JUNQ och iPod
JUNQ och IPOD är typer av cytosoliska proteininklusionskroppar i eukaryoter .
Neurodegenerativa sjukdomar , såsom Parkinsons , Alzheimers och Huntingtons , är associerade och korrelerade med proteinaggregation och ackumulering av felveckade proteiner i inklusionskroppar . Under många år ansågs proteinaggregation vara en slumpmässig process genom vilken felveckade proteiner fastnar vid varandra för att bilda inneslutningar (föreställ dig ett knippe hårstrån som slumpmässigt hopar sig i ett hörn av ett rum). Dessutom ansågs proteinaggregat vara toxiska ämnen och orsaken till neuronal dysfunktion och död. Nyligen genomförda studier, som använder avancerade metoder (dvs. fluorescensmikroskopi ), visar dock att proteinaggregation faktiskt kan vara en hårt reglerad, organiserad process, genom vilken cellen skyddar sig från toxiska proteiner genom sekvestrering till inklusionskroppar. 2008 visade Daniel Kaganovich att eukaryota celler sorterar felveckade proteiner i två distinkta inklusionskroppar i en välskött cellulär process:
- JUNQ (JUxta Nuclear Quality Control Compartment )
- IPOD (olöslig proteininsättning )
JUNQ och IPOD är evolutionärt konserverade och finns på specifika och definierade cellulära platser. Leverans av felveckade, aggregerade proteiner till JUNQ och IPOD kräver ett intakt cytoskelett och specifika cellulära kvalitetskontrollkomponenter, såsom Heat Shock Proteins (HSPs) . Fördelningen i de två distinkta inklusionskropparna beror på olika hantering och bearbetning av olika typer av felveckade proteiner (t.ex. ubikvitinerade vs. icke-ubiquitinerade proteiner). Segregering av toxiska proteinaggregat i JUNQ- och IPOD-inklusionskroppar är ett sätt genom vilket däggdjursceller kan föryngras genom asymmetrisk delning.
Således gav upptäckten av JUNQ och IPOD ett nytt slående perspektiv på hur celler hanterar felveckade aggregerade proteiner och gav övertygande bevis på att proteinaggregation är en icke-slumpmässig, välreglerad och kontrollerad cellulär process. Vidare antydde upptäckten av JUNQ och IPOD att celler förutom tidsmässig kvalitetskontroll (dvs. tidsberoende administrering av skadade proteiner) utnyttjar homeostas rumsligt: Om nedbrytning inte är tillgänglig, åstadkommes skydd av den cellulära miljön från ett felveckat protein genom dess bindning till en aggregerad inkludering. [ citat behövs ]
Bakgrund
För att fungera korrekt måste de flesta proteiner bevara en tredimensionell struktur med låg energi, känd som det naturliga tillståndet . Stabiliteten hos ett protein regleras hårt genom alla dess livsstadier: från vaggan, när det syntetiseras vid ribosomen, genom veckning eller montering , till graven - när proteinet bryts ned och rensas bort från cellmiljön. Proteinhomeostas proteostas ), är resultatet av den samordnade verkan av de olika armarna av det cellulära kvalitetskontrollsystemet: molekylära chaperoner , proteaser och andra regulatoriska faktorer. Därför beror cellulär viabilitet på snabb och effektiv hantering av felveckade proteiner. Sådan hantering, av kvalitetskontrollmaskineriet, inkluderar igenkänning av det felveckade proteinet av chaperones och E3-ligaser , ubiquitination och nedbrytning . [ citat behövs ]
Proteostaskollaps, på grund av skador, stress, mutationer och åldrande , har varit inblandad som grund för ett stort antal vanliga mänskliga sjukdomar, såsom neurodegenerativa sjukdomar . Även om de orsakas av olika typer av muterade proteiner (t.ex. vid Huntingtons sjukdom – proteinet Huntingtin ) och stör olika vävnader (t.ex. vid Huntingtons sjukdom – striatum ), delar sådana sjukdomar ett gemensamt drag: ansamling av felveckade proteiner i inklusionskroppar . Man trodde alltså att inklusionskropparna är orsaken till sådana sjukdomar. Naturen och egenskaperna hos dessa intracellulära inklusionskroppar förblev dock svårfångade. Olika typer av proteiner (t.ex. prioner , ERAD- substrat ) rapporterades bilda olika typer av inklusionskroppar (t.ex. aggresomer , amyloider ), men det förblev obskyrt om dessa observationer kombineras till en och relaterar till samma subcellulära plats. Dessutom var vägarna som ledde till inklusionsbildning och involveringen av det cellulära proteinets kvalitetskontrollmaskineri odefinierade och okända. krävdes en systematisk studie som gav en omfattande förståelse av proteinaggregations- och inklusionskroppar . Upptäckten av JUNQ och IPOD föreslog nya insikter om hur cellen hanterar olika typer av felveckade proteiner och erbjöd ett nytt ramverk för att lägga det stora pusslet med proteinaggregation .
