Нажмите "Enter", чтобы перейти к контенту

Структурные аспекты и физиологические последствия трандимеризации APP / APLP

Structural aspects and physiological consequences of APP/APLP trans-dimerization
Источник: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3308009/

Белок-предшественник амилоида (APP) является одним из ключевых белков при болезни Альцгеймера (AD), поскольку он является предшественником пептидов амилоида β (Aβ), накапливающихся в амилоидных бляшках. Подробно проанализирована обработка APP и патогенных признаков особенно Aβ-олигомеров. Примечательно, что в биологических и структурных исследованиях клеток есть данные, свидетельствующие о том, что APP и его гомологи млекопитающих, предшественники-амилоиды (APLP1 и APLP2), участвуют в физиологических условиях посредством трансклеточной димеризации в синаптогенезе. Это позволяет предположить, что потеря синапсов в AD может быть частично объяснена дисфункцией свойств адгезии клеток APP / APLP. В этом обзоре структурные характеристики трансаклеточного взаимодействия APP будут критически вписываться в его предполагаемые физиологические функции, направленные на клеточную адгезию и синаптогенез.

Болезнь Альцгеймера (AD) является прогрессирующим нейродегенеративным расстройством, характеризующимся потерей нейронов и синапсов в областях мозга, критических для познания и памяти (см. Selkoe 2002). Основными патологическими признаками, обнаруженными в мозгу AD, являются нейрофибриллярные клубочки (NFT) и амилоидные бляшки (Haass and Mandelkow 2010). Амилоидные бляшки представляют собой внеклеточные белковые отложения, состоящие в основном из короткого нерастворимого пептида, называемого амилоидом β (Aβ), который образуется путем протеолитической обработки из белка предшественника амилоида (APP). APP представляет собой трансмембранный белок типа I с большим внеклеточным доменом и коротким цитоплазматическим хвостом. Внеклеточный домен состоит из двух поддоменов, называемых E1 и E2, которые связаны между собой кислой областью. Домен E1 далее подразделяется на фактор фактора роста (GFLD) и домен связывания меди (CuBD) (см. Reinhard et al., 2005; Gralle and Ferreira 2007). Структурная информация доступна для домена E1 и E2, а также внутриклеточного домена APP (AICD) и будет рассмотрена ниже.

APP является одним из членов семейства генов с двумя дополнительными гомологами у млекопитающих, называемых амилоидными предшественниками (APLP1 и APLP2). Эти белки демонстрируют гомологию с высокой последовательностью и разделяют консервативную доменную структуру, но последовательность Aβ уникальна для APP. Альтернативное сплайсинг как APP, так и APLP2 приводит к различным изоформам с различными шаблонами экспрессии, тогда как до сих пор была обнаружена только одна изоформа APLP1 (рассмотрено в Jacobsen and Iverfeldt 2009). Ингибитор протеиназы Kunitz (KPI) присутствует во всех вариантах сплайсинга APLP2 и в двух более длинных сплайсинговых формах APP (APP751 и APP770), которые экспрессируются только на низких уровнях в нейронах (Sandbrink et al., 1996). APP и APLP2 повсеместно экспрессируются, тогда как экспрессия APLP1 ограничена нейронами (Slunt et al., 1994; Lorent et al., 1995; Walsh et al., 2007). Анализ моделей мыши с генетическими делециями APP, APLP1 или APLP2 показал генетическую избыточность между членами семейства, поскольку мыши с одиночными делециями были жизнеспособными и плодородными и демонстрировали только мягкие фенотипы (рассмотренные в Anliker and Muller 2006; Guo et al., 2011).

