Посещений: 
МЕХАНИЗМЫ ЛИЗОСОМНЫХ БОЛЕЗНЕЙ НАКОПЛЕНИЯ
Биогенез лизосом
Lysosome biogenesis in health and disease Lakshya Bajaj,Parisa Lotfi,
Rituraj Pal et al. J. Neurochem. | https://doi.org/10.1111/jnc.14564
|
This review focuses on the pathways that regulate lysosome biogenesis and that are implicated in numerous degenerative storage diseases, including lysosomal storage disorders and late-onset neurodegenerative diseases. Lysosomal proteins are synthesized in the endoplasmic reticulum and trafficked to the endolysosomal system through the secretory route. Several receptors have been characterized that execute post-Golgi trafficking of lysosomal proteins. Some of them recognize their cargo proteins based on specific amino acid signatures, others based on a particular glycan modification that is exclusively found on lysosomal proteins. Nearly all receptors serving lysosome biogenesis are under the transcriptional control of transcription factor EB (TFEB), a master regulator of the lysosomal system. TFEB coordinates the expression of lysosomal hydrolases, lysosomal membrane proteins, and autophagy proteins in response to pathways sensing lysosomal stress and the nutritional conditions of the cell among other stimuli. TFEB is primed for activation in lysosomal storage disorders but surprisingly its function is impaired in some late-onset neurodegenerative storage diseases like Alzheimer's and Parkinson's, because of specific detrimental interactions that limit TFEB expression or activation. Thus, disrupted TFEB function presumably plays a role in the pathogenesis of these diseases. Multiple studies in animal models of degenerative storage diseases have shown that exogenous expression of TFEB and pharmacological activation of endogenous TFEB attenuate disease phenotypes. These results highlight TFEB?mediated enhancement of lysosomal biogenesis and function as a candidate strategy to counteract the progression of these diseases.
|
Christian De Duve's открыл лизосомы как литические, вызывающие деградацию органеллы (De Duve et al. 1955). Сегодня известно, что лизосомы содержат более 60 растворимых лизосомных гидролаз и вспомогательных белков и более 120 белков лизосомных мембран и временные резиденты (Braulke and Bonifacino 2009). Характеристика функции этих белков привела к сдвигу парадигмы и к описанию лизосом как ключевых клеточных метаболических хабов (hub) с множественными ролями в процессах столь отличных, как ощущение пищи, регуляция генов, секреция, репарация плазматической мембраны, гомеостаз ионов металлов, транспорт холестерола и иммунная реакция. Интересно, что большинство из этих процессов одинаковы у разных филетических групп, неудивительно. что многие, лежащие в основе факторы законсервированы в ходе эволюции. Мутации в генах, кодирующих лизосомные энзимы или белки, участвующие в их созревании и трафике, приводят к болезням лизосомного накопления, из которых классифицировано более 50 генетически самостоятельных типов. Довольно редкие для индивидов болезни лизосомного накопления обнаруживают довольно высокий показатель в генеральной популяции - более 1 : 5000 живорожденных затронуты одним таких заболеваний (Boustany 2013). Клинические проявления лизосомных болезней накопления сильно варьируют, хотя нейрологические симптомы и прогрессирующая нейродегенерация являются распространенным признаком. На субклеточном уровне лизосомные болезни накопления характеризуются аномальным скоплением внутри лизосом метаболитов, которые не могут быть элиминированы соотв. образом из-за дефектов в одном или нескольких метаболических путей (Walkley 2009).
Transcriptional control of lysosomal pathways
При микроскопическом исследовании лизосомные накопления напоминают расширение лизосомного компартмента. Такая экспансия может быть интерпретирована не только как следстве нарушения способности клеток элиминировать свои катаболические субстраты , но и также как результат усиления лизосомного биогенеза. Ранние находки показали повышенную активность некоторых лизосомных энзимов при многих лизосомных болезнях накопления; это подтвердило мнение, что клетки могут усиливать биогенез лизосом в качестве компенсаторногог механизма, чтобы противодействовать лизосомному стрессу (Karageorgos et al. 1997). Дополнительные наблюдения показали, что стрессы от лизосомных накоплений и послеюующих биогенез лизосом могут быть воспроизведены экспериментально путем добавления сахарозы к культивируемым клеткам. В некоторых культивируемых линиях клеток сахароза в самом деле интернализуется в лизосомы, но не может быть элиминирована из-за отсутствия энзима invertase. Прогрессирующее накопление сахарозы внутри лизосом приводит к формированию увеличенных лизосом ('sucrosomes') , котороые могут служить экспериментальной моделью лизосомных накоплений (Cohn and Ehrenreich 1969; Karageorgos et al. 1997).
Считается, что активность лизосомной системы скоординирована, поскольку адаптивная реакция клеток необходима, что демонстрируется обнаружением транскрипционного фактора EB (TFEB) в качестве главного регулятора транскрипции биогенеза и функции лизосом (Sardiello et al. 2009). Многие гены вносят вклад в функционирование лизосомной системы, в их промоторных регионах присутствует один или множество сайтов связывания для TFEB (наз. как 'coordinated lysosomal expression and regulation' или CLEAR мотив); гены с последовательностью CLEAR в своих промоторах индуцируются с помощью активации TFEB или увеличения его экспрессии (Sardiello et al. 2009). Экспериментальная модель sucrosome привела к идентификации TFEB cytosol-to-nucleus транслокации в качестве способа активации TFEB. Было отмечено, что TFEB располагается в цитозоле большинства клеток, культивируемых при нормальных условиях; однако, добавление сахарозы четко способствует транслокации TFEB в ядро, в результате увеличивается связывание TFEB с промоторами генов лизосомной системы и уровни экспрессии этих генов. Сходным образом, клетки у моделей лизосомных болезней накопления обнаруживают увеличение транслокации TFEB в ядро (Sardiello et al. 2009).
эти наблюдения запустили серию исследований, которые установили ряд киназ и фосфатаз, способных модулировать субклеточное распределение TFEB за счет прямых модификаций некоторых аминокислотных остатков TFEB. Среди них атипичная serine/threonine киназа mechanistic target of rapamycin complex 1 (mTORC1) фосфорилирetn TFEB по Ser211, это вызывает цитозольную секвестрацию TFEB с помощью 14-3-3 белков (Martina et al. 2012; Roczniak-Ferguson et al. 2012); mTORC1 фосфорилирует также TFEB по Ser142 (Settembre et al. 2012) и Ser122 (Vega-Rubin-de-Celis et al. 2017); serine/threonine киназа mitogen-activated protein kinase 1 (MAPK1 или ERK) фосфорилирует TFEB по Ser142 (Settembre et al. 2011); serine/threonine kкиназа protein kinase B (PKB or Akt) фосфориолирует TFEB по Ser467 (Palmieri et al. 2017a,b); serine/threonine киназа glycogen synthase kinase 3β фосфорилирует TFEB по Ser134 и Ser138 (Li et al. 2016); и serine/threonine kinase mitogen-activated protein kinase kinase kinase kinase 3 фосфорилирует TFEB по Ser3 (Hsu et al. 2018) (Fig. 1). Все эти события фосфорилирования ограничивают транслокацию в ядро TFEB и, в самом деле, химическое подавление любой из этих киназ способствует активации TFEB. В ответ на различные клеточные стимулы TFEB дефосфорилируется и активруется с помощью фосфатазы calcineurin (Medina et al. 2015) и protein phosphatase 2 (Chen et al. 2017). Эти регуляторные сайты эволюционно ограничены регионами в последовательностях белка TFEB (Chang et al. 2018).
