התפקידים של תת-משפחת NEDD4 של HECT E3 Ubiquitin Ligases בהתפתחות נוירו-נוירו-דגנרציה חלק 1

תַקצִיר:

מסלול האוביקוויטין מסדיר את תפקודם של חלבונים רבים ושולט בהומאוסטזיס של חלבון תאי. בשנים האחרונות, הוא משך עניין רב במחלות נוירו-התפתחותיות ונוירודגנרטיביות.

עם ההתפתחות המתמשכת של הביוטכנולוגיה, אנשים מתעניינים יותר ויותר בקשר בין חלבונים סלולריים לזיכרון. מחקרים מראים שחלבון הוא הביומולקולה הבסיסית ביותר בתאים וממלא תפקיד חשוב ברקמות ואיברים שונים בגוף האדם, ולא ניתן להתעלם מהשפעתו על הזיכרון.

חלבונים קיימים בצורות שונות בגוף האדם, כשהחשובים שבהם הם חלבונים עצביים. חלבונים עצביים הם מחלקה של חלבונים הקיימים בכמויות גדולות בתוך נוירונים ומהווים מרכיב חשוב בפעילות עצבית. מחקרים מראים שיש קשר חזק בין חלבונים עצביים לזיכרון. הסינתזה והפירוק של חלבונים עצביים הם הבסיס לזיכרון. רק כאשר קצב סינתזת החלבון בתא מהיר יותר מקצב הפירוק בתהליך זה, יכולים להיווצר ולשמור זיכרונות טובים. לכן, שמירה על היציבות של חלבונים עצביים היא חיונית לזיכרון של אנשים.

בנוסף לחלבונים נוירונים, חלבונים אחרים בגוף יכולים להשפיע על הזיכרון. לדוגמה, חלבון קינאז תלוי ATP (AMPK) במסלול חילוף החומרים של האנרגיה התאית הוא מווסת מפתח של חילוף החומרים של האנרגיה התוך תאית. מחקרים הראו כי קידום הפעילות של AMPK יכול להגביר את קצב סינתזת החלבון ברקמת המוח, ובכך לשפר את הזיכרון.

יחד עם זאת, צריכת כמה מזונות עשירים בחלבון איכותי בגוף האדם יכולה גם לקדם את קצב סינתזת החלבון בתאים, ובכך לשפר את הזיכרון. לדוגמה, דגים עשירים בחלבון, בשר, ביצים ומזונות אחרים יכולים לספק חלבון באיכות גבוהה לגוף האדם.

לסיכום, יש קשר הדוק בין חלבונים תאיים לזיכרון. שמירה על יציבות החלבונים הנוירונים וקידום קצב סינתזת החלבון בתאים חשובה מאוד לשיפור הזיכרון של אנשים. כדאי לשים לב לתזונה, לאכול מזונות עשירים בחלבון איכותי, ולחזק את הפעילות הגופנית כדי להגביר את מהירות חילוף החומרים בתאים, מה שיעזור לשפר את רמת הזיכרון שלנו. ניתן לראות שעלינו לשפר את הזיכרון, ו-Cistanche deserticola יכולה לשפר משמעותית את הזיכרון מכיוון ש-Cistanche deserticola הוא חומר רפואי סיני מסורתי בעל השפעות ייחודיות רבות, אחת מהן היא שיפור הזיכרון. היעילות של Cistanche deserticola מגיעה מהרכיבים הפעילים המרובים שהיא מכילה, כולל חומצה טאנית, פוליסכרידים, גליקוזידים פלבנואידים וכו'. מרכיבים אלו יכולים לקדם את בריאות המוח באמצעות מגוון מסלולים.

לחץ על דע זיכרון לטווח קצר כיצד לשפר

כאן, הצגנו את הסקירה הראשונה של התפקידים של 9 החלבונים של תת-משפחת HECT E3 ligase NEDD4 בפיתוח ותפקוד של נוירונים במערכת העצבים המרכזית (CNS).

