Роль EIF5A у функції мітохондрій. Частина 2

Будь ласка зв'яжітьсяoscar.xiao@wecistanche.comдля отримання додаткової інформації

4. Зв'язок між elF5A і мітохондріальною функцією

Давно існують докази зв’язку між elF5A, його ферментами дефінсування та субстратом дефінсування спермідином і мітохондріальною функцією, але сума всіх даних все ще дає картину, яка є не зовсім ясною та іноді здається суперечливою. З одного боку, різні звіти задокументували, що як дефект, так і надлишок elfF5A створюють шкідливий вплив на функцію мітохондрій. Наприклад, у клітинах серцевого м’яза щурів надмірна експресія elF5A, індукована протипухлинним агентом доксорубіцином, призвела до поступового збільшення АФК і збільшення Ca2 плюс приплив у мітохондрії [54]. Ці зміни корелювали з втратою мітохондріального трансмембранного потенціалу та індукцією апоптозу, тоді як порушення експресії EIF5A1 зменшувало апоптоз. Ці результати добре узгоджувалися з результатами, опублікованими Sun et al. (2010) [124], які були отримані в клітинах людини, в яких надекспресія EIF5A1 була стимульована вірусною інфекцією, а також надекспресія мутанта EIF5A1, нездатного до дефісування. індукована апоптична загибель клітин через внутрішній мітохондріальний шлях. Підвищення рівня EIF5A1 спричинило втрату потенціалу мітохондріальної мембрани та призвело до транслокації білка X(Bax), асоційованого з маркером апоптозу В-клітинної лімфоми 2-, до мітохондрій, вивільнення цитохрому с та активації каспази. Іншим цікавим аспектом цього дослідження було те, що протеомний аналіз клітин HeLa з надлишковою експресією eIE5A показав активізацію мітохондріальних білків [124]. Таким чином, у цих дослідженнях дисрегуляція рівнів hyp-eIF5A та недефісованого білка elF5A спровокувала мітохондріальну дисфункцію та апоптоз.

Натисніть тут, щоб дізнатися більше

У випадку дріжджів, як згадувалося вище, було раніше ідентифіковано, що ізоформа elF5A, кодована геном TIF51A S.cerevisiae, потрібна для росту в присутності кисню, тоді як ізоформа, кодована геном TIF51B, індукується в умовах гіпоксії. [1]. Дійсно, зменшення білка Tif51A призводить до зниження частоти дихання мітохондрій [107]. У дріжджів ділення Schizosaccharomyces pombe точкова мутація в гені DOHH (закодованому геном MMD1) викликає чутливий до температури ріст і дефекти в мітохондріальній морфології та розподілі. При недопустимій температурі мікротрубочки, які опосередковують позиціонування мітохондрій, демонструють аберрантну організацію та мітохондрії, агреговані на двох кінцях клітини [125]. Недавні дослідження в контексті різних захворювань, таких як трансплантація нирки, інсульт та малярійна інфекція, підкреслили позитивний зв’язок між діяльністю eF5A та мітохондріями, вказуючи на інгібування hyp-eIF5A як способу захисту клітин у тимчасових ситуаціях низького рівня. доступність кисню, що інакше сприяє пошкодженню мітохондрій і загибелі клітин. Меліс та ін. (2017) [126] досліджували можливий зв’язок між дефініцією elF5A та стійкістю клітин до гіпоксії/аноксії. Вони показали, що лікування GC7-або опосередковане інгібуванням DHPS або DOHH за допомогою інтерференції РНК запобігає загибелі клітин нирок мишей, спричиненій аноксиєю. Важливо, що лікування GC7 спричинило оборотний метаболічний зсув у бік гліколізу, який супроводжувався ремоделюванням мітохондрій і зниженням експресії та активності комплексів дихального ланцюга ETC разом із зниженням швидкості споживання кисню мітохондріями та ослабленим утворенням АФК, спричиненим аноксиєю. Разом ці дані показують, що знижена активність hyp-elF5A призводить до глушіння мітохондрій. Це було підтверджено на моделях пошкодження нирок, спричинених ішемією щурів, і трансплантації нирки свині, які продемонстрували сприятливі ефекти глушіння мітохондрій через інгібування hyp-eIF5A для запобігання загибелі клітин, спричиненої аноксиєю [126]. Нещодавно та ж група використовувала модель трансплантації свині, щоб показати, що інгібування eF5A лікуванням GC7 попередньо кондиціонувало нирки для трансплантації від донорів зі смертю мозку, яка супроводжувалася зниженим споживанням кисню [127I]. Зокрема, лікування GC7, здається, зберігає антиоксидантний захист шляхом збільшення експресії протеїнів, що захищають мітохондрії (супероксиддисмутази, гемоксигенази та інших), і цілісності/гомеостазу мітохондрій шляхом зниження експресії білка I, пов’язаного з динаміном, і збільшення експресії мітофузину-2 . Ці захисні ефекти призвели до кращого результату трансплантації [127].cistanche дозування redditЗбереження мітохондріальної функції шляхом зниження її активності під час гіпоксичних умов через інгібування hyp-elF5A було знову продемонстровано тією ж групою, яка працювала з моделлю церебральної ішемії миші. Втрата потенціалу мітохондріальної мембрани є характерною ознакою загибелі нейронних клітин, пов’язаної з мітохондріальною дисфункцією, яка виникає з надмірним виробництвом АФК, вивільненням Ca² з мітохондрій і зниженням внутрішнього АТФ. Лікування GC7 зменшило ці три ефекти в нейронах, оброблених агентами деполяризації, зберігаючи потенціал мітохондріальної мембрани. In vivo GC7 зменшував обсяг інфаркту та постінсультний когнітивний дефіцит у мишей [128]. В іншому контексті дослідження на немовлятах з малярійною інфекцією показали паралельне виникнення клітинної гіпоксії, що призводить до апоптозу міоцитів серцевого шлуночка. Модель малярійної інфекції in vitro в кардіоміоцитах людини показала, що зниження рівнів hyp-elF5A за допомогою лікування GC7 призводить до зменшення вивільнення цитохрому с і лактату з пошкоджених мітохондрій і зменшує прозапальну та проапоптозну міокардіальну каспазу{{11 }} діяльність. Ці результати демонструють, що введення GC7 у моделі in vitro, що моделює малярію, запобігає пошкодженню серця, спричиненому гіпоксією [129].

