Fosfatidylinositol 3,5-bisfosfát - Phosphatidylinositol 3,5-bisphosphate

Fosfatidylinositol 3,5-bisfosfát (PtdIns (3,5) P2) je jedním ze sedmi fosfoinositidy nachází se v eukaryotických buněčných membránách.[1]V klidových buňkách byly hladiny PtdIns (3,5) P2 obvykle kvantifikovány pomocí HPLC, jsou nejnižší z konstitutivně přítomných fosfoinositidů. Jsou přibližně 3 až 5krát nižší ve srovnání s PtdIns3P a PtdIns5P (Fosfatidylinositol 5-fosfát ) úrovně a více než stokrát nižší než bohatý PtdIns4P (Fosfatidylinositol 4-fosfát ) a PtdIns (4,5) P2.[2]PtdIns (3,5) P2 byl poprvé hlášen u myši fibroblasty a nadějné droždí S. cerevisiae v roce 1997.[3][4]U S. cerevisiae PtdIns (3,5) se hladiny P2 dramaticky zvyšují během hyperosmotického šoku.[4]Odpověď na hyperosmotickou výzvu není u většiny testovaných savčích buněk konzervována, s výjimkou diferencovaných 3T3L1 adipocytů.[4][5]

Metabolismus

Jedinou v současnosti známou cestou pro produkci PtdIns (3,5) P2 je syntéza katalyzovaná fosfoinositid kinázou PIKfyve. Experimenty s pulzní chase na myších fibroblastech ukazují, že PtdIns (3,5) P2 se brzy po syntéze vrátí na PtdIns3P.[3]V savčích buňkách je PtdIns (3,5) P2 syntetizován a převeden na PtdIns3P jedinečným proteinovým komplexem obsahujícím dva enzymy s opačnými aktivitami: fosfoinositid kinázu PIKfyve a PtdIns (3,5) P2 5-fosfatáza obsahující Sac1 doménu, Sac3 /Obr.[6]Tyto dva enzymy neinteragují přímo. Spíše je spojuje sdružený regulátor PIKfyve, zvaný ArPIKfyve /VAC14, který tvoří základ ternárního regulačního komplexu, známého jako komplex PAS (z prvních písmen PIKfyve / ArPIKfyve / Sac3).[7]PIKfyve připojuje komplex PAS k endosomálním mikrodoménám obohaceným Rab5GTP / PtdIns3P FYVE finger doména, která selektivně váže PtdIns3P.[8][9][10]Podstatnou roli komplexu PAS v syntéze a obratu PtdIns (3,5) P2 podporují údaje z umlčování proteinů zprostředkovaného siRNA a heterologní exprese složek komplexu PAS v různých typech buněk, jakož i údaje z genetického vyřazení PAS komplexní proteiny.[5][6][11] [12][13][14][15]

Další cesta pro obrat PtdIns (3,5) P2 zahrnuje rodinu myotubularinových fosfatáz. Myotubularin 1 a MTMR2 defosforylují 3-pozici PtdIns (3,5) P2; produkt této hydrolýzy je tedy PtdIns5P, spíše než PtdIns3P.[16]Proteiny komplexu PAS jsou evolučně konzervovány ortology nalezenými v proteinech S. cerevisae (tj. Fab1p, Vac14p a Fig4p), stejně jako ve všech eukaryotech se sekvenovanými genomy. Proto se předpokládá, že PtdIns (3,5) P2 je přítomen ve všech eukaryotech, kde reguluje podobné buněčné funkce. Kvasinky Fab1p, Vac14p a Fig4p také tvoří komplex, který se nazývá komplex Fab1.[17]Komplex Fab1 však obsahuje další proteiny,[18]což by mohlo přidat další vrstvu regulace PtdIns (3,5) P2 v kvasnicích. Složení proteinových komplexů regulujících hladiny PtdIns (3,5) P2 u jiných druhů je třeba ještě vyjasnit.

