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分子伴侶介導(dǎo)的自噬對神經(jīng)細(xì)胞穩(wěn)態(tài)的重要調(diào)節(jié)作用

瀏覽次數(shù):759 發(fā)布日期:2021-9-6  來源:MedChemExpress
自噬是細(xì)胞在外界環(huán)境因素的影響下,利用溶酶體,降解自身受損、變性大分子物質(zhì)或者細(xì)胞器的自我消化過程。依據(jù)其發(fā)生途徑,主要分為三種:巨自噬 (Macroautophagy),微自噬 (Microautophagy) 和分子伴侶介導(dǎo)的自噬 (Chaperone-mediated  autophagy, CMA)。

巨自噬過程中,自噬體的雙膜囊泡將受損的蛋白質(zhì)/細(xì)胞器傳遞至溶酶體進(jìn)行降解,通常文獻(xiàn)中提到的自噬指的是巨自噬。微自噬也通過囊泡將物質(zhì)輸送到溶酶體,溶酶體膜內(nèi)陷,降解方式直接了當(dāng)。

分子伴侶介導(dǎo)的自噬:與前兩種自噬不同,伴侶介導(dǎo)的自噬不使用囊泡,這種自噬方式具有高度選擇性,常借助伴侶蛋白 Hsc70,特異性降解帶有獨(dú)特識別五肽基序 (KFERQ 樣) 的靶蛋白,溶酶體膜上的受體蛋白 LAMP2A 識別結(jié)合蛋白暴露的 KFERQ 基團(tuán),“引導(dǎo)”目的蛋白進(jìn)入溶酶體降解。

圖 1. 三種不同的自噬途徑[2]
A. 巨自噬;B. 微自噬;C. 伴侶介導(dǎo)的自噬

神經(jīng)退行性疾病中,神經(jīng)細(xì)胞往往會(huì)累積大量無法降解的蛋白,通過溶酶體自噬過程降解蛋白是細(xì)胞清除異常蛋白的主要方式。已有報(bào)道,CMA 涉及神經(jīng)退行性疾病病原蛋白質(zhì) (如 α-syn 和 tau) 的降解,然而關(guān)于神經(jīng)退行性疾病中 CMA 的失去功能導(dǎo)致的后果尚未清楚。

近日,Ana Maria Cuervo 等人在 Cell 上發(fā)表了題為 Chaperone-mediated autophagy prevents collapse of the neuronal metastable proteome 的文章,揭示了 CMA 對神經(jīng)細(xì)胞穩(wěn)態(tài)的重要調(diào)節(jié)作用。


 2. Ana Maria Cuervo 等人發(fā)表的 CMA 相關(guān)文章

在這篇文章中,研究者們分別構(gòu)建了全身性 LAMP2A (L2A) 敲除模型 (L2A-/-) 和神經(jīng)元條件敲除 L2A/LAMP2a (CKL2A-/-) 小鼠模型 (圖 3A),來分析 CMA 對維持神經(jīng)元蛋白質(zhì)穩(wěn)態(tài)的作用。還建立了模擬巨自噬缺失 (ATG7 的條件性敲除) CKATG7-/- 小鼠模型 (圖 3B),并與 CKL2A-/- 小鼠模型對比,來分析 CMA 和巨自噬這兩條自噬通路對神經(jīng)元蛋白變性的特定作用。(CTR 組小鼠為不做敲除的對照組)。

圖 3. 建立小鼠實(shí)驗(yàn)?zāi)P?/SPAN>
A. L2A 的全身性敲除和條件敲除;B. ATG7 的條件性敲除

CKL2A-/- 小鼠和 L2A-/- 小鼠所表現(xiàn)出的神經(jīng)損害行為
首先,研究者們發(fā)現(xiàn),CKL2A-/- 小鼠和 L2A-/- 小鼠與對照組 (CTR) 相比,行為學(xué)測試得分更高,后肢緊握進(jìn)展更快 (圖 4A),這兩種小鼠還均表現(xiàn)出了感覺運(yùn)動(dòng)功能障礙和 Y 型迷宮中短時(shí)記憶減少 (圖 4B-C) 。只有 L2A-/- 小鼠表現(xiàn)出類似帕金森疾病的步態(tài)特征,如步幅減少 (圖 4D)。此外,CKL2A-/- 小鼠還表現(xiàn)出了神經(jīng)變性的常見表型,如有空間工作記憶減少和筑巢行為顯著減少的趨勢 (圖 4E-F)。
以上結(jié)果顯示,神經(jīng)元 L2A 缺失的小鼠表現(xiàn)出 L2A 系統(tǒng)性缺失小鼠的大部分行為輸出。


圖 4. L2A 缺失小鼠表現(xiàn)出行為障礙A. 鼠爪抓力測定;B-C、E. Y 型迷宮行為學(xué)檢測;D. 步態(tài)分析;F. 筑巢試驗(yàn)