Cistanche може омолоджувати старіння

Усі попередні дослідження на різних моделях та організмах чітко демонструють позитивну роль hvpusinated eF5A у сприянні мітохондріальному диханню та функції, але також вказують на те, що надлишок elF5A, з дефісом чи ні, дерегулює функціонування мітохондрій. Механізми, що лежать в основі цього зв’язку між elF5A та мітохондріями, лише починають з’ясовуватись і обговорюються в наступних розділах.

5. Поліаміни регулюють функцію мітохондрій: eIF5A-залежні та незалежні ефекти

Рівень поліамінів у клітинах ссавців суворо контролюється, і вже давно відомо, що поліаміни (спермідин, спермін та їхній попередник путресцин) виконують регуляторні функції в мітохондріях [130-132]. Вичерпання поліамінів провокує окислювальний стрес і індукує перехід мітохондріальної проникності, що в кінцевому підсумку призводить клітини до апоптозу або некрозу [133]. Навпаки, додавання сперміну до деполяризованих мітохондрій відновлює трансмембранний потенціал [134]. Вплив поліаміну на мітохондрії може здійснюватися через elF5A, враховуючи, що одна з основних ролей спермідину — це субстрат для дефінсування elF5A [12,130]. Однак, здається, що інші незалежні від elF5A ролі поліамінів можуть безпосередньо націлюватися на функцію мітохондрій. Наприклад, було виявлено, що спермідин сприяє ініціації рибосомної трансляції дріжджового COX4, однієї з субодиниць цитохром-с-оксидази (комплекс IV), у якій дефект порушує мітохондріальне дихання [135].переваги екстракту цистанчіІніціація трансляції мРНК COX4 посилюється спермідином через рибосомне шунтування, нетрадиційний спосіб ініціації трансляції, який також використовують віруси та декілька еукаріотичних мРНК, опосередкований розширеною шпильковою структурою в 5'-нетрансльованій області [136].Cistanche ЧингісханХоча elF5A не досліджувався щодо трансляції ЦОГ4, було задокументовано, що він сприяє іншим нетрадиційним способам ініціації трансляції під час вірусної інфекції [137] і для специфічних цитоплазматичних мРНК [138,139]. Глибоке розуміння механізму, через який поліаміни впливають на мітохондріальні функція дозволить розрізнити elF5A-опосередковані та незалежні ефекти.

