De rol van EIF5A in de mitochondriale functie, deel 2

Neem contact oposcar.xiao@wecistanche.comvoor meer informatie

4. Verbanden tussen elF5A en mitochondriale functie

Er zijn al lang aanwijzingen voor verbanden tussen elF5A, zijn afbreek-enzymen en het afbreeksubstraat spermidine, en de mitochondriale functie, maar de som van alle gegevens levert nog steeds een beeld op dat niet helemaal duidelijk is en soms tegenstrijdig lijkt. Aan de ene kant hebben verschillende rapporten gedocumenteerd dat zowel een defect in als een overmaat aan elfF5A schadelijke effecten hebben op de mitochondriale functie. In hartspiercellen van ratten resulteerde de overexpressie van elF5A, geïnduceerd door het antitumormiddel doxorubicine, bijvoorbeeld in een geleidelijke toename van ROS en een toename van Ca2 plus influx in mitochondriën [54]. Deze veranderingen correleerden met een verlies van mitochondriaal transmembraanpotentieel en de inductie van apoptose, terwijl de verstoring van EIF5A1-expressie apoptose verminderde. Deze resultaten kwamen goed overeen met de resultaten gerapporteerd door Sun et al. (2010) [124], die werden verkregen in menselijke cellen waarin EIF5A1-overexpressie werd gestimuleerd door een virale infectie, maar ook de overexpressie van een EIF5A1-mutant die niet kan worden afgebroken veroorzaakte apoptotische celdood via de intrinsieke mitochondriale route. De toename van EIF5A1-niveaus veroorzaakte een verlies van mitochondriaal membraanpotentieel en resulteerde in de translocatie van het apoptotische marker B-cellymfoom 2-geassocieerde X(Bax)-eiwit naar de mitochondriën, de afgifte van cytochroom c en caspase-activering. Een ander interessant aspect van deze studie was dat een proteomische analyse van HeLa-cellen met eIE5A-overexpressie de opregulatie van mitochondriale eiwitten [124] liet zien. Daarom veroorzaakte in deze onderzoeken de ontregeling van hyp-eIF5A- en niet-afgebroken elF5A-eiwitniveaus mitochondriale disfunctie en apoptose.

Klik hier om meer te weten

In het geval van gist, zoals hierboven vermeld, werd vroeg vastgesteld dat de elF5A-isovorm die wordt gecodeerd door het S.cerevisiae TIF51A-gen vereist is voor groei in aanwezigheid van zuurstof, terwijl de isovorm die wordt gecodeerd door het TIF51B-gen wordt geïnduceerd in hypoxische omstandigheden [1]. Inderdaad, een vermindering van Tif51A-eiwit zorgt ervoor dat de mitochondriale ademhalingssnelheid daalt [107]. In de splijtingsgist Schizosaccharomyces pombe veroorzaakt een puntmutatie in het DOHH-gen (gecodeerd door het MMD1-gen) temperatuurgevoelige groei en defecten in de mitochondriale morfologie en distributie. Bij een niet-permissieve temperatuur vertonen microtubuli, die mitochondriale positionering bemiddelen, afwijkende organisatie en mitochondriën geaggregeerd aan de twee celuiteinden [125]. Recente studies in verschillende ziektecontexten, zoals niertransplantatie, beroerte en malaria-infectie, hebben het positieve verband tussen de activiteiten van eF5A en mitochondriën benadrukt, wat wijst op de remming van hyp-eIF5A als een manier om cellen te beschermen in voorbijgaande situaties van lage zuurstofbeschikbaarheid die anders bijdragen aan mitochondriale schade en celdood. Melis et al. (2017) [126] onderzochten het mogelijke verband tussen elF5A-afbreking en cellulaire weerstand tegen hypoxie/anoxie. Ze toonden aan dat behandeling met GC7-of RNA-interferentie-gemedieerde remming van DHPS of DOHH anoxie-geïnduceerde celdood in niercellen van muizen voorkwam. Belangrijk is dat GC7-behandeling een omkeerbare metabole verschuiving naar glycolyse induceerde die gepaard ging met mitochondriale hermodellering en de neerwaartse regulatie van de expressie en activiteit van de ETC-respiratoire ketencomplexen, samen met een verlaagd mitochondriaal zuurstofverbruik en verminderde door anoxie geïnduceerde generatie van ROS. Samen laten deze gegevens zien dat verminderde hyp-elF5A-activiteit leidt tot mitochondriale silencing. Dit werd bevestigd in door ischemie geïnduceerde nierbeschadiging bij ratten en transplantatiemodellen van varkensnieren, die de gunstige effecten van mitochondriale silencing door hyp-eIF5A-remming aantoonden om door anoxie geïnduceerde celdood te voorkomen [126]. Meer recentelijk gebruikte dezelfde groep een varkenstransplantatiemodel om aan te tonen dat eF5A-remming door GC7-behandeling nieren preconditioneerde voor transplantatie van donoren met hersendood, wat gepaard ging met verminderde zuurstofopname ]127I. Specifiek lijkt GC7-behandeling de antioxidantafweer te behouden door de expressie van mitochondria-beschermende eiwitten (superoxide-dismutase, heem-oxygenase en andere) en mitochondriale integriteit/homeostase te verhogen door de aan dynamin gerelateerde eiwit I-expressie te verlagen en de mitofusine-2-expressie te verhogen . Deze beschermende effecten resulteerden in een beter transplantatieresultaat [127].cistanche dosering redditHet behoud van de mitochondriale functie door de activiteit ervan tijdens hypoxische omstandigheden te verminderen via hyp-elF5A-remming werd opnieuw aangetoond door dezelfde groep die werkte met een cerebraal ischemiemodel bij muizen. Het verlies van mitochondriaal membraanpotentieel is een kenmerk van neuronale celdood die verband houdt met mitochondriale disfunctie die optreedt bij overmatige ROS-productie, Ca²-afgifte uit de mitochondriën en een afname van interne ATP. GC7-behandeling verminderde deze drie effecten in neuronen die werden behandeld met depolarisatiemiddelen, waardoor het mitochondriale membraanpotentieel behouden bleef. In vivo verminderde GC7 het infarctvolume en cognitieve gebreken na een beroerte bij muizen [128]. In een andere context hebben onderzoeken bij zuigelingen met een malaria-infectie het parallelle optreden van cellulaire hypoxie aangetoond die resulteert in apoptose van cardiale ventriculaire myocyten. Een in vitro model van malaria-infectie in menselijke cardiomyocyten heeft vastgesteld dat verlaging van hyp-elF5A-spiegels door GC7-behandeling leidt tot een afname van de afgifte van cytochroom c en lactaat uit beschadigde mitochondriën en pro-inflammatoire en pro-apoptotische myocardiale caspase vermindert{{11 }} werkzaamheid. Deze resultaten tonen aan dat de toediening van GC7 in een malaria-simulerend in vitro model hartschade veroorzaakt door hypoxie voorkomt [129].