 Figure 1
Phosphorylation of TFEB by serine/threonine protein kinases. mTORC1, Akt, GSK3?, and MAP4K3 phosphorylate TFEB at various serine residues. The positions of the phosphorylated residues refer to the human TFEB protein. /
Активный TFEB способствует транскрипции генов пути аутофагии и лизосом и глобально регулирует феномены, такие как биогенез лизосом (Sardiello et al. 2009), аутофагию (Settembre et al. 2011), лизосомный proteostasis (Song et al. 2013), позиционирование лизосом (Willett et al. 2017) и экзоцитоз лизосом (Medina et al. 2011). Совсем недавно выявлено взаимодействие с путями, лежащими в основе стрессов ER (Martina et al. 2016), биогенеза митохондрий (Mansueto et al. 2017) и биогенеза пероксисом (Eun et al. 2018). TFEB гомологи TFE3 и microphthalmia-associated транскрипционный фактор, которые принадлежат к тому же самому подсемейству MiT/TFE транскрипционных факторов, также вносят вклад в регуляцию транскрипции autophagy/lysosome пути (Martina et al. 2014) и сходным образом регулируются с помощью mTORC1 (Roczniak-Ferguson et al. 2012; Martina and Puertollano 2013) и Akt (Palmieri et al. 2017a). TFEB координирует экспрессию разных лизосомных белков с их транспортерами и частично патогенный каскад при некоторых нейродегенеративных болезнях накопления.
Lysosomal sorting signals and sorting receptors
Растворимые и связанные с мембранами вакуольные/лизосомные белки имеют сигналы сортировки, которые распознаются рецепторами сортировки. Эти рецепторы также содержат сигналы, которые позволяют им быть распознанными с помощью аппарата доставки (clathrins и адапторными белками) для соотв. их доставки в эндосомную систему путем разных путей доставки.
Сигналы сортировки растворимых белков могут быть или собранными в складки полипептидными последовательностями, расположенными на поверхности белков, или специальными модификациями гликанов. У растений sequence-специфический вакуолярный сортирующий сигнал присутствует на N-конце белка он состоит из консервативной последовательности Asn-Pro-Ile-Arg (NPIR мотива) (Matsuoka et al. 1990, 1995; Holwerda et al. 1992; Koide et al. 1997). У дрожжей Saccharomyces cerevisiae, N-терминальный QXXФ мотив (где X любая аминокислота, а Ф объемистый гидрофобный остаток) распознаваемый vacuolar protein sorting 10 protein (Vps10p), типа I membrane-spanning рецептором сортировки (Valls et al. 1990). Однако,альтернативные сигналы могут присутствовать у дрожжей, как совсем не вакулярные белки , содержащие мотив QXXФ (Westphal et al. 1996).
По сравнению с phyla/kingdoms, позвоночные обладают менее охарактеризованными примерами рецепторов сортировки со специфичностью определения пептидных последовательностей. Sortilin и LIMP-2 являются рецепторами сортировки для лизосомных растворимых белков, которые , как известно, взаимодействиут с их растворимым грузом, используя короткие участки аминокислот, посредством консенсусного мотива, которые пока не установлен. Др. рецепторы сортировки у позвоночных взаимодействуют c их белками грузами посредством специфических модификаций гликанов. Независимо отспособа их действия, большинство рецепторов млекопитающих обладает сходными структурными свойствами, включая единственный трансмембранный домен, крупный просветный домен для взаимодействия со своим грузом, и C-конец, содержащий сигнал, необходимый для их собственного трафика.
Sortilin
Характерным примером рецепторов сортировки является sortilin (SORT1). Sortilin принадлежит к семейству рецепторов с Vps10p доменом, который у млекопитающих включает и др. 4 члена (SorCS1, SorCS2, SorCS3 и SorLA) (Jacobsen et al. 1996; Hermey et al. 1999; Rezgaoui et al. 2001). Приблизительно 90% от общего пула рецепторов sortilin обнаруживается в системе Гольджи и происходящих из Гольджи пузырьках, тогда как лишь незначительная фракция экспрессируется на клеточной поверхности, подтверждая участие в сортировке Golgi/endosome. Sortilin и некоторые из его гомологов содержат классические tyrosine- и dileucine-based консенсусные мотивы на их C-конце, которые осуществляют внутриклеточную сортировку и интернализацию посредством взаимодействий с цитозольными адапторами, такими как adaptor protein-1 и GGA2. Sortilin, как было установлено, участвует в лизосомной сортировке активатора GM2 ganglioside, prosaposin (предшественника sphingolipid активаторных белков) (Lefrancois et al. 2003; Hassan et al. 2004; Zeng et al. 2009), acid sphingomyelinase (Ni and Morales 2006) и cathepsins D и H (Canuel et al. 2008), демонстрируя свое участие в путях биогенеза лизосом. В экспериментальных sucrosome моделях, экспрессия SORT1 усиливается вместе с таковыми для генов, кодирующих некоторые sortilin грузовые белки; прямая избыточная экспрессия TFEB также усиливает экспрессию SORT1 и родственные грузовые белки (Sardiello et al. 2009; Song et al. 2013).
Неожиданно sortilin-дефицитные мыши не обнаруживают каких-либо очевидных клинических признаков лизосомной патологии, указывая на компенсацию со стороны альтернативных механизмов сортировки (Zeng et al. 2009). Это может быть объяснено перекрываемостью между sortilin и др. рецепторами из того же семейства белков, из которых SorLA является одним из наиболее важных претендентов на роль транспортировки лизосомного груза. Поскольку не существует болезней человека, ассоциированных с мутациями потери функции белка sortilin, то некодирующий полиморфизм одиночных нуклеотидов в энхансере, контролирующем экспрессию SORT1, причинно ассоциирован с плазматическим низкой плотности липопротеином cholesterol и инфарктом миокарда (OMIM: 613589) (Musunuru et al. 2010). Молекулярные исследования установили, что этот полиморфизм создает C/EBP (CCAAT/enhancer binding protein) сайт связывания транскрипционного фактора, который увеличивает экспрессию SORT1 в печени, вызывая в финале нарушения гомеостаза общего холестерола в плазме и низкой плотности липопротеина cholesterol (Musunuru et al. 2010). Эти данные иллюстрируют возможную функцию sortilin в контроле метаболизма печеночного липопротеина, помимо его роли в качестве рецептора сортировки для лизосомных белков (Carlo et al. 2014).
Интересно, что Vps10p рецепторы сортировки являются субстратами для presenilin-зависимого расщепления с помощью γ-secretase (Nyborg et al. 2006). Т.к. SorLA и presenilin участвуют в патогенезе болезни Альцгеймера (Wolfe et al. 1999; Andersen et al. 2005), то эти находки указывают на существование связей меэжду болезнью Альцгеймера и биогенезом лизосом.
