JUNQ и IPOD
JUNQ и IPOD представляют собой типы цитозольных белковых телец включения у эукариот .
Нейродегенеративные заболевания , такие как болезнь Паркинсона , Альцгеймера и Хантингтона , связаны и коррелируют с агрегацией белков и накоплением неправильно свернутых белков в тельцах включения . В течение многих лет агрегация белков считалась случайным процессом, при котором неправильно свернутые белки прилипают друг к другу, образуя включения. [1] (представьте себе пучок волос, беспорядочно скопившийся в углу комнаты). Более того, считалось, что белковые агрегаты являются токсичными агентами и причиной дисфункции и смерти нейронов. Однако недавние исследования с использованием передовых методов (например, флуоресцентной микроскопии ) показывают, что агрегация белков на самом деле может быть жестко регулируемым, организованным процессом, с помощью которого клетка защищает себя от токсичных белков путем секвестрации в тельцах включения. [2] В 2008 году лаборатория Фридмана показала, что эукариотические клетки сортируют неправильно свернутые белки на два отдельных тельца включения в хорошо управляемом клеточном процессе: [3]
- JUNQ (Отдел контроля качества ядерной продукции JUxta)
- IPOD (отложение нерастворимого белка)
JUNQ и IPOD эволюционно консервативны и обнаруживаются в определенных и определенных клеточных сайтах. Доставка неправильно свернутых, агрегированных белков в JUNQ и IPOD требует интактного цитоскелета и специфических компонентов клеточного контроля качества, таких как белки теплового шока (HSP) . [4] Разделение на два отдельных тельца включения происходит из-за различной обработки и обработки разных типов неправильно свернутых белков (например, убиквитинированных и неубиквитинированных белков). Сегрегация агрегатов токсичных белков в тельца включения JUNQ и IPOD является средством, с помощью которого клетки млекопитающих могут быть омоложены посредством асимметричного деления. [5]
Таким образом, открытие JUNQ и IPOD открыло новый поразительный взгляд на то, как клетки управляют неправильно свернутыми агрегированными белками, и дало убедительное доказательство того, что агрегация белков — это неслучайный, хорошо регулируемый и контролируемый клеточный процесс. Более того, открытие JUNQ и IPOD показало, что в дополнение к временному контролю качества (т.е. зависящему от времени введению поврежденных белков) клетки используют пространственный гомеостаз : [6] Если деградация невозможна, защита клеточной среды от неправильно свернутого белка осуществляется путем его секвестрации в агрегатное включение. [ нужна ссылка ]
Фон
[ редактировать ]Для правильного функционирования большинство белков должны сохранять низкоэнергетическую трехмерную структуру, известную как нативное состояние . Стабильность белка жестко регулируется на всех стадиях его жизни: от «колыбели», когда он синтезируется на рибосоме , посредством сворачивания или сборки , до «серьезного состояния», когда белок разлагается и выводится из клеточной среды. [7] Белковый гомеостаз (протеостаз), [8] возникает в результате скоординированного действия различных звеньев клеточной системы контроля качества: молекулярных шаперонов , протеаз и других регуляторных факторов. Следовательно, жизнеспособность клеток зависит от своевременного и эффективного управления неправильно свернутыми белками. Такое управление с помощью механизма контроля качества включает распознавание неправильно свернутого белка шаперонами и лигазами Е3 , убиквитинирование и деградацию . [ нужна ссылка ]
Коллапс протеостаза, вызванный повреждениями, стрессом, мутациями и старением , считается основой большого количества распространенных заболеваний человека, таких как нейродегенеративные заболевания . [9] Хотя эти заболевания вызываются различными видами мутированных белков (например, при болезни Хантингтона – белок Хантингтин ) и повреждают отдельные ткани (например, при болезни Хантингтона – полосатое тело ), они имеют общую черту: накопление неправильно свернутых белков в тельцах включения . Таким образом, считалось, что причиной таких заболеваний являются тельца включения. Однако природа и характеристики этих внутриклеточных включений оставались неясными. разные виды белков (например, прионы , ERAD субстраты Сообщалось, что ) образуют различные типы телец включения (например, агресомы , амилоиды ), однако остается неясным, объединяются ли эти наблюдения в одно и относятся ли к одному и тому же субклеточному участку. Более того, пути, ведущие к образованию включений и участию механизмов контроля качества клеточных белков, были неопределенными и неизвестными. систематическое исследование, обеспечивающее всестороннее понимание процессов агрегации белков и телец включения Таким образом, требовалось . Открытие JUNQ и IPOD [3] предложили новое понимание того, как клетка управляет различными видами неправильно свернутых белков, и предложили новую основу для решения великой загадки агрегации белков . [2]
Открытие
[ редактировать ]Судьбу неправильно свернутых белков и процесс, приводящий к образованию агрегатных включений, первоначально изучали с помощью биохимических методов (например, вестерн-блоттинга ). [ нужна ссылка ]
Более глубокое понимание биологического процесса контроля качества и агрегации белков стало возможным благодаря новому подходу к рассмотрению этой проблемы, получившему название «Визуализация живых клеток». [10]
Визуализация живых клеток позволяет in vivo отслеживать белки в пространстве и времени, в их естественной эндогенной среде. Таким образом, такой метод дает больше информации о динамике и стадиях биологических событий и процессов. В этом методе используются легко обнаруживаемые флуоресцентные белки, слитые с интересующим белком, за которыми затем можно следить внутри клетки с помощью флуоресцентного микроскопа . Затем клетку можно обработать интересующим возмущением (например, лекарством, экспрессией неправильно свернутого белка ), а различные свойства флуоресцентно-меченного белка можно проанализировать с помощью покадровой микроскопии :
- Изменения уровня флуоресценции указывают на изменения уровней экспрессии (т.е. более высокие уровни = активация белка)
- Изменения локализации (например, попадание белка из цитозоля в ядро )
- Растворимость (например, с помощью FRAP анализа [11] )
- Взаимодействие с внутриклеточной средой (например, с помощью FLIP ). анализа [11] )
Чтобы отслеживать судьбу цитозольных неправильно свернутых белков in vivo , плазмида , несущая GFP репортер сворачивания, меченный была клонирована . Сворачивающийся репортер, модельный белок для агрегации, представлял собой Ubc9 (SUMO-конъюгирующий фермент) мутант (UBC9ts), несущий миссенс-мутацию ( Y68L ) с термочувствительным (ts) фенотипом. [12] [13] Маргинально стабильный Ubc9ts полностью функционален в физиологических пермиссивных условиях (25 °C) благодаря активным клеточным шаперонам . GFP-Ubc9ts трансформировали в дрожжи и визуализировали с помощью флуоресцентного микроскопа . [ нужна ссылка ]
Считалось, что мониторинг складчатого датчика GFP-Ubc9ts указывает на клеточный протеостаз и позволяет оценить способность системы контроля качества клеточных белков справляться с различными видами стресса. Затем было обнаружено, что в нормальных условиях GFP-Ubc9ts диффундирует в ядро и цитозоль . Однако при тепловом шоке GFP-Ubc9ts образовывали цитозольные точечные структуры. Поразительно, что когда протеасома была повреждена и клиренс неправильно свернутого белка путем деградации был заблокирован, двух отдельных цитозольных наблюдалось образование включений. Стандартные и консервативные биохимические методы, такие как фракционирование клеток и вестерн-блоттинг, не выявили бы разделения на два типа цитозольных агрегатов. [ нужна ссылка ]
Было показано, что два обнаруженных включения представляют собой эволюционно консервативные отсеки контроля качества с разными характеристиками и разными функциями. Их назвали JUNQ (отделение ядерного контроля качества JUxta) и IPOD (депозит нерастворимого белка). [3] и представляют собой два клеточных пути секвестрации и управления склонными к агрегации потенциально токсичными белками. [ нужна ссылка ]
Распределение субстратов контроля качества (т.е. неправильно свернутых белков ) в любой отсек зависит от их статуса убиквитинирования и состояния агрегации (т.е. растворимости): [ нужна ссылка ]
Убиквитинированные белки доставляются в JUNQ, где они подвергаются деградации протеасомой . Неправильно свернутые белки, которые не убиквитинированы и не агрегированы на конце, секвестрируются в IPOD.
Таким образом, субклеточное расположение неправильно свернутого белка (т.е. в JUNQ или в IPOD) предоставляет информацию о его взаимодействии с механизмом контроля качества клеточного белка (например, с его лигазой E3 ).
ДЖАНК
[ редактировать ]JUNQ — это JU xta N uclear отдел контроля качества .
Значение
[ редактировать ]Для поддержания клеточного гомеостаза система контроля качества клеток должна различать свернутые и неправильно свернутые белки. Неправильно свернутый белок будет распознан и о нем тщательно позаботятся путем рефолдинга или убиквитинирования и протеасомной деградации.
