JUNQ i IPOD
JUNQ i IPOD to rodzaje ciałek inkluzyjnych białek cytozolowych u eukariontów .
Choroby neurodegeneracyjne , takie jak choroba Parkinsona , Alzheimera i Huntingtona , są powiązane i skorelowane z agregacją białek i akumulacją nieprawidłowo sfałdowanych białek w ciałach inkluzyjnych . Przez wiele lat agregacja białek była uważana za przypadkowy proces, w wyniku którego źle sfałdowane białka sklejają się ze sobą, tworząc inkluzje (wyobraź sobie wiązkę włosów gromadzących się przypadkowo w kącie pokoju). Ponadto uważano, że agregaty białkowe są czynnikami toksycznymi i przyczyną dysfunkcji neuronów i śmierci. Jednak ostatnie badania z wykorzystaniem zaawansowanych metod (np. mikroskopii fluorescencyjnej ) pokazują, że agregacja białek może być w rzeczywistości ściśle regulowanym, zorganizowanym procesem, dzięki któremu komórka chroni się przed toksycznymi białkami poprzez sekwestrację do ciał inkluzyjnych. W 2008 roku Daniel Kaganowicz pokazał, że eukariotyczny komórki sortują nieprawidłowo sfałdowane białka w dwa odrębne ciała inkluzyjne w dobrze zarządzanym procesie komórkowym:
- JUNQ (przedział kontroli jakości jądrowej JUxta)
- IPOD ( depozyt nierozpuszczalnego białka)
JUNQ i IPOD są konserwatywne ewolucyjnie i znajdują się w określonych i określonych miejscach komórkowych. Dostarczanie nieprawidłowo sfałdowanych, zagregowanych białek do JUNQ i IPOD wymaga nienaruszonego cytoszkieletu i określonych składników kontroli jakości komórkowej, takich jak białka szoku cieplnego (HSP) . Podział na dwa odrębne ciałka inkluzyjne wynika z różnego obchodzenia się i przetwarzania różnych rodzajów nieprawidłowo sfałdowanych białek (np . vs. białka nieubikwitynowane). Segregacja toksycznych agregatów białkowych do ciałek inkluzyjnych JUNQ i IPOD jest sposobem na odmłodzenie komórek ssaków poprzez asymetryczny podział.
W ten sposób odkrycie JUNQ i IPOD dostarczyło nowej, uderzającej perspektywy tego, jak komórki radzą sobie z nieprawidłowo sfałdowanymi zagregowanymi białkami i dostarczyło przekonującego dowodu, że agregacja białek jest nieprzypadkowym, dobrze regulowanym i kontrolowanym procesem komórkowym. Co więcej, odkrycie JUNQ i IPOD zasugerowało, że oprócz czasowej kontroli jakości (tj. zależnego od czasu podawania uszkodzonych białek) komórki wykorzystują homeostazę przestrzennie : sekwestracja do zagregowanej inkluzji. [ potrzebny cytat ]
Tło
Aby prawidłowo funkcjonować, większość białek musi zachować niskoenergetyczną, trójwymiarową strukturę znaną jako stan natywny . Stabilność białka jest ściśle regulowana na wszystkich etapach jego życia: od kołyski, gdy jest syntetyzowane na rybosomie , poprzez fałdowanie lub składanie , aż do grobu – kiedy białko jest degradowane i usuwane ze środowiska komórkowego. Homeostaza białek (proteostaza) wynika ze skoordynowanego działania różnych ramion komórkowego systemu kontroli jakości: białek opiekuńczych , proteaz i inne czynniki regulacyjne. Dlatego żywotność komórek zależy od terminowego i skutecznego zarządzania nieprawidłowo sfałdowanymi białkami. Takie zarządzanie przez maszynerię kontroli jakości obejmuje rozpoznawanie nieprawidłowo sfałdowanego białka przez opiekuńcze i ligazy E3 , ubikwitynację i degradację . [ potrzebne źródło ]
Upadek proteostazy, spowodowany uszkodzeniem, stresem, mutacjami i starzeniem się , został uznany za przyczynę wielu powszechnych zaburzeń u ludzi, takich jak choroby neurodegeneracyjne . Chociaż wywoływane przez różne rodzaje zmutowanych białek (np. w chorobie Huntingtona – białko huntingtyna ) i uszkadzające różne tkanki (np. w chorobie Huntingtona – prążkowie ), choroby te mają wspólną cechę: gromadzenie się nieprawidłowo sfałdowanych białek w ciałach inkluzyjnych . Dlatego sądzono, że przyczyną takich chorób są ciała inkluzyjne. Jednak charakter i cechy tych wewnątrzkomórkowych ciał inkluzyjnych pozostały nieuchwytne. , że różne rodzaje białek (np. priony , substraty ERAD ) tworzą różne rodzaje ciał inkluzyjnych (np. agresomy , amyloidy ), jednak pozostawało niejasne, czy te obserwacje łączą się w jedną i odnoszą się do tego samego miejsca subkomórkowego. Ponadto szlaki prowadzące do tworzenia inkluzji i zaangażowania mechanizmów kontroli jakości białek komórkowych były niezdefiniowane i nieznane. W związku z tym konieczne było przeprowadzenie systematycznych badań zapewniających kompleksowe zrozumienie agregacji białek i ciałek inkluzyjnych . Odkrycie JUNQ i IPOD zasugerowało nowy wgląd w sposób, w jaki komórka radzi sobie z różnymi rodzajami nieprawidłowo sfałdowanych białek i zaoferowało nowe ramy do układania wielkiej układanki agregacji białek .
