De rollen van de NEDD4-subfamilie van HECT E3-ubiquitineligasen bij neuroontwikkeling en neurodegeneratie Deel 1

Abstract:

De ubiquitineroute reguleert de functie van veel eiwitten en regelt de cellulaire eiwithomeostase. De afgelopen jaren heeft het onderzoek grote belangstelling gewekt voor neurologische ontwikkelings- en neurodegeneratieve ziekten.

Met de voortdurende ontwikkeling van de biotechnologie zijn mensen steeds meer geïnteresseerd in de relatie tussen cellulaire eiwitten en geheugen. Onderzoek toont aan dat eiwit het meest basale biomolecuul in cellen is en een belangrijke rol speelt in verschillende weefsels en organen van het menselijk lichaam, en dat de impact ervan op het geheugen niet kan worden genegeerd.

Eiwitten bestaan ​​in verschillende vormen in het menselijk lichaam, waarvan neuronale eiwitten de belangrijkste zijn. Neuronale eiwitten zijn een klasse eiwitten die in grote hoeveelheden in neuronen voorkomen en een belangrijk onderdeel zijn van neuronale activiteit. Onderzoek toont aan dat er een sterk verband bestaat tussen neuronale eiwitten en geheugen. De synthese en afbraak van neuronale eiwitten vormen de basis voor het geheugen. Alleen wanneer de eiwitsynthesesnelheid in de cel hoger is dan de afbraaksnelheid in dit proces, kunnen goede herinneringen worden gevormd en behouden. Daarom is het handhaven van de stabiliteit van neuronale eiwitten cruciaal voor het geheugen van mensen.

Naast neuronale eiwitten kunnen ook andere eiwitten in het lichaam het geheugen beïnvloeden. ATP-afhankelijke proteïnekinase (AMPK) in de cellulaire energiemetabolismeroute is bijvoorbeeld een belangrijke regulator van het intracellulaire energiemetabolisme. Studies hebben aangetoond dat het bevorderen van de activiteit van AMPK de snelheid van de eiwitsynthese in hersenweefsel kan verhogen, waardoor het geheugen wordt verbeterd.

Tegelijkertijd kan het consumeren van bepaalde voedingsmiddelen die rijk zijn aan hoogwaardige eiwitten in het menselijk lichaam ook de snelheid van de eiwitsynthese in de cellen bevorderen, waardoor het geheugen wordt verbeterd. Eiwitrijke vis, vlees, eieren en andere voedingsmiddelen kunnen bijvoorbeeld hoogwaardige eiwitten aan het menselijk lichaam leveren.

Samenvattend bestaat er een nauw verband tussen cellulaire eiwitten en het geheugen. Het handhaven van de stabiliteit van neuronale eiwitten en het bevorderen van de eiwitsynthesesnelheid in cellen is erg belangrijk voor het verbeteren van het geheugen van mensen. We moeten aandacht besteden aan ons dieet, voedsel eten dat rijk is aan hoogwaardige eiwitten en de lichaamsbeweging versterken om de snelheid van het celmetabolisme te verhogen, wat ons geheugenniveau zal helpen verbeteren. Het is duidelijk dat we het geheugen moeten verbeteren, en Cistanche deserticola kan het geheugen aanzienlijk verbeteren, omdat Cistanche deserticola een traditioneel Chinees medicinaal materiaal is dat veel unieke effecten heeft, waaronder het verbeteren van het geheugen. De werkzaamheid van Cistanche deserticola komt voort uit de vele actieve ingrediënten die het bevat, waaronder looizuur, polysachariden, flavonoïde glycosiden, enz. Deze ingrediënten kunnen de gezondheid van de hersenen via verschillende routes bevorderen.

Klik op Weet hoe u uw kortetermijngeheugen kunt verbeteren

Hier hebben we het eerste overzicht gepresenteerd van de rollen van de 9 eiwitten van de HECT E3-ligase NEDD4-subfamilie in de ontwikkeling en functie van neuronen in het centrale zenuwstelsel (CZS).