Протеолитическая обработка APP путем последовательного расщепления β- и γ-секретаз, приводящая к образованию пептидов Aβ и высвобождению внутриклеточного домена (AICD), хорошо понятна (рассмотрено в Jacobsen and Iverfeldt 2009). Однако, несмотря на обширные исследования, физиологические функции APP и его гомологов все еще остаются неуловимыми. На основе генетических исследований было предложено много различных функций, включая выживаемость нейронов, миграцию клеток, перенос аксонов, а также центральный и периферический синаптогенез, но до сих пор молекулярные механизмы оставались неясными (обзор в Zheng and Koo 2011). Некоторые из этих функций могут быть связаны с внеклеточными секретируемыми формами APP (sAPP), которые либо высвобождаются α-, либо β-секретазой, функционируя как лиганд до сих пор не четко идентифицированного рецептора (Turner et al., 2003; Young-Pearse et. al., 2008). Однако другие предлагаемые функции APP / APLP, такие как миграция клеток и синаптогенез, могут быть объяснены свойствами адгезии клеток APP / APLPs, образующими транс-клеточные гомо- и гетеротипические димеры или олигомерные комплексы (Soba et al., 2005).

Существует накопление доказательств того, что APP и его гомологи млекопитающих способны образовывать гомо- и гетеродимеры в цис- и транс-ориентации на клеточном уровне. По-видимому, взаимодействие белков в цисте оказывает влияние на обработку APP и генерацию Aβ (Kaden et al., 2008; Eggert et al., 2009), тогда как взаимодействие в транс способствует клеточной адгезии и синаптогенезу (Soba et al., 2005; Wang et al., 2009b ). В этом обзоре мы фокусируемся на структурных аспектах и ​​физиологических последствиях трандимеризации APP.

Было показано, что гомо- и гетеродимеризация APP с его гомологами APLP1 и APLP2 млекопитающих способствуют адгезии клеток посредством транс-клеточного взаимодействия как в клетках S2, так и в эмбриональных фибробластах мыши (MEF) (Soba et al., 2005). В исследованиях совместной иммунопреципитации хорошо консервативный домен E1 был идентифицирован как основной интерфейс взаимодействия для димеризации, тогда как делеция домена E2 не влияла на димеризацию APP. Наблюдаемое накопление APP и APLPs в местах контакта с клеткой дополнительно указывает на прямое транс-клеточное взаимодействие, свойство, которое еще более выражено для APLP1 и APLP2. Было показано, что APLP1 также формирует транс-клеточные взаимодействия в клетках эмбриональной почки человека (HEK293), тогда как трансклеточное взаимодействие APP и APLP2 не может быть обнаружено в этой клеточной системе (Kaden et al., 2009). В этих клетках гетерологично экспрессируемый APLP1 был особенно обогащен поверхностью клетки, тогда как как APP, так и APLP2 были в основном локализованы во внутриклеточных компартментах (Kaden et al., 2009). Таким образом, расхождение, скорее всего, не связано с различными свойствами транс-взаимодействия, а скорее является следствием различной локализации поверхности отдельных членов семейства APP, гетерологично выраженных в фибробластах почек. Однако эти данные свидетельствуют о том, что поверхностная локализация APP / APLP является основным регулятором их свойств адгезии клеток. Недавно была решена кристаллическая структура всего домена E1, что указывает на то, что две составляющие субдомены GFLD и CuBD тесно взаимодействуют и образуют один функциональный объект (Dahms et al., 2010). Далее было показано, что добавление определенной индуцированной гепарином димеризации домена E1. По крайней мере, требуется декасахарид для преодоления положительно заряженной площади поверхности, составленной двумя противоположными GFLD. Поэтому возникает соблазн предположить, что расширение олигосахарида приведет к мультимеризации APP, что приведет к образованию тетрамеров и олигомеров более высокого порядка. Поскольку гепарин секретируется в физиологических условиях тучных клеток, опосредующих антикоагулянтную функцию, связывание гепарина с E1-доменом также может оставаться в контексте с ранее описанными антикоагулянтными функциями APP и APLP2 (Xu et al., 2009). Однако гепарансульфат-протеогликаны (HSPG) структурно связаны с гепарином и являются очень обильными компонентами внеклеточного матрикса (ECM). Таким образом, можно предположить, что связывание домена E1 с HSPG может опосредовать взаимодействия APP-ECM, поскольку оно хорошо описано для других молекул адгезии клеток (Kim et al., 2011). Однако in vivo релевантность индуцированной гепарином димеризации APP остается неуловимой. Дальнейшие исследования, такие как введение одиночных аминокислотных замещений в гепаринсвязывающем домене или тестирование различных субстратов вместо гепарина, потребуются для дальнейшего выяснения предполагаемого механизма индуцированной гепарином димеризации APP.