דנו בוויסות שלהם ובמעורבותם הישירה או העקיפה במחלות פנימיות-התפתחותיות, כגון מוגבלות אינטלקטואלית, ומחלות ניווניות, כגון מחלת אלצהיימר, מחלת פרקינסון או טרשת צדדית אמיוטרופית.

מחקרים נוספים על תפקידיהם של חלבונים אלה, ויסותם והמטרות שלהם בנוירונים בהחלט יתרמו להבנה טובה יותר של תפקוד ותפקוד עצבי, וגם יספקו מידע מעניין לפיתוח תרופות המכוונות אליהם.

מילות מפתח: ubiquitin; ליגזות; התפתחות; ניוון עצבי; מוגבלות שכלית; ALS.

1. הקדמה

ההתפתחות והתפקוד של מערכת העצבים המרכזית (CNS) הם תהליכים מורכבים הדורשים מנגנונים דינמיים הכוללים שלבי התפשטות, הגירה, התמיינות, התבגרות וגמישות סינפטית.

תהליכים אלו מוסדרים עדין הודות למעורבותם של חלבונים רבים בעלי לוקליזציות תאי מגוונות [1] שליטה על ריכוזי החלבונים הללו, הנקראת הומאוסטזיס חלבון תאי (פרוטאוסטזיס), מושגת ברמת הסינתזה והפירוק שלהם.

שליטה בתפקוד של חלבונים אלה חיונית גם להתפתחות ותפקוד נכונים של מערכת העצבים המרכזית. חלק חשוב בשליטה זו מתממש על ידי שינויים דינמיים לאחר תרגום. המערכות דמויות האוביקוויטין (Ub)/Ub מורכבות מאחת מהן [2].

חברים המקודדים בשתי המערכות הללו מעורבים ישירות בהפרעות נוירו-התפתחותיות כולל מוגבלות אינטלקטואלית תסמונתית ולא תסמונתית (RNF12, CUL4B), ומחלות ניווניות, כגון מחלת פרקינסון (PARK2) או טרשת צדדית אמיוטרופית (CCNF) [3-5].

המערכות הדומות ל-Ub/Ub מורכבות ממסלולים תוך-תאיים הכוללים 3 מחלקות של אנזימים, E1, E2 ו-E3 (משפחות RING או HECT) המקודדות על ידי למעלה מ-700 גנים בהאנוגנום. מסלולים אלה פועלים על ידי הוספת Ubiquitin קטן אחד או יותר (76 aa) או חלבונים דמויי Ubiquitin (למשל, SUMO, Small Ubiquitin MODifier) ​​לחלבוני היעד. בהתאם לשינוי שלאחר התרגום, החלבון המתויג יישלח לפירוק הפרוטאזום או שתפקודו יוסדר או ישונה [6].

המערכות דמויות Ub/Ub נחקרו רבות בשנים האחרונות, אך עדיין קיימות שאלות רבות בנוגע לוויסותן ותפקודן, לאילו חלבונים הן מכוונות ותפקידיהן בפתופיזיולוגיה של מחלות אנושיות.

תת-משפחת ה-HECT E3 הגדולה ביותר היא תת-משפחת 4 (NEDD4) מבשר תאי עצב המובעים מירידה התפתחותית. מטרת סקירה זו הייתה לדון בתפקיד הפיזיולוגי של מערכת העצבים המרכזית של תת-משפחת NEDD4 זו והשלכותיה על מחלות פנימיות התפתחותיות ונוירודגנרטיביות.

2. סקירה כללית של מערכת Ubiquitin

Ubiquitination הוא מנגנון מפתח בפירוק חלבון המתווך על ידי הפרוטאזום. זה מורכב מהוספת יוביקוויטין (Ub) על חלבוני המטרה. Ubiquitin הוא חלבון בן 76 חומצות אמינו עם 7 שאריות ליזין המשמשות לקישור חלבון מטרה או Ub אחר (לפוליוביקוויטינציה) [7].