Однако увеличение количества неправильно свернутых белков в клетках из-за различных видов стресса (например, теплового шока ) может привести к насыщению и истощению механизмов контроля качества. В таких случаях деградация неправильно свернутых белков невозможна, и необходимо запустить вторую линию активного клеточного защитного механизма: направить неправильно свернутые белки в определенные клеточные участки. [2]
JUNQ служит таким местом секвестра. Было показано [3] что когда протеасома повреждена (например, из-за низкого уровня экспрессии субъединицы протеасомы RPN11), убиквитинированные неправильно свернутые белки сортируются в JUNQ. После восстановления после стрессовых условий (например, восстановления после теплового шока при допустимой температуре) неправильно свернутые белки , которые накапливаются в JUNQ, могут либо повторно сворачиваться с помощью клеточного шаперонного механизма, либо разрушаться под действием 26S протеасомы . Таким образом, секвестрация белка в JUNQ обратима. [ нужна ссылка ]
Характеристики
[ редактировать ]JUNQ представляет собой немембраносвязанный клеточный участок, расположенный на краю ядра, в непосредственной близости от эндоплазматической сети . Анализы FRAP и FLIP показали, что белки в JUNQ растворимы и обмениваются с цитозолем , что позволяет предположить, что JUNQ имеет динамическую структуру.
Доставка в JUNQ зависит от молекулярных шаперонов и кошаперонов, а также от актинового цитоскелета . [4] Неправильно свернутые белки должны быть убиквитинированы , чтобы их можно было отсортировать в JUNQ. Если убиквитинирование заблокировано, неправильно свернутый белок будет направлен к включению IPOD. Накопление неправильно свернутого белка привлекает 26S протеасомы к JUNQ.
IPOD
[ редактировать ]IPOD это нерастворимого белка отложения отсек – .
Значение
[ редактировать ]Становится все более очевидным, что способность клеток поддерживать протеостаз [8] снижается с возрастом, [9] тем самым вызывая позднее начало нейродегенеративных заболеваний. При таких заболеваниях (например, болезни Хантингтона ) мутировавший белок неправильно сворачивается и становится токсичным для клеточной среды различными способами, например, путем денатурации цитозольных белков. [14] Неспособная уничтожить эти токсичные виды, клетка должна изолировать их, чтобы избежать опасного взаимодействия с клеточным протеомом . IPOD был показан [3] быть субклеточным участком, в котором токсичные амилоидогенные секвестрируются белки, тем самым служа защитным отсеком контроля качества.
предположила Кроме того, группа Линдквиста , что IPOD является местом, где дрожжевые прионы проходят процесс созревания. [15] Таким образом, IPOD может служить не только местом секвестрации, но и функциональным отсеком. [15]
Характеристики
[ редактировать ]IPOD представляет собой немембраносвязанный клеточный участок, который у дрожжей расположен возле вакуоли . Анализы FRAP и FLIP показали, что белки в IPOD плотно упакованы, нерастворимы и не обмениваются с цитозолем . амилоидогенные белки, такие как белок Хантингтин . Субстратами IPOD являются [ нужна ссылка ]
Неправильно свернутые белки не должны быть убиквитинированы , чтобы их можно было отсортировать в IPOD. Убиквитинирование другого субстрата IPOD, такого как грибковый прион RNQ1 , приведет к его секвестрации во включении JUNQ. [ нужна ссылка ]
При накоплении неправильно свернутых белков дезагрегазы шаперон , белок AAA HSP104, локализуется в IPOD. Еще предстоит определить, функционирует ли HSP104 в IPOD или просто изолируется там, будучи прикрепленным к субстрату.
Преаутофагосомная структура (PAS) локализуется IPOD. [16] Однако не было показано, что субстраты IPOD доставляются в вакуоль, и поэтому связь между IPOD и аутофагией еще предстоит определить. [3]
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Треуш, Себастьян; Сир, Дуглас М.; Линдквист, Сьюзен (2009). «Амилоидные отложения: защита от токсичных видов белков?» (PDF) . Клеточный цикл . 8 (11): 1668–74. дои : 10.4161/cc.8.11.8503 . ПМК 4451085 . ПМИД 19411847 .
- ^ Перейти обратно: а б с Тайдмерс, Йенс; Могк, Аксель; Букау, Бернд (2010). «Клеточные стратегии контроля агрегации белков». Nature Reviews Молекулярно-клеточная биология . 11 (11): 777–88. дои : 10.1038/nrm2993 . ПМИД 20944667 . S2CID 22449895 .
- ^ Перейти обратно: а б с д и ж Каганович, Даниил; Копито, Рон; Фридман, Джудит (2008). «Неправильно свернутые белки разделены между двумя отдельными отсеками контроля качества» . Природа . 454 (7208): 1088–95. Бибкод : 2008Natur.454.1088K . дои : 10.1038/nature07195 . ПМЦ 2746971 . ПМИД 18756251 .
- ^ Перейти обратно: а б Шпехт, С.; Миллер, SBM; Могк, А.; Букау, Б. (2011). «Hsp42 необходим для секвестрации белковых агрегатов в местах отложения у Saccharomyces cerevisiae» . Журнал клеточной биологии . 195 (4): 617–29. дои : 10.1083/jcb.201106037 . ПМЦ 3257523 . ПМИД 22065637 .