Odkrycie
Losy nieprawidłowo sfałdowanych białek oraz proces prowadzący do powstawania wtrąceń agregatowych badano początkowo metodami biochemicznymi (m.in. Western blotting ). [ potrzebne źródło ]
Głębszy wgląd w biologiczny proces kontroli jakości i agregacji białek był możliwy dzięki nowatorskiemu podejściu do tego problemu, określanemu jako „obrazowanie żywych komórek”.
Obrazowanie żywych komórek umożliwia śledzenie in vivo białek w czasie i przestrzeni, w ich naturalnym, endogennym środowisku. Tym samym taka metoda dostarcza więcej informacji o dynamice i etapach zdarzeń i procesów biologicznych. Metoda wykorzystuje łatwo wykrywalne białka fluorescencyjne połączone z białkiem będącym przedmiotem zainteresowania, które można następnie śledzić wewnątrz komórki za pomocą mikroskopu fluorescencyjnego . Komórka może być następnie traktowana przez interesujące zaburzenie (np. lek, ekspresję nieprawidłowo sfałdowanego białka ), a różne właściwości znakowanego fluorescencyjnie białka można badać za pomocą mikroskopii poklatkowej :
- Zmiany poziomu fluorescencji wskazują na zmiany poziomów ekspresji (tj. wyższe poziomy = regulacja w górę białka)
- Zmiany lokalizacji (np. wejście białka z cytozolu do jądra )
- Rozpuszczalność (np. za pomocą testu FRAP )
- Interakcja ze środowiskiem wewnątrzkomórkowym (np. za pomocą testu FLIP )
W celu monitorowania losów nieprawidłowo sfałdowanych białek cytozolowych in vivo , sklonowano plazmid niosący reporter fałdowania znakowany GFP . Fałdujący reporter, modelowe białko do agregacji, był mutantem Ubc9 (enzym sprzęgający SUMO) (UBC9ts), niosącym mutację zmiany sensu ( Y68L ) z fenotypem wrażliwym na temperaturę (ts). Marginalnie stabilny Ubc9ts jest w pełni funkcjonalny w fizjologicznych warunkach permisywnych (25 ° C) dzięki aktywnej komórce opiekunowie . GFP-Ubc9ts transformowano do drożdży i wizualizowano za pomocą mikroskopu fluorescencyjnego . [ potrzebne źródło ]
Uważano, że monitorowanie czujnika fałdowania GFP-Ubc9ts wskazuje na proteostazę komórkową i ocenia zdolność systemu kontroli jakości białek komórkowych do radzenia sobie z różnymi rodzajami stresu. Zaobserwowano następnie, że w normalnych warunkach GFP-Ubc9ts ulega dyfuzji w jądrze iw cytozolu . Jednak po szoku cieplnym GFP – Ubc9ts utworzyły cytozolowe struktury punktowe. Co uderzające, gdy proteasom był uszkodzony i klirens nieprawidłowo sfałdowanego białka przez degradację został zablokowany, dwa różne cytozolowe zaobserwowano powstawanie inkluzji. Standardowe i konserwatywne metody biochemiczne, takie jak frakcjonowanie komórek i western blot, nie ujawniłyby podziału na dwa typy agregatów cytozolowych. [ potrzebne źródło ]
Wykazano, że dwa wykryte inkluzje to zachowane ewolucyjnie przedziały kontroli jakości, o różnych cechach i różnych funkcjach. Zostały one nazwane JUNQ (kompartment kontroli jakości jądrowej JUxta) i IPOD (depozyt nierozpuszczalnego białka) i reprezentują dwa szlaki komórkowe do sekwestracji i zarządzania podatnymi na agregację, potencjalnie toksycznymi białkami. [ potrzebne źródło ]
Podział substratów kontroli jakości (tj. nieprawidłowo sfałdowanych białek ) do dowolnego przedziału zależy od ich statusu ubikwitynacji i stanu agregacji (tj. rozpuszczalności): [ potrzebne źródło ]
Białka, które są ubikwitynowane, są dostarczane do JUNQ, gdzie są przetwarzane w celu degradacji przez proteasom . Niewłaściwie sfałdowane białka, które nie są ubikwitynowane i ostatecznie zagregowane, są sekwestrowane w IPOD.
Zatem subkomórkowa lokalizacja nieprawidłowo sfałdowanego białka (tj. w JUNQ lub w IPOD) dostarcza informacji o jego interakcji z komórkową maszynerią kontroli jakości białka (np. jego ligaza E3 ).
