文摘

内质网(ER)应力一直被认为参与多种疾病的发病机制,特别是神经退行性疾病如帕金森病(PD)。我们发现人类泛素连接酶HRD1与保护相关联ER应激及其相关的细胞凋亡。HRD1促进Parkin-associated的泛素化和退化的内皮素受体受体(Pael-R),一个ER应激诱导物和家族性帕金森病的诱发因素,从而防止Pael-R-induced神经细胞死亡。此外,upregulation HRD1的抗癫痫药物zonisamide抑制6-hydroxydopamine-induced神经细胞死亡。我们回顾最近的进展研究ER应激的神经元死亡的机制与帕金森病有关,尤其关注HRD1参与神经元死亡的预防以及潜在的治疗方法根据upregulation PD HRD1。

1。介绍

内质网(ER),一个细胞器的细胞中发现的真核生物,在蛋白质合成中起着关键作用,糖基化,折叠1]。ER应激引起的葡萄糖饥饿、缺氧,钙稳态,中断或氧化应激导致的累积展开或错误折叠的蛋白质。这引起细胞生理的保护性反应称为展开的蛋白质反应(UPR)。然而,在长时间的压力,展开的蛋白质可能刺激特定proapoptotic通路的激活转录因子C / EBP同源蛋白质(切)和半胱氨酸蛋白酶caspase-4/12 [2- - - - - -6]。

镇压的UPR包括通过磷酸化的蛋白质合成 2亚基的真核生物启动因素 (eIF2 ),这是被激活的蛋白激酶RNA-like ER激酶(活跃)7),打开蛋白质的降解ER-associated退化(ERAD)(图1)。额外关键UPR途径促进适当的蛋白质折叠是通过诱导ER监护人通过激活的激活转录因子6 (ATF6),活跃,inositol-requiring enzyme-1 (IRE1)(图1)[8]。ATF6 ER应激下蛋白酶裂解,产生一个活跃的胞质ATF6片段p50迁移到原子核和激活ER陪伴9]。活跃二聚和transautophosphorylation导致eIF2的磷酸化 翻译起始的整体频率,减少mRNA。然而,ATF4 mRNA在存在磷酸化eIF2优先翻译 。ATF4激活转录ER陪伴的10,11]。此外,自身磷酸化和寡聚化IRE1激活IRE1内切核糖核酸酶,导致x - box结合蛋白1 (XBP1) mRNA乳沟和拼接。负责ERAD转录因子XBP1调节基因,以及相关的基因与蛋白质折叠12]。


图1
细胞对ER应激的反应。ER应激由于缺氧和其他因素导致触发UPR的蛋白质的积累。UPR由三个途径:感应的ER陪伴IRE1的激活 -XBP1、ATF6 PERK-eIF2 的磷酸化,抑制蛋白质合成PERK-eIF2 ,ERAD。

在ERAD,展开蛋白质retrotranslocated ER的细胞溶质通过易位子;polyubiquitinated ubiquitin-activating酶(E1),泛素接合酶(E2),泛素连接酶E3,和其他组件;最后由26 s蛋白酶体(图退化2)。E3的无名指领域起着非常重要作用的蛋白质,泛素化的调停的泛素E2转移到基板(13,14]。


图2
ERAD系统的机制。展开的蛋白质从ER retrotranslocated细胞溶质通过易位子。基板然后polyubiquitinated E1, E2、E3,和其他组件,随后由26 s蛋白酶体降解,导致细胞的生存。HRD1和SEL1L ERAD系统的组件colocalize ER和相互作用。HRD1 E3活动,SEL1L调节E3活动和HRD1稳定。

ER应激已被建议作为一个可能的潜在的糖尿病的发病分子机制(15- - - - - -17),类风湿性关节炎18,19),和神经退行性疾病如帕金森病(PD) (20.- - - - - -23和阿尔茨海默病(AD)24]。这一发现ER压力和疾病发病之间的联系表明,展开蛋白质发挥作用在许多最流行的疾病的病因。有人建议,治疗药物的靶向和其它干预措施,旨在扰乱ER应力循环这样的疾病提供一个有用的治疗策略25- - - - - -27]。

在这里,我们回顾最近的证据在PD ER应激的参与。此外,我们描述泛素连接酶的抑制作用在ER应激HRD1神经元死亡和提出一个新方法治疗PD的关注HRD1。

2。PD和ER的压力

帕金森病是最常见的运动障碍,尤其是老年人,是第二个最常见的神经退行性疾病。它的特征是电动机症状包括运动徐缓,刚性,静止震颤,姿势不稳定。帕金森病的病理特征是黑质致密部多巴胺能神经元的损失(SNC),导致纹状体多巴胺含量的减少28,29日]。

