Семейство белков-медиаторов ответа на коллапсин
Семейство белков-медиаторов ответа на коллапсин или семейство CRMP состоит из пяти внутриклеточных фосфопротеинов ( CRMP-1 , CRMP-2 , CRMP-3 , CRMP-4 , CRMP-5 ) одинакового молекулярного размера (60–66 кДа) и высоких (50–70 кДа). %) аминокислотной последовательности идентичность . CRMPs преимущественно экспрессируются в нервной системе во время развития и играют важную роль в аксонов формировании из нейритов , а также в наведении и коллапсе конусов роста посредством их взаимодействия с микротрубочками . [ 1 ] [ 2 ] Расщепленные формы CRMP также связаны с дегенерацией нейронов после повреждения, вызванного травмой. [ 3 ]
Модуляция экспрессии CRMP-2 с помощью различных фармацевтических препаратов является новой и расширяющейся областью исследований. Открывая химические вещества, которые могут увеличивать или уменьшать экспрессию CRMP-2, ученые потенциально могут уменьшить последствия неврологических заболеваний, таких как болезнь Альцгеймера и болезнь Паркинсона . [ 4 ] [ 5 ]
История
[ редактировать ]Члены семейства CRMP были обнаружены независимо у разных видов несколькими группами, работавшими параллельно. [ 4 ] [ 6 ] Среди пяти членов семейства CRMP-2 был впервые идентифицирован в 1995 году. Группа исследователей под руководством Гошимы обнаружила, что CRMP-2 играет роль в трансдукции внеклеточного семафорина 3А (Sema3A), белка, ингибирующего наведение аксонов. в ганглии дорсальных корешков кур (DRG). [ 6 ] Белок сначала был назван CRMP-62 с относительной молекулярной массой 62 кДа, а позже назван CRMP-2. Одновременно было показано, что белок массой 64 кДа, названный TOAD-64 (что означает «включается после деления»), значительно увеличивается во время развития коры головного мозга . Последовательность кДНК TOAD-64 соответствовала последовательности крысиного CRMP-2. В 1996 году Бик и его коллеги обнаружили мышиный CRMP-4, часто называемый Ulip в честь фосфопротеина, подобного Unc-33, с использованием кроличьей поликлональной антисыворотки, которая распознавала специфичный для мозга мыши фосфопротеин массой 64 кДа. [ 6 ] В том же году в нескольких других исследованиях были клонированы CRMP-1-4 у крыс и последовательность дигидропиримидиназы (DHPase) гомологичная CRMP-1, -2 и -4 в мозге плода человека. [ 6 ] Наконец, в 2000 году CRMP-5 был обнаружен с помощью двухгибридного скрининга библиотек мозга или очистки от белкового комплекса. [ 6 ] В последующих исследованиях CRMP изучались в качестве антигенов-мишеней для аутоантител при различных аутоиммунных нейродегенеративных заболеваниях . [ 6 ]
Структура
[ редактировать ]
CRMP1-5 содержит от 564 до 572 аминокислот , и обнаружено, что эти белки консервативны примерно на 95% у мышей и человека. [ 6 ] Белковая последовательность CRMP1-4 гомологична друг другу примерно на 75%, тогда как последовательность белка CRMP5 гомологична каждому из других CRMP только на 50-51%. [ 4 ] Кроме того, CRMPs являются гомологами Unc -33 которого , мутация вызывает нарушение способности формировать нервные цепи и некоординированную подвижность у Caenorhabditis elegans . [ 7 ] Гены CRMP1-4 примерно на 60% гомологичны тетрамерной дигидропиримидиназе печени (DHPase), а также обладают структурой , сходной с членами металлозависимых амидогидролаз . Однако тот факт, что CRMP не являются ферментативными, показывает, что им может не хватать критических остатков His , которые присутствуют в ферментах амидогидролазы , чтобы позволить им связывать атомы металлов с их активным сайтом . [ 4 ]
Кроме того, CRMP могут существовать как гомотетрамеры или как гетеротетрамеры. Тетрамеры N расположены так, что активные остатки на -конце расположены снаружи комплекса. Это позволяет CRMP регулировать различные факторы в цитоплазме. Гель-фильтрационный анализ показал, что CRMP-5 и CRMP-1 образуют более слабые гомо-тетрамеры по сравнению с CRMP-2, а двухвалентные катионы Ca2+ и Mg2+ дестабилизируют олигомеры CRMP-5 и CRMP-1, но способствуют олигомеризации CRMP-2. . [ 8 ] С -конец состоит из 80 аминокислот и является местом фосфорилирования различных киназ . [ 4 ]
Выражение
[ редактировать ]Экспрессия CRMPs регулируется на протяжении всего развития нервной системы . В целом, CRMPs высоко экспрессируются в постмитотических нервных клетках, начиная с раннего эмбрионального периода жизни. В развивающейся нервной системе каждый CRMP демонстрирует четкий паттерн экспрессии как во времени, так и в пространстве. Например, во внешнем зернистом слое (EGL), где происходит митоз зернистых нейронов мозжечка, CRMP-2 экспрессируется в высокой степени, тогда как CRMP-5 никогда не экспрессируется. Однако обнаружено, что CRMP-2 и CRMP-5 совместно экспрессируются в постмитотических гранулярных нейронах. [ 6 ] Экспрессия CRMP является самой высокой, когда нейроны и синаптические связи активно созревают в течение первой постнатальной недели, что указывает на роль CRMP в миграции нейронов, дифференцировке и росте аксонов . [ 4 ] [ 6 ] Действительно, экспрессия CRMP-2 индуцируется факторами, способствующими дифференцировке нейронов, такими как noggin , chordin , GDNF и FGF . [ 4 ]
В нервной системе взрослого человека экспрессия CRMP существенно подавляется и ограничивается в областях, связанных с пластичностью мозга , нейрогенезом или регенерацией. мРНК CRMP1 в основном экспрессируется в клетках мозжечка Пуркинье . Среди пяти членов семейства CRMP CRMP-2 наиболее высоко экспрессируется во взрослом мозге, особенно в постмитотических нейронах системы обонятельной , мозжечке и гиппокампе . мРНК CRMP-3 экспрессируется только в зернистом слое мозжечка , нижней оливе и зубчатой гиппокампа извилине . CRMP-4 является наименее экспрессируемым белком семейства CRMP, и его экспрессия ограничена обонятельной луковицей , гиппокампом и внутренним гранулярным слоем (IGL) мозжечка . 5 экспрессируется не только в постмитотических нейронах , обонятельной луковицы обонятельного эпителия и зубчатой извилины гиппокампа Наконец, CRMP - , но также в аксонах периферических нервов и сенсорных нейронах . Другие семейства CRMP также появляются в периферических тканях. Экспрессия CRMP-1, -4 и -5 у взрослых testis обнаруживается только на стадии сперматид клеток, а мРНК CRMP-2 обнаруживается в легочной ткани плода мыши и взрослого человека. [ 6 ]
Экспрессию CRMP также можно обнаружить в передаче сигналов смерти или выживания постмитотических нейронов. Хотя CRMP является цитозольным белком, значительная степень экспрессии CRMP обнаруживается как мембрана, связанная с передним краем конуса роста ламеллиподия и филоподия . Кроме того, экспрессия CRMP, индуцированная травмой, обнаруживается в отрастающих волокнах как центральной , так и периферической нервной системы . [ 4 ] Экспрессия CRMP-4 усиливается при ишемическом повреждении и связана с нейронами, имеющими интактную морфологию, что позволяет предположить, что CRMP-4 обеспечивает сигнал выживания и может участвовать в регенерации нейронов. Аналогичным образом, предполагается, что CRMP-2 участвует в выживании и поддержании постмитотических нейронов, поскольку его сверхэкспрессия ускоряет регенерацию нервов. Однако CRMP-2 может также участвовать в гибели нейронов, поскольку его экспрессия усиливается на ранних стадиях дофамин-индуцированного апоптоза нейронов в нейронах-зеренах мозжечка. [ 7 ]
Механизм, функции и регулирование
[ редактировать ]Формирование аксонов в развивающемся нейроне
[ редактировать ]CRMP-2 играет роль в полярности нейронов . Отростки ранних нейронов , называемые ламеллиподиями, образуют ранние нейриты . На этой стадии нейриты и неотличимы от дендритов аксона . Один из этих нейритов со временем становится аксоном и становится длиннее дендритных нейритов . CRMP-2 помогает ускорить рост аксонов за счет взаимодействия с микротрубочками . [ 1 ] CRMP-2 связывается и сополимеризуется с тубулина гетеродимерами , но не связывается также с полимеризованным тубулином . Эта специфичность связывания способствует тубулина полимеризации in vitro . Комплексы CRMP-2/ тубулин обнаруживаются в дистальной части аксона и модулируют динамику микротрубочек , контролируя скорость сборки микротрубочек . CRMP-2 также способствует установлению полярности нейронов путем регуляции поляризованного Numb -опосредованного эндоцитоза аксонов в конусах роста . [ 1 ] В обоих случаях фосфорилирование CRMP-2 по Thr-555 с помощью киназы Rho или по Thr-509, Thr-514 или Ser-518 с помощью GSK-3β инактивирует белок за счет снижения аффинности связывания с тубулином и Numb . [ 1 ]
Наведение конуса роста аксонов
[ редактировать ]В развивающейся нервной системе участие CRMPs в наведении аксонов было предложено путем локализации CRMPs в нейритах и конусах роста аксонов . CRMPs участвуют в двух различных путях трансдукции, вызывая коллапс конуса роста аксонов. Оба пути включают Rho семейства в свой сигнальный каскад ГТФазы , RhoA и Rac1 . ГТФазы семейства Rho регулируют реорганизацию цитоскелета конуса роста и влияют на подвижность конуса роста. [ 2 ]
В Sema3A сигнальном каскаде CRMP играет роль внутриклеточного посредника, опосредующего отталкивающий сигнал. Sema3A инициирует кластеризацию рецептора нейропилина 1 и плексина A1 . [ 6 ] В то время как некоторые представители другого класса семафоринов напрямую связываются с рецепторами плексина, Sema3A не связывается с плексином напрямую. Вместо этого он взаимодействует с нейропилинами как лиганд-связывающим корецептором для плексина и высвобождает передачу сигналов на основе плексина. Путь передачи сигнала ниже активированного рецептора плексина опосредован CRMP. [ 2 ] В ответ на сигнальный каскад Sema3A CRMP, которые существуют в цитозоле в виде гетеротетрамера, связываются с цитозольным доменом PlexA, и его конформация меняется. Кроме того, CRMP фосфорилируются с помощью Cdk5 , GSK3B и Fes, тирозиновой протеинкиназы . [ 4 ] В частности, фосфорилирование CRMP-1 и CRMP-2 важно для Sema3A-регулируемого направления аксонов . [ 7 ] В присутствии CRMP-2 сигнал может вызывать изменения Rac -зависимого пути, который модулирует сборку актиновых филаментов в конусе роста. В отсутствие Sema3A взаимодействие между тетрамером CRMP и PlexA блокируется. [ 4 ] Фосфолипаза D2 (PLD-2), которая локализована в конусе роста и участвует в перестройке актинового цитоскелета , может ингибироваться CRMP-2, и ее ингибирование приводит к деполимеризации актина и, возможно, влияет на коллапс конуса роста аксонов . В присутствии CRMP-2 сигнал может вызывать изменения Rac -зависимого пути, который модулирует сборку актиновых филаментов в конусе роста . [ 6 ]
CRMP-2 также участвует в другом сигнале коллапса конуса роста, индуцируемом внеклеточной лизофосфатидной кислотой (LPA). Сигнал через семитрансмембранный рецептор активирует внутриклеточный путь RhoA и нижележащую RhoA киназу Rho, которая впоследствии фосфорилирует CRMP-2 на треонине-555 (Thr555). В нейронах DRG CRMP-2 фосфорилируется Rho - киназой при передаче сигналов LPA, но не при передаче сигналов Sema3A, что указывает на наличие как Rho-киназно-зависимого, так и Rho-киназно-независимого путей коллапса конуса роста. [ 2 ] В пути RhoA CRMP-1 взаимодействует с Rho-киназой и модулирует передачу сигналов RhoA. CRMP-2 может регулироваться посттрансляционно с помощью O-GluNAc (β-N-ацетилглюкозамин, связанный с гидроксилами серина или треонина), поскольку модификация блокирует фосфорилирование CRMP-2. [ 6 ]
Дегенерация, вызванная травмой
[ редактировать ]Расщепленные продукты CRMP играют значительную роль в дегенерации аксонов в результате травмы центральной нервной системы (ЦНС). В результате травмы ЦНС глутамат активирует NMDA-рецепторы, что приводит к притоку кальция, который активирует кальций-зависимую протеазу кальпаин . Было показано, что активированный кальпаин протеолитически расщепляет CRMP-3, создавая продукт расщепления CRMP, который взаимодействует с жизненно важными цитозольными и ядерными молекулами, вызывая нейродегенерацию. [ 7 ] Структура этой расщепленной формы CRMP еще не определена, что затрудняет понимание происходящих межбелковых взаимодействий и того, почему эти формы способны инициировать нейродегенерацию после