6. Субклітинна локалізація еукаріотичного фактора ініціації трансляції 5A та його асоціація з мітохондріями

Еукаріотичний фактор ініціації трансляції 5A є дуже поширеним білком, який здебільшого локалізований у цитоплазмі. Однак були описані інші нецитоплазматичні локалізації, включаючи мітохондрії, хоча кількісна та функціональна значущість цієї альтернативної субклітинної локалізації все ще неясна. Як обговорювалося раніше, одна з субклітинних локалізацій eF5A в мембрані ER, де, здається, опосередковує котрансляційну транслокацію білків у ER [23,25.26]. Еукаріотичний фактор ініціації трансляції 5A також був виявлений в ядрі, куди він може проникати через комплекси ядерних пор завдяки своєму малому розміру [140]. Ядерні експортини для elF5A були виявлені у ссавців (Xpo4) і в дріжджах (Pdr6) [30,140]. Ядерна локалізація elF5A, здається, регулюється його оборотним ацетилюванням, модифікація, яка, здається, виключає перенос (переглянуто в [141]). Таким чином, поточний консенсус полягає в тому, що немодифікований eF5A розподіляється по всій клітині, тоді як ацетильований elF5A накопичується в ядрі, а hyp-elF5A в цитоплазмі. Було запропоновано, що переміщення ядро-цитоплазма elF5A полегшує ядерний експорт специфічних мРНК і білків, хоча ця функція не зовсім зрозуміла [141].

Було також запропоновано, що ядерний експорт elF5A опосередковується Xolo/Crm1, хоча пізніші результати стверджують, що Xolo є прямим експортином elF5A [24,57,142]. Цікаво, що інгібування Xpo1 сприяє накопиченню білка elF5A в мітохондріях клітинної лінії раку яєчників людини, де він індукує апоптоз [143]. Було виявлено, що elF5A взаємодіє з мРНК-зв’язуючим білком інсуліноподібного фактора росту 2 (IGF2BP1) у цитоплазмі, запобігаючи накопиченню elF5A в мітохондріях. Paul є ядерним експортом IGF2BP1; таким чином, інгібування ядерного експорту IGFBP1, опосередкованого Xpo1-, призводить до локалізації elF5A в мітохондріях. Отже, IGF2BP1 діє як регулятор локалізації elF5A та проапоптотичної функції в мітохондріях [143]. Інші звіти також припускають, що elF5A пов'язаний з мітохондріями. У протеомному дослідженні для визначення диференціально експресованих мітохондріальних білків у метастатичній порівняно з неметастатичною клітинною лінією карциноми носоглотки elfF5A був одним із найбільш індукованих білків із очищених мітохондрій разом із білками, залученими в мітохондріальний окислювально-відновний метаболізм, дихальний транспорт електронів та мітохондріальний мембранний потенціал [144].

Під час трансляції деяких варіантів транскриптів мРНК людського гена EIF5A1 використання альтернативного стартового кодону призводить до утворення ізоформи elF5A з розширеними 30 амінокислотами на N-кінцевій пептидній послідовності [145]. Ця довша ізоформа elF5A набагато менш ефективно перекладається, ніж канонічна elF5A, але вона також чутлива до модифікації шляхом переносу слів. Розширена N-кінцева послідовність містить передбачуваний сигнал мітохондріальної локалізації, і, справді, коли довша ізоформа elF5A була надмірно експресована в клітинах HeLa людини, вона була спільно очищена з мітохондріями [145]. Нещодавно та сама група досліджувала роль довшої ізоформи elF5A на функцію мітохондрій [146]. Вони використовували специфічну siRNA для виснаження лише довшої ізоформи elF5A, не впливаючи на канонічну, і спостерігали зниження рівня мРНК кількох генів, залучених у біогенез мітохондрій, а також зниження рівнів кількох білків OXPHOS у клітинах HeLa. На відміну від результатів виснаження канонічного elF5A, виснаження N-кінцевої розширеної ізоформи elF5A призвело до збільшення споживання кисню; однак він також викликав більше АФК і фрагментації мітохондрій, а також збільшив експресію проапоптозного білка BAK, що свідчить про те, що довша ізоформа elF5A необхідна для динаміки мітохондрій і що її виснаження призводить до мітохондріальної дисфункції та апоптозу [146]. За винятком збільшення споживання кисню, інші ефекти виснаження довшої ізоформи elF5A повторюють ті, що виявляються під час виснаження або інгібування канонічної ізоформи elF5A ссавців, підвищуючи ймовірність того, що використані стратегії, такі як інгібування переносу або інтерференція РНК, протидіють канонічній послідовності EIF5A1 також може діяти на ізоформу longelF5A.подовження життя cistancheТаким чином, спостережувані результати можуть бути наслідком відсутності менш вираженої ізоформи. Цю можливість наразі не можна виключити, і для з’ясування цього питання потрібна подальша робота. З наведених вище робіт можна зробити висновок, що роль elF5A в мітохондріях безпосередньо пов’язана з його асоціацією з цією органелою, але це все ще невизначено.