Cistanche kan anti-aging

Alle eerdere onderzoeken naar verschillende modellen en organismen tonen duidelijk de positieve rol van met hvpusinated eF5A aan bij het bevorderen van mitochondriale ademhaling en functie, maar geven ook aan dat een overmaat aan elF5A, al dan niet afgebroken, het mitochondriaal functioneren dereguleert. De mechanismen die ten grondslag liggen aan deze elF5A-mitochondria-relatie beginnen pas te worden opgehelderd en worden in de volgende paragrafen besproken.

5. Polyaminen reguleren de mitochondriale functie: eIF5A-afhankelijke en onafhankelijke effecten

De cellulaire polyamineniveaus van zoogdieren worden streng gecontroleerd en het is al lang bekend dat polyaminen (spermidine, spermine en hun voorloper putrescine) regulerende functies vervullen in de mitochondriën [130-132]. De uitputting van polyaminen veroorzaakt oxidatieve stress en induceert de mitochondriale permeabiliteitsovergang die uiteindelijk cellen naar apoptose of necrose leidt [133]. Daarentegen herstelt de toevoeging van spermine aan gedepolariseerde mitochondriën het transmembraanpotentieel [134]. Polyamine-effecten op mitochondriën kunnen worden uitgevoerd via elF5A, aangezien een van de hoofdrollen van spermidine is als een substraat voor elF5A-afbreking [12,130]. Het lijkt er echter op dat andere elF5A-onafhankelijke polyaminerollen zich direct op de mitochondriale functie kunnen richten. Er is bijvoorbeeld gevonden dat spermidine de ribosomale translatie-initiatie van gist COX4 bevordert, een van de subeenheden van cytochroom-c-oxidase (complex IV) waarin een defect de mitochondriale ademhaling in gevaar brengt [135].voordelen van cistanche-extractDe initiatie van COX4-mRNA-translatie wordt opgereguleerd door spermidine via ribosoom-shunting, een onconventionele translatie-initiatiemodus die ook wordt gebruikt door virussen en enkele eukaryote mRNA's die worden gemedieerd door een verlengde haarspeldstructuur in het 5'-onvertaalde gebied [136].cistanche genghis khanHoewel elF5A niet is onderzocht in relatie tot COX4-translatie, is gedocumenteerd dat het andere onconventionele manieren van translatie-initiatie bevordert tijdens virusinfectie [137] en voor specifieke cytoplasmatische mRNA's [138,139]. functie maakt het mogelijk om onderscheid te maken tussen elF5A-gemedieerde en onafhankelijke effecten.

