Ролята на подсемейството NEDD4 на HECT E3 убиквитин лигази в невроразвитието и невродегенерацията, част 1

Резюме:

Пътят на убиквитин регулира функцията на много протеини и контролира клетъчната протеинова хомеостаза. През последните години тя привлече голям интерес към неврологичните и невродегенеративните заболявания.

С непрекъснатото развитие на биотехнологиите хората все повече се интересуват от връзката между клетъчните протеини и паметта. Изследванията показват, че протеинът е най-основната биомолекула в клетките и играе важна роля в различни тъкани и органи на човешкото тяло и неговото въздействие върху паметта не може да бъде пренебрегнато.

Протеините съществуват в различни форми в човешкото тяло, най-важните от които са невронните протеини. Невронните протеини са клас протеини, които съществуват в големи количества в невроните и са важен компонент на невронната активност. Изследванията показват, че има силна връзка между невронните протеини и паметта. Синтезът и разграждането на невронните протеини са в основата на паметта. Само когато скоростта на протеинов синтез в клетката е по-бърза от скоростта на разграждане в този процес, могат да се формират и поддържат добри спомени. Следователно поддържането на стабилността на невронните протеини е от решаващо значение за паметта на хората.

В допълнение към невронните протеини, други протеини в тялото могат да повлияят на паметта. Например, ATP-зависимата протеин киназа (AMPK) в пътя на клетъчния енергиен метаболизъм е ключов регулатор на вътреклетъчния енергиен метаболизъм. Проучванията показват, че насърчаването на активността на AMPK може да увеличи скоростта на протеиновия синтез в мозъчната тъкан, като по този начин подобрява паметта.

В същото време консумацията на някои храни, богати на висококачествен протеин в човешкото тяло, също може да насърчи скоростта на протеиновия синтез в клетките, като по този начин подобрява паметта. Например богатите на протеини риба, месо, яйца и други храни могат да осигурят висококачествен протеин на човешкото тяло.

За да обобщим, съществува тясна връзка между клетъчните протеини и паметта. Поддържането на стабилността на невронните протеини и насърчаването на скоростта на протеинов синтез в клетките е много важно за подобряване на паметта на хората. Трябва да обърнем внимание на диетата, да ядем храни, богати на висококачествени протеини, и да засилим физическите упражнения, за да увеличим скоростта на клетъчния метаболизъм, което ще помогне за подобряване на нивото на нашата памет. Вижда се, че трябва да подобрим паметта и Cistanche deserticola може значително да подобри паметта, тъй като Cistanche deserticola е традиционен китайски лекарствен материал, който има много уникални ефекти, един от които е да подобрява паметта. Ефикасността на Cistanche deserticola идва от множеството активни съставки, които съдържа, включително танинова киселина, полизахариди, флавоноидни гликозиди и др. Тези съставки могат да насърчат здравето на мозъка чрез различни пътища.

Кликнете върху Познаване на краткосрочната памет как да се подобри

Тук представихме първия преглед на ролите на 9-те протеина от подсемейството HECT E3 лигаза NEDD4 в развитието и функцията на невроните в централната нервна система (ЦНС).

Обсъдихме тяхното регулиране и тяхното пряко или косвено участие в заболявания на неврологичното развитие, като интелектуална изостаналост, и невродегенеративни заболявания, като болестта на Алцхаймер, болестта на Паркинсон или амиотрофична латерална склероза.

По-нататъшни проучвания върху ролите на тези протеини, тяхната регулация и техните мишени в невроните със сигурност ще допринесат за по-доброто разбиране на функцията и дисфункцията на невроните и също така ще предоставят интересна информация за разработването на терапевтични средства, насочени към тях.

Ключови думи: убиквитин; лигази; развитие; невродегенеративни; интелектуално увреждане; ALS.

1. Въведение

Развитието и функционирането на централната нервна система (ЦНС) са сложни процеси, които изискват динамични механизми, включително етапи на пролиферация, миграция, диференциация, съзряване и синаптична пластичност.