Область E2 представляет собой независимо сложную структурную единицу эктодомена APP, состоящую из двух различных подстроек с катушечной катушкой, соединенных непрерывной центральной спиралью (Wang and Ha 2004). Экспериментальное ультрацентрифугирование показало, что домен E2 может реверсивно димеризоваться в растворе, а структурные данные показывают антипараллельную ориентацию димера. Примечательно, что димеризация домена E2 также индуцируется связыванием гепарина (Lee et al., 2011). Однако в отсутствие лиганда, такого как гепарин, мономер термодинамически преобладает. Примечательно, что антипараллельная димеризация APP, опосредованная E2-доменом, привела бы соседние клетки в непосредственной близости (около 10 нм), как определено ab initio-реконструкцией молекулярных моделей по данным рассеяния малых углов (SAXS) (Gralle et al., 2006) ). Следовательно, весьма маловероятно, что антипараллельная димеризация APP, обусловленная E2, происходит в синапсах, хотя теоретически возможно пересечь синаптическую щель (приблизительно 20-30 нм), если полипептидная цепь будет удлиняться до максимальной степени. Следовательно, антипараллельная димеризация, опосредованная доменом E2, скорее участвует в специализированных контактах клеток-клеток с малыми расстояниями между соседними клетками, такими как щелевые соединения. Примечательно, что сравнение кристаллических структур домена APP и APLP1 E2 предполагает сохранение антипараллельной моды димеризации в семействе белков APP (Lee et al., 2011). Однако дальнейшие доказательства, подтверждающие антипараллельную димеризацию, опосредуемую доменом E2, все еще отсутствуют. До сих пор при формировании гемисунапса и при анализе взаимодействия клеток in vitro с клетками MEF, HEK293 и S2 не было отмечено никаких указаний на соответствующий вклад E2-домена (Soba et al., 2005; Kaden et al., 2009; Wang et al. al., 2009b).

Взятые вместе, есть убедительные доказательства из клеточных анализов и структурной информации о том, что APP и его гомологи млекопитающих способны образовывать димеры в транс-ориентации на клеточном уровне и что димеризация способствует клеточной адгезии. Однако, принимая во внимание, что APP обычно подвергается быстрому протеолитическому превращению секретами после достижения плазматической мембраны, важно понять, как регулируется локализация клеточной поверхности семейства генов APP. Примечательно, что обработка клеток с помощью эфиров форбола, таких как PMA (форбол 12-миристат 13-ацетат), приводит к увеличению обработки APP, а также APLPs, что указывает на то, что по меньшей мере небольшой пул APP / APLP стабилизирован на поверхности клетки и доступен для димеризации (Buxbaum et al., 1998; Lammich et al., 1999; Eggert et al., 2004). Это подтверждается оценкой того, что при установившихся уровнях около 10% APP находится на плазматической мембране (Kuentzel et al., 1993; Thinakaran and Koo 2008). Альтернативно, APP / APLP могут не функционировать как молекулы адгезии статических клеток, а скорее участвуют в более динамических процессах адгезии клеток, например, при развитии нейронов и / или синаптогенезе.