Limp-2
Lysosomal integral membrane protein 2 (LIMP-2) является ещё одним лизосомным энзимом млекопитающих рецептором сортировки, который взаимодействует со своим грузом, базируясь на proteinaceous сигналах (Blanz et al. 2015). LIMP-2 служт в качестве рецептора для транспорта αglucocerebrosidase (GCase) с эндоплазматического ретикулума посредством эндосомных компартментов (Reczek et al. 2007). Мутации потери функции в гене GCase, glucosylceramidase beta (GBA), вызывают болезнь Gaucher (GD), наиболее распространенное нарушение лизсомного накопления. Соединение между LIMP-2 и GCase зависит от спирального расположения и amphipathic природы критических остатков (152-167) в coiled-coil домене LIMP-2 (Blanz et al. 2010). Соединение между LIMP-2 и GCase также зависит от pH, при этом единственный остаток гистидина LIMP-2 (His171) функционирует как сенсор pH (Zachos et al. 2012). Нейтральное окруждение в просвете ER делает возможной ассоциацию GCase с LIMP-2, тогда как кислый pH в эндосомах запускает их диссоциацию (Reczek et al. 2007). Подобно sortilin, LIMP-2 целенаправленно воздействует на эндолизосомы, используя мотив dileucine, находящийся на его С-конце (Sandoval et al. 1994). Уровни LIMP-2 и GCase регулируются yc помощью TFEB (Sardiello et al. 2009; Song et al. 2013). Недавнее структурное исследование показало, что LIMP-2 модифицируется также c помощью пост-трансляционного добавления mannose 6-phosphate (M6P) (Zhao et al. 2014). С помощью этой модификации, LIMP-2 взаимодействует c mannose-6-phosphate рецепторов (M6PR), указывая тем самым неа присутствие третичн complex bого комплекса между LIMP-2, GCase и M6PR (Zhao et al. 2014).
Дефицит LIMP-2 у мышей приводит к тяжелому снижению активности GCase в разных тканях, при этом большинство энзимов принадлежит к секретируемым во внеклеточный компартмент (Reczek et al. 2007). Добавление экзогенного LIMP-2 к дефицытным фибробластам восстанавливает активность и доставку GCase (Reczek et al. 2007). Мутации в SCARB2 (гене, кодирующем LIMP-2) вызывающие эпилепсию (PME) , часто ассоциированной с действием myoclonus-renal failure syndrome (OMIM: 254900). PME и действие myoclonus=renal failure syndrome являются частями фенотипического спектра, встречающимися у GD пациентов (Berkovic et al. 2008; Dibbens et al. 2011; Hopfner et al. 2011; Velayati et al. 2011). Подобно большинству патогенных мутаций, затрагивающих лизосомные белки, отсутствуют четкие генотип-фенотипические корреляции между мутациями в SCARB2 и вссоциированными клиническими проявлениями. В частности, неясен, почему у некоторых пациентов возникает PME или почечная недостаточность, тогда как др. обнаруживают легкие нарушения слуха или нефропатии. LIMP-2-дефицитные мыши обнаруживают признаки обструкции в месте перехода от почечной лоханки в мочеточник, глухоту и периферическую нефропатию, а линии клеток, происходящие от этих мышей имеют четкие признаки неправильной сортировки и секреции GCase (Gamp et al. 2003). Такое функциональное взаимоотношение между LIMP-2 и GCase далее было подтверждено находкой, что SCARB2 может действовать как модификатор болезни Gaucher (Velayati et al. 2011). В исследованной семье у двух сибсов была диагностирована GD, при этом миоклональная эпилепсия отмечалась только у одного из двух. Секвенирование SCARB2 геномных и кДНК последовательностей выявило гетерозиготность по матерински наследуемой новой мутации у сиблинга с GD и эпилепсией, которая отвечала за уменьшение лизосомного транспорта и активности GCase (Velayati et al. 2011). Это указывает на потенциальную пригодность исследований эффектов модификаторов, таких как транспортеры и активаторы белков в случаях, в которых отмечается расхождение между генотипом и фенотипом.
Дополнительным следствием снижения активности GCase при дефиците LIMP-2 у мышей стало накопление липидов и нарушения аутофагии и лизосомной функции (Rothaug et al. 2014). Это приводит к накоплению α-synuclein, что, в свою очередь, вызывает нейротоксичность в допаминергичеаких нейронах. Повторное введение LIMP-2 с помощью гетерологической избыточной экспрессии ускоряет очищение от α-synuclein, показывая пригодность модуляции активности GCase в качестве потенциальной стратегии лечения synucleopathies (Rothaug et al. 2014).
Transport mediated by the mannose=6=phosphate receptors
Доставка большинства лизосомных растворимых белков нуждается во вмешательстве активности ряда высоко специализированных белков вдоль путей доставки, включая специфические пост-трансляционные модификации, распознавание специфических меток и упаковку и доставку груза. Будучи синтезированными и N-гликозилированными в эндоплазматической ретикулуме лизосомные растворимые белки транспортируются в комплекс Гольджи, ult большинство из них модифицируется под действием остатков M6P residues. Нагруженные M6P белки впоследствии распознаются с помощью M6PR и доставляются из trans-Golgi сети в эндолизосомную систему. Важность этого процесса для корректного биогенеза и функции лизосом подкрепляется существованием разных болезней у человека, вызываемых мутациями в генах, которые участвуют в этих ступенях доставки.
M6P modification
Серии пост-трансляционных модификаций, обеспечивающих правильную сортировку большинства лизосомных растворимых белков в лизосомы начинается на ранних стадиях и х синтеза. Нативные лизосомные белки гликозилируются одновременно с трансляциией с помощью oligosaccharyltransferase по определенным остаткам asparagine, принадлежащих к консенсусной последовательности Asn-X-Ser/Thr (Kornfeld and Kornfeld 1985). Эти N-сцепленные олигосахариды в дальнейшем модифицируются в компартменте Гольджи путем добавления групп углеводов высокой сложности. Модификации high-mannose типа олигосахаридов с помощью M6P катализируются посредством кооперативной функции двуъ энзимов: UDP-N-acetylglucosamine 1-phosphotransferase (GlcNAc-1-phosphotransferase) и N-acetylglucosamine-1-phosphodiester α=N-acetylglucosaminidase, известна также как uncovering enzyme (UCE) (Do et al. 2002).эта последняя модификация существенна для сортировки лизосомных растворимых белков из компартмента Гольджи в эндолизосомную систему.
GlcNAc-1-phosphotransferase катализирует добавление GlcNAc-P-mannose diester к high-mannose типа олигосахаридам. Это трансмембранный белок, состоящий из трех субъединиц (α, β, γ), которые, по-видимому, форимируют удвоенный гексамер α2β2γ2. субъедирница γ кодируется геном GNPTG, тогда как субъединицы α и β кодируются в виде одного предшественника с помощью гена GNPTAB. Высвобождение индивидуальных α и β субъединиц нуждается в протеолитическом преобразовании между Lys928 и Asp929 по сайту-1 protease (Marschner et al. 2011). Субъединица α несет каталитический и связывающий белок домены, но сама по себе неспособна восстанавливать активность GlcNAc-1-phosphotransferase. Фактически, β и γ субъединицы оказываются необходимы, как только появляются, для поддержания структуры этот мультимерного комплекса (Kudo and Canfield 2006) и для регуляции его каталитической активности (Qian et al. 2010), соотв.