7. Молекулярна роль еукаріотичного фактора ініціації трансляції 5A у функції мітохондрій

Дослідження, розглянуті в попередніх розділах, демонструють, що elF5A необхідний для правильної функції мітохондрій; однак результати все ще спантеличують. Тут ми розглядаємо останні роботи, які пропонують різні молекулярні механізми, через які elF5A може впливати на продуктивність мітохондрій.

Результати, представлені Puleston et al. (2019) [147] розкривають роль elF5A в мітохондріях. По-перше, автори показали, що інгібування hyp-elF5A обмежує мітохондріальний OXPHOS у клітинах ссавців і що hyp-eF5A необхідний для посилення дихання в умовах обмеженого гліколізу. Крім того, автори продемонстрували в OXPHOS-залежному контексті активації макрофагів миші, що інгібування hyp-eF5A знижує активність циклу TCA і знижує експресію багатьох мітохондріальних білків на рівні білка, не впливаючи на рівні мРНК. Ці результати узгоджуються з попередніми результатами Melis et al. (2017)[126]. Чутливі до eIF5A мітохондріальні білки, ідентифіковані Puleston et al. (2019) [147], включали компоненти комплексу ETC, деякі ферменти TCA (наприклад, сукциніл-КоА-синтетазу та сукцинатдегідрогеназу) та ферменти, що живлять TCA (наприклад, піруватдегідрогеназу). Однак інші білки TCA зазнали меншого впливу (наприклад, цитратсинтаза та ізоцитратдегідрогеназа), а ферменти гліколізу не зазнали впливу, що вказує на специфічність ефекту. Автори досліджували можливість того, що трансляція специфічних мітохондріальних сигналів націлювання (MTS) залежала від hyp-elF5A. Вони показали, що маса деяких білків, чутливих до hyp-eIF5A, була достатньою для забезпечення ефективності залежної від hyp-eF5A трансляції при злитті з репортерними білками. Puleston та ін. (2019) [147] дійшли висновку, що hyp-eIF5A регулює мітохондріальне дихання, принаймні частково, сприяючи трансляції MTS деяких мітохондріальних білків, що є важливим кроком, коли потреба в OXPHO зростає, наприклад, під час макрофагів. активація. Хоча послідовності MTS містять відрізки повторюваних амінокислот і багаті зарядженими амінокислотами, які можуть уповільнити трансляцію. За словами авторів, незрозуміло, як hyp-elF5A впливає на ефективність трансляції деяких із цих MTS, але не інших. зі схожими глобальними характеристиками.

Нові дослідження захисної ролі інгібування elF5A під час ішемії нирки детально описали метаболічний перехід від аеробного окисного фосфорилювання до анаеробного гліколізу при лікуванні GC7 і показали, що таке лікування регулює експресію транспортерів глюкози [148]. У проксимальних ниркових клітинах під дією інгібування дефініції elF5A споживання кисню зменшилося, але споживання глюкози та відтік лактату зросли, а також залежність від імпорту глюкози та гліколізу, демонструючи метаболічний зсув до ексклюзивного анаеробного гліколізу. Під час інгібування GC7 in vitro та in vivo відтік глюкози з проксимальних клітин нирок був порушений через придушення полегшеного транспортера глюкози GLUT1, таким чином збільшуючи доступність глюкози в проксимальних клітинах. Ці результати пояснюють виживання клітин нирки в умовах гіпоксії, причому енергетичні потреби задовольняються переходом до анаеробного гліколізу. Однак молекулярні причини цієї метаболічної зміни неясні, враховуючи, що GLUT1 не містить передбачуваних elF5A-залежних пептидних мотивів. Також невідомо, чи є підвищення рівня внутрішньоклітинної глюкози в результаті інгібування GLUT1 причиною чи наслідком цієї метаболічної зміни, опосередкованої GC7- [148].

Ще одне нещодавнє дослідження встановило молекулярний зв’язок між eIF5A та процесом злиття мітохондрій [149]. Його автори досліджували роль транскрипційного фактора Крюппеля 5 (Klf5) для серцево-судинного ремоделювання у старінні судин і виявили, що Klf5 безпосередньо зв’язується з промотором EIF5A та активує його транскрипцію для збереження цілісності мітохондрій. Модуляція elF5A за допомогою Klf5 одночасно модулювала вміст АТФ, виробництво АФК і динаміку мітохондрій. Важливо, що elF5A фізично взаємодіяв з мітофузином 1 (Mnf1), трансмембранним білком зовнішньої мітохондріальної мембрани, який є ключовим регулятором злиття та цілісності мітохондрій. Еукаріотичні фактори ініціації трансляції 5A та Mnf1 спільно локалізовані в мітохондріях і сприяли формуванню мереж злитих мітохондрій. Навпаки, зниження регуляції elF5A через дефіцит Klf5 або під час старіння судин призвело до поділу мітохондрій і призвело до судинних захворювань [149]. Хоча точні механізми, за допомогою яких підтримується цілісність мітохондрій через взаємодію elF5A з Mnf1, ще належить з’ясувати, відомо, що збалансоване злиття та поділ мітохондрій координує не лише форму, розмір і кількість мітохондрій, але й енергетичний метаболізм, клітинний цикл. , мітофагія та апоптоз [150].

Як згадувалося в попередніх розділах, добре відомо, що функція мітохондрій з віком знижується [83]. В останні кілька років різні моделі in vitro та in vivo використовувалися для демонстрації сильного зв’язку між добавками спермідину та продовженням життя в модельних організмах, а також уповільненим старінням у модельних організмах і людях. Цей зв’язок нещодавно досліджувався, і ефекти спермідину при старінні здебільшого опосередковані спермідином-індукованим перенесенням elF5A, що зберігає функцію мітохондрій.

Давно задокументовано, що зниження поліамінів відбувається в клітинних культурах ссавців і органах людини під час старіння [151,152]. У 2009 році робота Eisenberg et al. (2009)[153] показали, що екзогенне додавання спермідину подовжує тривалість життя в клітинах дріжджів, мух, хробаків і людини. Спермідин також зменшив віковий окислювальний стрес у мишей. Навпаки, виснаження поліамінів зменшило тривалість життя дріжджів і збільшило виробництво АФК і некроз. Автори спостерігали кореляцію між довголіттям, індукованим спермідином, і гіпоацетилюванням гістону H3, що призвело до активації генів аутофагії ATG7, ATG11 і ATG15 і сприяло аутофагії у всіх досліджуваних модельних організмах, що було вирішальним для поліаміну. -покращене довголіття [153].

Про сприятливий вплив добавок спермідину на старіння також повідомлялося в різних організмах у зв’язку з різними віковими аспектами, пов’язаними зі сприянням аутофагії [154,155], але також незалежно [156]. Було доведено, що спермідин полегшує серцево-судинне старіння, покращує пам’ять і знижує смертність від раку, серед інших корисних ефектів [157].cistanche нзПосередництво ефектів спермідину через індуковану дефініцію elF5A нещодавно було показано в дослідженнях В-клітинного імунітету у літніх людей. Стимульована спермідином гіфенація elF5A відновлювала В-клітинний імунітет у старих мишей шляхом сприяння аутофагії [43]. Hyp-elF5A підтримував аутофагію через трансляцію фактора транскрипції аутофагії TFEB, який містить поліпролінові мотиви у своїй амінокислотній послідовності. Під час старіння відбувається зниження рівнів TFEB разом із рівнями hyp-eF5A та спермідину, що призводить до збоїв в імунній системі [43]. Цікаво, що протеомний аналіз, проведений у цьому дослідженні з первинними B-клітинами, обробленими GC7, показав знижену експресію TFEB, але не продемонстрував раніше показану аутофагічну мішень elF5A ATG3 у ссавців і Caenorhabditis elegans [42], що свідчить про вплив клітинного контексту. І ATG3, і TFEB містять мотиви поліпроліну, сприйнятливі до залежності від elF5A, і забезпечують механічний зв’язок між hyp-elF5A та аутофагією, хоча присутність лише мотивів поліпроліну в білковій послідовності не виглядає достатньою у всіх випадках, щоб спричинити зниження рівня білка шляхом інгібування hyp- eIF5A [43,158].