חלבון Ubiquitin יכול להיות קשור לחלבון היעד כ-ubiquitinmonomer (monoubiquitination) או כפולימר יוביקוויטין (polyubiquitination). חלבון יכול להיות גם multiubiquitinated, המורכב מכמה monoubiquitinations של חלבון המטרה. Monoubiquitination וקשירה לשרשרת של Ubiquitins המקושרים על ידי ליזינים-63, למשל, הם אותות רגולטוריים פונקציונליים לחלבון Ubiquitinated.

קשירה לשרשרת של יוביקוויטין-48-מקושרים בליזין היא אות לפירוק החלבון שנמצא באוביקוויטין על ידי הפרוטאזום. חלבונים עם Ubiquitinated יכולים להיות גם deubiquitination על ידי כמאה Deubiquitinating אנזימים [8]. מגוון השחקנים של מערכת האוביקוויטין והשינויים שהיא מייצרת בחלבונים מערבים מערכת זו בתהליכים תאיים רבים, כגון הומאוסטזיס חלבוני, אנדוציטוזיס, סחר תוך תאי, מתח תאי ואוטופגיה [9-13].

חמישה אחוזים מהגנים בגנום האנושי מקודדים לחלבונים של מערכת האוביקוויטין, וזה מרשים. Ubiquitination של חלבונים מושגת על ידי מערכת מתואמת של שלושה מחלקות של אנזימים: אנזימים המפעילים Ubiquitin (E1), אנזימים מצומדים (E2), ו-ligases (E3).

האנזים הבודד E1 מפעיל את יוביקוויטין להעברה [14]. אנזימי ה-E2, מתוכם 38, מעבירים ישירות את יוביקוויטין לחלבוני המטרה בעזרת אנזימים מסוג שלישי, הליגאזות E3, המכילות תחום מעניין חדש (RING) [15].

משפחת E3 ligases זו מורכבת מיותר מ-600 חברים. המשפחות האחרות של E3 הן ה-E3 עם תחום U-Box, ה-E3 עם תחום RING-between-RING (RBR), וה-E3 עם תחום הומולוגי ל-EA6P C-terminus (HECT) [8]. חלק מאנזימי E2 טרנסבוביקוויטין לאנזימי HECT-E3, אשר לאחר מכן מעבירים אותו לחלבוני המטרה (איור 1). E3ligases עם מספר תחום HECT הם 28 בבני אדם. גודלם נע בין 80 ל-500 קילו-דאה.

המאפיין המשותף של אנזימים אלה הוא נוכחות של תחום C-טרמינלי, קטליטי HECT שמור של 350 שיירי חומצות אמינו [16]. ליגזות HECT E3 מסווגות לשלוש תת-משפחות: NEDD4, HERC ו-HECT אחרים.

איור 1. ייצוג סכמטי של תהליך Ubiquitination על ידי ליגזות E3 המכילות תחום HECT. Ubiquitin מופעל על ידי אנזים E1 ולאחר מכן מועבר לאנזימי E2 ולאנזים HECT E3.

האנזים E3 מעביר את יוביקוויטין לחלבון היעד, מה שמוביל ל-monoubiquitination או polyubiquitination שלו. הליגאז E3 מכיל 3 תחומים, תחום N-טרמינלי C2, תחום עשיר ב-WW ותחום C-טרמינלי המאורגן לשתי אונות (אונה N ו-C-lobe).

3. תת-משפחת NEDD4 E3 Ligases

3.1. מבנה וגיוון

תת-משפחת NEDD4 נמצאת בכל האיקריוטים. הוא כולל את תשע ליגאזות E3NEDD4-1, NEDD4-2,ITCH, WWP1, WWP2, SMURF1, SMURF2, NEDL1, וחולקים מבנה משותף המאופיין בנוכחות של 3 תחומים שנשמרו באופן שונה במהלך התפתחות היונקים: אחד תחום N-terminal C2, שניים עד ארבעה טריפטופן. תחומי טריפטופן (WW), ותחום HECT (איור 1).