Распознавание с высоким содержанием mannose лизосомных белков с помощью GlcNAc-1-phosphotransferase нуждается в трехмерном детерминанте, состоящем из аминокислотных остатков, которые удалены др от др. в уложенным в складки белке. Исследование с использованием химерных продуктов лизосомной протеазы cathepsin D и его не-лизосомного гомолога pepsinogen, вместе с исследованием мутаций cathepsin L, выявили группу лизиновых остатков, организованных в точную трехмерную конфигурацию в качестве критического детерминанта для избирательного распознавания этих белков, предназначенных для лизосом (Baranski et al. 1990; Cuozzo and Sahagian 1994).
UCE катализирует раскрытие M6P сигнала путем удаления GlcNAc с GlcNAc-P-mannose диэфира. UCE является тетрамерным трансмембранным белком, кодируемым как предшественник с помощью гена NAGPA. Чтобы стать активным предшественник UCE д. лишиться пептида из 24 аминокислот, это катализируется с помощью furin вtrans-Golgi сети (Do et al. 2002).
M6P receptors
Как только нагруженные M6P остатками, лизосомные растворимые белки уходя с секреторного пути и перенаправляются в лизосомы с помощью действия M6PRs, которые соединяются с грузом при pH 6.7 в trans-Golgi сети и высвобождаются в эндщосомах при pH 6. Существуют два типа M6PRs: cation-dependent (CD-MPR, кодируемый геном M6PR) и катион-независимый (CI-MPR, кодируемый геном IGF2R ). CI-MPR известен также как MPR300 из-за своего мол. веса 300 kDa, или insulin-like growth factor II receptor, из-за его способности соединяться с транспортировать гормон IGF=II. Нецитоплазматический домен из CI-MPR состоит из 15 повторяющихся гомологичных сегментов приблизительно в 147 аминокислот каждый. Исследование показало, что это домен содержит два сайта связывания для M6P, один в домене 3 и один в домене 9. Мутагенез Arg435 в домене 3 и Arg1334 в домене 9 значительно снижают активность связывания лиганда, подтверждая способность этих двух доменов соединяться с M6P. CI-MPR содержит также сайт связывания для IGF?-II (Westlund et al. 1991) и отличающийся одним от Man6P-GlcNAc phosphodiester (Marron-Terada et al. 2000). CD-MPR известен также как как MPR46 из-за своего мол. веса в 46 kDa. Внецитоплазматическая сторона CD-MPR содержит один домен, гомологичный 15 повторяющимся доменам, присутствующим в CI-MPR (Tong and Kornfeld 1989). CD-MPR работает или как гомодимер или как тетрамер и поскольку каждый мономер содержит только один сайт связывания для M6P, белковый комплекс CD-MPR способен связываться с двумя или более метками M6P в одно и то же время (Dahms and Kornfeld 1989).
Хотя два M6PRs родственны и обладают общими одинаковыми доменами, исследования на фибробластах, дефицитных по CI-MPR, CD-MPR, или обоим, выявила разное сродство для отличающихся M6P-tagged субстратов, показывая, что функция двух рецепторов в основном комплементарная и лишь частично перекрывается (Munier-Lehmann et al. 1996; Munier-Lehmann et al., 1996). In vivo нарушения CD-MPR или CI-MPR вызывают умеренные нарушения трафика лизосомных гидролаз в лизосомы, хотя мутантные CI-MPR мыши погибают пренатально из-за накопления IGF-II (Sohar et al. 1998).
Антероградный транспорт M6PRs обеспечивается с помощью локализованных в Гольджи gamma-ear-containing, ARF-binding proteins (GGAs). GGAa распознают сигналы acidic-cluster-dileucine, которые присутствуют в цитозоле. C-конец M6PRs, и доминантные негативные мутации GGAs удерживают CI-MRP и CD-MPR белки в trans-Golgi сети (Puertollano et al. 2001). Следовательно, функция GGA является критической для корректной сортировки лизосомных растворимых белков. Как только эти белки высвобождаются в лизосомы, M6PRs подвергаются рециклингу обратно в trans-Golgi сеть с помощью комбинированного действия retromer и Rab9/TIP47 белкового комплекса (Seaman et al. 1998). Цитоплазматический хвост CD-M6PR содержит Phe в позиции 18 и Trp в позиции 19, которые взаимодейстde.n c TIP47 и необходимы для корректного восстановления CD-M6PR (Schweizer et al. 1997). Возвращение CI-M6PR в trans-Golgi сеть обеспечивается взаимодействием retromer, вместе с clathrin adaptor adaptor protein-1, с Trp/Phe-Leu-Met/Val трипептидным мотивом, присутствующим в цитоплазматическом хвосте рецептора (Seaman 2007).
Важно, что не все лизосомные белки, которые корректно маркируются M6P доставляются в лизосомы. Некоторые избегают соединения с M6PRs и подвергаются экзоцитозу во внеклеточный компартмент. Т.к. CI-MPR располагается не только в trans-Golgi сети и эндосомах, но и также в плазматической мембране, избегнувшие белки могут быть возвращены с помощью CI-MPR и направлены обратно в эндосомную систему, а значит в лизосомный компартмент. Этот механизм представляет собой основание концепции заместительной энзимной терапии. Отсутствующие лизосомные энзимы могут быть предоставлены извне в ответ на модификацию с помощью M6P меток перед использованием, чтобы оказаться спасенными от внеклеточного компартмента посредством CI-MPR взаимодействия. Заместительная энзимная терапия уже успешно используется для лечения некоторых болезней лизосомного накопления, включая болезнь Fabry, болезнь Pompe и болезнь CLN2 (Schiffmann et al. 2000; Thurberg et al. 2006; Schulz et al. 2018).
С точки зрения перспектив клеточной биологии интересно, что M6PRs как и GlcNAc-1-phosphotransferase и пока неустановленный энзим, кодируются генами, являющиеся частью сети CLEAR. Подобно SORT1 и SCARB2, гены M6PR, IGF2R, NAGPA, и GNPTG , в самом деле, содержат один или несколько сайтов связывания для TFEB и ответственны за активацию TFEB или избыточную экспрессию (Sardiello et al. 2009; Palmieri et al. 2011; Song et al. 2013). Это указывает на то, что экспрессия лизосомных белков д. быть скоординирована с экспрессией модифицирующих их белков и рецепторов сортировки, и чтобы стал возможным биогенез лизосом, с соотв. реакциями на внешние и внутренние стимулы (Fig. 2).
 Figure 2
Regulation of the synthesis and trafficking of lysosomal enzymes. TFEB modulates the expression of various lysosomal enzymes and of their transporters: LIMP-2 (SCARB2), sortilin (SORT1), and the mannose-6-phosphate (M6P) receptors (M6PR and IGF2R). TFEB also modulates the expression of a subunit of GlcNac-1-phosphotransferase (GNPTG) and of the uncovering enzyme (NAGPA), the Golgi-residing enzymes that generate the mannose-6-phosphate tags on most lysosomal enzymes.