Механістичні зв’язки між позитивним впливом спермідину на зменшення симптомів, пов’язаних із віком, і роллю hyp-elF5A у підтримці функціональних мітохондрій були досліджені в останніх дослідженнях. Шредер та ін. (2021) [159] досліджували старих мишей і виявили, що спермідин, що вживається в їжу, проходить через гематоенцефалічний бар’єр, посилюючи дефініцію elF5A в гіпокампі. Старі миші, яких годували спермідином, показали покращення в кількох когнітивних тестах. Автори також показали більш високе мітохондріальне дихання в мозку миші та мух, хоча результати у мишей залежали від статі та віку. Раніше було запропоновано, що аутофагія має вирішальне значення для контролю якості мітохондрій під час старіння та нейродегенерації [160]. Відповідно, у дрозофіли пригнічення важливого гена аутофагії Atg7, асоційованої з мітофагією PTEN-індукованої передбачуваної кінази (Pink1) і гомолога людської E3 убіквітинлігази Parkin (Park) усуває опосередковане спермідином поліпшення дихання [159] . Ці результати узгоджуються з результатами [161] у C.elegans, де інгібування спермідином нейродегенерації та старіння залежало від PINK1 та ортолога PDR1 хробака Паркіна, які опосередковують мітофагію.

Сприятливий вплив спермідину на когнітивні функції мітохондрій і мозку може бути опосередкований ефектором eIF5A [159,162]. Старіючі дрозофіли при додаванні спермідину містили більш високі рівні білків, залучених до OXPHOS, але не більш високі рівні відповідної мРНК, і це корелювало з вищим максимальним диханням і кількістю мітохондрій у мозку. У старому мозку дрозофіли рівні спермідину та hyp-elF5A впали, і обидва вони могли бути підвищені додаванням поліаміну до середини віку, хоча не в дуже старому мозку дрозофіли. Різні генетичні підходи до часткового зменшення дефініції elF5A в мозку мухи призвели до зниження мітохондріального дихання, а кількісний протеомний аналіз вказав на зниження регуляції білків мітохондрій, зокрема білків OXPHOS. Цікаво, що більшість позитивних ефектів на функцію мітохондрій, викликаних добавками спермідину, були скасовані шляхом зниження hyp-eF5A в мозку мух. Liang et al. (2021) 162] також досліджували, чи була дефісація elF5A причиною згаданого раніше збільшення тривалості життя, отриманого у мух, мишей та інших організмів із додаванням спермідину [153,163,164]. Вони помітили, що продовження життя було скасовано у мух з дефіцитом переносу [162]. Нарешті, спермідин полегшив зниження локомотивних функцій і функцій пам’яті літніх мух, тоді як ослаблення дефініції elF5A посилило ці шкідливі для віку ефекти, і, що важливо, позитивні ефекти спермідину на рух і пам’ять були в основному втрачені у тварин, ослаблених гіпузином elF5A. . Ці останні результати узгоджуються з іншим недавнім дослідженням, у якому зниження активності дезоксигіпузинсинтази було пов’язане з розладом нервового розвитку у людей [165]. Незважаючи на те, що результати, повідомлені Liang та ін. (2021) [162], підтвердили молекулярний зв’язок між сприятливим впливом спермідину на продуктивність старих мітохондрій і функції мозку з дефінсуванням elF5A, Шредер та ін. (2021) [159] вказали на роль hyp-elF5A у підтримці контролю якості мітохондрій шляхом аутофагії/мітофагії, механічні молекулярні деталі все ще відсутні, і до кінця не зрозуміло, як аутофагія/мітофагія безпосередньо впливає на роботу мітохондрій.

8. Перспективи ідентифікації мітохондріальних процесів і мішеней під контролем eIF5A

Основна молекулярна роль, яку приписують elF5A, полягає в полегшенні трансляції специфічних підмножин білків, що містять elF5A-залежні мотиви [10,11]. Проте були запропоновані інші менш охарактеризовані молекулярні ролі, пов’язані зі здатністю elF5A зв’язувати РНК і регулювати їх метаболізм. З наведених вище результатів стає зрозуміло, що належні рівні hyp-elF5A необхідні для збереження OXPHOS і функції мітохондрій. Дослідження, описані вище, припустили, що elF5A може брати участь у трансляції специфічних мітохондріальних білків, що містять elF5A-залежний MTS, у регулюванні потоку метаболітів до мітохондрій для підтримки аеробного метаболізму через регуляцію транспортерів глюкози, у підтримці мітохондріальної динаміки через взаємодію з білками, залученими в злиття мітохондрій (Mnf1), у сприянні аутофагії шляхом сприяння синтезу ATG3 і TFEB, або, зокрема, в мітофагії через механізм, який залежить від білків PINK1 і Park. Щоб розрізнити та підтвердити ці ролі, буде необхідно ідентифікувати конкретний молекулярний процес та/або конкретні білкові мішені та умови під прямим контролем elF5A.

У спробі ідентифікувати мітохондріальний білок-кандидатів для прямої elF5A-залежної трансляції, ми шукали пептидні мотиви, що викликають elF5A-залежну зупинку рибосом [11] у мітохондріальному протеомі S. cerevisiae. Ми виявили, що кількість мотиву elF5A в 1117 мітохондріальних білках, кодованих ядром, лише трохи вища, ніж у загальних білках дріжджів, але ці мотиви майже не представлені в 10 білках, кодованих мітохондріальною ДНК (рис. 2). Білки, що беруть участь у циклі TCA, демонструють у середньому 3,3 мотиви/білок, що вище, ніж середній показник у загальному дріжджовому протеомі (2,8 мотивів/білок) і набагато вище, ніж у білках OXPHOS (1,8 мотивів/білок). Однак найбільш представлені eIF5A-залежні мотиви були однаковими (GGA, GGG і KPG) у білках TCA та OXPHOS, лише з двома мотивами PPP: один у ферменті сукциніл-КоА-лігази (Lsc1)TCA, а інший у субодиниці сукцинатдегідрогенази (Sdh4), яка бере участь у циклі TCA та OXPHOS.

Рисунок 2. Розподіл elF5A-залежних мотивів у мітохондріальних білках Saccharomyces cerevisiae. Розподіл 43 elF5A-залежних рибосомо-паузуючих трипептидних мотивів [1l] у білках цілого геному дріжджів (a), ядерно-кодованих мітохондріальних білках (b), мітохондріально-кодованих білках (c), цикл трикарбонової кислоти (TCA) (d), окисне фосфорилювання (OXPHOS) (e) і функціональна категорія генної онтології мітохондріальної організації (f). У таблиці показано білки, залучені в мітохондріальну організацію з принаймні одним мотивом PPP. Індекс білкової паузи (PPI) розраховується як сума кількісного значення рибосомної паузи, спровокованої виснаженням elF5A в кожному з 43 найвищих elF5A-залежних трипептидних мотивів [11], знайдених в амінокислотній послідовності кожного білка. і вищий у білках, які ймовірно більше залежать від elF5A для їх трансляції. Пошук дріжджових мітохондріальних білків з більш довгими поліпроліновими мотивами показав, що Ytal2, Srv2 і Tim50 містять ділянки до дев'яти, шести і семи послідовних пролінів відповідно (рис. 2). Yta12 (гомологічний людському AFG3L2) є частиною консервативної мітохондріальної m-AAA протеази, яка складається з білків Afg3 і Yta12 і розташована на внутрішній мітохондріальній мембрані (рис. 3). Ytal2/Afg3 регулює мітохондріальний протеостаз, опосередковуючи дозрівання білка і деградації і необхідний для правильного складання мітохондріальних ферментних комплексів [166]. Цікаво, що комплекс Ytal2/Afg3 також бере участь у зрощенні мітохондріальних мРНК, що містять інтрони COXT і COB, які кодують субодиницю 1 цитохромоксидази та цитохром b відповідно, які є частиною ETC. Таким чином, дефіцит Yta12/Yta10 спричиняє низьке дихання через, серед інших ефектів, недостатнє збирання ETC[167]. Srv2 (гомолог CAP1 і CAP2 людини) опосередковує збирання актину в мітохондріях, а делеція Srv2 викликає подовжені гіперзлиті мітохондрії та зменшує дихання. Цікаво, що Srv2 взаємодіє з мітохондріальним поділом GTPase Dnm1/DRP1 [168]. Нарешті, Tim50 (гомолог TIMM50 людини) є важливою субодиницею комплексу TIM23 внутрішньої мембрани мітохондрій, який опосередковує імпорт більшості мітохондріальних білків через розпізнавання їх MTS (рис. 3) [169]. Хоча ці три білки є спокусливими кандидатами для посередництва впливу elF5A на мітохондріальну функцію, наявність поліпролінових ділянок не є достатньою вимогою для створення залежності від elF5A [43,158]. Подальші дослідження визначатимуть точні механічні зв’язки між elF5A та вже описаними hyp-eIF5A-чутливими мітохондріальними білками та ідентифікуватимуть нові мітохондріальні білки-мішені та процеси під контролем elF5A (рис. 3).