6. eukaryote vertaling Initiatie Factor 5A's subcellulaire lokalisatie en de associatie met mitochondriën

Eukaryote translatie-initiatiefactor 5A is een zeer overvloedig eiwit dat zich meestal in het cytoplasma bevindt. Er zijn echter andere niet-cytoplasmatische lokalisaties beschreven, waaronder de mitochondriën, hoewel de kwantitatieve en functionele relevantie van deze alternatieve subcellulaire lokalisatie nog steeds onduidelijk is. Zoals eerder besproken, lijkt een van de subcellulaire lokalisatie van eF5A in het ER-membraan co-translationele translocatie van eiwitten naar het ER te mediëren [23,25.26]. Eukaryote translatie-initiatiefactor 5A is ook gedetecteerd in de kern, die het door de nucleaire poriecomplexen kan binnendringen vanwege zijn kleine omvang [140]. Nucleaire exportinen voor elF5A zijn gevonden in zoogdieren (Xpo4) en in gist (Pdr6) [30,140]. De nucleaire lokalisatie van elF5A lijkt te worden gereguleerd door zijn omkeerbare acetylering, een modificatie die woordafbreking lijkt uit te sluiten (besproken in [141]). De huidige consensus is dus dat het ongemodificeerde eF5A door de cel wordt verdeeld, terwijl geacetyleerd elF5A zich ophoopt in de kern en hyp-elF5A in het cytoplasma. Het kern-cytoplasma pendelen van elF5A is voorgesteld om de nucleaire export van specifieke mRNA's en eiwitten te vergemakkelijken, hoewel deze functie niet duidelijk wordt begrepen [141].

Er is ook voorgesteld dat de nucleaire export van elF5A wordt gemedieerd door Xolo/Crm1, hoewel latere resultaten pleiten tegen Xolo als een directe export van elF5A [24,57,142]. Interessant is dat de remming van Xpo1 de accumulatie van elF5A-eiwit in de mitochondriën in een menselijke eierstokkankercellijn bevordert, waar het apoptose induceert [143]. Er werd ontdekt dat elF5A een interactie aangaat met het insuline-achtige groeifactor 2 mRNA-bindend eiwit (IGF2BP1) in het cytoplasma, waardoor elF5A-accumulatie in de mitochondriën wordt voorkomen. Paul is de nucleaire exportine van IGF2BP1; dus de remming van de Xpo1-gemedieerde nucleaire export van IGFBP1 resulteert in de lokalisatie van elF5A in de mitochondriën. IGF2BP1 werkt daarom als een regulator van elF5A's lokalisatie en pro-apoptotische functie in de mitochondriën [143]. Andere rapporten hebben ook voorgesteld dat elF5A wordt geassocieerd met de mitochondriën. In een proteomisch onderzoek om differentieel tot expressie gebrachte mitochondriale eiwitten te bepalen in een metastatische vergeleken met een niet-gemetastaseerde nasofaryngeale carcinoomcellijn, was elfF5A een van de meest geïnduceerde eiwitten uit gezuiverde mitochondriën, samen met eiwitten die betrokken zijn bij mitochondriaal redoxmetabolisme, respiratoir elektronentransport en mitochondriaal membraanpotentiaal [144].

Tijdens de translatie van sommige mRNA-transcriptvarianten van het menselijke EIF5A1-gen, geeft het gebruik van een alternatief startcodon aanleiding tot een elF5A-isovorm met een verlengde 30 aminozuren aan de N-terminale peptidesequentie [145]. Deze langere elF5A-isovorm is veel minder efficiënt vertaald dan de canonieke elF5A, maar is ook vatbaar voor wijziging door woordafbreking. De verlengde N-terminale sequentie bevat een vermeend mitochondriaal lokalisatiesignaal en inderdaad, toen de langere elF5A-isovorm tot overexpressie werd gebracht in menselijke HeLa-cellen, werd het samen gezuiverd met de mitochondriën [145]. Meer recentelijk onderzocht dezelfde groep de rol van de langere elF5A-isovorm op de mitochondriale functie [146]. Ze gebruikten een specifiek siRNA om alleen de langere elF5A-isovorm uit te putten zonder de canonieke isovorm te beïnvloeden en observeerden de neerwaartse regulatie van de mRNA-niveaus van verschillende genen die betrokken zijn bij de biogenese van mitochondriën, evenals een verlaging van de niveaus van verschillende OXPHOS-eiwitten in HeLa-cellen. In tegenstelling tot de resultaten van de uitputting van de canonieke elF5A, leidde de uitputting van de N-terminale verlengde elF5A-isovorm tot een toename van het zuurstofverbruik; het produceerde echter ook meer ROS en mitochondriale fragmentatie en verhoogde de expressie van het BAK pro-apoptotische eiwit, wat suggereert dat de langere elF5A-isovorm nodig is voor mitochondriale dynamiek en dat de uitputting ervan resulteert in mitochondriale disfunctie en apoptose [146]. Behalve de toename van het zuurstofverbruik, recapituleren andere effecten van het uitputten van de langere elF5A-isovorm die welke werden gevonden bij het uitputten of remmen van de canonieke zoogdier-elF5A-isovorm, waardoor de mogelijkheid wordt vergroot dat de gebruikte strategieën, zoals afbreekremming of RNA-interferentie, tegen de canonieke EIF5A1-sequentie zou ook kunnen werken op de longelF5A isovorm.cistanche levensverlengingDe waargenomen resultaten kunnen dus een gevolg zijn van een gebrek aan de minder tot expressie gebrachte isovorm. Deze mogelijkheid kan momenteel niet worden uitgesloten en er is meer werk nodig om dit punt te verduidelijken. Uit de hierboven geciteerde werken kan worden afgeleid dat de rol van elF5A in mitochondriën direct verband houdt met de associatie met dit organel, maar dit is nog steeds onzeker.