повреждения ЦНС. Кроме того, показано, что ингибиторы кальпаина (ALLN) предотвращают расщепление CRMP-3 и, следовательно, не вызывают дегенерации аксонов или гибели нейронов, что также позволяет предположить, что кальпаин нацелен на расщепление CRMP-3 во время гибели нейронов, вызванной глутаматом. Са2+/кальмодулин-зависимая протеинкиназа II (CaMK II) также активируется притоком кальция через NMDA-рецепторы и является еще одним возможным активатором CRMP-3. [ 7 ] CRMP-3 — не единственный CRMP, участвующий в дегенерации нейронов, вызванной травмой и ишемией головного мозга, поскольку все CRMP фактически нацелены на расщепление, чтобы способствовать дегенерации. [ 7 ]
Список CRMP (и связанных с ними нокаутных фенотипов и производных функций)
[ редактировать ]| CRMP | Фенотип у нокаутных мышей | Производная функция в культивируемых нейронах |
|---|---|---|
| КРМП-1 | Снижение пролиферации гранулярных клеток и апоптоза. | Эффект аксонального наведения, индуцированный Sem3A |
| Замедленная миграция нейронов | Образование/расширение аксонов , индуцированное NT3 | |
| Дезориентация апикальных дендритов | Гибель спинного мозга нейронов | |
| Нарушение плотности дендритных шипов | ||
| Нарушение LTP и пространственной памяти. | ||
| ЦРМП-2 | Сильно аномальное дендритное паттернирование | Аксональное наведение с помощью хемопеллента |
| Спецификация аксона , удлинение и ветвление | ||
| NT3 -индуцированный рост аксонов | ||
| Отрицательное влияние на расширение аксонов, индуцированное NGF | ||
| Ускоряет регенерацию аксонов поврежденных нервов мотонейронов. | ||
| нейротрансмиттера Высвобождение | ||
| Устойчивость к токсичности глутамата за счет незаконного оборота NR2B. | ||
| Гибель нейрональных клеток | ||
| КРМП-3 | Нарушение созревания дендритных отростков. | Гибель нейрональных клеток |
| Нарушение ДП | ||
| Уменьшение предимпульсного торможения | ||
| КРМП-4 | Увеличенный фенотип проксимальных бифуркаций в гиппокампе CA1. | Удлинение и ветвление аксона |
| Подавление аксонов регенерации ингибиторами миелинового происхождения. | ||
| Аксональная дегенерация и гибель клеток | ||
| Sema3A-индуцированное расширение и ветвление дендритов | ||
| КРМП-5 | Атрофия клеток Пуркинье | филоподий и конуса роста Развитие |
| Осведомленное ООО | Отмена нейритов активности CRMP-2, стимулирующей рост . |
Клиническое значение
[ редактировать ]Экспрессия CRMPs изменяется при нейродегенеративных заболеваниях , и эти белки, вероятно, играют важную роль в патогенезе нарушений нервной системы, включая болезнь Альцгеймера , болезнь Паркинсона , шизофрению и многие другие. Одним из фармацевтических препаратов, который относительно эффективен в воздействии на CRMP-2 для уменьшения последствий нейродегенеративных заболеваний, является лакозамид . Лакосамид используется в сочетании с другими лекарственными средствами для контроля различных типов припадков, особенно эпилепсии . Один из способов, с помощью которого лакосамид делает это, заключается в модуляции CRMP-2, вызывая таким образом нейропротекторные эффекты и уменьшая эпилептические эффекты у людей с эпилепсией . [ 10 ]
CRMP-2, фосфорилированный по Thr-509, Ser-518 и Ser-522, связан с дегенеративным невритом при болезни Альцгеймера . Исследования показывают, что гликогенсинтаза-киназа-3β (GSK-3β) и циклин-зависимая протеинкиназа 5 ( Cdk5 ) высоко экспрессируются при болезни Альцгеймера и являются одними из протеинкиназ, ответственных за инактивацию CRMP-2 при болезни Альцгеймера . Эта инактивация CRMP-2 у людей с болезнью Альцгеймера способствует выражению нейрофибриллярных клубков и бляшечных нейритов, характерных для людей с этим заболеванием. [ 11 ] [ 12 ] CRMP-2 также связан с биполярным расстройством и шизофренией , вероятно, в результате фосфорилирования CRMP-2 с помощью GSK-3β . [ 12 ]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б с д Аримура Н., Менагер С., Фуката Ю., Кайбучи К. (январь 2004 г.). «Роль CRMP-2 в полярности нейронов» . Журнал нейробиологии . 58 (1): 34–47. дои : 10.1002/neu.10269 . ПМИД 14598368 .
- ^ Jump up to: а б с д Лю Б.П., Стритматтер С.М. (октябрь 2001 г.). «Опосредованное семафорином наведение аксонов через Rho-связанные G-белки». Современное мнение в области клеточной биологии . 13 (5): 619–626. дои : 10.1016/s0955-0674(00)00260-x . ПМИД 11544032 .
- ^ Тагиан К., Ли Дж. Я., Петратос С. (август 2012 г.). «Фосфорилирование и расщепление семейства белков-медиаторов ответа на коллапсин могут играть центральную роль в нейродегенерации после травмы ЦНС». Журнал нейротравмы . 29 (9): 1728–1735. дои : 10.1089/neu.2011.2063 . ПМИД 22181040 .
- ^ Jump up to: а б с д и ж г час я дж Шмидт Э.Ф., Стриттматтер С.М. (2007). «Семейство белков CRMP и их роль в передаче сигналов Sema3A». Семафорины: рецепторы и внутриклеточные сигнальные механизмы . Достижения экспериментальной медицины и биологии. Том. 600. стр. 1–11 . дои : 10.1007/978-0-387-70956-7_1 . ISBN 978-0-387-70955-0 . ПМЦ 2853248 . ПМИД 17607942 .
- ^ Куах Т.Т., Мутал А., Ханна Р., Димс Н.П., Дюшемен А.М., Барриентос Р.М. (2020). «Белки-медиаторы ответа на коллапсин: новые мишени для болезни Альцгеймера» . Дж. Альцгеймер Дис . 77 (3): 949–960. дои : 10.3233/JAD-200721 . ПМЦ 7579750 . ПМИД 32804096 .
- ^ Jump up to: а б с д и ж г час я дж к л м Чарриер Э.; Рейбель С.; Рожемонд В.; Агера М.; Томассет Н.; Хоннорат Дж. (август 2003 г.). «Белки-медиаторы ответа на коллапсин (CRMP) - Участие в развитии нервной системы и нейродегенеративных расстройствах у взрослых». Молекулярная нейробиология . 28 (1): 51–63. дои : 10.1385/МН:28:1:51 . ПМИД 14514985 . S2CID 23916946 .
- ^ Jump up to: а б с д и ж Хоу С.Т., Цзян С.С., Смит Р.А. (2008). Разрешающие и отталкивающие сигналы и сигнальные пути роста и регенерации аксонов . Том. 267. стр. 125–181. дои : 10.1016/S1937-6448(08)00603-5 . ISBN 9780123743749 . ПМИД 18544498 .
{{cite book}}:|journal=игнорируется ( помогите ) - ^ Поннусами, Раджеш; Бернхард Локамп (5 марта 2013 г.). «Взгляд на олигомеризацию CRMP: кристаллическая структура белка-медиатора ответа на коллапсин человека 5» . Журнал нейрохимии . DOI: 10.1111/jnc.12188. 125 (6): 855–868. дои : 10.1111/jnc.12188 . ПМИД 23373749 . S2CID 22590453 .
- ^ Ямахиста Н., Гошима Ю. (февраль 2012 г.). «Белки-медиаторы ответа на коллапсин регулируют развитие и пластичность нейронов путем переключения статуса их фосфорилирования». Молекулярная нейробиология . 45 (1): 234–246. дои : 10.1007/s12035-012-8242-4 . ПМИД 22351471 . S2CID 17567061 .
- ^ Доти П., Радд Г.Д., Стер Т., Томас Д. (январь 2007 г.). «Лакосамид» . Нейротерапия . 4 (1): 145–8. дои : 10.1016/j.nurt.2006.10.002 . ПМК 7479700 . ПМИД 17199030 .
- ^ Сутар, член парламента, Торнхилл П., Коул А.Р., Сазерленд С. (июнь 2009 г.). «Повышение фосфорилирования CRMP2 наблюдается при болезни Альцгеймера; говорит ли это нам что-нибудь о развитии заболевания?». Текущие исследования болезни Альцгеймера . 6 (3): 269–78. дои : 10.2174/156720509788486572 . ПМИД 19519308 .
- ^ Jump up to: а б Ёсимура Т., Аримура Н., Кайбути К. (ноябрь 2006 г.). «Молекулярные механизмы спецификации аксонов и нейрональные нарушения». Анналы Нью-Йоркской академии наук . 1086 (1): 116–125. Бибкод : 2006NYASA1086..116Y . дои : 10.1196/анналы.1377.013 . ПМИД 17185510 . S2CID 37627165 .