Рисунок 3. Клітинні функції elF5A та модель його ролі в підтримці активності мітохондрій. Відомо, що elF5A бере участь у різних клітинних процесах, хоча найбільш відповідні та пов’язані з мітохондріями з них представлені на малюнку. Зв’язаний з рибосомами, hyp-elF5A полегшує подовження трансляції за певними мотивами [10,11], а також трансляцію, пов’язану з ER [23,25,26]. У ядрі eIF5A допомагає експортувати певні мРНК і білки [141]. elF5A відіграє суперечливу роль в апоптозі, оскільки було визначено, що він необхідний для індукції опосередкованого мітохондріями апоптозу [124,146], але також призводить до смерті клітини. при гальмуванні [133]. Hyp-elF5A сприяє аутофагії через трансляцію факторів аутофагії ATG3 (пов’язаний з аутофагією 3) і TFEB (фактор транскрипції EB) [42A43]. Все більше доказів показує прямий зв’язок між hyp-elF5A та функцією мітохондрій. На додаток до його асоціації з мітохондріями [143-146], деякі білки обох TCA, як було описано, безпосередньо чи опосередковано впливають на інгібування hyp-elF5A [126,147]. Було також запропоновано, що hyp-eF5A може опосередковувати мітофагію через білки ATG7 (Autophagy Related 7), Pink1 (передбачувана кіназа, індукована мітофагією PTEN) і Park (E3 убіквітинлігаза Паркін) [170]. Інші білки, що беруть участь у мітохондріальному транспорті білків, кодованих ядром, і організації мітохондрій вважаються передбачуваними мішенями elF5A (рис. 2). Серед них інтегральні білки мітохондріальної внутрішньої мембрани Yta12 (протеаза комплексу Yta12/Afg3 і дріжджовий гомолог людського AFG3L2) і Tim50 (основна субодиниця комплексу TIM23 і дріжджовий гомолог людського TIMM50) містять довгі поліпролінові ділянки у своїх аміногрупах. кислотних послідовностей, що свідчить про можливу залежність від elF5A для їх трансляції та, таким чином, про можливий зв’язок між hyp-elF5A та мітохондріальною функцією. Обробку малюнка проводили за допомогою програмного забезпечення BioRender.

Авторські внески:Концептуалізація, MB-A.and PA; написання — підготовка оригіналу, MB-A.і PA; написання — перегляд і редагування, MB-A.and PA; отримання фінансування, PAAвсі автори прочитали та погодилися з опублікованою версією рукопису.

Фінансування:Це дослідження було профінансовано Generalitat Valenciana (AICO/2020/086) та Міністерством науки та інновацій Іспанії (PID2020-120066RB-I00) для PAMB-A. є стипендіатом переддокторської стипендії (FPU2017/03542) від Міністерства науки, інновацій та університетів Іспанії.

Подяки:Автори висловлюють подяку за підтримку всім членам лабораторії GFL.

Конфлікт інтересів:Автори заявляють про відсутність конфлікту інтересів. Спонсори не брали участі в розробці дослідження; у написанні рукопису або в рішенні опублікувати результати.

Ця стаття взята з Int. J. Mol. наук. 2022, 23, 1284. https://doi.org/10.3390/ijms23031284 https://www.mdpi.com/journal/ijms