M6P and human disease
Мутации в любом из компонентов, участвующих в M6P-based доставке лизомных энзимов могут приводить к разрушительным нарушениям. Mucolipidosis II (ML II) и Mucolipidosis III (ML III) вызываются мутациями генов, кодирующих GlcNAc-1-phosphotransferase: ML II α/β (OMIM: 252500) вызываются мутациями гена GNPTAB, тогда как ML III α/β (OMIM: 252600) вызываются мутациями в гене GNPTG. ML II, известна также как I-клеточная болезнь, характеризуется полной потерей активности GlcNAc-1-phosphotransferase и присутствием крупных внутриклеточных включений. Клинически скелетная система сильно повреждена, развитие задерживается и наступает преждевременная гибель , обычно в первой декаде жизни. ML III существенно легче и характеризует ся типичным Hurler-подобным дисморфизмом со слабым прогрессированием, коротким ростом, нарушениями подвижности суставов и умственной отсталостью у половины затронутых пациентов. Гибель наступает в поздний период жизни, при этом некоорые пациенты доживают до 80 лет (Kollmann et al. 2010). Напротив потеря активности энзима UCE хорошо переносится и не описано патологий, ассоциированных с мутациями в гене NAGPA. Это возможно из-за способности CI-MPR связывать и транспортировать Man6P-GlcNAc phosphodiesters, хотя и с низкой эффективностью (Chavez et al. 2007).
Важно, что при ML II тяжело нарушен, но не полностью устранен трафик лизосомных энзимов лизосомы. Поскольку активность GlcNAc-1-phosphotransferase полностью отсутствует, то можно ожидать почти полной потери энзима в лизосомах. Вместо этого в линиях клеток, происходящих от пациентов с ML II, обнаружено, что многие лизосомные энзимы способны достигать лизосом, несмотря на отсутствие M6P tags, указывая тем самым, что альтернативные маршруты, такие как базирующиеся на sortilin и LIMP-2 могут, по крайней мере, частично осуществлять сортировку энзимовs (Tsuji et al. 1988; Staudt et al. 2016).
Sorting of membrane proteins to the endolysosomal system
Лизосомы млекопитающих содержат несколько десятков белков лизосомных мембран (LMPs), и множество др. ещё предстоит индентифицировать (Lubke et al. 2009). LMPs участвуют в разных функциях в пределах от ацидификации просвета лизосом до регуляции слияния и событий деления мембран, важного аппарата сортировки и рециклинга продуктов лизосомной деградации. LMPs и трансмембранные транспортеры, участвующие в сортировке растворимых лизосомных белков, , как известно, в большинстве своём используют базирующиеся на tyrosine (NPXY или YXXФ) или базирующиеся на dileucine ([DE]L[LI] или DXXLL) сигналы для их целенаправленной доставки в эндолизосомы посредством покрытых clathrin пузырьков-APs (adaptor proteins) или GGAs (Golgi-localising, Gamma-adaptin ear domain homology, ARF-binding proteins) (Johnson and Kornfeld 1992; Hunziker and Fumey 1994; Nielsen et al. 2001, 2007, 2008; Hermey et al. 2003). Примером 'обычных' базирующихся на tyrosine и dileucine сигнальных мотивов, управляющих сортировкой белков в эндосомами-упаравляемые органеллы являются цитозольные концы LAMP1 (Guarnieri et al. 1993), tyrosinase (Simmen et al. 1999) и endolyn (Ihrke et al. 2000) среди прочих (Bonifacino and Traub 2003). Однако, сегодня появляются альтернативы обычным сигнальным мотивам и транспортерам, которые, скорее всего, используются благодаря отличной топологии от LMPs. Напр., политопный LAPTM5 (lysosomal-associated transmembrane protein 5) содержит три модифицированных мотива тирозина (L/PPxY) на его C-конце, которые способствуют рекрутированию белка и транспорту в лизосомы (Pak et al. 2006). Сходным образом, LAPTM5 белковый гомолог LAPTM4α (lysosomal-associated transmembrane protein 4 alpha) неизбежно влечет за собой два тандемных базирующихся на tyrosine мотива в его C-конце для эффективной локализации в лизосомах (Hogue et al. 2002).
Др. примером является TMEM106B, белок, ассоциированный с дегенерацией лобно-височной доли (Lang et al. 2012), содержащий расширенный dileucine-based signal (ELI) для сортировки в лизосомы (Busch et al. 2016). Сходным образом, Batten disease protein CLN3 обладает EEEX(8)LI сигналом в своей второй цитозольной петле, необходимой для эффективной целенаправленной доставки в лизосомы (Kyttala et al. 2004; Storch et al. 2004).
Очень отличающиеся от базирующихся на тирозине и дилейцине сигналы являются причиной MLN64 (metastatic lymph node 64), интегральный эндолизосомный мембранный белок, участвующий в транспорте холестерола (Alpy et al. 2001; Zhang et al. 2002), сортировка которого зависит от мотива KSASNP. Этот мотив присутствует на С-конце START домена белка и обеспечивает связывание с 14-3-3 белками. Замещение аланина ключевой аминокислоты в этом мотиве приводит к задержке транспорта MLN64 в эндосомы (Liapis et al. 2012).
Сортирующие мотивы в LMPs не только входят в состав разных ароматических аминокислотных наборов, но и могут также базироваться на специфических пост-трансляционных модификациях. Напр., prenylation С-конца CAAX бокса, как известно, как дополнительный проводник для эндолизосомного транспорта CLN3 белка (Storch et al. 2007). Сходным образом, palmitoylation С-конца хвоста mucolipin (MCOLN1/TRPML1) способствует его интернализации из плазмы в мембрану (Vergarajauregui and Puertollano 2006).
Интересно, что вместо использования мотивов сортировки, некоторые LMPs обнаруживают leveraged своих взаимодействий с др LMPs в качестве piggyback механихзма для трафика в эндолизосомный компартмент. Напр., ABCD4, член семейства ATФ-связывающих кассетных транспортеров, ассоциирует с LMBR1 domain-containing protein 1. LMBR1 domain-containing protein 1 интернализуется с помощью покрытых клатрином пузырьков, используя обычный, базирующийся на тирозине сигнал на своем С-конце, несущем ABCD4 в отростке (Tseng et al. 2013; Kawaguchi et al. 2016). Сходным образом, synaptotagmin VII ассоциирует с лизосомным tetraspanin CD63/LAMP3 после palmitoylation цистеинового остатка в его просветном доменеn. Synaptotagmin использует это взаимодействие, чтобы достичь лизосомного компартмента вместе с CD63, который сортируется в лизосомы, используя базирующиеся на тирозине мотивы сортировки на своем С-конце (Flannery et al. 2010).
Lysosome-associated membrane protein 1 и 2 (LAMP1 и LAMP2) находятся среди наиболее многочисленных и тщательно исследованных LMPs. Их упаковка в покрытые клатрином пузырьки с использованием базирующихся на тирозине сигналов давно известна; однако, исследования, базирующиеся на LAMP1 и LAMP2 сортировке и упаковке в определенных типах клеток избегают клатриновых пузырьков и обнаруживают необычные независимые от клатрина пути доставки (Karlsson and Carlsson 1998). Используя иммуно-электронную микроскопию, LAMP1 был обнаружен в носителях, лишенных APs, , скорее всего, содержащих SNARE (soluble N-ethylmaleimide-sensitive factor attachment protein receptor) белок VAMP7 (vesicle-associated мембранный белок 7) дополнительный белок из homotypic fusion and protein sorting complex, hVps41 (Pols et al. 2013). В дополнительном исследовании было установлено, что CD63/LAMP3 интернализуется посредством кавеолами обеспечиваемых покрытых клатрином пузырьков (Pols and Klumperman 2009). Эти примеры показывают, что вклад необычных путей доставки лизосомных сортирующих белков может играть более распространенную роль, чем это предполагалось.