Синапсы представляют собой специализированные межклеточные соединения, которые опосредуют передачу информации между нейронами в головном мозге. Молекулы адгезии синаптической клетки (SAM) соединяют до- и постсинаптические терминалы и опосредуют сигнализацию через синаптическую щель (Dalva et al., 2007). Во время синаптогенеза молекулы адгезии синаптической клетки стабилизируют начальный и / или непрерывный контакт между аксонами и дендритами и часто опосредуют комплектование дополнительных синаптических белков.

Имеет ли семейство APP аналогичные функции, такие как общие SAM? Примечательно, что APP / APLPs выполняют все основные предпосылки: (1) Они локализованы как на до-, так и постсинаптический сайт (Kim et al., 1995; Lyckman et al., 1998; Hoe et al., 2009a). (2) Структурный анализ показывает, что гомо- и гетеротипические взаимодействия APP / APLPs способны охватывать всю синаптическую щель, опосредуемую либо E1, либо, при максимальном расширении молекулы, также доменом E2 (рис.1). (3) Экспрессия APP в клетках HEK293, сополированных с помощью первичных нейронов гиппокампа, способствует полусиннапному образованию (Wang et al., 2009b), аналогично хорошо зарекомендовавшим себя SAM в качестве нейролигина или нейрексинов (Dean and Dresbach, 2006). Однако синаптогенный эффект АРР был значительно меньше (примерно на 50%) по сравнению с сильным эффектом нейролигина, что можно объяснить разными уровнями экспрессии. Примечательно, что экспрессия делеционных конструкций, лишенных либо домена E1, либо E2, показала, что синаптогенная активность APP в первую очередь зависит от домена E1 (Wang et al., 2009b). Эти данные подтверждают идею структурных данных и анализов агрегации клеток, что домен E1 является основным интерфейсом взаимодействия для трансдимеризации в синапсе (Soba et al., 2005). Это четко классифицирует APP / APLP как SAMs.Fig. 1APP / APLP трансдимеризация. Схематическая иллюстрация опосредуемого E1 APP-димера, охватывающего межклеточное пространство между, например, пред- и постсинаптическими сайтами (нумерация APP695, остаток арабиновой кислоты). Структуры E1 [код банка данных о выбросах белков (PDB) 3KTM] и E2 (код PDB 1RW6) показаны в виде радужных лент (от синего до красного: от N- до С-конца). E1-доменная димеризация со второй молекулой APP (серая субъединица) основана на структурных данных домена E1 в соответствии с кодом PDK 3KTM. Серые круги иллюстрируют положения домена E1 и E2 в структуре APP. Размеры неизвестных линкерных областей оцениваются на основе случайной геометрии катушки [среднеквадратичный среднеквадратичный средний интервал между средним расстоянием от случайного обмоточного полипептида (Creighton 1993)]. b E2 домен-опосредованный димер APP на основе 1RW6. Расчетная максимальная длина димера составляет примерно половину димера E1. В частности, принимая во внимание данные SAXS, рассчитанные среднеквадратичные расстояния могут переоценить максимальное расстояние, распространяемое трансдимером APP в физиологических условиях. c Поверхностные потенциалы димеров E1 и E2 (синий положительно заряжен, красный отрицательно заряжен). Оба димера образуют непрерывные положительно заряженные поверхностные пятна, благоприятные для связывания HSPG

Эта гипотеза дополнительно подтверждается генетическими исследованиями на мышах, которые осложняются перекрывающимися действиями отдельных членов семейства APP. Мыши, дефицитные как у APP, так и APLP2, проявляют дефекты в нервно-мышечном соединении (NMJ) с аберрантным приложением пресинаптических маркерных белков с постсинаптическими ацетилхолиновыми рецепторами и уменьшенным количеством синаптических везикул на пресинаптических терминалах (Wang et al., 2005). Кроме того, тканеспецифическая делеция APP в пресинаптических моторных нейронах или постсинаптических мышечных клетках приводит к аналогичным нейромышечным нарушениям синапса, что указывает на то, что экспрессия APP как на пресинаптическом, так и постсинаптическом терминале необходима для надлежащего развития NMJ (Wang et al., 2009b ). Кроме того, мышечные мыши APP / APLP2, экспрессирующие либо sAPPα, либо sAPPβ, что лишены полного внутриклеточного домена APP, проявляют нарушенную нервно-мышечную передачу и аберрантное расположение пред- и постсинаптических сайтов в NMJ, что подтверждает предположение о том, что транссинаптическая адгезия полной длины APP необходим для правильного развития синапса (Li et al., 2010; Weyer et al., 2011).

