Chaperone-medierad autofagi

Chaperone-medierad autophagy ( CMA ) hänvisar till chaperonberoende urval av lösliga cytosoliska proteiner som sedan riktas mot lysosomer och direkt translokeras över lysosommembranet för nedbrytning. De unika egenskaperna hos denna typ av autofagi är selektiviteten på de proteiner som bryts ned av denna väg och den direkta överföringen av dessa proteiner över det lysosomala membranet utan krav på bildning av ytterligare vesiklar ( Figur 1 ).

Molekylära komponenter och steg

Proteinerna som bryts ned genom CMA är cytosoliska proteiner eller proteiner från andra fack när de väl når cytosolen. Därför finns några av komponenterna som deltar i CMA i cytosolen medan andra är belägna vid det lysosomala membranet ( tabell I ).

Specifikt urval av proteiner för nedbrytning i alla former av autofagi kom till ytterligare förståelse när studier upptäckte rollen av chaperones som hsc70. Även om hsc70 riktar cytosoliskt protein till CMA baserat på specifik aminosyrasekvensigenkänning, fungerar det annorlunda när proteiner riktas mot makro- eller mikroautofagi.

aminosyrasekvens ha ett pentapeptidmotiv som är biokemiskt relaterat till KFERQ. Detta CMA-inriktade motiv känns igen av en cytosolisk chaperon, värmechockbekänt protein på 70 kDa (hsc70) som riktar substratet till lysosomytan. Detta substratprotein-chaperonkomplex binder till lysosomassocierat membranprotein typ 2A (LAMP-2A), som fungerar som receptorn för denna väg. LAMP-2A, ett membranprotein med enstaka spann, är en av de tre splitsade varianterna av en enkel gen lamp2 . De andra två isoformerna LAMP-2B och LAMP-2C är involverade i makroautofagi respektive vesikulär trafficking. Substratproteiner genomgår utveckling efter bindning till LAMP-2A i en process som sannolikt medieras av det membranassocierade hsc70 och dess co-chaperones Bag1, hip, hop och hsp40, som också detekteras vid det lysosomala membranet. Denna bindning av substrat till monomerer av LAMP-2A utlöser sammansättningen av LAMP-2A-multimerer som fungerar som det aktiva translokationskomplexet genom vilket substraten kan passera efter uppveckning. Här väljer translokationskomplexet endast substratproteinerna som kan utvecklas för internalisering av lysosomerna. Till exempel visade forskning med artificiellt CMA-substrat att hsc70-chaperonbindning till substrat eller lysosomal bindning inte nödvändigtvis kräver att substratproteinet kan vecklas ut, men lysosomal translokation gör utveckling som ett nödvändigt kriterium för att det ska internaliseras. Substrattranslokation kräver närvaro av hsc70 inuti det lysosomala lumen, vilket kan verka genom att antingen dra substrat in i lysosomerna eller förhindra att de återgår till cytosolen. Efter translokation bryts substratproteinerna snabbt ned av de lysosomala proteaserna. Figur 1 visar de olika stegen i CMA.

Det begränsande steget för CMA är bindningen av substratproteinerna till LAMP-2A och följaktligen korrelerar nivåerna av LAMP-2A vid det lysosomala membranet direkt med CMA-aktivitet. Därför, för att modulera aktiviteten hos denna autofagiska väg, reglerar cellen strängt nivåerna av CMA-receptorn vid det lysosomala membranet genom att kontrollera nedbrytningshastigheterna för LAMP-2A-monomerer i lysosomer och genom de novo-syntes av LAMP-2A-molekyler. Dessutom beror transport av substrat också på effektiviteten av sammansättningen av LAMP-2A in i translokationskomplexet.

Montering och demontering av CMA-translokationskomplex förmedlas av hsp90- respektive hsc70-chaperoner. Nedbrytning av LAMP-2A-monomerer vid det lysosomala membranet sker i diskreta kolesterolrika lipidmikrodomäner i det lysosomala membranet och det medieras av Cathepsin A och ett oidentifierat lysosomalt metalloproteas. Därför belyser montering, demontering av LAMP-2A till aktivt translokationskomplex och dess nedbrytning i mikrodomänregioner den dynamiska naturen hos denna process och vikten av lateral rörlighet för CMA-receptorn vid det lysosomala membranet.

Fysiologiska funktioner

CMA bidrar till upprätthållandet av cellulär homeostas genom att underlätta återvinning av aminosyror från de nedbrutna proteinerna (bidrag till energisk cellulär balans ) och genom att eliminera onormala eller skadade proteiner (bidrag till cellulär kvalitetskontroll ).