תחום C2 יכול להיקשר לפוספוליפידים באופן תלוי סידן. כתוצאה מכך, חלבונים קונ. אימון תחום ה-C2 יכול לתווך מיקוד תוך תאי של קרום הפלזמה, האנדוזומים והגופים הרב שלפוחיתיים [17].

הוא תואר לראשונה בחלבון קינאז C (PKC) והוא מורכב מ-8 גדילי בטא שיכולים לתאם שניים או שלושה יוני סידן. תחומי ה-WW, המכילים בממוצע 40 חומצות אמינו עם שני שיירי טריפטופן בלתי משתנים מעורבים באינטראקציות חלבון/חלבון. אינטראקציה נעשית עם מוטיבים עשירים בפרולין (PY או PPxY) הקיימים על חלבוני המטרה. 

הספציפיות הקישורית של תחום ה-WW נובעת מקיפול ה-t-stranded שלו של השאריות הקיימות בלולאות המקשרות ביניהם. תחום ה-C-terminal HECT הוא התחום הקטליטי E3 עם נוכחות של ציסטאין קטליטי. יש לו גודל של כ-350 חומצות אמינו המאורגנות בשתי אונות, האונה N ואונה C.

אונת ה-N נקשרת לקומפלקס האנזים-יוביקוויטין E2, מה שמאפשר העברה של חלבון האוביקוויטין מה-E2 לאונה C באמצעות תווך תיואסטר עם הציסטאין הקטליטי. לאחר העברת יוביקוויטין לאונה C, ניתן להעביר אותו לחלבון היעד (איור 1). תחומים אלה 3 נשמרו באופן שונה במהלך האבולוציה של היונקים (איור 2).

3.2. פונקציות ותקנות

9 החברים בתת-משפחת NEDD4 קושרים מספר חשוב של חלבוני מטרה ומעורבים במגוון רחב של תהליכים תאיים.

החלבונים תא מבשר עצבי. חלבון 4 מספר 1 (NEDD4-1) ומספר 2 (NEDD4-2) המוגדר בירידה התפתחותית היו החברים הראשונים שהתגלו בתת-משפחה זו וכרגע הם הנחקרים ביותר.

NEDD4-1 מתבטא בכל מקום ומעורב בתפקודים תאיים אנושיים רבים הכרוכים בחלבוני מטרה מרובים. בין חלבוני היעד הללו הם PTEN, Akt, Beclin1 או FGFRl, אשר מרמזים על השתתפות NEDD4-1 בהתרבות, התמיינות, הגירה ופלישה של תאים, אך גם אפופטוזיס, אוטופגיה ותגובת נזק ל-DNA. החבר מממן תת-המשפחה נחשב כמעורב במחלות שונות, מסרטן ועד מחלות ניווניות עצביות [18].

NEDD4-2 הוא ליגאז E3 עבור תעלות יונים רבות, כולל תעלות נתרן, כלוריד ואשלגן, כגון תעלת Na+ אפיתל ENaC, המעורבת בספיגת נתרן ונוזלים בריאות, בכליות ובמעי הגס [{ {3}}].

הוא מסדיר את תפקוד ENaC על ידי קשירה למוטיבי ה-PY שלו השולטים במספר הערוצים על פני התא 22,23. זה גם יוצר אינטראקציה עם חלבונים המעורבים במסלול האיתות Wnt, מסלול איתות TGF ואוטופגיה [24-26].

הוויסות של פעילות NEDD4-2 יכול להיות מתווך על ידי זרחון [27-29]. לדוגמה, הזרחון שלו על ידי RAC-alpha serine/threonine kinase protein 1 (AKT1) וקינאז 1 (SGK1) בנסיוב וגלוקוקורטיקואידים מוביל לגיוס חלבון המתאם 14.3.3 שמפריע ל-ENaC [27]. הזרחון של NEDD4-2מפריע גם לקישור ORAI, שמשפיע על איתות סידן [30].