Однако NMJ является особым синапсом, поскольку пресинаптические двигательные нейроны и постсинаптические мышечные клетки разделены базальной пластинкой, состоящей из нескольких гликопротеинов и протеогликанов (Patton 2003). Поэтому синаптическая щель значительно больше по сравнению с синапсами центральной нервной системы. Тем не менее, на основе структурной информации, прямое транс-клеточное взаимодействие APP / APLPs достаточно, чтобы охватить все расстояние синаптической щели в NMJ (рис.1). Однако это взаимодействие может быть дополнительно стабилизировано или даже частично опосредовано компонентами базальной пластинки, такой как протеогликаны. Функциональный анализ в центральных нервных синапсах еще больше осложняется дополнительным присутствием APLP1, который отсутствует в мышцах, но наиболее вероятно присутствует в постсинаптических сайтах синапсов ЦНС (Kim et al., 1995). Кроме того, различные возбуждающие или ингибирующие синапсы могут быть подвержены различным экстентам, в зависимости от конкретных физиологических условий, как, например, стабильность синапса. Следовательно, дефекты, вызванные отсутствием APP / APLPs, могут быть более тонкими и, следовательно, более трудными для обнаружения.

Взятые вместе, имеющиеся в настоящее время данные сильно поддерживают идею о том, что APP действует как SAM в центральных и периферийных синапсах. В этом контексте APP, APLP1 и APLP2 могут иметь различные функции в зависимости от различной субклеточной локализации и пред- или постсинаптической экспрессии, а также склонности к образованию гомо- и гетеротипических димеров. Следовательно, экспрессия APP в клетках HEK293, сополированных первичными гиппокампальными нейронами двухногих мышей APP / APLP2, показала, что AICD диспендируема на пресинаптическом участке, тогда как внеклеточные и внутриклеточные домены необходимы для синаптогенеза в постсинаптической области (Wang et al. 2009b). Интересно, что индуцированный нейрелин-индуцированный синаптогенез должен также опосредоваться партнерами по внутриклеточной ассоциации (Biederer and Sudhof 2000), что повышает вероятность того, что синаптогенная активность APP опосредуется внутриклеточными сигнальными событиями, подобными другим известным SAM.