Funkce a regulace

PtdIns (3,5) P2 reguluje endozomální operace (štěpení a fúzi), které udržují endomembránovou homeostázu a řádný výkon přenosových cest vycházejících z endosomů nebo jimi procházejících. Snížení hladin PtdIns (3,5) P2 při poruchách buněčné PIKfyve heterologní expresí enzymaticky neaktivních bodových mutantů PIKfyve,[19]umlčování léčené siRNA,[20]farmakologická inhibice[21]a PIKFYVE knockout[13]všechny způsobují tvorbu několika cytosolických vakuol, které se postupem času zvětšují. Důležité je, že vakuolizace vyvolaná dysfunkcí PIKfyve a vyčerpáním PtdIns (3,5) P2 je reverzibilní a mohla by být selektivně zachráněna cytosolickou mikroinjekcí PtdIns (3,5) P2,[22]nadměrná exprese PIKfyve[19]nebo vymývání inhibitoru PIKfyve YM201636.[21]Aktivita Sac3 fosfatázy v komplexu PAS také hraje důležitou roli při regulaci hladin PtdIns (3,5) P2 a udržování endomembránové homeostázy. Cytoplazmatická vakuolizace indukovaná dominantně negativním mutantem PIKfyveK1831E je tedy potlačena při společné expresi bodového mutantu neaktivního na fosfatázu Sac3 spolu s ArPIKfyve.[12]In vitro rekonstituční testy fúze endosomů a tvorba / oddělení (štěpení) multivesikulárních tělísek (MVB) naznačují pozitivní roli PtdIns (3,5) P2 při štěpení MVB ze zrání časných endosomů a negativní roli ve fúzi endosomů. [6][8]PtdIns (3,5) P2 se podílí na retrográdním transportu závislém na mikrotubulích z časných / pozdních endosomů do trans Golgiho sítě. [20][23]

Akutní léčba inzulínem zvyšuje hladiny PtdIns (3,5) P2 v 3T3L1 adipocytech, a to jak v izolovaných membránách, tak v intaktních buňkách, aby se podpořil účinek inzulínu na translokaci povrchu buněk GLUT4 a transport glukózy.[11][12]Tyto buňky také vykazují výrazné zvýšení PtdIns (3,5) P2 po hyperosmotickém šoku.[5]Další podněty, včetně mitogenních signálů, jako jsou IL-2 a UV světlo v lymfocyty,[24]aktivace protein kináza C. podle PMA v krevní destičky[25]a EGF stimulace buněk COS, [26]také zvýšit úrovně PtdIns (3,5) P2.

PtdIns (3,5) P2 hraje klíčovou roli v růstu a vývoji, o čemž svědčí preimplantační letalita modelu myši PIKfyve knockout.[13] Skutečnost, že heterozygotní myši PIKfyve jsou zdánlivě normální a dožívají se pozdní dospělosti pouze s ~ 60% hladin PtdIns (3,5) P2 divokého typu naznačuje, že PtdIns (3,5) P2 může být normálně v přebytku. [13]

Vyřazení ArPIKfyve / Vac14 nebo Sac3 / Fig4 u myší vede k 30-50% snížení hladin PtdIns (3,5) P2 a způsobuje podobnou masivní centrální neurodegeneraci a periferní neuropatii.[14][15]Tyto studie naznačují, že snížené hladiny PtdIns (3,5) P2 prostřednictvím dosud nezjištěného mechanismu zprostředkovávají smrt neuronů. Naproti tomu vyřazení fosfatázy MTMR2, které také způsobuje periferní neuropatii, je doprovázeno zvýšením PtdIns (3,5) P2.[27]Zda tedy a jak abnormální hladiny PtdIns (3,5) P2 selektivně ovlivňují periferní neuronální funkce, zůstává nejasné.

Efektory

Fosfoinositidy jsou obecně považovány za membránou ukotvené signály přijímající specifické cytosolické efektorové proteiny. Dosud bylo několik proteinů navrženo jako potenciální efektory PtdIns (3,5) P2. Očekávání, že takové efektory budou evolučně konzervované a sdílejí společný motiv vázání PtdIns (3,5) P2 s vysokou afinitou, bohužel zůstávají nenaplněny. Například delece Atg18p, proteinu zapojeného také do autofagie v S. cerevisae způsobuje zvětšenou vakuolu a 10násobnou elevaci v PtdIns (3,5) P2. Atg18p váže PtdIns (3,5) P2 s vysokou afinitou a specificitou.[28]S výjimkou autofagie však savčí ortology Atg18p nesdílejí podobné funkce. [29]Dva další kvasinkové proteiny (Ent3p a Ent5p) nalezené v prevacuolárních a endozomálních strukturách jsou potenciálními PtdIns (3,5) P2 efektory při třídění MVB. Obsahují doménu ENTH vázající fosfoinositid a jejich delece způsobí poruchy třídění MVB podobné těm, které byly hlášeny pro deleci Fab1p.[30] Ani Ent3p, ani Ent5p však nemají preferenční a vysoce afinitní vazebnou specificitu vůči PtdIns (3,5) P2 in vitro. [31]Savčí VPS24 (člen rodiny nabitých multivezikulárních tělních proteinů (CHMP)) je dalším domnělým efektorem PtdIns (3,5) P2. [32]Bohužel, měření povrchové plazmonové rezonance nepodporují specifické nebo vysokoafinitní rozpoznávání PtdIns (3,5) P2 pro savčí i kvasinkové VPS24. [31]Lidský transmembránový kationtový kanál TRPML1 (jehož genetická inaktivace způsobuje lysozomální střádavé onemocnění) byl nedávno předložen jako PtdIns (3,5) P2 efektor, založený na in vitro vazebných testech a jeho schopnosti zachránit vakuolační fenotyp ve fibroblastech z ArPIKfyve / Vac14 knockout myši.[33]Ale delece ortologického proteinu v kvasinkách nezpůsobuje zvětšení vakuoly,[34]což vyvolává pochybnosti o evoluční ochraně tohoto efektorového mechanismu. K ověření těchto nebo odhalení dosud neznámých efektorů PtdIns (3,5) P2 jsou zapotřebí další studie.

Reference

  1. ^ Di Paolo G, De Camilli P. Fosfoinositidy v buněčné regulaci a membránové dynamice. Příroda. 12. října 2006; 443 (7112): 651-7. PMID  17035995
  2. ^ Shisheva A. Regulace dynamiky vezikul Glut4 fosfoinositidkinázami a fosfoinositidfosfatázami. Přední Biosci. 2003 1. září; 8: s945-56. Posouzení. PMID  12957825
  3. ^ A b Whiteford CC, Brearley CA, Ulug ET. Fosfatidylinositol 3,5-bisfosfát definuje novou PI 3-kinázovou cestu v klidových myších fibroblastech. Biochem J. 1997 1. května; 323 (Pt 3): 597-601. PMID  9169590
  4. ^ A b C Dove SK, Cooke FT, Douglas MR, Sayers LG, Parker PJ, Michell RH. Osmotický stres aktivuje syntézu fosfatidylinositol-3,5-bisfosfátu. Příroda. 1997 13. listopadu; 390 (6656): 187-92. PMID  9367158
  5. ^ A b C Sbrissa D, Shisheva A. Získání bezprecedentního nárůstu fosfatidylinositol 3,5-bisfosfátu v hyperosmoticky stresovaných 3T3-L1 adipocytech, zprostředkované cestou ArPIKfyve-PIKfyve. J Biol Chem. 2005 4. března; 280 (9): 7883-9. EPUB 2004 16. listopadu. PMID  15546865
  6. ^ A b C Sbrissa D, Ikonomov OC, Fu Z, Ijuin T, Gruenberg J, Takenawa T, Shisheva A. Jádrový proteinový aparát pro syntézu a přeměnu fosfatidylinositol 3,5-bisfosfátu a obrat obratlů, který reguluje progresi endosomálního transportu. Nová fosfatáza Sac se připojuje ke komplexu ArPIKfyve-PIKfyve. J Biol Chem. 2007 17. srpna; 282 (33): 23878-91. EPUB 2007 7. června. doi:10,1074 / jbc.M611678200 PMID  17556371
  7. ^ Sbrissa D, Ikonomov OC, Fenner H, Shisheva A. ArPIKfyve homomerní a heteromerní interakce lešení PIKfyve a Sac3 v komplexu na podporu aktivity a funkčnosti PIKfyve. J Mol Biol. 26. prosince 2008; 384 (4): 766-79. EPUB 2008 11. října. doi:10.1016 / j.jmb.2008.10.009 PMID  18950639
  8. ^ A b Ikonomov OC, Sbrissa D, Shisheva A. Lokalizovaná syntéza PtdIns 3,5-P2 k regulaci dynamiky a fúze časných endosomů. Am J Physiol Cell Physiol. Srpen 2006; 291 (2): C393-404. EPUB 2006 1. března. doi:10.1152 / ajpcell.00019.2006 PMID  16510848
  9. ^ Shisheva A, Sbrissa D, Ikonomov O. Klonování, charakterizace a exprese nové Zn2 + vázající FYVE prst obsahující fosfoinositid kinázy v buňkách citlivých na inzulín. Mol Cell Biol. 1999 Jan; 19 (1): 623-34. PMID  9858586
  10. ^ Sbrissa D, Ikonomov OC, Shisheva A. Fosfatidylinositol 3-fosfát interagující domény v PIKfyve. Závazná specifičnost a role v PIKfyve. Lokalizace endomenbrane. J Biol Chem. 2002 22. února; 277 (8): 6073-9. EPUB 2001 12. listopadu. doi:10,1074 / jbc.M110194200 PMID  11706043
  11. ^ A b Ikonomov OC, Sbrissa D, Dondapati R, Shisheva A. ArPIKfyve-PIKfyve interakce a role v inzulínem regulované GLUT4 translokaci a transportu glukózy v 3T3-L1 adipocytech. Exp Cell Res. 1. července 2007; 313 (11): 2404-16. EPUB 2007 30. března. doi:10.1016 / j.yexcr.2007.03.024 PMID  17475247
  12. ^ A b C Ikonomov OC, Sbrissa D, Fenner H, Shisheva A. Základní komplex PIKfyve-ArPIKfyve-Sac3: kontaktní místa a jejich důsledky pro aktivitu fosfatázy Sac3 a homeostázu endocytové membrány. J Biol Chem. 2009 18. prosince; 284 (51): 35794-806. Epub. doi:10.1074 / jbc.M109.037515 PMID  19840946
  13. ^ A b C d Ikonomov OC, Sbrissa D, Delvecchio K, Xie Y, Jin JP, Rappolee D, Shisheva A. Fosfoinositid kináza PIKfyve je životně důležitá pro časný embryonální vývoj: preimplantační letalita PIKfyve - / - embryí, ale normálnost PIKfyve +/- myší. J Biol Chem. 15. dubna 2011; 286 (15): 13404-13. EPUB 2011 24. února. doi:10.1074 / jbc.M111.222364 PMID  21349843
  14. ^ A b Zhang Y, Zolov SN, Chow CY, Slutsky SG, Richardson SC, Piper RC, Yang B, Nau JJ, Westrick RJ, Morrison SJ, Meisler MH, Weisman LS. Ztráta Vac14, regulátoru signálního lipidu fosfatidylinositol 3,5-bisfosfátu, vede u myší k neurodegeneraci. Proc Natl Acad Sci U S A. 2007 30. října; 104 (44): 17518-23. EPUB 2007 23. října.PMID  17956977
  15. ^ A b Chow CY, Zhang Y, Dowling JJ, Jin N, Adamska M, Shiga K, Szigeti K, Shy ME, Li J, Zhang X, Lupski JR, Weisman LS, Meisler MH. Mutace na obr. 4 způsobuje neurodegeneraci u myší s bledým třesem a pacientů s CMT4J. Příroda. 2007 5. července; 448 (7149): 68-72. EPUB 2007 17. června.PMID  17572665
  16. ^ Shisheva A. PIKfyve: Partneři, význam, debaty a paradoxy. Cell Biol Int. 2008 červen; 32 (6): 591-604. EPUB 2008 25. ledna. Recenze.doi:10.1016 / j.cellbi.2008.01.006 PMID  18304842
  17. ^ Botelho RJ, Efe JA, Teis D, Emr SD. Sestavení signálního komplexu Fab1 fosfoinositid kinázy vyžaduje obr. 4 fosfoinositid fosfatázu. Mol Biol Cell. Říjen 2008; 19 (10): 4273-86. EPUB 2008 23. července. PMID  1865348
  18. ^ Jin N, Chow CY, Liu L, Zolov SN, Bronson R, Davisson M, Petersen JL, Zhang Y, Park S, Duex JE, Goldowitz D, Meisler MH, Weisman LS. VAC14 nukleuje proteinový komplex nezbytný pro akutní interkonverzi PI3P a PI (3,5) P (2) v kvasinkách a myších. EMBO J. 2008 17. prosince; 27 (24): 3221-34. EPUB 2008 27. listopadu. doi:10.1038 / emboj.2008.248 PMID  19037259
  19. ^ A b Ikonomov OC, Sbrissa D, Shisheva A. Morfologie buněčných buněk savců a homeostáza endocytické membrány vyžadují enzymaticky aktivní fosfoinositid 5-kinázu PIKfyve. J Biol Chem. 2001 13. července; 276 (28): 26141-7. EPUB 2001 2. dubna. doi:10,1074 / jbc.M101722200 PMID  11285266
  20. ^ A b Rutherford AC, Traer C, Wassmer T, Pattni K, Bujny MV, Carlton JG, Stenmark H, Cullen PJ. Savčí fosfatidylinositol 3-fosfát 5-kináza (PIKfyve) reguluje retrográdní transport endosomu k TGN. J Cell Sci. 2006 1. října; 119 (19): 3944-57. EPUB 2006 5. září. doi:10.1242 / jcs.03153 PMID  16954148
  21. ^ A b Jefferies HB, Cooke FT, Jat P, Boucheron C, Koizumi T, Hayakawa M, Kaizawa H, Ohishi T, Workman P, Waterfield MD, Parker PJ. Selektivní inhibitor PIKfyve blokuje produkci PtdIns (3,5) P (2) a narušuje endomembránový transport a růst retrovirů. EMBO Rep. Únor 2008; 9 (2): 164-70. EPUB 2008 11. ledna. doi:10.1038 / sj.embor.7401155 PMID  18188180
  22. ^ Ikonomov OC, Sbrissa D, Mlak K, Kanzaki M, Pessin J, Shisheva A. Funkční disekce signálů lipidů a proteinových kináz PIKfyve odhaluje roli produkce PtdIns 3,5-P2 pro integritu endomembrány. J Biol Chem. 2002 15. března; 277 (11): 9206-11. EPUB 2001 19. listopadu. PMID  11714711