例PD大多是零星的,据估计,只有约5 - 10%的病人表现出单基因疾病的形式(30.]。在常染色体隐性基因PD帕金(PARK2),PTEN-induced假定的激酶1(PINK1;PARK6),DJ-1(PARK7),ATP13A2(PARK9),而在常染色体显性基因PD -核蛋白(PARK1/4),富亮氨酸重复激酶2(LRRK2;PARK8),泛素carboxy-terminal水解酶L1(UCHL-1;PARK5)[31日]。此外,全基因组关联研究在日本和欧洲血统的人发现LRRK2和 -核蛋白偶发性帕金森氏病是常见的风险因素(32,33]。LRRK2和 -核蛋白是ERAD-related E3的基质,Hsp70-interacting蛋白质的糖基(芯片),帕金,证明ERAD系统中的干扰与PD的发病相关(34- - - - - -37]。根据这些报道,据推测,ER应激是PD的病因因素。

帕金是一个包含两个无名指的E3主题绑定一个或多个泛素分子,从而针对蛋白酶体降解的底物(37]。通过其E3活动,帕金降低自己的衬底,折叠Parkin-associated内皮素受体受体(Pael-R),因此,抑制细胞死亡所致的积累Pael-R [20.]。然而,帕金突变导致的损失E3活动,这可能会导致的累积展开Pael-R最后ER应激细胞死亡(34]。因此,ER应激发生的结果的积累展开Pael-R建议是一种常染色体隐性PD病理生理机制(38,39]。

Pael-R也积累在零星的PD(路易小体的核心40]。然而,Parkin-deficient老鼠表现出多巴胺能神经退化或无显著变化的积累任何帕金基质(41- - - - - -43];这与研究的结果显示,帕金淘汰赛/ Pael-R转基因小鼠表现出进步的多巴胺能神经元的损失(44]。这些报告表明,其他e3能够降解积累Pael-R没有帕金,作为维护细胞内稳态的代偿机制。

最近的两项研究突出PINK1帕金在PD的角色。PINK1和帕金共同调节线粒体分裂45,46]。据报道,特别是自身磷酸化PINK1新兵帕金受损的线粒体,帕金然后启动线粒体退化;然而,这些事件都避免在PD PINK1基因突变的47,48]。这些关键的发现展示的重要性E3帕金在PD的发病。

3所示。HRD1和PD

我们之前已经确定HRD1人类同族体酵母Hrd1p / Der3p [49]。Hrd1p / Der3p无名指domain-containing E3局部ER和参与ERAD和泛素化β-还原酶(Hmg2p) [50,51]。我们还确定了HRD1-stabilizer SEL1L,人工Hrd3p同族体(52,53]。我们证明HRD1 E3活动,信使rna和蛋白质水平的HRD1 ER应激调节反应,和HRD1抑制ER应激细胞死亡(53]。此外,据报道,HRD1-SEL1L复杂的组件os 9和GRP94负责交付衬底(54),这表明HRD1 ubiquitinates基质与SEL1L合作,os 9,和各种其他ERAD-related组件;相信Derlin-1、XTP3-B或其他分子可能也扮演类似的角色交付复杂(54,55),但详细的功能分析等分子仍不清楚。我们的研究表明,HRD1表达式是减少SEL1L击倒的49]。

基于上述发现,据推测,过表达HRD1降解许多展开的蛋白质,导致抑制ER应激引起的细胞死亡。因此,我们寻找内源性HRD1基质与ER应激和关注Pael-R,因为它的重要性导致ER应激(56]。

因为人类HRD1据报道被RT-PCR-ELISA大脑中的表达研究[57),我们检查了本地化的HRD1小鼠大脑和证明了它是在SNC表示,特别是在多巴胺能神经元(56]。据报道,Pael-R也在SNC多巴胺能神经元中表达的20.]。因此,我们假设和证明HRD1 Pael-R彼此存在相关性;HRD1和Pael-R colocalize在多巴胺能细胞SH-SY5Y ER和HRD1与展开Pael-R交互。此外,我们表明,Pael-R ubiquitinated和退化HRD1 Pael-R-induced细胞死亡是抑制过度的HRD1(图3)。