CMA är aktivt hela tiden i olika vävnader (lever, njure, hjärna) och nästan alla celltyper i kultur som studerats. Det aktiveras dock maximalt som svar på stressorer och förändringar i cellernas näringsstatus. När näringstillförseln är begränsad reagerar cellerna genom att aktivera autofagi, för att bryta ned intracellulära komponenter för att ge energi och byggstenar, som cellen kan utnyttja i detta svåra tillstånd. Makroautofagi aktiveras så tidigt som 30 minuter in i svält och förblir på hög aktivitet i minst 4–8 timmar in i svält. Om svälttillståndet kvarstår i mer än 10 timmar byter cellerna till den selektiva formen av autofagi, nämligen CMA, som är känd för att nå en platå med maximal aktivering ~36 timmar in i fasta och förblir på dessa nivåer till ~3 dagar. Selektiviteten hos CMA för individuella cytosoliska proteiner tillåter celler att bryta ned endast de proteiner som kanske inte behövs under dessa svältförhållanden för att generera aminosyror för syntesen av essentiella proteiner. Till exempel är några av de bäst karakteriserade CMA-substraten enzymer involverade i glykolys, en väg som är känd för att vara mindre aktiv vid fasta.

CMA är viktigt för att reglera cellulär metabolism . Specifik utarmning av CMA i levern resulterar i robust leverglykogenanvändning tillsammans med ackumulering av fett i levern, tillsammans med förändrad glukoshomeostas, ökad energiförbrukning och minskad perifer fetthalt. Proteomics analyser identifierade flera enzymer av kolhydraten och lipidmetabolismvägarna för att vara CMA-substrat, och deras förändrade nedbrytning i knockoutmössen förklarar den onormala metaboliska fenotypen hos de CMA-bristande mössen. Förmågan hos CMA att selektivt bryta ned enzymer som är involverade i metabolismen av fria fettsyror (dvs linoelic och linolic pathway) har visat sig vara nyckeln till aktivering av hematopoetiska stamceller, vilket stöder en roll för CMA i stamcellsfunktion. CMA-aktivitet uppregleras under differentiering av embryonala stamceller och bidrog till nedbrytningen av IDH1 och Plin2.

CMA-aktivitet har visat sig moduleras genom retinsyrareceptor-alfa-signalering och aktiveras specifikt av designade all-trans-retinsyraderivat i odlade celler.

CMA är också ansvarigt för det selektiva avlägsnandet av skadade och inte längre funktionella proteiner. Denna funktion är kritisk när celler exponeras för ämnen som orsakar proteinskada eftersom selektiviteten hos CMA säkerställer att endast de skadade proteinerna riktas mot lysosomer för nedbrytning. Till exempel är oxidativ stress och exponering för giftiga föreningar stimuli som uppreglerar CMA. Följaktligen är celler som är defekta för CMA mer mottagliga för dessa förolämpningar än kontrollceller.

också olika specialiserade funktioner , beroende på det specifika proteinet som genomgår nedbrytning genom denna väg och vilken celltyp som är involverad. Till exempel inkluderar kända CMA-substrat MEF2D, en neuronal faktor som är viktig för överlevnad; Pax2, en transkriptionsfaktor, viktig för reglering av tillväxten av njurtubulära celler; IκBα, känd hämmare av NFκB. CMA har också föreslagits bidra till antigenpresentation i dendritiska celler.

CMA aktiveras under T-cellsaktivering på grund av ökat uttryck av CMA-receptorn LAMP-2A. CMA är avgörande för T-cellsaktivering genom nedbrytning av negativa regulatorer av T-cellsaktivering (Itch, RCAN1). Följaktligen resulterar specifik utarmning av CMA i T-celler i immunsvarsbrist efter immunisering eller infektion.

CMA ökar vid genotoxisk stress . Omvänt associerar minskad CMA-aktivitet med ökad genominstabilitet och minskad cellöverlevnad. CMA är involverad i avlägsnandet av Chk1, ett nyckelprotein för cellcykelprogression och celler med nedsatt CMA har defekt DNA-reparation.

CMA bryter ned lipiddroppsproteiner ( perilipin 2 och perilipin 3 ). Avlägsnande av dessa lipiddroppshöljeproteiner genom CMA föregår lipolys och lipofagi. Följaktligen leder defekt CMA-aktivitet till massiv ackumulering av lipiddroppar och steatos.

Patologi

CMA-aktiviteten minskar med åldern i många celltyper hos gamla gnagare och i celler hos äldre människor. Denna försämring av CMA vid åldrande beror huvudsakligen på en minskning av nivåerna av LAMP-2A vid det lysosomala membranet, på grund av minskad stabilitet hos CMA-receptorn och inte på grund av minskad de novo-syntes. Studier i en transgen musmodell där normala nivåer av LAMP-2A bibehålls under hela livet, visade att dessa djur hade "renare" celler, bättre respons på stress - och totalt sett en bättre hälsospann. Dessa studier stödjer det möjliga bidraget av minskad CMA-aktivitet till dålig cellulär homeostas och ineffektiv respons på stress som är karakteristisk för gamla organismer. Fettrik kost hämmar CMA. Detta beror på en minskning av stabiliteten hos CMA-receptorn vid den lysosomala ytan. På senare tid har CMA varit inblandat i regenereringsförmågan hos nya blodkroppar genom att upprätthålla hematopoetisk stamcellsfunktion .

En primär defekt i CMA-aktivitet har också beskrivits vid neurodegenerativa sjukdomar , såsom Parkinsons sjukdom och vissa tauopatier. I dessa fall ligger defekten i den "snäva" bindningen till det lysosomala membranet av patogena proteiner som är kända för att ackumuleras i dessa sjukdomar (α-synuklein, UCHL1 vid Parkinsons sjukdom och mutant Tau vid tauopatier). Dessa toxiska proteiner binder ofta till LAMP-2A med onormal affinitet och utövar en "tilltäppningseffekt" vid det lysosomala membranet och hämmar sålunda den CMA-medierade nedbrytningen av andra cytosoliska substratproteiner.

Länkar mellan CMA och cancer har också etablerats. CMA är uppreglerad i många olika typer av humana cancerceller och blockering av CMA i dessa celler minskar deras proliferativa, tumörframkallande och metastaserande förmåga. Faktum är att interferens av uttrycket av LAMP-2A i redan bildade experimentella tumörer hos möss resulterade i deras regression.

Vidare läsning

1.    Mizushima, N; Levine, B; Cuervo, AM; Klionsky, DJ (28 februari 2008). "Autofagi bekämpar sjukdomar genom cellulär självsmältning" . Naturen . 451 (7182): 1069–75. Bibcode : 2008Natur.451.1069M . doi : 10.1038/nature06639 . PMC 2670399 . PMID 18305538 .
2.    Kaushik, S; Cuervo, AM (augusti 2012). "Chaperone-medierad autofagi: ett unikt sätt att komma in i lysosomvärlden" . Trender inom cellbiologi . 22 (8): 407–17. doi : 10.1016/j.tcb.2012.05.006 . PMC 3408550 . PMID 22748206 .
3.    Arias, E; Cuervo, AM (april 2011). "Chaperone-medierad autofagi i proteinkvalitetskontroll" . Aktuell åsikt i cellbiologi . 23 (2): 184–9. doi : 10.1016/j.ceb.2010.10.009 . PMC 3078170 . PMID 21094035 .
4.    Cuervo, AM; Wong, E (januari 2014). "Chaperone-medierad autofagi: roller i sjukdom och åldrande" . Cellforskning . 24 (1): 92–104. doi : 10.1038/cr.2013.153 . PMC 3879702 . PMID 24281265 .
5.    Kaushik, S; Bandyopadhyay, U; Sridhar, S; Kiffin, R; Martinez-Vicente, M; Kon, M; Orenstein, SJ; Wong, E; Cuervo, AM (15 februari 2011). "Chaperone-medierad autofagi i ett ögonkast" . Journal of Cell Science . 124 (Pt 4): 495–9. doi : 10.1242/jcs.073874 . PMC 3031365 . PMID 21282471 .
6.    Cuervo, AM (13 juli 2011). "Chaperone-medierad autofagi: Dice's 'vilda' idé om lysosomal selektivitet". Naturrecensioner Molekylär cellbiologi . 12 (8): 535–41. doi : 10.1038/nrm3150 . PMID 21750569 . S2CID 23128629 .
7.     Kaushik, S; Cuervo, AM (2009). Metoder för att övervaka chaperone-medierad autofagi . Metoder inom enzymologi . Vol. 452. s. 297–324. doi : 10.1016/s0076-6879(08)03619-7 . ISBN 9780123745477 . PMC 4300957 . PMID 19200890 .