We bespraken hun regulatie en hun directe of indirecte betrokkenheid bij neurologische ontwikkelingsziekten, zoals een verstandelijke beperking, en neurodegeneratieve ziekten, zoals de ziekte van Alzheimer, de ziekte van Parkinson of amyotrofische laterale sclerose.

Verder onderzoek naar de rol van deze eiwitten, hun regulatie en hun doelwitten in neuronen zal zeker bijdragen aan een beter begrip van de neuronale functie en disfunctie, en zal ook interessante informatie opleveren voor de ontwikkeling van therapieën die zich daarop richten.

Trefwoorden: ubiquitine; ligasen; ontwikkeling; neurodegeneratief; verstandelijk gehandicapt; ALS.

1. Inleiding

De ontwikkeling en functie van het centrale zenuwstelsel (CZS) zijn complexe processen die dynamische mechanismen vereisen, waaronder stadia van proliferatie, migratie, differentiatie, rijping en synaptische plasticiteit.

Deze processen worden nauwkeurig gereguleerd dankzij de betrokkenheid van talrijke eiwitten met gevarieerde cellulaire lokalisaties en rollen. [1] Controle van de concentraties van deze eiwitten, genaamd cellulaire eiwithomeostase (proteostase), wordt bereikt op het niveau van hun synthese en hun afbraak.

Controle van de functie van deze eiwitten is ook cruciaal voor de juiste ontwikkeling en werking van het centrale zenuwstelsel. Een belangrijk deel van deze controle wordt gerealiseerd door dynamische post-translationele modificaties. De ubiquitine (Ub)/Ub-achtige systemen bestaan ​​uit één ervan [2].

Genencoderende leden van deze twee systemen zijn direct betrokken bij neurologische ontwikkelingsstoornissen, waaronder syndromale en niet-syndromale verstandelijke beperkingen (RNF12, CUL4B) en neurodegeneratieve ziekten, zoals de ziekte van Parkinson (PARK2) of Amyotrofische Laterale Sclerose (CCNF) [3–5].

De Ub/Ub-achtige systemen bestaan ​​uit intracellulaire routes die 3 klassen enzymen omvatten, E1, E2 en E3 (RING- of HECT-families), gecodeerd door meer dan 700 genen in het menselijk genoom. Deze routes werken door het toevoegen van een of meer kleine ubiquitines (76 aa) of ubiquitine-achtige eiwitten (bijv. SUMO, Small Ubiquitin MODifier) ​​aan doeleiwitten. Afhankelijk van de post-translationele modificatie zal het getagde eiwit naar het proteasoom worden gestuurd voor afbraak of zal de functie ervan worden gereguleerd of aangepast [6].

De Ub/Ub-achtige systemen zijn de afgelopen jaren uitgebreid bestudeerd, maar er bestaan ​​nog steeds veel vragen met betrekking tot hun regulatie en functie, op welke eiwitten ze zich richten, en hun rol in de pathofysiologie van ziekten bij de mens.

De grootste HECT E3-subfamilie is de neuronale voorlopercel-tot expressie gebrachte, ontwikkelingsgereguleerde 4 (NEDD4)-subfamilie. Het doel van dit overzicht was om de fysiologische rol van het CZS van deze NEDD4-subfamilie en de implicatie ervan bij neurologische en neurodegeneratieve ziekten te bespreken.

2. Overzicht van het Ubiquitin-systeem

Ubiquitinatie is een sleutelmechanisme bij de afbraak van eiwitten, gemedieerd door het proteasoom. Het bestaat uit het toevoegen van ubiquitine (Ub) aan doeleiwitten. Ubiquitine is een eiwit met 76 aminozuren en 7 lysineresiduen die worden gebruikt om doeleiwit of ander Ub te koppelen (voor polyubiquitinatie) [7].