Upptäckt
Ödet för felveckade proteiner och processen som leder till bildandet av aggregatinneslutningar studerades initialt med hjälp av biokemiska metoder (t.ex. western blotting) . [ citat behövs ]
Djupare insikter i den biologiska processen för kvalitetskontroll och aggregering av proteiner möjliggjordes genom en ny metod för att titta på detta problem, kallad "Live Cell Imaging".
Levande cellavbildning möjliggör in vivo spårning av proteiner i rum och tid, i deras naturliga endogena miljö. Således ger en sådan metod mer information om dynamiken och stadierna av biologiska händelser och processer. Metoden drar fördel av de lätt detekterbara fluorescerande proteinerna smälta till ett protein av intresse, som sedan kan följas inuti en cell med hjälp av ett fluorescensmikroskop . Cellen kan sedan behandlas med en störning av intresse (t.ex. ett läkemedel, uttryck av ett felveckat protein ), och olika egenskaper hos det fluorescensmärkta proteinet kan analyseras med hjälp av tidsförloppsmikroskopi :
- Förändringar av fluorescensnivån indikerar förändringar av uttrycksnivåer (dvs högre nivåer = uppreglering av ett protein)
- Förändringar av lokalisering (t.ex. inträde av ett protein från cytosolen till kärnan )
- Löslighet (t.ex. genom att använda FRAP -analysen)
- Samspel med den intracellulära miljön (t.ex. genom att använda FLIP- analysen)
För att övervaka ödet för cytosoliska felveckade proteiner in vivo , klonades en plasmid som bär en GFP -märkt vikningsreporter . Den vikbara reportern, ett modellprotein för aggregering, var en Ubc9 (SUMO-konjugerande enzym) mutant (UBC9ts), som hyser en missense mutation ( Y68L ) med en temperaturkänslig (ts) fenotyp. Den marginellt stabila Ubc9ts är fullt funktionell under fysiologiska tillåtande förhållanden (25 °C) på grund av aktiva cellulära chaperoner . GFP-Ubc9ts omvandlades till jäst och visualiserades med hjälp av ett fluorescensmikroskop . [ citat behövs ]
Övervakning av vikningssensorn GFP–Ubc9ts ansågs indikera cellulär proteostas och analysera förmågan hos det cellulära proteinkvalitetskontrollsystemet att hantera olika typer av stress. Det observerades sedan att under normala förhållanden diffunderar GFP-Ubc9ts i kärnan och i cytosolen . Men vid värmechock bildade GFP-Ubc9ts cytosoliska punktstrukturer. Påfallande nog, när proteasomen var försämrad och clearance av det felveckade proteinet genom nedbrytning blockerades, observerades två distinkta cytosoliska inneslutningar bildas. Standard och konservativa biokemiska metoder, såsom cellfraktionering och western blotting, skulle inte ha avslöjat uppdelningen i de två typerna av cytosoliska aggregat. [ citat behövs ]
De två detekterade inneslutningarna visades vara evolutionärt konserverade kvalitetskontrollavdelningar, med olika egenskaper och distinkta funktioner. De fick namnet JUNQ (JUxta Nuclear Quality control compartment) och IPOD (Insoluble Protein Deposit), och representerar två cellulära vägar för sekvestrering och hantering av aggregationsbenägna, potentiellt toxiska proteiner. [ citat behövs ]
Fördelning av kvalitetskontrollsubstrat (dvs felveckade proteiner ) till endera avdelningen beror på deras ubiquitineringsstatus och aggregationstillstånd (dvs. löslighet): [ citat behövs ]
Proteiner som är ubiquitinerade levereras till JUNQ, där de bearbetas för nedbrytning av proteasomen . Felveckade proteiner som inte är ubiquitinerade och terminalt aggregerade sekvestreras till IPOD.
Således ger den subcellulära platsen för ett felveckat protein (dvs. i JUNQ eller i IPOD) information om dess interaktion med det cellulära proteinets kvalitetskontrollmaskineri (t.ex. dess E3-ligas ).