JUNQ
JUNQ to komórka kontroli jakości JU xta Nuclear .
Znaczenie
Aby utrzymać homeostazę komórkową, komórkowy system kontroli jakości musi rozróżniać białka sfałdowane i nieprawidłowo sfałdowane. Niewłaściwie sfałdowane białko zostanie rozpoznane i dokładnie zaopiekowane przez ponowne fałdowanie lub ubikwitynację i degradację proteasomalną.
Jednak komórkowy wzrost ładunków nieprawidłowo sfałdowanych białek, spowodowany różnego rodzaju stresami (np. szokiem termicznym ), może nasycić i wyczerpać maszynerię kontroli jakości. W takich przypadkach degradacja nieprawidłowo sfałdowanych białek jest niedostępna i musi zostać uruchomiona druga linia aktywnego komórkowego mechanizmu obronnego: skierowanie nieprawidłowo sfałdowanych białek do określonych miejsc komórkowych.
JUNQ służy jako takie miejsce sekwestracji. Wykazano, że gdy proteasom jest uszkodzony (np. przez niski poziom ekspresji podjednostki proteasomu RPN11), ubikwitynowane nieprawidłowo sfałdowane białka są sortowane do JUNQ. Po wyzdrowieniu z warunków stresowych (np. wyzdrowienie z szoku cieplnego w dopuszczalnej temperaturze), nieprawidłowo sfałdowane białka , które gromadzą się w JUNQ, mogą być ponownie sfałdowane przez komórkową maszynerię opiekuńczą lub zdegradowane przez proteasom 26S . Zatem sekwestracja białka do JUNQ jest odwracalna. [ potrzebne źródło ]
Nieruchomości
JUNQ jest niezwiązanym z błoną miejscem komórkowym zlokalizowanym na obrzeżach jądra, w pobliżu retikulum endoplazmatycznego . Testy FRAP i FLIP ujawniły, że białka w JUNQ są rozpuszczalne i wymieniają się z cytozolem , co sugeruje, że JUNQ ma dynamiczną strukturę.
Dostarczenie do JUNQ zależy od molekularnych białek opiekuńczych i współopiekuńczych oraz od cytoszkieletu aktynowego . Źle sfałdowane białka muszą zostać ubikwitynowane, aby mogły zostać posortowane do JUNQ. Jeśli ubikwitynacja zostanie zablokowana, nieprawidłowo sfałdowane białko zostanie skierowane do inkluzji IPOD. Nieprawidłowo sfałdowana akumulacja białka rekrutuje proteasomy 26S do JUNQ.
IPOD
IPOD to komora złogów nierozpuszczalnych białek . _
Znaczenie
Staje się coraz bardziej oczywiste, że zdolność komórek do utrzymania proteostazy zmniejsza się wraz z wiekiem, co powoduje późny początek chorób neurodegeneracyjnych . W takich chorobach (np. w chorobie Huntingtona ) zmutowane białko źle się fałduje i staje się toksyczne dla środowiska komórkowego na różne sposoby, takie jak denaturacja białek cytozolowych. Komórka, która nie jest w stanie rozkładać tych toksycznych gatunków, musi je izolować, aby uniknąć ich niebezpiecznej interakcji z proteomem komórkowym . Wykazano, że IPOD jest miejscem subkomórkowym, do którego dochodzi toksyczne działanie amyloidogenne białka są sekwestrowane, służąc w ten sposób jako ochronny przedział kontroli jakości.
grupa Lindquist zasugerowała , że IPOD jest miejscem, w którym priony drożdży przechodzą proces dojrzewania. Dzięki temu IPOD może służyć nie tylko jako miejsce sekwestracji, ale również jako przegroda funkcjonalna.
Nieruchomości
IPOD jest niezwiązanym z błoną miejscem komórkowym, które u drożdży znajduje się przy wakuoli . Testy FRAP i FLIP wykazały, że białka w IPOD są ciasno upakowane, nierozpuszczalne i nie wymieniają się z cytozolem . Substratami IPOD są białka amyloidogenne , takie jak białko huntingtyna . [ potrzebne źródło ]
Niewłaściwie sfałdowane białka muszą być nieubikwitynowane, aby mogły zostać posortowane do IPOD. Ubikwitynacja innego substratu IPOD, takiego jak prion grzybowy RNQ1 , spowoduje jego sekwestrację w inkluzji JUNQ. [ potrzebne źródło ]
Po nagromadzeniu nieprawidłowo sfałdowanych białek , białko opiekuńcze dezagregacji , białko AAA HSP104, lokalizuje się w IPOD. Nie ustalono jeszcze, czy HSP104 działa w IPOD, czy też jest po prostu zamaskowany i przyczepiony do podłoża.
Struktura pre-autofagosomalna (PAS) jest zlokalizowana przez IPOD. Jednak nie wykazano, że substraty IPOD są dostarczane do wakuoli, więc związek między IPOD a autofagią nie został jeszcze określony.