Ubiquitine-eiwit kan aan het doeleiwit worden gebonden als een ubiquitinemonomeer (monoubiquitinatie) of als een ubiquitinepolymeer (polyubiquitinatie). Een eiwit kan ook multi-ubiquitineerd zijn, wat bestaat uit verschillende mono-ubiquitinaties van het doeleiwit. Monoubiquitinatie en binding aan een keten van ubiquitines verbonden door lysines-63 zijn bijvoorbeeld functionele regulerende signalen voor het ubiquitinated eiwit.

Binding aan een keten van lysine-48-gekoppelde ubiquitines is een signaal voor de afbraak van het alomtegenwoordige eiwit door het proteasoom. Ubiquitinerende eiwitten kunnen ook worden gedeubiquitineerd door ongeveer honderd deubiquitinerende enzymen [8]. De diversiteit aan actoren van het ubiquitinesysteem en de modificaties die het op eiwitten produceert, betrekken dit systeem bij veel cellulaire processen, zoals eiwithomeostase, endocytose, intracellulair verkeer, cellulaire stress en autofagie [9-13].

Vijf procent van de genen in het menselijk genoom coderen voor eiwitten van het ubiquitinesysteem, wat indrukwekkend is. Ubiquitinatie van eiwitten wordt bereikt door een gecoördineerd systeem van drie klassen enzymen: ubiquitine-activerende enzymen (E1), conjugerende enzymen (E2) en ligasen (E3).

Het enkele E1-enzym activeert ubiquitine voor overdracht [14]. De E2-enzymen, waarvan er 38 zijn, brengen ubiquitine rechtstreeks over naar de doeleiwitten met behulp van een derde klasse enzymen, de E3-ligasen, die een Interessant Nieuw Gen-domein (RING) bevatten [15].

Deze familie van E3-ligasen bestaat uit meer dan 600 leden. De andere families van E3 zijn de E3 met U-Box-domein, de E3 met RING-between-RING (RBR) domein, en de E3 met een homoloog aan EA6P C-terminus (HECT) domein [8]. Sommige E2-enzymen brengen ubiquitine over naar HECT-E3-enzymen, die het vervolgens overbrengen naar de doeleiwitten (Figuur 1). E3ligasen met HECT-domeinnummer zijn 28 bij mensen. Hun grootte varieert van 80 tot 500 kDa.

Het gemeenschappelijke kenmerk van deze enzymen is de aanwezigheid van een geconserveerd C-terminaal, katalytisch HECT-domein van 350 aminozuurresiduen [16]. HECT E3-ligasen worden ingedeeld in drie subfamilies: NEDD4, HERC en andere HECT.

Figuur 1. Schematische weergave van het ubiquitinatieproces door E3-ligasen die het HECT-domein bevatten. Ubiquitine wordt geactiveerd door een enzym E1 en vervolgens overgebracht naar E2-enzymen en een HECT E3-enzym.

Het E3-enzym brengt ubiquitine over naar het doeleiwit, wat leidt tot monoubiquitinatie of polyubiquitinatie. De E3-ligase bevat 3 domeinen, een N-terminaal C2-domein, een WW-rijk domein en een C-terminaal domein georganiseerd in twee lobben (N-lob en C-lob).

3. De NEDD4 E3 Ligasen-subfamilie

3.1. Structuur en diversiteit

De NEDD4-subfamilie wordt overal in eukaryoten aangetroffen. Het omvat de negen E3-ligasenNEDD4-1, NEDD4-2,ITCH, WWP1, WWP2, SMURF1, SMURF2, NEDL1, en deelt een gemeenschappelijke structuur die wordt gekenmerkt door de aanwezigheid van drie domeinen die op verschillende manieren zijn geconserveerd tijdens de evolutie van zoogdieren: één N-terminaal C2-domein, twee tot vier tryptofaan. tryptofaan (WW) domeinen en een HECT-domein (Figuur 1).