7. Eukaryote translatie-initiatiefactor 5A's moleculaire rollen in mitochondriale functie

De onderzoeken die in de vorige paragrafen zijn besproken, tonen aan dat elF5A noodzakelijk is voor een correcte mitochondriale functie; de resultaten zijn echter nog steeds raadselachtig. Hier bespreken we zeer recente werken die verschillende moleculaire mechanismen voorstellen waardoor elF5A de mitochondriale prestaties kan beïnvloeden.

De resultaten gepresenteerd door Puleston et al. (2019) [147] onthullen de rol van elF5A in mitochondriën. Ten eerste toonden de auteurs aan dat de remming van hyp-elF5A mitochondriale OXPHOS in zoogdiercellen beperkt en dat hyp-eF5A noodzakelijk is voor het verhogen van de ademhaling onder omstandigheden van beperkte glycolyse. Bovendien toonden de auteurs in een OXPHOS-afhankelijke muismacrofaagactiveringscontext aan dat de remming van hyp-eF5A de activiteit van de TCA-cyclus verminderde en de expressie van veel mitochondriale eiwitten op eiwitniveau verminderde zonder de mRNA-niveaus te beïnvloeden. Deze resultaten zijn in overeenstemming met eerdere resultaten gerapporteerd door Melis et al. (2017)[126]. De eIF5A-gevoelige mitochondriale eiwitten geïdentificeerd door Puleston et al. (2019) [147] omvatten ETC-complexcomponenten, enkele TCA-enzymen (bijv. succinyl-CoA-synthetase en succinaatdehydrogenase) en TCA-voedende enzymen (bijv. pyruvaatdehydrogenase). Andere TCA-eiwitten werden echter minder aangetast (bijv. citraatsynthase en isocitraatdehydrogenase) en glycolyse-enzymen werden niet aangetast, wat wijst op de specificiteit van het effect. De auteurs onderzochten de mogelijkheid dat de vertaling van specifieke mitochondriale targetingsignalen (MTS's) afhankelijk was van hyp-elF5A. Ze toonden aan dat de massa van sommige hyp-eIF5A-gevoelige eiwitten voldoende was om hyp-eF5A-afhankelijke translatie-efficiëntie te verlenen wanneer ze werden gefuseerd met reportereiwitten. Puleston et al. (2019) [147] concludeerden dat hyp-eIF5A de mitochondriale ademhaling reguleert, althans gedeeltelijk, door de translatie van de MTS's van sommige mitochondriale eiwitten te bevorderen, een essentiële stap wanneer de eisen van OXPHO's toenemen, zoals tijdens macrofaag activering. Hoewel MTS-sequenties stukken repetitieve aminozuren bevatten en rijk zijn aan geladen aminozuren die de vertaling kunnen vertragen, is het niet duidelijk, zoals de auteurs stellen, hoe hyp-elF5A de vertaalefficiëntie van sommige van deze MTS'en beïnvloedt, maar niet die van andere met vergelijkbare globale kenmerken.

Nieuwe onderzoeken naar de beschermende rol van elF5A-remming tijdens nierischemie hebben de metabole overgang van aerobe oxidatieve fosforylering naar anaerobe glycolyse na behandeling met GC7 gedetailleerd beschreven en hebben aangetoond dat deze behandeling de expressie van glucosetransporters reguleert [148]. In proximale niercellen onder remming van elF5A-afbreking nam het zuurstofverbruik af, maar het glucoseverbruik en de lactaatefflux namen toe, evenals de afhankelijkheid van glucose-import en glycolyse, wat een metabole verschuiving naar exclusieve anaërobe glycolyse aantoont. Tijdens in vitro en in vivo GC7-remming werd de glucose-efflux uit renale proximale cellen verminderd door de onderdrukking van de gefaciliteerde glucosetransporter GLUT1, waardoor de beschikbaarheid van glucose in de proximale cellen toenam. Deze resultaten verklaren de overleving van niercellen onder hypoxie, waarbij aan de energetische eisen wordt voldaan door een verschuiving naar anaërobe glycolyse. De moleculaire redenen voor deze metabole verandering zijn echter onduidelijk, aangezien GLUT1 geen vermeende elF5A-afhankelijke peptidemotieven bevat. Het is ook niet bekend of de stijging van de intracellulaire glucosespiegels als gevolg van de remming van GLUT1 een oorzaak of gevolg is van deze GC7-gemedieerde metabole verandering [148].

Een andere recente studie heeft een moleculaire verbinding tot stand gebracht tussen eIF5A en het mitochondriale fusieproces [149]. De auteurs onderzochten de rol van de cardiovasculaire hermodellering transcriptiefactor Krüppel-achtige factor 5(Klf5) bij vasculaire senescentie en ontdekten dat Klf5 direct bindt aan de EIF5A-promoter en de transcriptie ervan activeert om de integriteit van de mitochondriën te behouden. De modulatie van elF5A door Klf5 moduleerde gelijktijdig het ATP-gehalte, de ROS-productie en de mitochondriale dynamiek. Belangrijk is dat elF5A fysiek interageerde met mitofusine 1 (Mnf1), een transmembraaneiwit van het buitenste mitochondriale membraan dat een belangrijke regulator is van mitochondriale fusie en integriteit. Eukaryote translatie-initiatiefactoren 5A en Mnf1 waren co-gelokaliseerd in de mitochondriën en vergemakkelijkten de vorming van netwerken van gefuseerde mitochondriën. Daarentegen resulteerde elF5A-downregulatie door Klf5-deficiëntie of tijdens vasculaire senescentie in mitochondriale splijting en leidde tot vaatziekten [149]. Hoewel de precieze mechanismen waarmee de mitochondriale integriteit wordt gehandhaafd door de interactie van elF5A met Mnf1 nog moeten worden opgehelderd, is het bekend dat uitgebalanceerde mitochondriale fusie en splijting niet alleen de mitochondriale vorm, grootte en aantal coördineert, maar ook het energiemetabolisme, de celcyclus , mitofagie en apoptose [150].

Zoals in eerdere paragrafen is vermeld, is het algemeen bekend dat de mitochondriale functie afneemt met de leeftijd [83]. In de afgelopen jaren zijn verschillende in vitro en in vivo modellen gebruikt om een ​​sterk verband aan te tonen tussen spermidinesuppletie en levensverlenging in modelorganismen, en vertraagde veroudering bij modelorganismen en mensen. Dit verband is onlangs onderzocht en de effecten van spermidine bij veroudering worden meestal gemedieerd door door spermidine geïnduceerde elF5A-afbreking, waardoor de mitochondriale functie behouden blijft.

Het is al lang gedocumenteerd dat een afname van polyaminen optreedt in celculturen van zoogdieren en menselijke organen tijdens veroudering [151.152]. In 2009, werk van Eisenberg et al. (2009) [153] toonde aan dat de exogene toevoeging van spermidine de levensduur in gist-, vlieg-, worm- en menselijke cellen verlengde. Spermidine verminderde ook leeftijdsgebonden oxidatieve stress bij muizen. Daarentegen verminderde polyamine-uitputting de levensduur van de gist en verhoogde de ROS-productie en necrose. De auteurs observeerden een correlatie tussen door spermidine geïnduceerde levensduur en de hypoacetylering van histon H3, wat leidde tot de opregulatie van de autofagiegenen ATG7, ATG11 en ATG15 en autofagie bevorderde in alle geteste modelorganismen, wat cruciaal bleek te zijn voor polyamine -verbeterde levensduur [153].

De gunstige effecten van spermidinesuppletie op veroudering werden ook gerapporteerd in verschillende organismen, in relatie tot verschillende leeftijdsgerelateerde aspecten die verband houden met de bevordering van autofagie [154,155], maar ook onafhankelijk [156. Van spermadine is bewezen dat het de cardiovasculaire veroudering verbetert, het geheugen verbetert en de mortaliteit door kanker vermindert, naast andere gunstige effecten [157].cistanche nzDe bemiddeling van spermidine-effecten door geïnduceerde afbreking van elF5A is onlangs aangetoond in onderzoeken naar B-celimmuniteit bij oudere volwassenen. Spermidine-bevorderde elF5A-afbreking herstelde de B-celimmuniteit bij oude muizen door de bevordering van autofagie [43]. Hyp-elF5A handhaafde autofagie door de translatie van de autofagie-transcriptiefactor TFEB, die polyproline-motieven in zijn aminozuursequentie bevat. Tijdens het ouder worden is er een afname van de TFEB-spiegels, samen met die van hyp-eF5A en spermidine, wat leidt tot storingen in het immuunsysteem [43]. Intrigerend genoeg toonde een proteomische analyse die in dit onderzoek werd uitgevoerd met primaire B-cellen behandeld met GC7 een verminderde expressie van TFEB, maar niet van het eerder getoonde autofagie elF5A-doelwit ATG3 van zoogdieren en Caenorhabditis elegans [42], wat de invloed van de cellulaire context suggereert. Zowel ATG3 als TFEB bevatten polyproline-motieven die vatbaar zijn voor elF5A-afhankelijkheid en zorgen voor een mechanistische verbinding tussen hyp-elF5A en autofagie, hoewel de aanwezigheid van polyproline-motieven alleen in de eiwitsequentie niet in alle gevallen voldoende lijkt om verlaagde eiwitniveaus te veroorzaken door remming van hyp- eIF5A [43.158].

De mechanistische verbanden tussen de positieve effecten van spermidine op het verminderen van leeftijdsgerelateerde symptomen en de rol van hyp-elF5A bij het in stand houden van functionele mitochondriën zijn onderzocht in zeer recente studies. Schroeder et al. (2021) [159] bestudeerden oude muizen en ontdekten dat spermidine in de voeding de bloed-hersenbarrière passeert, waardoor de hippocampale elF5A-afbreking toeneemt. Oudere muizen die met spermidine werden gevoed, vertoonden verbeteringen bij verschillende cognitieve tests. De auteurs toonden ook een hogere mitochondriale ademhaling in de muizenhersenen en in vliegen, hoewel de resultaten bij muizen geslachts- en leeftijdsafhankelijk waren. Er is eerder voorgesteld dat autofagie cruciaal is voor mitochondriale kwaliteitscontrole tijdens veroudering en neurodegeneratie [160]. Dienovereenkomstig elimineerde in Drosophila de neerwaartse regulatie van het essentiële autofagie-gen Atg7, het met mitofagie geassocieerde PTEN-geïnduceerde vermeende kinase (Pink1) en de homoloog van menselijk E3-ubiquitine-ligase Parkin (Park) de door spermidine gemedieerde verbetering van de ademhaling [159] . Deze resultaten komen overeen met de resultaten van [161] in C.elegans, waar de remming van neurodegeneratie en veroudering door spermidine afhankelijk was van PINK1 en de worm Parkin-ortholoog PDR1, die mitofagie mediëren.

De gunstige effecten van spermidine op de gezondheid van mitochondriale en hersencognitie kunnen worden gemedieerd door de effector eIF5A [159,162]. Veroudering Drosophila onder spermidinesuppletie bevatte hogere niveaus van eiwitten die betrokken zijn bij OXPHOS, maar niet hogere niveaus van het overeenkomstige mRNA, en dit correleerde met hogere maximale ademhaling en mitochondriale overvloed in de hersenen. In verouderde Drosophila-hersenen daalden de niveaus van spermidine en hyp-elF5A, en beide konden worden gestimuleerd door polyaminesuppletie tot halverwege de leeftijd, hoewel niet in zeer oude Drosophila-hersenen. Verschillende genetische benaderingen voor gedeeltelijke reductie van elF5A-afbreking in de vliegenhersenen leidden tot verminderde mitochondriale ademhaling, en kwantitatieve proteomische analyse duidde op neerwaartse regulatie van mitochondria-eiwitten, met name OXPHOS-eiwitten. Interessant genoeg werden de meeste positieve effecten op de mitochondriale functie veroorzaakt door suppletie met spermidine teniet gedaan door hyp-eF5A in vliegenhersenen te verminderen. Liang et al. (2021) 162] onderzochten ook of elF5A-afbreking de reden was voor de eerder genoemde verlengde levensduur die werd verkregen bij vliegen, muizen en andere organismen met de toevoeging van spermidine [153,163,164]. Ze merkten op dat levensverlenging werd ingetrokken bij afbreek-deficiënte vliegen [162]. Ten slotte verbeterde spermidine de achteruitgang van de locomotief- en geheugenfuncties van oude vliegen, terwijl de verzwakking van elF5A-afbreking deze leeftijdsschadelijke effecten versterkte en, belangrijker nog, de positieve effecten van spermidine op de voortbeweging en het geheugen gingen grotendeels verloren bij elF5A-hypusine-verzwakte dieren . Deze laatste resultaten komen overeen met een andere recente studie waarin een vermindering van deoxyhypusinesynthase-activiteit werd geassocieerd met een neurologische ontwikkelingsstoornis bij mensen [165]. Hoewel de resultaten gerapporteerd door Liang et al. (2021) [162] de moleculaire verbinding tussen de gunstige effecten van spermidine op de prestaties van de mitochondriën en hersenfuncties met elF5A-afbreking versterkten, wezen Schroeder et al. (2021) [159] op een rol van hyp-elF5A bij het handhaven van mitochondriale kwaliteitscontrole door autofagie / mitofagie, ontbreken de mechanistische moleculaire details nog steeds en het is niet helemaal duidelijk hoe autofagie / mitofagie direct de mitochondriale prestaties ten goede komt.