Из-за структурного сходства GFLD с другими известными факторами роста и его способствующими росту свойствами APP предлагалось действовать в качестве рецептора клеточной поверхности (Rossjohn et al., 1999). Эта идея была далее подтверждена наблюдением, что F-spondin, нейроно-секретируемый гликопротеин, участвующий в развитии нейронов, и reelin, белок внеклеточной матрицы, необходимый для развития коры, являются связыванием с эктодоменом APP, тем самым действуя как потенциальные APP-лиганды (Ho и Sudhof 2004; Hoe et al., 2009b). Более того, APP подвергается поразительно подобной обработке, как рецептор Notch, что приводит к высвобождению внутриклеточного домена, который транслоцируется в ядро ​​и взаимодействует с определенными факторами транскрипции для регулирования экспрессии генов-мишеней, участвующих в развитии (Bray 2006; Konietzko 2011). AICD включает в себя эволюционный консервативный мотив YENPTY, который важен для взаимодействия с несколькими переходными белками, включая Fe65, X11 / MINT (взаимодействующий с munc белком), JIP (JNK-взаимодействующий белок), Numb и CASK (кальций-кальмодулин-зависимая серин-протеинкиназа ) (Якобсен и Иверфельдт 2009). Интересно, что индуцированный нейрелин-индуцированным синаптогенезом, как предполагается, опосредуется внутриклеточной ассоциацией с CASK и X11 / MINT (Biederer and Sudhof 2000), что указывает на то, что синаптогенная активность APP опосредуется внутриклеточными сигнальными событиями, подобными другим синаптическим адгезионным белкам. Взаимодействие X11 / MINT с AICD, по-видимому, стабилизирует клеточный APP, тем самым продлевая период полувыведения белка. Интересно, что одноточечная мутация в YENPTY-мотиве APP (Y682G) уменьшила взаимодействие с X11 / MINT и отменила эти эффекты (Borg et al., 1998). В недавнем исследовании мышь с нокаутом, экспрессирующая APP с той же мутацией (Y682G), была сшита на нокаутных мышах APLP2 (Barbagallo et al., 2011). Это приводит к постнатальной летальности и дефектам нервно-мышечного синапса, значительно сходным с теми, которые наблюдаются у мышей с двойным нокаутом APP / APLP2, что указывает на то, что тирозин 682 (Y682) в цитоплазматическом домене APP незаменим для правильного формирования и функционирования нервно-мышечного синапса. Примечательно, что мутация Y682G сильно уменьшала взаимодействие X11 / MINT с APP (Barbagallo et al., 2011), что еще больше подтверждало идею о том, что комплексное образование с X11 / MINT и CASK имеет решающее значение для функции APP в синаптогенезе.

Следует отметить, что взаимодействие между APP и большинством переходных белков зависит от фосфорилирования AICD либо от треонина 668 (T668), либо от тирозина 682 (Y682). Фосфорилирование T668 приводит к структурным перестройкам в аминоконцевой спирали (αN) AICD (Ramelot и Nicholson 2001), что приводит к уменьшенному связыванию переходных белков, как показано для Fe65 (Radzimanowski et al., 2008), наиболее изученных внутриклеточных обязательный партнер APP / APLP. Fe65 относится к семейству генов с гомологами млекопитающих Fe65, такими как 1 (Fe65L1) и Fe65, как 2 (Fe65L2) (McLoughlin and Miller 2008). Интересно, что совместная экспрессия Fe65 с APP / APLPs способствует локализации клеточной поверхности APP (Sabo et al., 1999, 2001), что, в свою очередь, может усилить трансо-клеточное взаимодействие APP. Кроме того, генетическая абляция членов семейства генов Fe65 у мышей приводит к дефициту обучения (Wang et al., 2004, 2009a). Кроме того, было показано, что Fe65 регулирует динамику актинового цитоскелета, а также активацию ядерного гена (Sabo et al., 2001; Cao and Sudhof, 2001), связывая APP с различными внутриклеточными сигнальными событиями, которые могут быть вовлечены в синаптогенез.

Хотя дальнейшая работа будет необходима для выяснения функции APP / APLP, наши текущие знания о свойствах транс-клеточного взаимодействия APP / APLP стимулируют гипотезу о том, что APP / APLPs функционируют как динамические SAM, вероятно, не участвующие в статической долгосрочной стабилизации синапсов , а скорее в краткосрочных событиях сигнализации, связанных с синаптогенезом.

Мы благодарим Луигина Ханке за административную помощь и Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) за поддержку этой работы в контексте гранта FOR1332 SK (KI 819 / 5-1 и / 6-1) и KW (WI 2649 / 2-1) ,

Авторы заявляют, что у них нет конфликта интересов.

Эта статья распространяется в соответствии с некоммерческой лицензией Creative Commons Attribution, которая разрешает любое некоммерческое использование, распространение и воспроизведение на любом носителе при условии, что оригинал (ы) и источник зачисляются.

Комментариев нет.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *