Rodina proteinů zprostředkujících odezvu na kolapsin - Collapsin response mediator protein family

Rodina proteinů zprostředkujících odezvu na kolapsin nebo Rodina CRMP sestává z pěti intracelulárních fosfoproteiny (CRMP-1, CRMP-2, CRMP-3, CRMP4, CRMP5) podobné velikosti molekul (60–66 kDa) a vysoké (50–70%) aminokyselinová sekvence identita. CRMP jsou převážně vyjádřeny v nervový systém během vývoje a hrát důležitou roli v axon formace z neurity a v růstový kužel vedení a kolaps prostřednictvím jejich interakcí s mikrotubuly.[1][2] Byly také spojeny štěpené formy CRMP degenerace neuronů po úrazu vyvolaném traumatem.[3]

Modulace exprese CRMP-2 prostřednictvím různých farmaceutických přípravků je novou a rozšiřující se oblastí výzkumu. Objevením chemikálií, které mohou buď zvýšit nebo snížit expresi CRMP-2, mohou vědci potenciálně snížit účinky neurologických onemocnění, jako jsou Alzheimerova choroba a Parkinsonova choroba.[4]

Dějiny

Členové rodiny CRMP byli objeveni nezávisle u různých druhů několika skupinami pracujícími souběžně.[4][5] Mezi pěti členy rodiny byl CRMP-2 poprvé identifikován v roce 1995. Skupina vědců vedená Goshimou zjistila, že CRMP-2 hrál roli v transdukci extracelulární Semaforin 3A (Sema3A), inhibiční protein pro axonální vedení u kuřat hřbetní kořenový ganglion (DRG).[5] Protein byl nejprve pojmenován jako CRMP-62 s relativní molekulovou hmotností 62 kDa a později označován jako CRMP-2. Současně bylo prokázáno, že během vývoje systému se významně zvýšil 64 kDa protein pojmenovaný jako TOAD-64 pro Turned On After Division. kůra z mozek. The cDNA sekvence TOAD-64 odpovídala sekvenci potkaního CRMP-2. V roce 1996 objevil myší CRMP-4, často označovaný jako Ulip pro fosfoprotein podobný Unc-33, pomocí králičího polyklonálního antiséra, které rozpoznávalo specifický fosfoprotein pro mozek 64 kDa.[5] Ve stejném roce několik dalších studií klonovalo CRMPs-1-4 u potkanů ​​a dihydropyrimidinázy (DHPázy) homologní sekvence CRMPs-1, -2 a -4 v mozku lidského plodu.[5] A konečně, v roce 2000 byl CRMP-5 objeven pomocí dvouhybridního screeningu mozkových knihoven nebo čištění z proteického komplexu.[5] V následujících výzkumech byly CRMP studovány jako cílové antigeny pro autoprotilátky v různých autoimunitních neurodegenerativní poruchy.[5]

Struktura

Krystalová struktura CRMP-1

CRMP1-5 jsou mezi 564-572 aminokyseliny a bylo zjištěno, že tyto proteiny jsou přibližně 95% konzervované mezi myší a člověkem.[5] Proteinová sekvence CRMP1-4 je přibližně 75% homologní navzájem, zatímco CRMP5 je pouze 50-51% homologní s každým z ostatních CRMP.[4] CRMP jsou navíc homology Unc33 jehož mutace způsobuje narušenou schopnost vytvářet nervové obvody a nekoordinovanou mobilitu v Caenorhabditis elegans.[6] Geny CRMP1-4 tvoří zhruba 60% homologní s tetramer jaterní dihydropyrimidináza (DHPáza) a také mají podobnou strukturu jako členové závislí na kovu amidohydrolázy. Avšak skutečnost, že CRMP nejsou enzymatické, ukazuje, že by jim mohla chybět kritika Jeho zbytky, které jsou přítomny v amidohydroláze enzymy umožnit jim vázat atomy kovů na jejich Aktivní stránky.[4]

CRMP mohou navíc existovat jako homotetramery nebo jako heterotetramery. The tetramery jsou umístěny tak, aby aktivní zbytky na N-terminál jsou umístěny na vnější straně komplexu. To umožňuje CRMP regulovat různé faktory v cytoplazmě. Analýza gelové filtrace ukázala, že CRMP-5 a CRMP-1 tvoří ve srovnání s CRMP-2 slabší homo-tetramery a že dvojmocné kationty, Ca2 + a Mg2 +, destabilizují oligomery CRMP-5 a CRMP-1, ale podporují oligomerizaci CRMP-2. .[7] The C-konec se skládá z 80 aminokyseliny a je webem fosforylace pro různé kinázy.[4]

Výraz

Exprese CRMP je regulována po celou dobu vývoje nervový systém. Obecně jsou CRMP vysoce exprimovány v postmitotice nervové buňky od začátku embryonální život. Ve vývoji nervový systém, každý CRMP zobrazuje odlišný výrazový vzor v čase i prostoru. Například ve vnější granulární vrstvě (EGL), kde mitóza dochází k cerebelárnímu granulárnímu neuronu, CRMP-2 je vysoce exprimován, zatímco CRMP-5 není nikdy exprimován. Bylo však zjištěno, že CRMP-2 a CRMP-5 jsou koexprimovány v postmitotických granulárních neuronech.[5] CRMP výraz je nejvyšší, když neurony a synaptická spojení aktivně dospívat během prvního postnatálního týdne, což naznačuje roli CRMP v migraci neuronů, diferenciace a axonální růst.[4][5] Exprese CRMP-2 je skutečně indukována faktory podporujícími neuronovou diferenciaci, jako je člun ze dřeva, chordin, GDNF, a FGF.[4]

U dospělých nervový systém „Exprese CRMP je významně downregulovaná a omezená v oblastech spojených s mozkem plasticita, neurogeneze nebo regenerace. CRMP1 mRNA je exprimována hlavně v Purkyňovy buňky z mozeček. Z pěti členů rodiny CRMP je CRMP-2 nejvíce exprimován v mozku dospělých, zejména v postmitotických neurony z čichový systém, mozeček, a hipokampus. CRMP-3 mRNA je exprimována pouze v zrnité vrstvě mozeček, nižší oliva, a zubatý gyrus z hipokampus. CRMP-4 je nejméně exprimovaný protein z rodiny CRMP a jeho exprese je omezena na čichová žárovka, hipokampus a vrstva vnitřní granule (IGL) mozeček. A konečně, CRMP-5 je exprimován nejen v postmitotice neurony z čichová žárovka, čichový epitel, a zubatý gyrus z hipokampus, ale také v obvodový nervové axony a smyslové neurony. Další rodiny CRMP se také objevují v obvodový papírové kapesníky. Exprese CRMPs-1, -4 a -5 u dospělých varle je detekován pouze ve stadiu spermatidů buněk a mRNA CRMP-2 se nachází v plíce tkáň fetální myši a dospělého člověka.[5]

Expresi CRMP lze také nalézt v signalizaci smrti nebo přežití postmitotických neuronů. Ačkoli CRMP je cytosolický protein, významné množství exprese CRMP je detekováno jako membrána asociovaná na předním okraji růstový kužel lamellipodium a filopodia. Exprese CRMP vyvolaná poškozením se také nachází v klíčení vláken v obou centrální a periferní nervový systém.[4] Exprese CRMP-4 je podporována při ischemickém poškození a je spojena s neurony, které mají intaktní morfologii, což naznačuje, že CRMP-4 poskytuje signál o přežití a může se podílet na regeneraci neuronů. Podobně bylo navrženo, aby se CRMP-2 účastnil přežití a udržování v postmitotických neuronech, protože jeho nadměrná exprese urychluje regeneraci nervů. CRMP-2 však může být také zapojen do neuronální smrti, protože jeho exprese je upregulována během raných stádií neuronové apoptózy vyvolané dopaminem v neuronech cerebelárních granulí.[6]

Mechanismus, funkce a regulace

Axonální formace ve vývoji neuronu

CRMP-2 hraje roli v neuronech polarita. Rozšíření brzy neurony volala lamellipodia tvoří brzy neurity. The neurity jsou nerozeznatelné mezi dendrity a axon během této fáze. Jeden z těchto neurity nakonec se stane axon a roste déle než dendritik neurity. CRMP-2 pomáhá usnadňovat rychlost tohoto axonálního růstu prostřednictvím svých interakcí s mikrotubuly.[1] CRMP-2 se váže na a kopolymerizuje s tubulin heterodimery ale neváže se tak dobře na polymerovaný tubulin. Tato závazná specifičnost podporuje tubulin polymerizace in vitro. CRMP-2 /tubulin komplexy se nacházejí v distální část axon a modulovat mikrotubul dynamika řízením rychlosti mikrotubul shromáždění. CRMP-2 také přispívá ke vzniku neuronů polarita regulací polarizované Necitlivý -zprostředkovaný endocytóza na axonální růstové kužele.[1] V obou případech, fosforylace CRMP-2 na Thr-555 od Rho kináza nebo na Thr-509, Thr-514 nebo Ser-518 by GSK-3β inaktivuje protein snížením vazebná afinita na tubulin a Necitlivý.[1]

Vedení axonálního růstového kuželu

Ve vývoji nervový systém, Zapojení CRMP do axonální vedení bylo navrženo lokalizací CRMP v neurity a axonální růstový kužel. CRMP se skutečně účastní dvou odlišných transdukčních drah indukujících axonální růstový kužel kolaps. Obě cesty zahrnují Rho rodina GTPasy, RhoA a Rac1, v jejich signalizační kaskádě. Rho rodinné GTPasy regulují cytoskeletální reorganizace růstový kužel a ovlivnit růstový kužel pohyblivost.[2]

v Sema3A signalizační kaskáda „CRMP hraje roli intracelulárního posla zprostředkujícího odpudivý signál. Sema3A iniciuje shlukování receptoru Neuropilin 1 a Plexin A1.[5] Zatímco některé z dalších skupin semaforinů se přímo vážou na receptory plexinu, Sema3A neváže se přímo na plexin. Místo toho interaguje s Neuropiliny jako ko-receptor vázající ligand Plexin a uvolňuje signalizaci na bázi plexinu. Cesta signální transdukce za aktivovaným receptorem plexinu je zprostředkována CRMP.[2] V reakci na signalizační kaskádu Sema3A se CRMP, které existují jako heterotetramer v cytosolu, váží na cytosolickou doménu PlexA a mění se její konformace. CRMP jsou dále fosforylovány CDK5, GSK3β a Fes, a tyrosin protein kináza.[4] Zvláště, fosforylace CRMP-1 a CRMP-2 jsou nezbytné pro regulaci Sema3A axonální vedení.[6] V přítomnosti CRMP-2 může signál vyvolat změny Rac -dependentní dráha, která moduluje sestavu aktinového vlákna v růstovém kuželu. V nepřítomnosti Sema3A, interakce mezi CRMP tetramerem a PlexA je blokována.[4] Fosfolipáza D2 (PLD-2), který je lokalizován v růstový kužel a je zapojen do aktin cytoskelet přesmyk, může být inhibován CRMP-2 a jeho inhibice vede k depolymerizaci aktinu a případně ovlivňuje axonální růstový kužel kolaps. V přítomnosti CRMP-2 může signál vyvolat změny Rac -závislá cesta, která moduluje aktin sestava vlákna v růstový kužel.[5]

CRMP-2 je navíc zapojen do jiného růstový kužel kolapsový signál vyvolaný extracelulárním kyselina lysofosfatidová (LPA). Signál přes sedm transmembránových receptorů aktivuje intracelulární dráhu, RhoA a po směru RhoA, Rho-kináza následně fosforyluje CRMP-2 na threonin-555 (Thr555). V neuronech DRG je CRMP-2 fosforylovaný podle Rho kináza v signalizaci LPA, ale ne v signalizaci Sema3A, odhalující přítomnost obou Rho kináza -závislé a Rho kinázově nezávislé dráhy pro růstový kužel kolaps.[2] v RhoA dráha, CRMP-1 interaguje s Rho-kinázou a moduluje RhoA signalizaci. CRMP-2 lze regulovat posttranslačně O-GluNAc (β-N-acetylglukosamin vázaný na hydroxylové skupiny serinu nebo threoninu), protože modifikace blokuje fosforylaci CRMP-2.[5]

Degenerace způsobená traumatem

Štěpené produkty CRMP hrají významnou roli při degeneraci axonů v důsledku traumatu způsobeného centrální nervový systém (CNS). V důsledku traumatu vyvolaného na CNS glutamát aktivuje receptory NMDA, což vede k přílivu vápníku, který aktivuje na vápníku závislou proteázu calpain. Bylo prokázáno, že aktivovaný calpain proteolyticky štěpí CRMP-3, čímž vzniká produkt štěpení CRMP, který interaguje s životně důležitými cytosolickými a nukleárními molekulami a vyvolává neurodegeneraci.[6] Struktura této štěpené formy CRMP dosud nebyla stanovena, takže je obtížné pochopit interakce protein-protein, ke kterým dochází, a proč jsou tyto formy schopné iniciovat neurodegeneraci po poranění CNS. Dodatečně, calpain Ukázalo se, že inhibitory (ALLN) zabraňují štěpení CRMP ‐ 3, a proto nedochází k axonální degeneraci nebo smrti neuronů, což dále naznačuje, že calpain cílí na štěpení CRMP-3 během neuronální smrti vyvolané glutamátem. Ca2 + / kalmodulin-dependentní protein kináza II (CaMK II) je také aktivována přílivem vápníku přes receptory NMDA a je dalším možným aktivátorem CRMP-3.[6] CRMP-3 není jediným CRMP zapojeným do neuronální degenerace způsobené traumatem a mozkovou ischemií, protože všechny CRMP jsou ve skutečnosti zaměřeny na štěpení, které pomáhá podporovat degeneraci.[6]

Seznam CRMP (a souvisejících fenotypů knockout a odvozených funkcí)

[8]

CRMPFenotyp u knockoutovaných myšíOdvozená funkce v kultivovaných neuronech
CRMP-1Snížení množení granulovaných buněk a apoptózaEfekt axonálního vedení indukovaný Sem3A
Zpomalená migrace neuronůAxon tvorba / extenze vyvolaná NT3
Dezorientace apikální dendritySmrt mícha neurony
Zhoršený dendritický hustota páteře
Zhoršený LTP a prostorová paměť
CRMP-2Velmi neobvyklé dendritické vzorceAxonální vedení chemorepellentem
Axon specifikace, prodloužení a větvení
NT3 -indukovaný růst axonu
Negativní účinek na prodloužení axonu vyvolaný NGF
Urychluje regeneraci axonů nervově poškozených motorických neuronů
Neurotransmiter uvolnění
Odolnost vůči toxicitě glutamátu prostřednictvím obchodování s NR2B
Smrt neuronálních buněk
CRMP-3Porucha zrání dendritické páteřeSmrt neuronálních buněk
Zhoršený LTP
Snížení inhibice prepulsu
CRMP-4Zvýšený fenotyp proximální bifurkace v CA1 hipokampusProdloužení a rozvětvení axonu
Inhibice axon regenerace myelin -odvozené inhibitory
Axonální degenerace a buněčná smrt
Sema3A indukované rozšíření a rozvětvení dendrity
CRMP-5Atrofie z Purkyňovy buňkyFilopodia a růstový kužel rozvoj
Zhoršený LTDZrušení neurit růst propagační aktivity CRMP-2

Klinický význam

Exprese CRMP je změněna neurodegenerativní onemocnění a tyto proteiny pravděpodobně hrají zásadní roli v patogenezi poruch v nervovém systému, včetně Alzheimerova choroba, Parkinsonova choroba, schizofrenie, a mnoho dalších. Jedním z farmaceutik, které jsou relativně účinné při cílení na CRMP-2 ke snížení výsledků neurodegenerativního onemocnění, je lakosamid. Lakosamid se používá v kombinaci s jinými typy léků ke kontrole různých typů záchvatů, zejména epilepsie. Jedním ze způsobů, jak to lacosamid dělá, je modulace CRMP-2, což vyvolává neuroprotektivní účinky a snižuje epileptické účinky u lidí trpících epilepsie.[9]

CRMP-2 fosforylovaný u Thr-509, Ser-518 a Ser-522 byla spojena s degenerující neuritidou v Alzheimerova choroba. Studie naznačují, že glykogen syntáza kináza-3β (GSK-3β) a cyklin-dependentní protein kináza 5 (CDK5 ) jsou vysoce vyjádřeny v Alzheimerova choroba a jsou některé z proteinové kinázy odpovědný za inaktivaci CRMP-2 v Alzheimerova choroba. Tato inaktivace CRMP-2 u lidí s Alzheimerova choroba podporuje výraz neurofibrilární spleti a neurity plaku, které odpovídají lidem trpícím touto chorobou.[10][11] CRMP-2 také souvisí s bipolární porucha a schizofrenie, pravděpodobně v důsledku fosforylace CRMP-2 pomocí GSK-3β.[11]

Aktuální výzkumná témata

Reference

  1. ^ A b C d Arimura N, Menager C, Fukata Y, Kaibuchi K (leden 2004). "Role CRMP-2 v neuronální polaritě". Journal of Neurobiology. 58 (1): 34–47. doi:10,1002 / neu.10269. PMID  14598368.
  2. ^ A b C d Liu BP, Strittmatter SM (říjen 2001). „Semaforem zprostředkované axonální vedení prostřednictvím R proteinů souvisejících s Rho“. Současný názor na buněčnou biologii. 13 (5): 619–626. doi:10.1016 / s0955-0674 (00) 00260-x. PMID  11544032.
  3. ^ Taghian K, Lee JY, Petratos S (srpen 2012). „Fosforylace a štěpení rodiny proteinů zprostředkujících odezvu na kolapsin mohou hrát centrální roli v neurodegeneraci po traumatu CNS“. Journal of Neurotrauma. 29 (9): 1728–1735. doi:10.1089 / neu.2011.2063. PMID  22181040.
  4. ^ A b C d E F G h i j k Schmidt EF, Strittmatter SM (2007). "Rodina proteinů CRMP a jejich role v signalizaci Sema3A". Semaforiny: receptory a intracelulární signalizační mechanismy. Pokroky v experimentální medicíně a biologii. 600. str.1–11. doi:10.1007/978-0-387-70956-7_1. ISBN  978-0-387-70955-0. PMC  2853248. PMID  17607942.
  5. ^ A b C d E F G h i j k l m n Ó p Charrier E .; Reibel S .; Rogemond V .; Aguera M .; Thomasset N .; Honnorat J. (srpen 2003). „Proteiny mediátoru odezvy na kolapsin (CRMP) - účast na vývoji nervového systému a neurodegenerativní poruchy dospělých“. Molekulární neurobiologie. 28 (1): 51–63. doi:10,1385 / MN: 28: 1: 51. PMID  14514985. S2CID  23916946.
  6. ^ A b C d E F G Hou ST, Jiang SX, Smith RA (2008). Povolující a odpudivé signály a signální dráhy axonálního růstu a regenerace. International Review of Cell and Molecular Biology. 267. 125–181. doi:10.1016 / S1937-6448 (08) 00603-5. ISBN  9780123743749. PMID  18544498.
  7. ^ Ponnusamy, Rajesh; Bernhard Lohkamp (5. března 2013). „Insights into the oligomerization of CRMPs: crystal structure of human collapsin response mediator protein 5“. Journal of Neurochemistry. DOI: 10.1111 / jnc.12188. 125 (6): 855–868. doi:10.1111 / jnc.12188. PMID  23373749.
  8. ^ Yamahista N, Goshima Y (únor 2012). "Proteiny mediátoru reakce na kolapsin regulují vývoj neuronů a plasticitu změnou jejich fosforylačního stavu". Molekulární neurobiologie. 45 (1): 234–246. doi:10.1007 / s12035-012-8242-4. PMID  22351471. S2CID  17567061.
  9. ^ Doty P, Rudd GD, Stoehr T, Thomas D (leden 2007). "Lakosamid". Neuroterapeutika. 4 (1): 145–8. doi:10.1016 / j.nurt.2006.10.002. PMID  17199030.
  10. ^ Soutar MP, Thornhill P, Cole AR, Sutherland C (červen 2009). „U Alzheimerovy choroby je pozorována zvýšená fosforylace CRMP2; říká nám to něco o vývoji nemoci?“. Současný výzkum Alzheimerovy choroby. 6 (3): 269–78. doi:10.2174/156720509788486572. PMID  19519308.
  11. ^ A b Yoshimura T, Arimura N, Kaibuchi K (listopad 2006). "Molekulární mechanismy specifikace axonů a neuronové poruchy". Annals of the New York Academy of Sciences. 1086 (1): 116–125. Bibcode:2006NYASA1086..116Y. doi:10.1196 / annals.1377.013. PMID  17185510.
  12. ^ Hensley, K; Gabbita SP; Venkova K; Hristov A; Johnson MF; Eslami P; Harris-White ME (říjen 2013). „Derivát metabolismu mozku Lanthionin ketimin zlepšuje kognitivní schopnosti a snižuje patologii u 3 × Tg-AD myšího modelu Alzheimerovy choroby“. Journal of Neuropathology and Experimental Neurology. 72 (10): 955–969. doi:10.1097 / NEN.0b013e3182a74372. PMID  24042198.
  13. ^ Vernino S. (únor 2009). "Testování protilátek jako diagnostický nástroj u autonomních poruch". Klinický autonomní výzkum. 19 (1): 13–19. doi:10.1007 / s10286-008-0488-6. PMID  18726055. S2CID  24116876.