神經(jīng)元 CMA 缺陷導(dǎo)致蛋白質(zhì)穩(wěn)態(tài)的破壞
作者團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn),在 6 個(gè)月大的 L2A-/- 小鼠的海馬體中,出現(xiàn)了脂褐質(zhì)和 K63 泛素化蛋白的積累 (兩個(gè)蛋白是溶酶體降解的靶蛋白),CKL2A-/- 小鼠的海馬體的錐體神經(jīng)元中也發(fā)現(xiàn)了類似特征 (圖 5A-B)。同時(shí) CKL2A-/- 小鼠皮質(zhì)的免疫印跡分析顯示,氧化蛋白泛素化蛋白累積 (圖 5C-D),這些結(jié)果表明 CMA 缺失會(huì)導(dǎo)致神經(jīng)元蛋白穩(wěn)態(tài)的破壞

圖 5. CMA 缺失會(huì)導(dǎo)致神經(jīng)元蛋白穩(wěn)態(tài)的破壞A. 海馬體中的脂褐素?zé)晒鈾z測;B. K63 泛素化蛋白的檢測;C-D. 氧化蛋白和泛素化蛋白積累的檢測
 
緊接著,研究者們分離 CTR 組和 CKL2A-/- 小鼠皮層 Sarkosy 不可溶蛋白,進(jìn)行了定量蛋白組學(xué)的分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明 CKL2A-/- 小鼠大腦聚集了大量不可溶蛋白,且這些蛋白 76% 含有 KFERQ 樣基序,原本易于聚集的帶有 KFERQ 樣基序的蛋白質(zhì) (例如 α-syn、tau、UCHL1 和 PARK7 等蛋白) 向不溶性蛋白的轉(zhuǎn)變增多 (圖 6B)。研究者們還分析了過飽和分?jǐn)?shù),發(fā)現(xiàn)  CKL2A-/- 小鼠的不溶性蛋白質(zhì)中的過飽和分?jǐn)?shù)顯著增加 (20.37 倍)。

圖 6. 神經(jīng)元 CMA 被阻斷后蛋白質(zhì)組的變化A. 總蛋白質(zhì)和易于聚集的蛋白質(zhì)的富集;B. 帶有 KFERQ 樣基序的蛋白質(zhì)向不溶性蛋白轉(zhuǎn)變;C. 過飽和蛋白分?jǐn)?shù)的增加

以上結(jié)果表明,在 CMA 缺陷時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)椴蝗苄缘牡鞍踪|(zhì)組是過飽和蛋白質(zhì)組中的一部分,并且神經(jīng)元 CMA 缺失會(huì)導(dǎo)致蛋白質(zhì)組的破壞。

CMA 和巨自噬對神經(jīng)元蛋白質(zhì)變性的影響不同
下一步,研究者們在 CKATG7-/- 小鼠和 CKL2A-/- 小鼠模型中,通過比較蛋白質(zhì)組學(xué)來闡明 CMA 和巨自噬對神經(jīng)元蛋白質(zhì)變性的特定作用。
不溶性蛋白質(zhì)組的基因集富集和富集圖分析 (圖 7A) 結(jié)果表明,CKATG7-/- 小鼠和 CKL2A-/- 小鼠中發(fā)生變化的蛋白質(zhì)組不相同。CKATG7-/- 導(dǎo)致細(xì)胞周期和泛素化蛋白酶體分解代謝過程相關(guān)的蛋白變化 (藍(lán)色箭頭指出),而與 CMA 缺陷與蛋白質(zhì)運(yùn)輸和代謝有關(guān) (紅色箭頭指出)。
細(xì)胞外酸化率 (ECAR) 的測定結(jié)果表明,CKL2A-/- 神經(jīng)元中糖酵解的顯著減少 (圖 7B),而且很多糖酵解酶也在 CKL2A-/- 小鼠的不溶性蛋白部分中增加,如丙酮酸脫氫酶 (PDH) (圖 7C)。


圖 7. 神經(jīng)元蛋白質(zhì)組不同亞群的變化分析
A. 不溶性蛋白基因集富集分析;B. 細(xì)胞外酸化率 (ECAR) 的測定;C: 糖酵解酶表達(dá)的減少

雖然已有報(bào)道阻斷巨自噬也會(huì)影響神經(jīng)元糖酵解,但實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,L2A 和 ATG7 敲低對糖酵解特性的影響并不同。以上結(jié)果表明,CMA 缺陷神經(jīng)元蛋白質(zhì)組向不溶性蛋白轉(zhuǎn)變后導(dǎo)致的結(jié)果區(qū)別于巨自噬。

基于上面的研究,推斷:神經(jīng)元 CMA 被直接阻斷后,不溶性蛋白的積累和神經(jīng)元功能的改變,這可能增加神經(jīng)退行性疾病的易損性并加速疾病進(jìn)展。