Тези процеси са фино регулирани благодарение на участието на множество протеини с различни клетъчни локализации и роли [1] Контролът на концентрациите на тези протеини, наречен клетъчна протеинова хомеостаза (протеостаза), се постига на нивото на техния синтез и тяхното разграждане.

Контролът на функцията на тези протеини също е от решаващо значение за правилното развитие и функциониране на ЦНС. Важна част от този контрол се осъществява чрез динамични посттранслационни модификации. Убиквитин (Ub)/Ub-подобните системи се състоят от една от тях [2].

Генно кодиращите членове на тези две системи са пряко замесени в разстройства на неврологичното развитие, включително синдромни и несиндромни интелектуални увреждания (RNF12, CUL4B) и невродегенеративни заболявания, като болест на Паркинсон (PARK2) или амиотрофична латерална склероза (CCNF) [3–5].

Ub/Ub-подобните системи се състоят от вътреклетъчни пътища, включващи 3 класа ензими, E1, E2 и E3 (семейства RING или HECT), кодирани от над 700 гена в човешкия геном. Тези пътища работят чрез добавяне на един или повече малки убиквитини (76 аа) или убиквитиноподобни протеини (напр. SUMO, Small Ubiquitin MOdifier) ​​към целевите протеини. В зависимост от посттранслационната модификация, маркираният протеин ще бъде изпратен към протеазомата за разграждане или ще има регулирана или модифицирана функция [6].

Ub/Ub-подобните системи са широко изследвани през последните години, но все още съществуват много въпроси относно тяхната регулация и функция, към кои протеини са насочени и тяхната роля в патофизиологията на човешките заболявания.

Най-голямото подсемейство HECT E3 е подсемейството на невроналните прекурсорни клетки, експресирани в развитието надолу регулирани 4 (NEDD4). Целта на този преглед беше да се обсъди физиологичната роля на ЦНС на това подсемейство NEDD4 и нейното значение в неврологичното развитие и невродегенеративните заболявания.

2. Преглед на системата Ubiquitin

Убиквитинирането е ключов механизъм в разграждането на протеина, медиирано от протеазомата. Състои се от добавяне на убиквитин (Ub) към целеви протеини. Ubiquitin е протеин от 76 аминокиселини със 7 лизинови остатъка, използван за свързване на целеви протеин или друг Ub (за полиубиквитиниране) [7].

Протеинът убиквитин може да бъде свързан с целевия протеин като убиквитинмономер (моноубиквитиниране) или като убиквитинов полимер (полиубиквитиниране). Един протеин може също да бъде мултиубиквитиниран, което се състои от няколко моноубиквитинации на целевия протеин. Моноубиквитинирането и свързването към верига от убиквитини, свързани с лизини -63, например, са функционални регулаторни сигнали за убиквитинирания протеин.

Свързването към верига от лизин{0}}свързани убиквитини е сигнал за разграждането на убиквитинирания протеин от протеазомата. Убиквитинираните протеини също могат да бъдат деубиквитинирани от около сто деубиквитиниращи ензима [8]. Разнообразието от участници в убиквитиновата система и модификациите, които тя произвежда върху протеините, включват тази система в много клетъчни процеси, като протеинова хомеостаза, ендоцитоза, вътреклетъчен трафик, клетъчен стрес и автофагия [9–13].

Пет процента от гените в човешкия геном кодират протеини от убиквитиновата система, което е впечатляващо. Убиквитинирането на протеини се постига чрез координирана система от три класа ензими: убиквитин-активиращи ензими (E1), конюгиращи ензими (E2) и лигази (E3).

Единичният ензим Е1 активира убиквитин за трансфер [14]. E2 ензимите, от които има 38, директно прехвърлят убиквитин към целевите протеини с помощта на трети клас ензими, E3 лигазите, които съдържат интересен нов ген (RING) домейн [15].

Това семейство E3 лигази се състои от над 600 члена. Другите семейства на E3 са E3 с U-Box домейн, E3 с RING-между-RING домейн (RBR) и E3 с хомоложен на EA6P C-терминален (HECT) домейн [8]. Някои Е2 ензими трансферубиквитин към HECT-E3 ензими, които след това го прехвърлят към целевите протеини (Фигура 1). E3 лигазите с номер на HECT домен са 28 при хората. Размерът им варира от 80 до 500 kDa.