מעניין לציין שהתחום C2 של NEDD4-1 ו-NEDD4-2 פועל כדומיין אוטואיביטורי של פעילות הליגאזית E3. סידן, על ידי קשירה לתחום C2, משחרר את העיכוב האוטומטי הזה. החלבון E3 Ubiquitin Protein Ligase Homolog (ITCH) שולט בספקטרום גדול של מנגנונים ביולוגיים עקב למעלה מ-50 חלבוני מטרה, כולל חלבוני Jun ושני החברים במשפחת p53, p63 ו עמ' 73 [31–33].

ITCH ממלא תפקיד בוויסות מסלול האיתות של TGF ופועל על גידול הגידול [34,35]. הוא מעורב במסלולים חשובים אחרים, כגון מסלולי איתות קיפוד, היפופוטם, Wnt ו-Notch [36-39]. הוא משתתף בתפקודים אנדוזומליים וליזוזומליים, ותגובת נזק ל-DNA [31,40,41].

ניתן להשיג ויסות של פעילות ICTH על ידי קשירה לחלבונים, כגון N4BP1 המקיים אינטראקציה עם תחום WW2 של ITCH המונע אינטראקציות עם חלבון המטרה שלו (p73a, JUN, p63).

זרחון של ITCH על ידי JNK1 מפעיל את החלבון. WW-domain המכיל חלבון 1 (WWP1) הוא חלבון רב תכליתי עם מטרות רבות, כגון Smad2, Smad4, ErbB4/HER4, JunB ו-p53. כתוצאה מכך, ל-WWP1 יש תפקיד בתעתיק, סחר בחלבונים, פירוק חלבון, אפופטוזיס וניצנים ויראליים, בין היתר. זה היה מעורב בסוגי סרטן, כגון סרטן המעי הגס וסרטן השד, מחלות זיהומיות ומחלות נוירולוגיות [42].

הוא נקשר לחלבוני היעד שלו בעיקר על ידי תחום ה-WW שלו. עם זאת, הוא נקשר ל-p53 ללא תלות בדומיין ה-WW שלו. אינטראקציה זו מווסתת ומייצבת באופן חיובי את p53 ובכך מפעילה אפופטוזיס [43]. WWP2 הוא ליגאז E3 נוסף של תת-משפחה זו שנקשר למטרות המעורבות בנתיבי איתות שונים, כגון PI3K/Akt או מסלולי TGF-. הוא גם נקשר ומווסת את ENaC [44] ומטה את ה-RNA פולימראז II [45].

בשל תפקודיו המגוונים, WWP2 היה מעורב בסרטן ובאפנון של מערכת החיסון [46]. SMAD Ubiquitylation Regulatory Factor 1 ו-2 (SMURF1 ו-SMURF2) התגלו לראשונה בתור ליגזות E3 המסוגלות ויסות שלילי של נתיבי האותות TGF-/BMP [47,48]. עם זאת, הם מעורבים גם במנגנונים אחרים.

SMURF1 מכוון למסלול Wnt הלא קנוני ולמסלול MAPK [49]. בהתאם לכך, SMURF1 מעורב בוויסות צמיחת תאים ומורפוגנזה, נדידת תאים, קוטביות ואוטופגיה.

ניתן לשפר את הפעילות הקטליטית שלו על ידי קישור לקזאין קינאז 2-באינטראקציה חלבון 1 (CKIP1) על ידי תחום ה-WW שלו [50]. SMURF1 מווסת גם את פעילות p53, ללא תלות בפעילות האנזימטית שלו, על ידי קשירה לליגאז E3 אחר, MDM2, שפעילות האוביקוויטינציה שלו תגדל.

MDM2 הוא ליגאז RING-E3 שיכוון לפירוק P53 על ידי הפרוטאזום [51]. SMURF2 מעורב במנגנונים דומים. התפקיד הכפול שלו בסרטן נדון לעתים קרובות מכיוון שהוא יכול לפעול הן כמדכא גידול והן כמפעיל. הוא מעורב גם ביציבות הגנומית על ידי פעולה על כרומטין ואפופטוזיס [49].

For more information:1950477648nn@gmail.com