niedotlenienia poprzez hamowanie hyp-elF5A zostało ponownie zademonstrowane przez tę samą grupę, pracując z mysim modelem niedokrwienia mózgu. Utrata potencjału błony mitochondrialnej jest cechą charakterystyczną śmierci komórek neuronalnych, związaną z dysfunkcją mitochondriów, która występuje z nadmierną produkcją ROS, uwalnianiem Ca² z mitochondriów i spadkiem wewnętrznego ATP. Leczenie GC7 zmniejszyło te trzy efekty w neuronach leczonych środkami depolaryzacyjnymi, zachowując potencjał błony mitochondrialnej. In vivo GC7 zmniejszał objętość zawału i deficyty poznawcze po udarze u myszy [128]. W innym kontekście badania na niemowlętach zakażonych malarią wykazały równoległe występowanie hipoksji komórkowej, która prowadzi do apoptozy miocytów komór serca. Model in vitro infekcji malarią w ludzkich kardiomiocytach określił, że obniżenie poziomów hyp-elF5A przez traktowanie GC7 prowadzi do zmniejszenia uwalniania cytochromu ci mleczanu z uszkodzonych mitochondriów oraz zmniejsza prozapalną i proapoptotyczną kaspazę mięśnia sercowego {{11 }} działalność. Wyniki te pokazują, że podawanie GC7 w modelu in vitro symulującym malarię zapobiega uszkodzeniu serca wywołanemu niedotlenieniem [129].

Cistanche może przeciwdziałać starzeniu

Wszystkie dotychczasowe badania na różnych modelach i organizmach wyraźnie pokazują pozytywną rolę hvpusinated eF5A w promowaniu oddychania i funkcji mitochondriów, ale także wskazują, że nadmiar elF5A, łączony lub nie, dereguluje funkcjonowanie mitochondriów. Mechanizmy leżące u podstaw tego związku elF5A-mitochondria dopiero zaczynają być wyjaśniane i omówione w kolejnych sekcjach.

5. Poliaminy regulują funkcję mitochondriów: efekty zależne i niezależne od eIF5A

Poziomy poliamin w komórkach ssaków są ściśle kontrolowane i od dawna wiadomo, że poliaminy (spermidyna, spermina i ich prekursor putrescyna) pełnią funkcje regulacyjne w mitochondriach [130-132]. Ubytek poliamin wywołuje stres oksydacyjny i indukuje przejście przez mitochondrialną przepuszczalność, które ostatecznie prowadzi komórki do apoptozy lub martwicy [133]. Natomiast dodanie sperminy do depolaryzowanych mitochondriów przywraca potencjał transbłonowy [134]. Wpływ poliaminy na mitochondria może być realizowany przez elF5A, biorąc pod uwagę, że jedną z głównych ról spermidyny jest substrat do dzielenia elF5A [12,130]. Wydaje się jednak, że inne niezależne od elF5A role poliamin mogą bezpośrednio wpływać na funkcję mitochondriów. Na przykład stwierdzono, że spermidyna promuje rybosomalną inicjację translacji drożdżowej COX4, jednej z podjednostek oksydazy cytochromu c (kompleks IV), w której defekt upośledza oddychanie mitochondrialne [135].korzyści z ekstraktu z cistancheInicjacja translacji mRNA COX4 jest regulowana w górę przez spermidynę poprzez przetaczanie rybosomów, niekonwencjonalny tryb inicjacji translacji stosowany również przez wirusy i kilka eukariotycznych mRNA, w których pośredniczy rozszerzona struktura spinki do włosów w regionie 5′ niepodlegającym translacji [136].cistanche Czyngis-chanChociaż elF5A nie był badany w odniesieniu do translacji COX4, udokumentowano, że promuje inne niekonwencjonalne sposoby inicjacji translacji podczas infekcji wirusowej [137] i dla specyficznych cytoplazmatycznych mRNA [138, 139]. Dogłębne zrozumienie mechanizmu, poprzez który poliaminy wpływają na mitochondria Funkcja umożliwi rozróżnienie pomiędzy efektami zależnymi od elF5A i niezależnymi.