JUNQ
JUNQ är JU xta N uclear Quality kontrollfack.
Betydelse
För att upprätthålla cellulär homeostas måste det cellulära kvalitetskontrollsystemet skilja mellan vikta och felveckade proteiner. Ett felveckat protein kommer att kännas igen och noggrant tas om hand genom antingen återveckning eller ubiquitination och proteasomal nedbrytning.
Emellertid kan cellulär ökning av felveckade proteinbelastningar, på grund av olika typer av påfrestningar (t.ex. värmechock ), mätta och utmatta kvalitetskontrollmaskineriet. I sådana fall är nedbrytning av felveckade proteiner otillgänglig, och en andra linje av aktiv cellulär försvarsmekanism måste utföras: rikta felveckade proteiner till specifika cellulära platser.
JUNQ fungerar som en sådan lagringsplats. Det visades att när proteasomen är försämrad (t.ex. genom låga expressionsnivåer av proteasomsubenheten RPN11 ), sorteras ubiquitinerade felveckade proteiner i JUNQ. Vid återhämtning från stressförhållanden (t.ex. återhämtning från värmechock vid en tillåtande temperatur), kan felveckade proteiner som ackumuleras i JUNQ antingen återveckas av det cellulära chaperonmaskineriet eller brytas ned av 26S-proteasomen . Således är sekvestreringen av ett protein till JUNQ reversibel. [ citat behövs ]
Egenskaper
JUNQ är ett icke- membranbundet cellulärt ställe beläget i en marginal av kärnan, i omedelbar närhet av det endoplasmatiska retikulumet . FRAP- och FLIP -analyser visade att proteiner i JUNQ är lösliga och utbyter med cytosolen, vilket tyder på att JUNQ har en dynamisk struktur.
Leverans till JUNQ beror på molekylära chaperoner och co -chaperones och på aktincytoskelettet . Felveckade proteiner måste ubiquitineras för att sorteras till JUNQ. Om ubiquitination blockeras kommer ett felveckat protein att dirigeras till IPOD-inkluderingen. Felveckad proteinackumulering rekryterar 26S-proteasomer till JUNQ.
IPOD
IPOD är det I nlösliga P roteindeponeringsfacket .
Betydelse
Det blir mer uppenbart att den cellulära kapaciteten att upprätthålla proteostas minskar med åldern, vilket därigenom orsakar sen uppkomst av neurodegenerativa sjukdomar. Vid sådana sjukdomar (t.ex. Huntingtons sjukdom ), felveckas ett muterat protein och blir giftigt för den cellulära miljön på olika sätt, såsom denaturering av cytosoliska proteiner. Inkompetent att bryta ned dessa giftiga arter måste cellen isolera dem för att undvika deras farliga interaktion med det cellulära proteomet . IPOD visades vara det subcellulära ställe till vilket toxiska amyloidogena proteiner sekvestreras till, och tjänar härigenom som ett skyddande kvalitetskontrollfack.
Dessutom föreslogs det av Lindquist-gruppen att IPOD är platsen där jästprioner genomgår en mognadsprocess. Sålunda kan IPOD:en fungera inte bara som en sekvestreringsplats utan också som ett funktionellt fack.
Egenskaper
IPOD är en icke- membranbunden cellulär plats, som i jäst är lokaliserad vid vakuolen . FRAP- och FLIP -analyser avslöjade att proteiner i IPOD är tätt packade, olösliga och inte byter med cytosolen . Amyloidogena proteiner, såsom Huntingtin -proteinet, är IPOD:s substrat. [ citat behövs ]
Felveckade proteiner måste vara icke- ubiquitinerade för att sorteras till IPOD. Ubiquitinering av ett annars IPOD-substrat, såsom RNQ1 svamp prion , kommer att resultera i dess sekvestrering i JUNQ-inkluderingen. [ citat behövs ]
Vid ackumulering av felveckade proteiner , lokaliseras disaggregase- chaperonen , AAA-protein HSP104, till IPOD. Det är ännu inte fastställt om HSP104 fungerar i IPOD eller helt enkelt är sekvestrerad där genom att haka på ett substrat.
Den pre-autofagosomala strukturen (PAS) lokaliseras av IPOD. Det visades dock inte att IPOD-substrat levereras till vakuolen, och därför är kopplingen mellan IPOD och autofagi ännu inte fastställd.