Общата характеристика на тези ензими е наличието на запазен С-краен, каталитичен HECT домен от 350 аминокиселинни остатъка [16]. HECT E3 лигазите се класифицират в три подсемейства: NEDD4, HERC и други HECT.

Фигура 1. Схематично представяне на процеса на убиквитиниране чрез Е3 лигази, съдържащи HECT домен. Убиквитинът се активира от ензим Е1 и след това се прехвърля към ензими Е2 и ензим HECT E3.

Ензимът E3 пренася убиквитин към целевия протеин, което води до неговата моноубиквитинация или полиубиквитинация. Е3 лигазата съдържа 3 домена, N-терминален С2 домен, WW богат домен и С-терминален домен, организирани в два дяла (N-лоб и С-лоб).

3. Подсемейство лигази NEDD4 E3

3.1. Структура и разнообразие

Подсемейството NEDD4 се среща в еукариотите. Той включва деветте E3 лигази NEDD4-1, NEDD4-2,ITCH, WWP1, WWP2, SMURF1, SMURF2, NEDL1 и споделяне на обща структура, характеризираща се с наличието на 3 домейна, различно запазени по време на еволюцията на бозайниците: един N-краен С2 домен, два до четири триптофана. триптофанови (WW) домейни и HECT домейн (Фигура 1).

С2 доменът може да се свърже с фосфолипиди по калций-зависим начин. В резултат на това протеините кон. обучението на С2 домейна може да медиира вътреклетъчното насочване на плазмената мембрана, ендозоми и мултивезикуларни тела [17].

Той е описан за първи път в протеин киназа С (PKC) и се състои от 8 бета-вериги, които могат да координират два или три калциеви йона. WW домейните, които съдържат средно 40 аминокиселини с два инвариантни триптофанови остатъка, участват във взаимодействията протеин/протеин. Взаимодействието се извършва с богати на пролин мотиви (PY или PPxY), присъстващи върху целевите протеини. 

Специфичността на свързване на WW домейна идва от неговото t-верижно нагъване на остатъците, присъстващи в бримките, които ги свързват. С-терминалният HECT домен е E3 каталитичен домен с присъствието на каталитичен цистеин. Той има размер от около 350 аминокиселини, организирани в два дяла, N-лоб и С-лоб.

N-лобът се свързва с комплекса Е2 ензим-убиквитин, позволявайки прехвърлянето на протеина убиквитин от Е2 към С-лоба чрез тиоестерно междинно съединение с каталитичния цистеин. След като убиквитинът бъде прехвърлен към С-лопа, той може да бъде прехвърлен към целевия протеин (Фигура 1). Тези 3 домена са били различно запазени по време на еволюцията на бозайниците (Фигура 2).

3.2. Функции и правила

9-те члена на подсемейството NEDD4 свързват важен брой целеви протеини и са замесени в широк спектър от клетъчни процеси.

Протеините Неврална прекурсорна клетка. експресиран протеин 4, регулиран надолу в развитието, номер 1 (NEDD4-1) и номер 2 (NEDD4-2) са първите членове, открити в това подсемейство и в момента са най-изследваните.

NEDD4-1 се експресира повсеместно и участва в много човешки клетъчни функции, включващи множество целеви протеини. Сред тези целеви протеини са PTEN, Akt, Beclin1 или FGFRl, които предполагат участие на NEDD4-1 в клетъчната пролиферация, диференциация, миграция и инвазия, но също и апоптоза, автофагия и отговор на увреждане на ДНК. Смята се, че финансиращият член на подсемейството е замесен в различни заболявания, от рак до невродегенеративни заболявания [18].

NEDD4-2 е E3 лигаза за много йонни канали, включително натриеви, хлоридни и калиеви канали, като епителния Na+ канал ENaC, който е замесен в абсорбцията на натрий и течности в белите дробове, бъбреците и дебелото черво [{ {3}}].