6. Podkomórkowa lokalizacja czynnika inicjacji translacji 5A eukariotycznego i jego związek z mitochondriami

Eukariotyczny czynnik inicjacji translacji 5A jest bardzo obfitym białkiem, które jest zlokalizowane głównie w cytoplazmie. Opisano jednak inne lokalizacje niecytoplazmatyczne, w tym mitochondria, chociaż znaczenie ilościowe i funkcjonalne tej alternatywnej lokalizacji subkomórkowej jest nadal niejasne. Jak omówiono wcześniej, jedna z subkomórkowych lokalizacji eF5A w błonie ER wydaje się pośredniczyć w kotranslacyjnej translokacji białek do ER [23,25.26]. W jądrze wykryto również eukariotyczny czynnik inicjacji translacji 5A, do którego może on przedostać się przez kompleksy porów jądra dzięki niewielkim rozmiarom [140]. Eksportyny jądrowe dla elF5A zostały znalezione u ssaków (Xpo4) i drożdży (Pdr6) [30,140]. Jądrowa lokalizacja elF5A wydaje się być regulowana przez jego odwracalną acetylację, modyfikację, która wydaje się wykluczać dzielenie wyrazów (przegląd w [141]). Zatem obecny konsensus jest taki, że niezmodyfikowany eF5A jest rozmieszczony w całej komórce, podczas gdy acetylowany elF5A gromadzi się w jądrze, a hyp-elF5A w cytoplazmie. Zaproponowano, że wahadłowiec jądro-cytoplazma elF5A ułatwia eksport do jądra swoistych mRNA i białek, chociaż ta funkcja nie jest jasno zrozumiana [141].

Zaproponowano również, że eksport nuklearny elF5A odbywa się za pośrednictwem Xolo/Crm1, chociaż późniejsze wyniki przemawiają przeciwko Xolo jako bezpośredniemu eksportowi elF5A [24,57,142]. Co ciekawe, hamowanie Xpo1 sprzyja gromadzeniu się białka elF5A w mitochondriach w linii komórek ludzkiego raka jajnika, gdzie indukuje apoptozę [143]. Odkryto, że elF5A oddziałuje z białkiem wiążącym mRNA insulinopodobnego czynnika wzrostu 2 (IGF2BP1) w cytoplazmie, zapobiegając akumulacji elF5A w mitochondriach. Paul jest eksporterem nuklearnym IGF2BP1; w ten sposób hamowanie eksportu IGFBP1 z jądra, w którym pośredniczy Xpo1-, powoduje lokalizację elF5A w mitochondriach.IGF2BP1, działa zatem jako regulator lokalizacji elF5A i funkcji proapoptotycznej w mitochondriach [143]. Inne doniesienia sugerują również, że elF5A jest powiązany z mitochondriami. W badaniu proteomicznym mającym na celu określenie białek mitochondrialnych o zróżnicowanej ekspresji w przypadku przerzutów w porównaniu z linią komórkową raka nosogardzieli bez przerzutów, elfF5A był jednym z najbardziej indukowanych białek z oczyszczonych mitochondriów, wraz z białkami zaangażowanymi w mitochondrialny metabolizm redoks, oddechowy transport elektronów i potencjał błony mitochondrialnej [144].