- ^ Огродник М., Салмонович Х., Браун Р., Турковска Дж., Среднява В., Паттабираман С., Амен Т., Абрахам А.С., Эйхлер Н., Ляховецкий Р., Каганович Д. (2014). «Динамические тельца включения JUNQ асимметрично наследуются в клеточных линиях млекопитающих за счет асимметричного разделения виментина» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 111 (22): 8049–54. Бибкод : 2014PNAS..111.8049O . дои : 10.1073/pnas.1324035111 . ПМК 4050583 . ПМИД 24843142 .
- ^ Нистром, Т. (2010). «Пространственный контроль качества белка и эволюция старения, специфичного для линии» . Философские труды Королевского общества B: Биологические науки . 366 (1561): 71–5. дои : 10.1098/rstb.2010.0282 . ПМК 3001311 . ПМИД 21115532 .
- ^ Моримото, Род-Айленд; Куэрво, AM (2009). «Белковый гомеостаз и старение: забота о белках от колыбели до могилы» . Журналы геронтологии, серия A: Биологические и медицинские науки . 64А (2): 167–70. дои : 10.1093/gerona/gln071 . ПМК 2655025 . ПМИД 19228787 .
- ^ Перейти обратно: а б Пауэрс, Эван Т.; Моримото, Ричард И.; Диллин, Эндрю; Келли, Джеффри В.; Балч, Уильям Э. (2009). «Биологические и химические подходы к заболеваниям недостаточности протеостаза». Ежегодный обзор биохимии . 78 : 959–91. doi : 10.1146/annurev.biochem.052308.114844 . ПМИД 19298183 .
- ^ Перейти обратно: а б Бен-Цви, А.; Миллер, Э.А.; Моримото, Род-Айленд (2009). «Коллапс протеостаза представляет собой раннее молекулярное событие старения Caenorhabditis elegans» . Труды Национальной академии наук . 106 (35): 14914–9. Бибкод : 2009PNAS..10614914B . дои : 10.1073/pnas.0902882106 . JSTOR 40484529 . ПМЦ 2736453 . ПМИД 19706382 .
- ^ «Визуализация живых клеток» .
- ^ Перейти обратно: а б Липпинкотт-Шварц, Дж.; Паттерсон, GH (2003). «Разработка и использование флуоресцентных белковых маркеров в живых клетках» . Наука . 300 (5616): 87–91. Бибкод : 2003Sci...300...87L . дои : 10.1126/science.1082520 . ПМИД 12677058 . S2CID 7831723 .
- ^ Зойферт, В.; Зойферт, В. (1996). «Дрожжевой мутантный белок Ubc9 с температурно-чувствительной функцией in vivo подвергается условному протеолизу по убиквитин- и протеасомо-зависимому пути» . Журнал биологической химии . 271 (42): 25790–6. дои : 10.1074/jbc.271.42.25790 . ПМИД 8824207 .
- ^ Тонгаонкар, Прасад; Бек, Конрад; Шинде, Уджвал П.; Мадура, Киран (1999). «Характеристика термочувствительного мутанта убиквитин-конъюгирующего фермента и его использование в качестве сигнала термоиндуцируемой деградации». Аналитическая биохимия . 272 (2): 263–9. дои : 10.1006/abio.1999.4190 . ПМИД 10415098 .
- ^ Англия, Джереми Л.; Каганович, Даниил (2011). «Полиглутамин проявляет мочевиноподобное сродство к развернутому цитозольному белку» . Письма ФЭБС . 585 (2): 381–4. Бибкод : 2011FEBSL.585..381E . дои : 10.1016/j.febslet.2010.12.023 . ПМИД 21176779 . S2CID 348468 .
- ^ Перейти обратно: а б Тайдмерс, Дж.; Треуш, С.; Донг, Дж.; Маккаффери, Дж. М.; Бевис, Б.; Линдквист, С. (2010). «Прионная индукция включает в себя древнюю систему секвестрации агрегированных белков и наследственных изменений фрагментации приона» . Труды Национальной академии наук . 107 (19): 8633–8. Бибкод : 2010PNAS..107.8633T . дои : 10.1073/pnas.1003895107 . ПМЦ 2889312 . ПМИД 20421488 .
- ^ Сузуки, К.; Кирисако, Т; Камада, Ю; Мидзушима, Н.; Нода, Т; Осуми, Ю (2001). «Преаутофагосомная структура, организованная согласованными функциями генов APG, необходима для формирования аутофагосом» . Журнал ЭМБО . 20 (21): 5971–81. дои : 10.1093/emboj/20.21.5971 . ПМК 125692 . ПМИД 11689437 .