Той регулира ENaC функцията чрез свързване към неговите PY мотиви, контролиращи броя на каналите на клетъчната повърхност 22, 23. Той също така взаимодейства с протеини, замесени в Wnt сигналния път, TGF-сигналния път и аутофагията [24–26].

Регулирането на активността на NEDD4-2 може да бъде медиирано от фосфорилиране [27–29]. Например, неговото фосфорилиране от RAC-алфа серин/треонин киназа протеин 1 (AKT1) и серумна и глюкокортикоид-регулирана киназа 1 (SGK1) води до набирането на адапторен протеин 14.3.3, който пречи на ENaC [27]. Фосфорилирането на NEDD4-2също пречи на свързването на ORAI, което засяга калциевото сигнализиране [30].

Интересното е, че C2 домейнът на NEDD4-1 и NEDD4-2 действа като автоинхибиторен домейн на Е3 лигазната активност. Калцият, чрез свързване към С2 домейна, освобождава това автоинхибиране. Сърбящият E3 Ubiquitin Protein Ligase Homolog протеин (ITCH) контролира широк спектър от биологични механизми, дължащи се на над 50 целеви протеина, включително Jun протеини и двата члена на семейството p53, p63 и стр.73 [31–33].

Сърбежът играе роля в регулирането на TGF-сигналния път и действа върху туморогенезата [34,35]. Той е замесен в други важни пътища, като сигнални пътища Hedgehog, Hippo, Wnt и Notch [36–39]. Той участва в ендозомни и лизозомни функции и реакция при увреждане на ДНК [31,40,41].

Регулирането на активността на ICTH може да се постигне чрез свързване с протеини, като N4BP1, който взаимодейства с WW2 домейна на ITCH, възпрепятствайки взаимодействията с неговия целеви протеин (p73a, JUN, p63).

Фосфорилирането на ITCH от JNK1 активира протеина. WW-домейнът, съдържащ протеин 1 (WWP1), е многофункционален протеин с множество мишени, като Smad2, Smad4, ErbB4/HER4, JunB и p53. Следователно, WWP1 има роля в транскрипцията, трафика на протеини, разграждането на протеини, апоптозата и вирусното размножаване, между другото. Той е замесен в ракови заболявания, като рак на дебелото черво и гърдата, инфекциозни заболявания и неврологични заболявания [42].

Той се свързва със своите целеви протеини главно чрез своя WW домейн. Въпреки това, той се свързва с p53 независимо от своя WW домейн. Това взаимодействие положително регулира и стабилизира p53 и по този начин активира апоптоза [43]. WWP2 е друга E3 лигаза от това подсемейство, която се свързва с цели, включени в различни сигнални пътища, като PI3K/Akt или TGF- пътищата. Той също така се свързва и понижава ENaC [44] и убиквитинира РНК полимераза II [45].

Поради разнообразните си функции, WWP2 е замесен в ракови заболявания и модулиране на имунната система [46]. SMAD Ubiquitylation Regulatory Factor 1 и 2 (SMURF1 и SMURF2) са открити за първи път като E3 лигази, способни на отрицателна регулация на TGF-/BMP сигналните пътища [47,48]. Те обаче са замесени и в други механизми.

SMURF1 е насочен към неканоничния Wnt път и MAPK пътя [49]. Съответно, SMURF1 участва в регулирането на клетъчния растеж и морфогенезата, клетъчната миграция, полярността и автофагията.

Неговата каталитична активност може да бъде подобрена чрез свързване с казеин киназа 2-взаимодействащ протеин 1 (CKIP1) от неговия WW домейн [50]. SMURF1 също така регулира активността на p53, независимо от неговата ензимна активност, чрез свързване с друга E3 лигаза, MDM2, чиято убиквитинираща активност ще се увеличи.

MDM2 е RING-E3 лигаза, която ще се насочи към p53 за разграждане от протеазомата [51]. SMURF2 е замесен в подобни механизми. Неговата двойна роля при рак често се обсъжда, тъй като може да действа както като туморен супресор, така и като активатор. Той също така участва в геномната стабилност, като действа върху хроматина и апоптозата [49].

For more information:1950477648nn@gmail.com