Хотя некоторые гены, кодирующие LMPs являются хорошо охарактеризованными членами сети CLEAR и TFEB мишеней (Sardiello et al. 2009; Palmieri et al. 2011), взаимоотношение между функцией TFEB аппаратом, управляющим транспортом лизосомных мембранных белков, остается неисследованным.
Impaired TFEB signaling in neurodegenerative disease
В последнее время лизосомы стали центром внимания при изучении патогенеза нейродеген6еративных болезней с поздним началом (Sharma et al. 2018). Многие исследования в самом деле идентифицировали вполне определенные молекулярные события, приводящие к нарушениям зависимых от лизосом процессов, в качестве важных компонентов стрессов нейронов при этих болезнях. Интересно, что многие из этих процессов сходятся на нарушениях биогенеза и функции лизосом посредством вмешательства на уровнях TFEB (Sardiello 2016). Главные среди лизосомных функций те, что нарушаются при нейродегенеративных болезнях, является макроаутофагия (далее будет обозначаться как 'аутофагия'). Лизосомы, в самом деле, являются конечной деградирующей органеллой для разрушения материала, который питает лизосомы, благодаря аутофагическим процессам - макромолекул, белковых агрегатов, поврежденных клеточных компонентов и исчерпавших свою роль органелл. Аутофагия характеризуется секвестрацией материала с помощью структур из двойных мембран ( 'phagophore') и множественных событий слияний пузырьков, представляющих собой кульминацию лизосомной деградации аутофагического груза. Дефекты сборки, слияния или деградации этих постоянно обнаруживаются не только при лизосомных болезнях накопления, но и также при более распространенных с поздним началом нейродегенеративных болезнях (Seranova et al. 2017; Sharma et al. 2018). Среди предполагаемых механизмов, приводящих к недостаточности лизосом и аутофагии при нейродегенеративных болезнях, нарушения регуляции TFEB привлекли повышенный интерес к распознаванию благодаря аккуратному выявлению множественных молекулярных событий, которые могут вмешиваться нормальную функцию TFEB. Наилучший пример, имеющий отношение к идентификации возможных патогенных механизмов при болезни Паркинсона, болезни Альцгеймера и spinobulbar мышечной атрофии (Fig. 3), представлен ниже.
 Figure 3
Open in figure viewerPowerPoint
Interplay between TFEB and various molecular pathways in neurodegenerative disease. TFEB binding to CLEAR sites can be outcompeted by apoE4, a protein encoded by the Alzheimer's disease risk factor APOE α4 allele. TFEB mRNA levels can be decreased by miR?128, a microRNA that is up?regulated in Alzheimer's disease. Loss of functional presenilin in familial Alzheimer's disease leads to increased phosphorylation of TFEB by mTORC1 and subsequent cytosolic sequestration by 14-3-3 proteins. Increased TFEB sequestration can also result from increased Akt/mTORC1 pathway activity downstream of iron accumulation. αsynuclein and polyQ-expanded androgen receptor (AR) also can sequester TFEB and decrease its action. Active TFEB promotes various lysosome-based clearance pathways that can counteract pathogenic storage of undegraded molecules in lysosomal storage disorders and proteinopathies. Болезнь Паркинсона характеризуется избирательной потерей допаминергических нейронов в substantia nigra, этому предшествует аберрантное накопление α-synuclein в тельцах Lewy (Dauer and Przedborski 2003). В дополнение к различным внешнесредовым причинам (Greenamyre and Hastings 2004; Pal et al. 2014), некоторые гены лизосомной системы были охарактеризованы как факторы риска для болезни Паркинсона, включая GBA (Tayebi et al. 2003; Goker-Alpan et al. 2004), SMPD1 (Foo et al. 2013; Gan-Or et al. 2013), и др. (Do et al. 2011; Shachar et al. 2011; Chang et al. 2017; Robak et al. 2017). Эти находки были породили концепцию, что лизосомные болезни накопления и болезнь Паркинсона могут обладать общим генетическим механизмом, идея, согласующаяся с наблюдениями, что лизосомы участвуют в очистке от α-synuclein агрегатов (Cuervo et al. 2004) и что избыточность α-synuclein нарушает лизосомную функцию в нейронах (Mazzulli et al. 2011). Кроме того, истощение лизосом было описано в качестве характерного клеточного фенотипа при болезни Паркинсона (Dehay et al. 2010). Прямая связь между накоплением α-synuclein и нарушениями лизосомной функции была подтверждена находкой, что α-synuclein ведет себя как TFEB-секвестрирующая молекула; т.о., α-synuclein затрудняет транслокацию в ядро TFEB, подавляя тем самым биогенез лизосом (Decressac et al. 2013). Анализ тканей умерших пациентов с болезнью Паркинсона выявил истощение в ядре TFEB и его накопление вместе с α-synuclein в тельцах Lewy в допаминергических нейронах substantia nigra (Decressac et al. 2013). Накопление железа может служить дополнительным компонентом этой патогенной петли. Железо, в самом деле, накапливается при разных нейродегенеративных нарушениях и особенно при synucleinopathies (Snyder and Connor 2009), где оно вносит вклад в агрегацию α-synuclein и трансмиссию с помощью вмешательства в функцию TFEB посредством активации оси Akt/mTORC1 (Xiao et al. 2018).
Болезнь Альцгеймера характеризуется прогрессирующей атрофией гиппокампа (and overall brain). На клеточном уровне, накопление β-amyloid гиперфосфорилированных tau происходит параллельно с прогрессирующим нарушением пути аутофагии и лизосом (Nixon et al. 2005). Исследования показали, что гиппокамп пациентов с болезнью Альцгеймера экспрессирует высокие уровни microRNA-128 (miR-128) (Lukiw 2007), microRNA, которая целенаправленно воздействует на мРНК TFEB и тем самым понижает экспрессию TFEB и лизосомных генов (Sardiello et al. 2009). В клетках крови от пациентов с болезнью Альцгеймера увеличивается экспрессия miR-128, это коррелирует со снижением активности лизосомных энзимов и снижением способности клеток деградировать β-amyloid, это устраняется путем супрессии экспрессии miR-128 (Tiribuzi et al. 2014). Др. связь между болезнью Альцгеймера и функцией TFEB обнаружена в результате находки, что активация TFEB испытывает негативное воздействие при дефиците presenilin, причины семейной формы болезни Альцгеймера (Reddy et al. 2016). В отсутствие presenilin, уровни mTORC1 аминокислотного сенсора sestrin2 снижены и mTORC1 оказывается постоянно связан с лизосомной мембраной, усиливая тем самым ингибирующие фосфорилирование TFEB (Reddy et al. 2016). Увеличение фосфорилирования TFEB при болезни Альцгеймера согласуется с наблюдением прогрессирующего исключения из ядра TFEB в выборках головного мозга от пациентов с болезнью Альцгеймера (Wang et al. 2016b). В-третьих, независимая связь между болезнью Альцгеймера и функцией TFEB подтверждается наблюдением, что TFEB связывание с промоторами лизосомных генов может быть вытеснено с помощью apolipoprotein E4 (apoE4) (Parcon et al. 2018). ApoE4 является белком, кодируемым аллелем APOE ε4, единственным самым значительным фактором риска возникновения болезни Альцгеймера (Strittmatter and Roses 1995). In vitro, apoE4 может соединяться с ДНК зондами, несущими CLEAR мотив со значительно большим сродством, чем apoE3, белковый продукт аллеля APOE ε3, который не является фактором риска болезни Альцгеймера; увеличение связывания apoE4 с CLEAR зондами происходит параллельно со снижением связывания TFEB с теми же самыми зондами, а экспрессия apoE4 уменьшает экспрессию TFEB генов мишеней (Parcon et al. 2018). Т.о., несколько независимых путей, по-видимому, конвергируют, чтаобы разрушить TFEB-обеспечиваемый биогенез лизосом в качестве потенциального общего лейтмотива при патогенезе болезни Альцгеймера. Многие работы in vivo необходимы,чтобы прояснить, действительно ли эти пути взаимодействуют и где они специфически внедрены в последовательности клеточных событий, которые достигают кульминации с наступлением гибели клеток нейронов.