Het C2-domein kan op een calciumafhankelijke manier aan fosfolipiden binden. Als gevolg hiervan con. Het trainen van het C2-domein kan intracellulaire targeting van het plasmamembraan, endosomen en multivesiculaire lichamen bemiddelen [17].

Het werd voor het eerst beschreven in het proteïnekinase C (PKC) en bestaat uit 8 bètastrengen die twee of drie calciumionen kunnen coördineren. De WW-domeinen, die gemiddeld 40 aminozuren met twee invariante tryptofaanresiduen bevatten, zijn betrokken bij eiwit/eiwit-interacties. Interactie vindt plaats met prolinerijke motieven (PY of PPxY) die aanwezig zijn op doeleiwitten. 

De bindingsspecificiteit van het WW-domein komt voort uit de t-strengige vouwing van de residuen die aanwezig zijn in de lussen die ze verbinden. Het C-terminale HECT-domein is het katalytische domein van E3 met de aanwezigheid van een katalytische cysteïne. Het heeft een grootte van ongeveer 350 aminozuren, georganiseerd in twee lobben, de N-lob en de C-lob.

De N-lob bindt aan het E2-enzym-ubiquitinecomplex, waardoor de overdracht van het ubiquitine-eiwit van de E2 naar de C-lob mogelijk is via een thioestertussenproduct met het katalytische cysteïne. Zodra ubiquitine naar de C-lob is overgebracht, kan het vervolgens naar het doeleiwit worden overgebracht (Figuur 1). Deze3 domeinen werden op verschillende manieren geconserveerd tijdens de evolutie van zoogdieren (Figuur 2).

3.2. Functies en regelgeving

De 9 leden van de NEDD4-subfamilie binden een belangrijk aantal doeleiwitten en zijn betrokken bij een breed scala aan cellulaire processen.

De eiwitten Neurale voorlopercel. tot expressie gebracht ontwikkelingsgereguleerd eiwit 4 nummer 1 (NEDD4-1) en nummer 2 (NEDD4-2) waren de eerste leden die in deze onderfamilie werden ontdekt en zijn momenteel de meest bestudeerde.

NEDD4-1 wordt alomtegenwoordig tot expressie gebracht en is betrokken bij veel menselijke cellulaire functies, waarbij meerdere doeleiwitten betrokken zijn. Tot deze doeleiwitten behoren PTEN, Akt, Beclin1 of FGFRl, die NEDD4-1 deelname aan celproliferatie, differentiatie, migratie en invasie impliceren, maar ook apoptose, autofagie en reactie op DNA-schade. Er wordt aangenomen dat het lid van de subfamilie-financier betrokken is bij verschillende ziekten, van kanker tot neurodegeneratieve ziekten [18].

NEDD4-2 is een E3-ligase voor veel ionkanalen, waaronder natrium-, chloride- en kaliumkanalen, zoals het epitheliale Na+-kanaal ENaC, dat betrokken is bij de natrium- en vloeistofabsorptie in de longen, de nieren en de dikke darm [{ {3}}].

Het reguleert de ENaC-functie door zich te binden aan zijn PY-motieven en het aantal kanalen op het celoppervlak te regelen 22,23. Het interageert ook met eiwitten die betrokken zijn bij de Wnt-signaleringsroute, TGF-signaleringsroute en autofagie [24-26].

De regulatie van NEDD4-2-activiteit kan worden gemedieerd door fosforylatie [27-29]. De fosforylatie ervan door RAC-alfa-serine/threoninekinase-eiwit 1 (AKT1) en serum en glucocorticoïde-gereguleerde kinase 1 (SGK1) leidt bijvoorbeeld tot de rekrutering van het adaptoreiwit 14.3.3, wat interfereert met ENaC [27]. De fosforylatie van NEDD4-2verstoort ook de ORAI-binding, wat de calciumsignalering beïnvloedt [30].

Interessant is dat het C2-domein van NEDD4-1 en NEDD4-2 fungeert als een auto-remmend domein van de E3-ligaseactiviteit. Calcium maakt, door zich te binden aan het C2-domein, deze auto-inhibitie vrij. Het Itchy E3 Ubiquitin Protein Ligase Homolog-eiwit (ITCH) controleert een groot spectrum aan biologische mechanismen als gevolg van meer dan 50 doeleiwitten, waaronder Jun-eiwitten en de twee leden van de p53-familie, p63 en p73 [31–33].

ITCH speelt een rol bij de regulatie van de TGF-signaleringsroute en werkt in op tumorigenese [34,35]. Het is betrokken bij andere belangrijke routes, zoals Hedgehog-, Hippo-, Wnt- en Notch-signaleringsroutes [36-39]. Het neemt deel aan endosomale en lysosomale functies en de reactie op DNA-schade [31,40,41].

Regulatie van ICTH-activiteit kan worden verkregen door binding aan eiwitten, zoals N4BP1, dat interageert met het WW2-domein van ITCH, waardoor interacties met zijn doeleiwit (p73a, JUN, p63) worden belemmerd.

Fosforylering van ITCH door JNK1 activeert het eiwit. Het WW-domein dat Eiwit 1 (WWP1) bevat, is een multifunctioneel eiwit met talloze doelwitten, zoals Smad2, Smad4, ErbB4/HER4, JunB en p53. Bijgevolg speelt WWP1 een rol bij onder meer transcriptie, eiwittransport, eiwitafbraak, apoptose en virale ontluiking. Het is betrokken bij kankers, zoals darm- en borstkanker, infectieziekten en neurologische ziekten [42].

Het bindt zich voornamelijk aan zijn doeleiwitten via zijn WW-domein. Het bindt zich echter onafhankelijk van zijn WW-domein aan p53. Deze interactie reguleert en stabiliseert p53 positief en activeert zo apoptose [43]. WWP2 is een andere E3-ligase van deze subfamilie die zich bindt aan doelen die betrokken zijn bij verschillende signaalroutes, zoals de PI3K/Akt. of de TGF-routes. Het bindt zich ook aan en reguleert ENaC [44] en ubiquitineert het RNA-polymerase II [45].

Vanwege zijn diverse functies is WWP2 betrokken bij kanker en de modulatie van het immuunsysteem [46]. De SMAD Ubiquitylation Regulatory Factor 1 en 2 (SMURF1 en SMURF2) werden voor het eerst ontdekt als E3-ligasen die in staat zijn tot negatieve regulatie van de TGF-/BMP-signaleringsroutes. [47,48]. Ze zijn echter ook betrokken bij andere mechanismen.

SMURF1 richt zich op de niet-canonieke Wnt-route en de MAPK-route [49]. Dienovereenkomstig is SMURF1 betrokken bij de regulatie van celgroei en morfogenese, celmigratie, polariteit en autofagie.

De katalytische activiteit ervan kan worden versterkt door binding aan caseïnekinase 2-interagerend eiwit 1 (CKIP1) via zijn WW-domein [50]. SMURF1 reguleert ook de activiteit van p53, onafhankelijk van zijn enzymatische activiteit, door te binden aan een andere E3-ligase, MDM2, waarvan de ubiquitinatie-activiteit zal toenemen.

MDM2 is een RING-E3-ligase die zich richt op de afbraak van p53 door het proteasoom [51]. SMURF2 is betrokken bij soortgelijke mechanismen. De dubbele rol ervan bij kanker wordt vaak besproken, omdat het zowel als tumoronderdrukker als -activator zou kunnen werken. Het is ook betrokken bij de genomische stabiliteit door in te werken op chromatine en apoptose [49].

For more information:1950477648nn@gmail.com