8. Perspectieven op de identificatie van mitochondriale processen en doelen onder controle van eIF5A

De belangrijkste moleculaire rol die aan elF5A wordt toegeschreven, is het faciliteren van de translatie van specifieke subsets van eiwitten die elF5A-afhankelijke motieven bevatten [10,11]. Er zijn echter andere, minder gekarakteriseerde moleculaire rollen voorgesteld met betrekking tot het vermogen van elF5A om RNA's te binden en hun metabolisme te reguleren. Uit de bovenstaande resultaten is het duidelijk dat de juiste niveaus van hyp-elF5A nodig zijn om de OXPHOS- en mitochondriale functie te behouden. De hierboven beschreven onderzoeken hebben voorgesteld dat elF5A mogelijk betrokken is bij de vertaling van specifieke mitochondriale eiwitten die elF5A-afhankelijke MTS bevatten, bij het reguleren van de flux van metabolieten naar mitochondriën om het aerobe metabolisme te handhaven door de regulatie van glucosetransporters, bij het ondersteunen van mitochondriale dynamiek door de interactie met eiwitten die betrokken zijn bij mitochondriale fusie (Mnf1), bij het bevorderen van autofagie door de synthese van ATG3 en TFEB te vergemakkelijken, of specifiek bij mitofagie via een mechanisme dat afhankelijk is van PINK1- en Park-eiwitten. Om deze rollen te onderscheiden en te bewijzen, zal het nodig zijn om het specifieke moleculaire proces en/of de specifieke eiwitdoelen en omstandigheden onder de directe controle van elF5A te identificeren.

In een poging om mitochondriale eiwitkandidaten te identificeren voor directe elF5A-afhankelijke translatie, hebben we gezocht naar peptidemotieven die elF5A-afhankelijke ribosoomstalling veroorzaken [11 in het mitochondriale proteoom van S. cerevisiae. We ontdekten dat de overvloed aan elF5A-motief in de 1117 nucleair gecodeerde mitochondriale eiwitten slechts iets hoger is dan die in totale gisteiwitten, maar deze motieven zijn nauwelijks vertegenwoordigd in de 10 mitochondriaal DNA-gecodeerde eiwitten (Figuur 2). Eiwitten die betrokken zijn bij de TCA-cyclus vertonen gemiddeld 3,3 motieven/eiwit, hoger dan het gemiddelde in het totale gistproteoom (2,8 motieven/eiwit) en veel hoger dan dat in OXPHOS-eiwitten (1,8 motieven/eiwit). De meest vertegenwoordigde eIF5A-afhankelijke motieven waren echter hetzelfde (GGA, GGG en KPG) in TCA- en OXPHOS-eiwitten, met slechts twee PPP-motieven: één in het succinyl-CoA-ligase (Lsc1)TCA-enzym en een andere in de subeenheid van succinaatdehydrogenase (Sdh4), dat deelneemt aan de TCA-cyclus en OXPHOS.

Figuur 2. Verdeling van elF5A-afhankelijke motieven in mitochondriale eiwitten van Saccharomyces cerevisiae. Verdeling van de 43 hoogst scorende elF5A-afhankelijke ribosoom-pauzerende tri-peptide-motieven [1l] in de eiwitten van het hele gistgenoom (a), nucleair gecodeerde mitochondriale eiwitten (b), mitochondriaal gecodeerde eiwitten (c), de tricarbonzuur (TCA) cyclus (d), oxidatieve fosforylering (OXPHOS) (e), en in de mitochondriale organisatie Gene Ontology functionele categorie (f). De tabel toont de eiwitten die betrokken zijn bij een mitochondriale organisatie met ten minste één PPP-motief. De eiwitpauze-index (PPI) wordt berekend als de som van de kwantitatieve waarde van de ribosoompauze die wordt veroorzaakt door uitputting van elF5A in elk van de 43 hoogste elF5A-afhankelijke tri-peptidemotieven [11] gevonden in de aminozuursequentie van elk eiwit en is hoger in eiwitten die vermoedelijk meer afhankelijk zijn van elF5A voor hun translatie. Een zoektocht naar mitochondriale eiwitten van gist met langere polyproline-motieven toonde aan dat Ytal2, Srv2 en Tim50 stukken van respectievelijk maximaal negen, zes en zeven opeenvolgende prolines bevatten (Figuur 2). Yta12 (homoloog aan humaan AFG3L2) maakt deel uit van het geconserveerde mitochondriale m-AAA-protease, dat is samengesteld uit de Afg3- en Yta12-eiwitten en zich bevindt op het binnenste mitochondriale membraan (Figuur 3). Ytal2/Afg3 reguleert mitochondriale proteostase door eiwitrijping te mediëren en afbraak en is vereist voor de juiste assemblage van mitochondriale enzymcomplexen [166]. Interessant is dat het Ytal2 / Afg3-complex ook betrokken is bij de splitsing van de mitochondriale mRNA's die introns COXT en COB bevatten, die coderen voor subeenheid 1 van respectievelijk cytochroomoxidase en cytochroom b, die deel uitmaken van de ETC. Een tekort aan Yta12/Yta10 veroorzaakt dus een lage ademhaling als gevolg van, onder andere, een gebrekkige ETC-assemblage [167]. Srv2 (homoloog aan humaan CAP1 en CAP2) bemiddelt actine-assemblage bij mitochondriën, en deletie van Srv2 veroorzaakt langwerpige hypergefuseerde mitochondriën en vermindert de ademhaling. Interessant is dat Srv2 interageert met mitochondriale splijting GTPase Dnm1/DRP1 [168]. Ten slotte is Tim50 (een homoloog van menselijke TIMM50) een essentiële subeenheid van het TIM23-complex van het mitochondriale binnenmembraan, dat de import van de meeste mitochondriale eiwitten bemiddelt door herkenning van hun MTS's (Figuur 3) [169]. Hoewel deze drie eiwitten verleidelijke kandidaten zijn voor het mediëren van de effecten van elF5A op de mitochondriale functie, is de aanwezigheid van polyproline-strekkingen niet voldoende om afhankelijkheid van elF5A te creëren [43,158]. Toekomstige studies zullen de precieze mechanistische verbindingen tussen elF5A en de reeds beschreven hyp-eIF5A-gevoelige mitochondriale eiwitten bepalen en nieuwe mitochondriale doeleiwitten en processen identificeren die onder controle staan ​​van elF5A (Figuur 3).

Figuur 3. Cellulaire functies van elF5A en model voor zijn rol bij het handhaven van mitochondriale activiteit. Van elF5A is bekend dat het betrokken is bij verschillende cellulaire processen, hoewel de meest relevante en mitochondriaal gerelateerde hiervan in de figuur zijn weergegeven. Gebonden aan ribosomen, vergemakkelijkt hyp-elF5A de verlenging van de translatie bij specifieke motieven [10,11], evenals ER-gekoppelde translatie [23,25,26]. In de kern helpt eIF5A om bepaalde mRNA's en eiwitten te exporteren [141].elF5A speelt een controversiële rol bij apoptose, omdat is gedefinieerd als noodzakelijk om de mitochondriaal-gemedieerde apoptose [124,146] te induceren, maar ook om te leiden tot celdood wanneer geremd [133]. Hyp-elF5A bevordert autofagie door de vertaling van de autofagiefactoren ATG3 (autofagie-gerelateerd 3) en TFEB (transcriptiefactor EB) [42A43]. Toenemend bewijs toont een direct verband tussen hyp-elF5A en mitochondriale functie. Naast de associatie met mitochondriën [143-146], is beschreven dat sommige eiwitten van beide TCA's direct of indirect worden beïnvloed door hyp-elF5A-remming [126,147]. Er is ook voorgesteld dat hyp-eF5A mitofagie zou kunnen mediëren via ATG7 (Autophagy Related 7), Pink1 (het met mitofagie geassocieerde PTEN-geïnduceerde vermeende kinase) en Park (de E3 ubiquitine ligase Parkin) eiwitten [170]. Andere eiwitten die betrokken zijn bij het mitochondriale transport van nucleair gecodeerde eiwitten en mitochondriale organisatie worden beschouwd als vermeende elF5A-doelen (Figuur 2). Hiervan bevatten de mitochondriale integrale eiwitten Yta12 (protease van het Yta12/Afg3-complex en gisthomoloog van humaan AFG3L2) en Tim50 (essentiële subeenheid van het TIM23-complex en gisthomoloog van humaan TIMM50) lange polyproline-strekkingen in hun aminozuur. zuursequenties, wat een mogelijke afhankelijkheid van elF5A suggereert voor hun translatie en dus een mogelijk verband tussen hyp-elF5A en mitochondriale functie. Figuurverwerking werd uitgevoerd met behulp van BioRender-software.

Auteursbijdragen:Conceptualisatie, MB-A.en PA; schrijven-originele conceptvoorbereiding, MB-A.en PA; schrijven-recensie en redactie, MB-A.en PA; financieringsverwerving hebben PAAlle auteurs de gepubliceerde versie van het manuscript gelezen en ermee ingestemd.

Financiering:Dit onderzoek werd gefinancierd door Generalitat Valenciana (AICO/2020/086) en het Spaanse Ministerie van Wetenschap en Innovatie (PID2020-120066RB-I00) aan PAMB-A. is een ontvanger van een predoctorale beurs (FPU2017/03542) van het Spaanse Ministerie van Wetenschap, Innovatie en Universiteiten.

Dankbetuigingen:De auteurs erkennen de steun van alle leden van het GFL-lab.

Belangenverstrengeling:De auteurs verklaren geen belangenverstrengeling. De financiers hadden geen rol in de opzet van het onderzoek; bij het schrijven van het manuscript, of bij het besluit om de resultaten te publiceren.

Dit artikel is afkomstig uit Int. J. Mol. Wetenschap. 2022, 23, 1284. https://doi.org/10.3390/ijms23031284 https://www.mdpi.com/journal/ijms