研究者建立了 hTauP301L 過表達(dá)小鼠,結(jié)果表明:其神經(jīng)細(xì)胞的 CMA 活性降低,CMA 斑點(diǎn)數(shù)目明顯減少 (圖 8A)。研究者還建立了 P301S tau 轉(zhuǎn)基因小鼠,在該模型中使用了 CA77.1 (AR7 的衍生物) 在體外激活 CMA 且不影響巨自噬 (圖 8B)。在體內(nèi),CA77.1 給藥使得原本“凌亂”的 PS19 小鼠的正; (圖 8C),并顯著減少了海馬、杏仁核和梨狀皮層中含有致病性 tau 構(gòu)象的神經(jīng)元的數(shù)量 (圖 8D)。


圖 8. CMA 的化學(xué)激活改善了 hTauP301L 和 PS19 小鼠的神經(jīng)病理特征
A. hTauP301L 小鼠神經(jīng)元 CMA 染色;B. CA77.1 體外激活 CMA;C. P301S tau 小鼠的行為測試;D. 海馬體免疫組化染色

總結(jié):

這篇文章充分證明了分子伴侶自噬 (CMA) 對神經(jīng)細(xì)胞穩(wěn)態(tài)具有重要調(diào)節(jié)作用。

研究者們通過具有全身性和神經(jīng)元特異性 CMA 阻斷的小鼠模型,證明了神經(jīng)元 CMA 的缺失導(dǎo)致蛋白質(zhì)毒性和神經(jīng)元功能障礙。CMA 缺失還會(huì)使原本易于聚集的 KFERQ 樣基序蛋白質(zhì)向不溶性蛋白轉(zhuǎn)變。

通過神經(jīng)元特異性 CMA 和 ATG7 缺失小鼠模型,證明了 CMA 和巨自噬在調(diào)控神經(jīng)元蛋白質(zhì)穩(wěn)態(tài)中與神經(jīng)變性的亞蛋白質(zhì)組并不相同。

 
分子伴侶介導(dǎo)的自噬相關(guān)產(chǎn)品
AR7
體外特異性激活伴侶介導(dǎo)的自噬 (CMA) 活性,且不影響巨自噬。
QX77
伴侶介導(dǎo)自噬 (CMA) 激活劑,AR7 的結(jié)構(gòu)衍生物。QX77 誘導(dǎo) Rab11表達(dá)上調(diào)。
CA77.1
AR7 的衍生物,具有腦滲透性和口服活性的 CMA 的激活劑,可用于神經(jīng)相關(guān)疾病的研究。
Thioflavine S
熒光標(biāo)記物,可染色淀粉樣斑塊,可用于阿爾茲海默癥等疾病的研究。
Hoechst 33342
發(fā)藍(lán)色熒光的 DNA 染料,可通透過細(xì)胞膜。
β-Amyloid 蛋白相關(guān)產(chǎn)品
β-Amyloid (1-42), human TFA
β-Amyloid (1-42), human TFA  是由 42 個(gè)氨基酸組成的肽,是構(gòu)成老年斑和神經(jīng)纖維纏結(jié)的主要成分,在阿爾茨海默病的發(fā)病機(jī)制中起關(guān)鍵作用。
β-Amyloid (25-35)
β-Amyloid (25-35) 是 β-淀粉樣蛋白的活性片段,可誘導(dǎo)阿爾茨海默病相關(guān)的神經(jīng)毒性。
β-Amyloid (1-42), rat TFA
β-Amyloid (1-42), rat TFA  是由 42 個(gè)氨基酸組成的肽,有神經(jīng)毒性作用,可用于阿爾茲海默癥的相關(guān)研究。
β-Amyloid (42-1), human
Amyloid β Peptide (42-1) (human) 是 β-Amyloid (1-42) 的無活性形式?捎米麝幮詫φ。
巨自噬相關(guān)產(chǎn)品
自噬激活劑
包含 Rapamycin,MG-132 等多種有效的自噬激活劑。
自噬抑制劑
包含 3-Methyladenine (3-MA) ,Resatorvid (TAK-242) 等近 200 種有效的自噬抑制劑。
自噬化合物庫
收錄了 900+ 種自噬信號通路相關(guān)的產(chǎn)品,是研究自噬相關(guān)調(diào)控及疾病的有用工具。
MCE 的所有產(chǎn)品僅用作科學(xué)研究或藥證申報(bào),我們不為任何個(gè)人用途提供產(chǎn)品和服務(wù)



參考文獻(xiàn)
1. Evripidis Gavathiotis, Ana Maria Cuerv, et al. Chaperone-mediated autophagy prevents collapse of the neuronal metastable proteome. Cell2021 May 13;184(10):2696-2714.e25.
2. Susmita Kaushik, Ana Maria Cuervo, et al. The coming of age of chaperone-mediated autophagy. Nat Rev Mol Cell Biol. 2018 Jun;19(6):365-381.
3. Esteban-Martı´nez, L., Sierra-Filardi, E., McGreal,R.S., Salazar-Roa, M, et al. Programmed mitophagy is essential for theglycolytic switch during cell differentiation.EMBO J. 36, 1688-1706.

 
來源:上海皓元生物醫(yī)藥科技有限公司
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