  23. ^ Ikonomov OC, Fligger J, Sbrissa D, Dondapati R, Mlak K, Deeb R, Shisheva A. Kinesin adaptér JLP spojuje PIKfyve s mikrotubulovým provozem endosomu na trans-Golgiho furin. J Biol Chem. 2009 6. února; 284 (6): 3750-61. EPUB 2008 4. prosince. doi:10,1074 / jbc.M806539200 PMID  19056739.
  24. ^ Jones DR, González-García A, Díez E, Martinez-A C, Carrera AC, Meŕida I. Identifikace fosfatidylinositol 3,5-bisfosfátu v T-lymfocytech a jeho regulace pomocí interleukinu-2. J Biol Chem. 1999 Jun 25; 274 (26): 18407-13. PMID  10373447
  25. ^ Banfić H, Downes CP, Rittenhouse SE. Dvoufázová aktivace PKBalpha / Akt v krevních destičkách. Důkazy o stimulaci jak fosfatidylinositol 3,4-bisfosfátem produkovaným novou cestou, tak fosfatidylinositol 3,4,5-trisfosfátem. J Biol Chem. 1998 8. května; 273 (19): 11630-7. PMID  9565582
  26. ^ Tsujita K, Itoh T, Ijuin T, Yamamoto A, Shisheva A, Laporte J, Takenawa T. Myotubularin reguluje funkci pozdního endosomu prostřednictvím interakce gram doména-fosfatidylinositol 3,5-bisfosfát. J Biol Chem. 2004 2. dubna; 279 (14): 13817-24. EPUB 2004 12. ledna. PMID  14722070
  27. ^ Vaccari I, Dina G, Tronchère H, Kaufman E, Chicanne G, Cerri F, Wrabetz L, Payrastre B, Quattrini A, Weisman LS, Meisler MH, Bolino A. Genetická interakce mezi fosfolipidovými fosfatázami MTMR2 a FIG4 zapojenými do Charcot-Marie- Zubní neuropatie. PLoS Genet. Říjen 2011; 7 (10): e1002319. EPUB 2011 20. října. PMID  22028665
  28. ^ Dove SK, Piper RC, McEwen RK, Yu JW, King MC, Hughes DC, Thuring J, Holmes AB, Cooke FT, Michell RH, Parker PJ, Lemmon MA. Svp1p definuje rodinu fosfatidylinositol 3,5-bisfosfátových efektorů. EMBO J. 2004 5. května; 23 (9): 1922-33. EPUB 2004 22. dubna. PMID  15103325
  29. ^ Dove SK, Dong K, Kobayashi T, Williams FK, Michell RH. Fosfatidylinositol 3,5-bisfosfát a Fab1p / PIKfyve pod funkcí endo-lysozomu PPIn. Biochem J. 2009 1. dubna; 419 (1): 1-13. Posouzení.PMID  19272020
  30. ^ Friant S, Pécheur EI, Eugster A, Michel F, Lefkir Y, Nourrisson D, Letourneur F. Ent3p Je PtdIns (3,5) P2 efektor potřebný pro třídění proteinů do multivesikulárního těla. Dev Cell. Září 2003; 5 (3): 499-511. PMID  12967568
  31. ^ A b Michell RH, Heath VL, Lemmon MA, Dove SK. Fosfatidylinositol 3,5-bisfosfát: metabolismus a buněčné funkce. Trends Biochem Sci. 2006 Jan; 31 (1): 52-63. EPUB 2005 20. prosince. Recenze. doi:10.1016 / j.tibs.2005.11.013 PMID  16364647
  32. ^ Whitley P, Reaves BJ, Hashimoto M, Riley AM, Potter BV, Holman GD. Identifikace savčího Vps24p jako efektoru kompartmentalizace endozomu závislého na fosfatidylinositolu 3,5-bisfosfátu. J Biol Chem. 3. října 2003; 278 (40): 38786-95. EPUB 2003 23. července.PMID  12878588
  33. ^ Dong XP, Shen D, Wang X, Dawson T, Li X, Zhang Q, Cheng X, Zhang Y, Weisman LS, Delling M, Xu H. PI (3,5) P (2) řídí obchodování s membránou přímou aktivací mukolipin Ca (2+) uvolňující kanály v endolysozomu. Nat Commun. 13. července 2010; 1:38. doi:10.1038 / ncomms1037. PMID  20802798
  34. ^ Chang Y, Schlenstedt G, Flockerzi V, Beck A. Vlastnosti kanálu intracelulárního potenciálu přechodného receptoru (TRP) v kvasinkách, Yvc1. FEBS Lett. 2010 17. května; 584 (10): 2028-32. EPUB 2009 24. prosince. PMID  20035756

externí odkazy