Spinobulbar muscular atrophy (SBMA) является болезнью, вызываемой экспансией polyglutamine tract (polyQ) в белке андрогенного рецептора (AR). Недавняя работа показала, что нормальный AR взаимодействует c TFEB и способствует экспрессии TFEB, тогда как polyQ AR мешает активации TFEB и нарушает аутофагию нейронов, внося тем самым вклад в патологию болезни (Cortes et al. 2014).
Итак, эти примеры подчеркивают нарушение функции TFEB в качестве потенциального вкладчика в дегенерацию нейронов и ставит вопрос, действительно ли интервенции с целью увеличения функции TFEB могут противодействовать прогрессированию болезни.
Therapeutic effects of TFEB-mediated enhancement of the autophagy?lysosome pathway
Нарушения пути аутофагии и лизосом и аберрантное накопление не деградирующих метаболитов являются общими узловыми моментами большинства лизосомных болезней накопления и некоторых с поздним началом нейродегенеративных болезней (Sharma et al. 2018). Усиление аутофагии и функции лизосом может поэтому считаться как направление исследований возможного лечения этих болезней. Некоторые исследования, базирующиеся на усилении аутофагии на пре-клинических моделях нейродегенеративных болезней были проведены с использованием mTORC1 аллостерического ингибитора, rapamycin, или аналогичных молекул (rapalogs). Обоснование базировалось на том, что активный mTORC1 подавляет аутофагию путем фосфорилирования, среди др., autophagic initiating factor ULK1, приводящий к подавлению аутофагии (Kim et al. 2011). Т.о., подавление mTORC1 приводит к активации аутофагии. Результаты, полученные на разных моделях нейродегенеративаных болезней, включая болезнь Альцгеймера, Паркинсона и Гентингтона и frontotemporal lobar дегенерации единодушно показали улучшение патологии при фармакологическом ингибировании mTORC1 с помощью rapamycin/rapalogs (Ravikumar et al. 2004; Berger et al. 2006; Santini et al. 2009; Caccamo et al. 2010; Wang et al. 2012). Фармакологическое ингибирование mTORC1 должно также усиливать аутофагию и биогенез лизосом путем освобождения от mTORC1-обусловленного подавления TFEB; к сожалению, однако, TFEB находится среди субстратов для mTORC1, которые нечувствительны к rapamycin и которые поэтому не существенно активируются с помощью фармакологического лечения (Roczniak-Ferguson et al. 2012; Settembre et al. 2012). Важно, что исследования по проверке принципа с использованием избыточной экспрессии экзогенного TFEB продемонстрировали терапевтические эффекты TFEB-обеспечиваемого усиления пути аутофагии/лизосом на очень разных моделях болезней. Т.о., пути дополнительной передачи сигналов были исследованы, чтобы использовать активацию эндогенного TFEB в качестве терапевтического инструмента. (Fig. 3).
Multiple sulfatase deficiency
Multiple sulfatase deficiency (MSD) является тяжелой лизосомной болезнью накопления, вызываемой дефектами sulfatase modifying factor 1, располагающегося в ER пост-трансляционного модифицирующего фактора sulfatases (Cosma et al. 2003; Dierks et al. 2003). Дефицит функционального sulfatase modifying factor 1 приводит к одновременной неактивности всех сульфатаз, из которых некоторые располагаются в лизосомах и тем самым их дефекты обнаруживаются при разных лизосомных болезнях накопления (Diez-Roux and Ballabio 2005). На тканевом уровне выдающимся признаком MSD является накопление недеградируемых glycosaminoglycans. Системные инъекции adeno-associated вируса (AAV), несущего TFEB кДНК в мышиной модели MSD приводит к снижению glycosaminoglycans, инфильтрации макрофагами (маркер тканевого воспаления) и клеточной гибели в мышцах и печени, указывая на снижение тканевой патологии (Medina et al. 2011). TFEB-вызываемая очистка обеспечивается за счет лизосомного экзоцитоза, процесса, с помощью которого лизосомные мембраны сливаются с плазматической мембраной и содержимое лизосом опорожняется наружу клетки; лизосомный экзоцитоз требует активного TRPML1, Ca2+ канала, кодируемого геном MCOLN1, который является непосредственной мишенью для TFEB (Medina et al. 2011).
Pompe disease
Болезнь Pompe является лизосомной болезнью накопления, вызываемой дефицитом фунциональной α-glucosidase, лизосомного энзима, превращающего гликоген в глюкозу в просвете лизосом. Дефицит функции
α-glucosidase приводит к тяжелой миопатии, характеризующейся накоплением гликогена и избытком аутофагических образований в мышечных волокнах (Raben et al. 2007). AAV-обеспечиваемая избыточная экспрессия TFEB в мышцах мышиной модели болезни Pompe снижает накопление аномального гликогена и и ослабляет аутофагические образования (Spampanato et al. 2013). Как и при исследовании MSD эффект очистки в основном обеспечивается экзоцитозом скапливающихся пузырьков, которые в этом случае включают аутофагсомы; супрессия аутофагии и в самом деле снижает эффекты избыточной экспрессии TFEB (Spampanato et al. 2013).
Batten disease (neuronal ceroid lipofuscinosis)
Болезнь Batten представленa faа семейством генетически самостоятельных нейродегенеративных болезней, характеризующихся на клеточном уровнне накоплением внутри лизосом аутофлуоресцентного материала (ceroid lipopigment) (Mole and Cotman 2015). Ювенильная форма болезни Batten вызывается мутациями в гене CLN3, кодирующем многократно пронизывающим лизосомную мембрану белком, участвующим в гомеостазе лизосом (Cotman and Staropoli 2012; Carcel-Trullols et al. 2015). Фармакологическая активация эндогенного TFEB путем орального применения trehalose, уменьшает нейропатологию и удлиняет продолжительность жизни у мышей, моделирующих ювенальную форму болезни Batten (Palmieri et al. 2017a). Trehalose активирует TFEB путем подавления активности Akt, негативного регулятора TFEB; trehalose-обработанные животные в самом деле обнаруживают усиление транслокации в ядро TFEB в нейронах и усиливают экспрессию генов autophagy/lysosome пути (Palmieri et al. 2017a). Воздействие Trehalose уменьшает скопления ceroid lipopigment в клетках головного мозга и уменьшает воспаление нейронов и нейродегенерацию, улучшая тем самым сенсорный фенотип (Palmieri et al. 2017a). Поскольку обе первичные функции белка CLN3 и связь между дефицитом CLN3 и накоплением ceroid lipopigment неизвестна, необходимо установить, действительно ли активация TFEB снижает в лизосомах в дефицитных по CLN3 нейронах, сохраняя гомеостаз лизосом или скорее усиливая лизосомные пути, которые компенсируют потерю функции CLN3. Также возможно, что TFEB-iпоnduced лизосомный экзоцитоз вносит вклад в снижение клеточного груза ceroid lipopigment.