Podczas translacji niektórych wariantów transkrypcyjnych mRNA ludzkiego genu EIF5A1 zastosowanie alternatywnego kodonu start prowadzi do powstania izoformy elF5A o wydłużonych 30 aminokwasach w N-końcowej sekwencji peptydowej [145]. Ta dłuższa izoforma elF5A jest znacznie mniej wydajnie translowana niż kanoniczna elF5A, ale jest również podatna na modyfikację przez dzielenie wyrazów. Wydłużona sekwencja N-końcowa zawiera przypuszczalny sygnał lokalizacji mitochondrialnej i rzeczywiście, gdy dłuższa izoforma elF5A ulegała nadekspresji w ludzkich komórkach HeLa, była oczyszczana wspólnie z mitochondriami [145]. Niedawno ta sama grupa badała rolę dłuższej izoformy elF5A na funkcję mitochondriów [146]. Użyli specyficznego siRNA, aby zubożyć tylko dłuższą izoformę elF5A bez wpływu na izoformę kanoniczną i zaobserwowali obniżenie poziomu mRNA kilku genów zaangażowanych w biogenezę mitochondriów, a także obniżenie poziomu kilku białek OXPHOS w komórkach HeLa. W przeciwieństwie do wyników zubożenia kanonicznego elF5A, zubożenie izoformy elF5A wydłużonej na końcu N doprowadziło do wzrostu zużycia tlenu; jednak wytwarzał również więcej ROS i fragmentacji mitochondriów oraz zwiększał ekspresję białka proapoptotycznego BAK, co sugeruje, że dłuższa izoforma elF5A jest niezbędna do dynamiki mitochondriów, a jej wyczerpanie prowadzi do dysfunkcji mitochondriów i apoptozy [146]. Z wyjątkiem wzrostu zużycia tlenu, inne skutki zubożenia dłuższej izoformy elF5A podsumowują te, które stwierdzono podczas zubożenia lub hamowania kanonicznej ssaczej izoformy elF5A, co podnosi prawdopodobieństwo, że zastosowane strategie, takie jak hamowanie dzielenia wyrazów lub interferencja RNA, przeciwko kanonicznej sekwencji EIF5A1 może również działać na dłuższą izoformę F5A.przedłużenie życia cistancheTak więc obserwowane wyniki mogą być konsekwencją braku mniej wyrażanej izoformy. Obecnie nie można wykluczyć tej możliwości i potrzebne są dalsze prace w celu wyjaśnienia tej kwestii. Z cytowanych powyżej prac można wywnioskować, że rola elF5A w mitochondriach jest bezpośrednio związana z jego asocjacją z tym organellą, ale jest to nadal niepewne.

7. Rola molekularna czynnika inicjacji translacji 5A w funkcji mitochondriów

Badania omówione w poprzednich rozdziałach pokazują, że elF5A jest niezbędny do prawidłowego funkcjonowania mitochondriów; jednak wyniki wciąż są zagadkowe. Tutaj dokonujemy przeglądu bardzo ostatnich prac, które proponują różne mechanizmy molekularne, poprzez które elF5A może wpływać na wydajność mitochondriów.

Wyniki przedstawione przez Pulestona i in. (2019) [147] ujawniają rolę elF5A w mitochondriach. Po pierwsze, autorzy wykazali, że hamowanie hyp-elF5A ogranicza mitochondrialne OXPHOS w komórkach ssaków i że hyp-eF5A jest niezbędny do zwiększenia oddychania w warunkach ograniczonej glikolizy. Ponadto autorzy wykazali w kontekście aktywacji mysich makrofagów zależnych od OXPHOS, że hamowanie hyp-eF5A zmniejszało aktywność cyklu TCA i zmniejszało ekspresję wielu białek mitochondrialnych na poziomie białka bez wpływu na poziomy mRNA. Wyniki te są zgodne z wcześniejszymi wynikami przedstawionymi przez Melisa i in. (2017)[126]. Białka mitochondrialne wrażliwe na eIF5A zidentyfikowane przez Pulestona i wsp. (2019) [147] obejmowały złożone składniki ETC, niektóre enzymy TCA (np. syntetaza sukcynylo-CoA i dehydrogenaza bursztynianowa) oraz enzymy odżywiające TCA (np. dehydrogenaza pirogronianowa). Jednak inne białka TCA były mniej dotknięte (np. syntaza cytrynianowa i dehydrogenaza izocytrynianowa), a enzymy glikolizy pozostały niezmienione, co wskazuje na specyficzność efektu. Autorzy zbadali możliwość, że translacja specyficznych sygnałów kierujących do mitochondriów (MTS) była zależna od hyp-elF5A. Wykazali, że masa niektórych białek wrażliwych na hyp-eIF5A była wystarczająca do nadania wydajności translacji zależnej od hyp-eF5A po połączeniu z białkami reporterowymi. Puleston i wsp.(2019)[147] doszli do wniosku, że hyp-eIF5A reguluje oddychanie mitochondrialne, przynajmniej częściowo, poprzez promowanie translacji MTS niektórych białek mitochondrialnych, co jest istotnym krokiem, gdy zapotrzebowanie na OXPHO wzrasta, na przykład podczas makrofagów działanie. Chociaż sekwencje MTS zawierają ciągi powtarzających się aminokwasów i są bogate w naładowane aminokwasy, które mogą spowolnić translację. Nie jest jasne, jak twierdzą autorzy, w jaki sposób hyp-elF5A wpływa na wydajność translacji niektórych z tych MTS, ale nie innych o podobnych cechach globalnych.

Nowe badania nad ochronną rolą hamowania elF5A podczas niedokrwienia nerek szczegółowo opisują przemianę metaboliczną od tlenowej fosforylacji oksydacyjnej do glikolizy beztlenowej po leczeniu GC7 i wykazały, że leczenie to reguluje ekspresję transporterów glukozy [148]. W proksymalnych komórkach nerkowych poddanych inhibicji dzielenia elF5A zużycie tlenu zmniejszyło się, ale wzrosło zużycie glukozy i wypływ mleczanu, a także zależność od importu glukozy i glikolizy, co wskazuje na przemianę metaboliczną w kierunku wyłącznej glikolizy beztlenowej. Podczas hamowania GC7 in vitro i in vivo, wypływ glukozy z proksymalnych komórek nerkowych był upośledzony przez represję ułatwionego transportera glukozy GLUT1, zwiększając w ten sposób dostępność glukozy w proksymalnych komórkach. Wyniki te wyjaśniają przeżycie komórek nerkowych w warunkach niedotlenienia, przy czym zapotrzebowanie energetyczne jest zaspokajane przez przejście do glikolizy beztlenowej. Jednak molekularne przyczyny tej zmiany metabolicznej są niejasne, biorąc pod uwagę, że GLUT1 nie zawiera przypuszczalnych motywów peptydowych zależnych od elF5A. Nie wiadomo również, czy wzrost wewnątrzkomórkowego poziomu glukozy wynikający z hamowania GLUT1 jest przyczyną lub konsekwencją tej zmiany metabolicznej, w której pośredniczy GC7- [148].

W innym niedawnym badaniu ustalono związek molekularny między eIF5A a procesem fuzji mitochondrialnej [149]. Jego autorzy zbadali rolę czynnika transkrypcyjnego typu Krüppel-podobnego 5 (Klf5) czynnika przebudowy układu krążenia w starzeniu się naczyń i odkryli, że Klf5 bezpośrednio wiąże się z promotorem EIF5A i aktywuje jego transkrypcję w celu zachowania integralności mitochondriów. Modulacja elF5A przez Klf5 jednocześnie modulowała zawartość ATP, produkcję ROS i dynamikę mitochondriów. Co ważne, elF5A oddziaływał fizycznie z mitofuzyną 1 (Mnf1), białkiem transbłonowym zewnętrznej błony mitochondrialnej, które jest kluczowym regulatorem fuzji i integralności mitochondriów. Eukariotyczne czynniki inicjacji translacji 5A i Mnf1 znajdowały się wspólnie w mitochondriach i ułatwiały tworzenie sieci połączonych mitochondriów. W przeciwieństwie do tego, regulacja w dół elF5A przez niedobór Klf5 lub podczas starzenia naczyń skutkowała rozszczepieniem mitochondriów i doprowadziła do choroby naczyń [149]. Chociaż dokładne mechanizmy, dzięki którym integralność mitochondriów jest utrzymywana poprzez interakcję elF5A z Mnf1, wciąż nie zostały wyjaśnione, wiadomo, że zrównoważona fuzja i rozszczepienie mitochondriów koordynuje nie tylko kształt, wielkość i liczbę mitochondriów, ale także metabolizm energetyczny, cykl komórkowy , mitofagię i apoptozę [150].

Jak wspomniano w poprzednich rozdziałach, dobrze wiadomo, że funkcja mitochondriów pogarsza się wraz z wiekiem [83]. W ciągu ostatnich kilku lat zastosowano różne modele in vitro i in vivo, aby wykazać silny związek między suplementacją spermidyną i wydłużeniem życia organizmów modelowych oraz opóźnionym starzeniem się organizmów modelowych i ludzi. Związek ten został ostatnio zbadany, a efekty spermidyny w procesie starzenia są głównie mediowane przez indukowane spermidyną dzielenie elF5A, które zachowuje funkcję mitochondriów.

Od dawna udokumentowano, że spadek poliamin występuje w hodowlach komórek ssaków i narządach ludzkich podczas starzenia [151,152]. W 2009 roku praca Eisenberga i in. (2009)[153] wykazali, że egzogenny dodatek spermidyny wydłużył żywotność w komórkach drożdży, much, robaków i ludzi. Spermidyna zmniejszała również związany z wiekiem stres oksydacyjny u myszy. W przeciwieństwie do tego, zubożenie poliamin zmniejszyło długość życia drożdży i zwiększyło produkcję ROS i martwicę. Autorzy zaobserwowali korelację między długowiecznością indukowaną spermidyną a hipoacetylacją histonu H3, która prowadziła do podwyższenia regulacji genów autofagii ATG7, ATG11 i ATG15 oraz promowała autofagię we wszystkich testowanych organizmach modelowych, co okazało się kluczowe dla poliaminy -zwiększona długowieczność [153].

Korzystny wpływ suplementacji spermidyną na starzenie się odnotowano również w różnych organizmach, w odniesieniu do różnych aspektów związanych z wiekiem związanych z promocją autofagii [154,155], ale także niezależnie [156. Udowodniono, że spermidyna łagodzi starzenie się układu sercowo-naczyniowego, poprawia pamięć i zmniejsza śmiertelność z powodu raka, a także inne korzystne efekty [157].cistanche nzPośrednictwo w działaniu spermidyny przez indukowane dzielenie wyrazów w elF5A zostało ostatnio wykazane w badaniach odporności komórek B u osób starszych. Promowane przez spermidynę dzielenie wyrazów elF5A przywróciło odporność komórek B u starych myszy poprzez promocję autofagii [43]. Hyp-elF5A utrzymywał autofagię poprzez translację czynnika transkrypcyjnego autofagii TFEB, który zawiera motywy poliproliny w swojej sekwencji aminokwasowej. Podczas starzenia następuje spadek poziomu TFEB, wraz z hyp-eF5A i spermidyną, co prowadzi do niewydolności układu odpornościowego [43]. Co ciekawe, analiza proteomiczna przeprowadzona w tym badaniu z użyciem pierwotnych limfocytów B traktowanych GC7 wykazała zmniejszoną ekspresję TFEB, ale nie wykazanej wcześniej autofagii elF5A u ssaków i Caenorhabditis elegans skierowanej na ATG3 [42], co sugeruje wpływ kontekstu komórkowego. Zarówno ATG3, jak i TFEB zawierają motywy poliprolinowe podatne na zależność elF5A i zapewniają mechanistyczne połączenie między hyp-elF5A a autofagią, chociaż obecność samych motywów poliprolinowych w sekwencji białkowej nie wydaje się we wszystkich przypadkach wystarczająca do spowodowania obniżenia poziomu białka poprzez hamowanie hip- eIF5A [43,158].

W ostatnich badaniach zbadano mechanistyczne powiązania między pozytywnym wpływem spermidyny na zmniejszenie objawów związanych z wiekiem a rolą hyp-elF5A w utrzymaniu funkcjonalnych mitochondriów. Schroeder i wsp. (2021) [159] badali starsze myszy i stwierdzili, że spermidyna w diecie przechodzi przez barierę krew-mózg, zwiększając dzielenie hipokampa elF5A. Starzejące się myszy karmione spermidyną wykazały poprawę w kilku testach poznawczych. Autorzy wykazali również wyższe oddychanie mitochondrialne w mózgu myszy i much, chociaż wyniki u myszy były zależne od płci i wieku. Wcześniej sugerowano, że autofagia ma kluczowe znaczenie dla kontroli jakości mitochondriów podczas starzenia i neurodegeneracji [160]. W związku z tym u Drosophila obniżenie poziomu niezbędnego genu autofagii Atg7, domniemanej kinazy indukowanej przez mitofagię PTEN (Pink1) i homologa ludzkiej ligazy ubikwityny E3 Parkin (Park) wyeliminowało poprawę oddychania za pośrednictwem spermidyny [159] . Wyniki te są zgodne z wynikami [161]w C.elegans, gdzie hamowanie przez spermidynę neurodegeneracji i starzenia było zależne od PINK1 i robaka Parkin Ortolog PDR1, które pośredniczą w mitofagii.

W korzystnym wpływie spermidyny na zdrowie mitochondriów i procesów poznawczych mózgu może pośredniczyć efektor eIF5A [159, 162]. Starzejące się Drosophila pod wpływem suplementacji spermidyną zawierało wyższy poziom białek zaangażowanych w OXPHOS, ale nie wyższy poziom odpowiedniego mRNA, co korelowało z wyższym maksymalnym oddychaniem i obfitością mitochondriów w mózgu. W dojrzałych mózgach Drosophila poziomy spermidyny i hyp-elF5A spadły, a obydwa można było zwiększyć poprzez suplementację poliaminą aż do wieku średniego, chociaż nie w bardzo starych mózgach Drosophila. Różne podejścia genetyczne do częściowej redukcji dzielenia elF5A w mózgu muchy doprowadziły do ​​zmniejszenia oddychania mitochondrialnego, a ilościowa analiza proteomiczna wykazała regulację w dół białek mitochondrialnych, w szczególności białek OXPHOS. Co ciekawe, większość pozytywnych skutków suplementacji spermidyną na funkcje mitochondriów została zniesiona poprzez redukcję hyp-eF5A w mózgach much. Liang i wsp.(2021)162] badali również, czy dzielenie wyrazów elF5A było przyczyną wspomnianego wcześniej wydłużenia życia u much, myszy i innych organizmów z dodatkiem spermidyny [153,163,164]. Zaobserwowali, że wydłużenie życia zostało zniesione u much z niedoborem dzielenia wyrazów [162]. Wreszcie, spermidyna złagodziła pogorszenie funkcji lokomotywy i pamięci starszych muszek, podczas gdy tłumienie dzielenia wyrazów elF5A wzmocniło te szkodliwe dla wieku efekty i, co ważne, pozytywny wpływ spermidyny na poruszanie się i pamięć został w większości utracony u zwierząt atenuowanych hipuzyną elF5A . Te ostatnie wyniki są zgodne z innym niedawnym badaniem, w którym zmniejszenie aktywności syntazy deoksyhipuzynowej było związane z zaburzeniem neurorozwojowym u ludzi [165]. Chociaż wyniki przedstawione przez Liang i wsp. (2021)[162] wzmocniły molekularne powiązanie między korzystnym wpływem spermidyny na sprawność mitochondriów w podeszłym wieku i funkcje mózgu z dzieleniem wyrazów elF5A, Schroeder i wsp. (2021)[159] wskazali na rolę hyp-elF5A w utrzymaniu kontroli jakości mitochondriów przez autofagię/mitofagię, nadal brakuje mechanistycznych szczegółów molekularnych i nie jest do końca zrozumiałe, w jaki sposób autofagia/mitofagia bezpośrednio wpływa na wydajność mitochondriów.

8. Perspektywy identyfikacji procesów mitochondrialnych i celów pod kontrolą eIF5A

Główną rolą molekularną przypisywaną elF5A jest ułatwianie translacji określonych podzbiorów białek zawierających motywy zależne od elF5A [10,11]. Zaproponowano jednak inne, mniej scharakteryzowane role molekularne, związane ze zdolnością elF5A do wiązania RNA i regulowania ich metabolizmu. Z powyższych wyników jasno wynika, że ​​odpowiedni poziom hyp-elF5A jest niezbędny do zachowania OXPHOS i funkcji mitochondriów. Opisane powyżej badania sugerują, że elF5A może być zaangażowany w translację specyficznych białek mitochondrialnych zawierających MTS zależne od elF5A, w regulowanie przepływu metabolitów do mitochondriów w celu utrzymania metabolizmu tlenowego poprzez regulację transporterów glukozy, w utrzymywaniu dynamiki mitochondriów poprzez interakcję z białkami biorącymi udział w fuzji mitochondrialnej (Mnf1), w promowaniu autofagii poprzez ułatwianie syntezy ATG3 i TFEB, lub w szczególności w mitofagii poprzez mechanizm zależny od białek PINK1 i Park. Aby rozpoznać i udowodnić te role, konieczne będzie zidentyfikowanie specyficznego procesu molekularnego i/lub specyficznych celów białkowych i warunków pod bezpośrednią kontrolą elF5A.

Próbując zidentyfikować mitochondrialne białka kandydujące do bezpośredniej zależnej od elF5A translacji, szukaliśmy motywów peptydowych powodujących zatrzymywanie rybosomów zależne od elF5A [11 w proteomie mitochondrialnym S. cerevisiae. Odkryliśmy, że obfitość motywu elF5A w 1117 białkach mitochondrialnych kodowanych przez jądro jest tylko nieznacznie wyższa niż w całkowitych białkach drożdży, ale motywy te są słabo reprezentowane w 10 białkach kodowanych przez mitochondrialny DNA (Figura 2). Białka zaangażowane w cykl TCA wykazują średnio 3,3 motywów/białko, wyższe niż średnia w całkowitym proteomie drożdży (2,8 motywów/białko) i znacznie wyższe niż w białkach OXPHOS (1,8 motywów/białko). Jednak najbardziej reprezentowane motywy zależne od eIF5A były takie same (GGA, GGG i KPG) w białkach TCA i OXPHOS, z tylko dwoma motywami PPP: jednym w enzymie ligazy sukcynylo-CoA (Lsc1) TCA, a drugim w podjednostce dehydrogenazy bursztynianowej (Sdh4), która uczestniczy w cyklu TCA i OXPHOS.

Rysunek 2. Rozkład motywów zależnych od elF5A w białkach mitochondrialnych Saccharomyces cerevisiae. Dystrybucja 43 najwyżej punktowanych motywów tripeptydowych hamujących rybosomy [1l] zależnych od elF5A w białkach całego genomu drożdży (a), białka mitochondrialne kodowane jądrowo(b), białka mitochondrialne kodowane przez mitochondria(c), cykl kwasu trikarboksylowego (TCA) (d), fosforylacja oksydacyjna (OXPHOS) (e) oraz w organizacji mitochondrialnej kategoria funkcjonalna Gene Ontology (f). W tabeli przedstawiono białka zaangażowane w organizację mitochondrialną z co najmniej jednym motywem PPP. Wskaźnik przerwy białkowej (PPI) jest obliczany jako suma ilościowej wartości przerwy rybosomalnej wywołanej przez zubożenie elF5A w każdym z 43 najwyższych motywów tripeptydowych zależnych od elF5A [11] występujących w sekwencji aminokwasowej każdego białka i jest wyższy w białkach, które są przypuszczalnie bardziej zależne od elF5A do ich translacji. Poszukiwanie drożdżowych białek mitochondrialnych z dłuższymi motywami poliprolinowymi wykazało, że Ytal2, Srv2 i Tim50 zawierają odcinki odpowiednio do dziewięciu, sześciu i siedmiu kolejnych prolin (Figura 2). Yta12 (homologiczny z ludzkim AFG3L2) jest częścią konserwowanej proteazy mitochondrialnej m-AAA, która składa się z białek Afg3 i Yta12 i znajduje się w wewnętrznej błonie mitochondrialnej (ryc. 3). i degradacji i jest wymagana do prawidłowego złożenia mitochondrialnych kompleksów enzymatycznych [166]. Co ciekawe, kompleks Ytal2/Afg3 bierze również udział w składaniu mitochondrialnych mRNA zawierających introny COXT i COB, które kodują podjednostkę 1 odpowiednio oksydazy cytochromowej i cytochromu b, które są częścią ETC. Tak więc niedobór Yta12/Yta10 powoduje niski poziom oddychania z powodu, między innymi, wadliwego montażu ETC [167]. Srv2 (homolog do ludzkiego CAP1 i CAP2) pośredniczy w tworzeniu aktyny w mitochondriach, a delecja Srv2 powoduje wydłużone hiperfuzje mitochondriów i zmniejsza oddychanie. Co ciekawe, Srv2 oddziałuje z mitochondrialną GTPazą Dnm1/DRP1 z rozszczepienia mitochondrialnego [168]. Wreszcie, Tim50 (homolog ludzkiego TIMM50) jest istotną podjednostką kompleksu mitochondrialnej błony wewnętrznej TIM23, która pośredniczy w imporcie większości białek mitochondrialnych poprzez rozpoznawanie ich MTS (ryc. 3) [169]. Chociaż te trzy białka są kuszącymi kandydatami do pośredniczenia w działaniu elF5A na funkcję mitochondriów, obecność odcinków poliproliny nie jest wystarczającym warunkiem do uzależnienia od elF5A [43,158]. Przyszłe badania określą dokładne mechanistyczne powiązania między elF5A a opisanymi już białkami mitochondrialnymi wrażliwymi na hyp-eIF5A oraz zidentyfikują nowe mitochondrialne białka docelowe i procesy pod kontrolą elF5A (Rysunek 3).

Rysunek 3. Funkcje komórkowe elF5A i model jego roli w utrzymaniu aktywności mitochondriów. Wiadomo, że elF5A bierze udział w różnych procesach komórkowych, chociaż najbardziej istotne i związane z mitochondriami przedstawiono na rycinie. Związany z rybosomami, hyp-elF5A ułatwia wydłużanie translacji w określonych motywach [10,11], jak również translację sprzężoną z ER [23,25,26]. W jądrze eIF5A pomaga w eksporcie niektórych mRNA i białek [141]. po zahamowaniu [133]. Hyp-elF5A promuje autofagię poprzez translację czynników autofagii ATG3 (powiązany z autofagią 3) i TFEB (czynnik transkrypcyjny EB) [42A43]. Coraz więcej dowodów wskazuje na bezpośredni związek między hyp-elF5A a funkcją mitochondriów. Oprócz związku z mitochondriami [143-146], niektóre białka obu TCA zostały opisane jako bezpośrednio lub pośrednio dotknięte przez hamowanie hyp-elF5A [126,147]. Zaproponowano również, że hyp-eF5A może pośredniczyć w mitofagii poprzez białka ATG7 (powiązane z autofagią 7), Pink1 (domniemana kinaza indukowana przez PTEN związana z mitofagią) i Park (ligaza ubikwitynowa E3 Parkin) [170]. Inne białka zaangażowane w mitochondrialny transport białek kodowanych w jądrze i organizację mitochondrialną są uważane za domniemane cele elF5A (Rysunek 2). Wśród nich, integralne białka błony wewnętrznej mitochondriów Yta12 (proteaza kompleksu Yta12/Afg3 i homolog drożdżowy ludzkiego AFG3L2) oraz Tim50 (podjednostka podstawowa kompleksu TIM23 i homolog drożdżowy ludzkiego TIMM50) zawierają długie odcinki poliproliny sekwencje kwasów, co sugeruje możliwą zależność od elF5A w ich translacji, a tym samym możliwe powiązanie między hyp-elF5A a funkcją mitochondriów. Obróbkę figur prowadzono za pomocą oprogramowania BioRender.

Autorskie Wkłady:Konceptualizacja, MB-A.i PA; pisanie – przygotowanie oryginalnego projektu, MB-A.i PA; pisanie – recenzja i redakcja, MB-A.i PA; pozyskania finansowania, PAWszyscy autorzy przeczytali i wyrazili zgodę na opublikowaną wersję manuskryptu.

Finansowanie:Badanie zostało sfinansowane przez Generalitat Valenciana (AICO/2020/086) oraz hiszpańskie Ministerstwo Nauki i Innowacji (PID2020-120066RB-I00) przez PAMB-A. jest stypendystką stypendium doktoranckiego (FPU2017/03542) hiszpańskiego Ministerstwa Nauki, Innowacji i Uniwersytetów.

Podziękowanie:Autorzy potwierdzają wsparcie wszystkich członków laboratorium GFL.

Konflikt interesów:Autorzy deklarują brak konfliktu interesów. Fundatorzy nie odgrywali żadnej roli w projektowaniu badania; w napisaniu manuskryptu lub w decyzji o opublikowaniu wyników.

Ten artykuł pochodzi z Int. J. Mol. Nauka. 2022, 23, 1284. https://doi.org/10.3390/ijms23031284 https://www.mdpi.com/journal/ijms