Sanfilippo syndrome type B (mucopolysaccharidosis IIIB)
Синдром Sanfilippo вызывается дефицитом одного из 4-х энзимов, участвующих в деградации heparan sulfate (мукополисахарида, MPS). Подобно некоторым др. лизосомные болезни накопления, синдром Sanfilippo характеризуется прогрессирующей нейродегенерацией, воспалением нервов и потерей зрения помимо др. симптомов (Ashworth et al. 2006; Valstar et al. 2008; Tse et al. 2015). Sanfilippo синдром типа B (MPS IIIB) вызывается мутациями в гене NAGLU, кодирующем лизосомный энзим, деградирующий heparan sulfate αN-acetylglucosaminidase. На клеточном уровне дефицит NAGLU вызывает аномальное накопление heparan sulfate в аутофагических вакуолях (Li et al. 1999). Активация TFEB у MPS IIIB мышей посредством орального приема trehalose предупреждает дегенерацию сетчатки, ослабление потери зрения и снижает нейровоспаление и груз аутофагических вакуолей в клетках головного мозга (Lotfi et al. 2018). Лечение Trehalose удлиняет также продолжителлность жизни MPS IIIB мышей (Lotfi et al. 2018). Т.к. нет др. энзимов, сходных с αN-acetylglucosaminidase, которые могли бы компенсировать её потерю, то очень возможно, что эффект очистки, анблюдаемый после активации TFEB в основном обусловлен экзоцитозом лизосом, как это наблюдается в случает экзогенной экспрессии TFEB в др. моделях дефицита лизосомных энзимов. Это исследованияе демонстрирует терапевтический потенциал вызываемого лекарствами улучшения пути аутофагии/лизосом у мышиных моделей дефицита лизосом (Lotfi et al. 2018).
Other degenerative diseases with toxic protein aggregates
Находка, что избыточная экспрессия TFEB может вызывать деградацию polyQ-расширенного huntingtin (htt) (Sardiello et al. 2009), белка, формирующего патогенные агрегат при болезни Гентингтона (MacDonald et al. 1993), привело к проверке TFEB в качестве терапевтического инструмента при нейродегенеративных болезнях с компонентом накоплления аутофагического субстрата. TFEB является транскрипционной мишенью для PGC1α, а избыточная экспрессия PGC1α усиливает экспрессию TFEB (Tsunemi et al. 2012). У мышиной модели болезни Huntington's избыточная экспрессия PGC1α устраняет агрегацию белка htt и ослабляет нейропатологию за счет зависимого от TFEB усиления аутофагической деградации htt (Tsunemi et al. 2012). Сравнимые результаты были получены при более прямых подходах, а именно, при инъекциях AAVs, несущих TFEB кДНК в striatum мышей с болезнью Huntington's (Vodicka et al. 2016). Сходным образом, доставка TFEB AAVs в головной мозг крыс, моделирующих болезнь Паркинсона, снижает накопление α-synuclein и потерю допаминовых нейронов в субстанции nigra, демонстрируя терапевтический эффект (Decressac et al. 2013). Сходным образом, AAV-обеспечиваемая экспрессия TFEB в головном мозге rTg4510 мышей, моделирующих tauopathy (модель болезни Алцгеймера) снижала патологию в виде нейрофибриллярных клубочков и нейродегенерацию, приводя к восстановлению от синаптических и поведенческих дефектов, обнаруживаемых у мышей (Polito et al. 2014). Нейрозащитные эффекты были также достигнуты путем скрещивания мышей, моделирующих P301S tauopathy с трансгенной линией мышей, экспрессирующей TFEB в головном мозге взрослых (Wang et al. 2016a). Среди наблюдаемых эффектов, обусловленных избыточной экспрессией TFEB стало восстановление экспрессии spinophilin, белка, регулирующего формирование и функцию дендритных шипов (Feng et al. 2000; Wang et al. 2016a). Наконец, AAV-обусловленная экспрессия TFEB или в астроцитах или нейронах APP/PS1 мышей (разных моделей болезни Алцгеймера, вызывающих образование амилоидных бляшек) снижало уровни β -amyloid и амилоидных бляшек (Xiao et al. 2014, 2015).
Головной мозг является не только органом, который затрагивают протеинопатии и который поэтому может извлекать пользу путем усиления пути аутофагии/лизосом. Alpha-1-antitrypsin (AAT) дефицит может присутствовать при наличии токсических агрегатов AAT, возникающих в результате мутаций, нарушающих= нормальную укладку белка AAT (Wu et al. 1994). Доставка TFEB c помощью вируса в печень мышей, моделирующих дефицит AAT снижает количества белковых токсических агрегатов и уменьшает фиброз печени и клеточную гибель (Pastore et al. 2013). Подобные терапевтические эффекты наблюдали, когда TFEB доставлялся в легкие мышей с патогенными агрегатами из неправильно упакованных белков antitrypsin (Hidvegi et al. 2015) или у модельных рыбок данио с кардиотоксичностью amyloidogenic light chain (Guan et al. 2014).
Дополнительные исследования клеточных моделей болезней выявили аномальное накопление белков SBMA (Cortes et al. 2014), spinocerebellar ataxia type 1 (Bouche et al. 2016) и белка CLN2 болезни (субтипа болезни Batten) (Song et al. 2014) - продемонстрировали потенциальные терапевтические эффекты усиления функции TFEB, расширяя тем самым спектр болезней, которые потенциально пригодны для лечения c помощью TFEB.
Conclusions
Although a complex and multi?layered process, lysosomal biogenesis can be dissected into a relatively small number of streamlined events that are amenable to genetic and biochemical analysis. Somehow unexpectedly, the characterization of these pathways is revealing that highly complex organisms such as mammals are quite resistant to pathogenic mutations that would be predicted to be catastrophic based on the established cellular function of the affected components. Instead, the emerging picture is that of phenotypic manifestations that are much milder than anticipated - if observed at all. Degenerative storage diseases that are rooted in causes different from mutations in the genes participating in lysosomal biogenesis or function typically have a late onset, indicating that the system as a whole has been able to heal itself for a protracted period of time before being overwhelmed by some still undefined age?related component. Functional redundancy amongst various effectors of lysosomal biogenesis pathways could help explain the observed organism's resilience to defects in the autophagy?lysosome system. The CLEAR network and its chief regulator TFEB could also contribute to this resilience. Indeed, experimental activation of the CLEAR network in very different models of degenerative storage diseases has consistently resulted in phenotypic improvements in the affected organ(s) and even elongation of lifespan in the two studies that included lifelong analyses. It is significant that many of these diseases do not currently have any therapeutic options other than palliative care. Translational studies that leverage the improved understanding of pathogenic mechanisms and regulatory pathways related to the autophagy?lysosome system are therefore urgently needed to test lysosomal enhancement as a therapeutic tool in degenerative storage diseases.
|