(一)
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(b)
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图3
HRD1降解展开Pael-R和抑制Pael-R-induced细胞死亡。(一)暂时Neuro2a细胞转染Pael-R HRD1,或HRD1-mutant。在转染后36小时,细胞pulse-labeled 蛋氨酸、半胱氨酸和追逐的显示时间。的水平 标签Pael-R绘制相对于出席时间0。(b) HEK293细胞(控制)和HEK293细胞表达HRD1或HRD1-mutant瞬变与Pael-R转染。幸存的细胞与结晶紫染色。细胞死亡的百分比计算如下:100 -((光密度分析/光学密度控制)×100)。获得的结果从每个细胞转染Pael-R比较与那些从细胞转染获得控制向量。结果表示为三个独立实验的手段±s.d在重复执行。使用学生的统计分析t -测试( 与正常)[56]。

此外,我们表明,HRD1表达在神经元,但不是在胶质细胞,小鼠的大脑,而这连接酶也表示在海马锥体细胞层,苍白球、纹状体、小脑皮质的浦肯野细胞,除了SNC多巴胺能神经元。据报道,这些地区是各种神经退行性疾病中受伤,特别是在运动障碍如帕金森病、亨廷顿氏舞蹈症,脊髓小脑的共济失调和朊病毒疾病(28,29日,58- - - - - -60]。因此,它是合理的,HRD1可能与发病有关的其他运动障碍。

详细功能分析显示,除了无名指域,HRD1包含一个脯氨酸与Pael-R域参与互动,以及跨膜域(56,61年]。的跨膜域HRD1传输Pael-R ER的胞质和稳定HRD1本身也需要61年]。我们之前报道,SEL1L稳定HRD1 (49),最近,丰塞卡et al。(62年]报道Wolfram综合征1蛋白质作为另一个HRD1稳定器。因此,作为HRD1无法与SEL1L或其他组件没有跨膜域,我们假设HRD1失去了它的稳定性。

4所示。对PD治疗策略包括ER应激

基于上述发现,我们提出以下治疗PD的策略包括ER应激:(i)促进适当的蛋白质折叠,以避免ER应激或(ii) HRD1及其相关组件的upregulation促进展开蛋白质的降解(图4)。(我),据报道,化学监护人或分子伴侣蛋白诱导促进适当的折叠的蛋白质(63年- - - - - -65年]。我们类似的报道,化学女伴4-phenyl丁酸(4-PBA)或其衍生品推广的正确折叠展开Pael-R和抑制细胞死亡所致的积累Pael-R [66年,67年]。此外,4-PBA改善电动机恶化人类α-核蛋白A30P / A53T double-transgenic老鼠(68年),防止内存赤字和减少淀粉样蛋白 在AD转基因小鼠69年]。此外,分子伴侣蛋白诱导物毕普诱导物X (BIX)预防ER应激神经元死亡(63年]。这些报告的基础上,适当的蛋白质折叠的加速使用化学陪伴或BIX被认为是有用的治疗PD和其他神经退行性疾病引起的ER应激。


图4
治疗PD的策略包括ER应激。(i)添加化学监护人(如4-PBA和tauroursodeoxycholic酸)或分子诱导ER监护人(如BIX);这些分子促进适当的蛋白质折叠和抑制的蛋白质的积累和ER应激细胞死亡,从而导致帕金森病的预防神经退行性病变,和(2)upregulation泛素连接酶HRD1,稳定器SEL1L,或其他ERAD组件;HRD1及其组件促进展开蛋白质的降解和抑制ER应激细胞死亡,从而导致帕金森病的预防神经退化。

关于治疗策略(ii),我们一直在努力识别化学物质促进HRD1蛋白的表达;通过本研究,我们确定了抗癫痫药物zonisamide的upregulator HRD1 [70年]。Zonisamide最近被证明改善帕金森病的主要症状和批准在日本使用低剂量的辅助治疗PD患者[71年,72年]。然而,zonisamide抑制的分子机制PD的进展仍不清楚。我们已经表明,低浓度的zonisamide抑制神经细胞死亡所致6-hydroxydopamine-induced ER应激(70年]。Zonisamide上调HRD1蛋白质,没有upregulating HRD1信使rna,通过一个涉及SEL1L机制。SEL1L mRNA和蛋白的表达上调,导致HRD1蛋白质的稳定和紧随其后的是增加HRD1蛋白质水平。相比之下,击倒的SEL1L会使HRD1和抑制zonisamide对ER应激的保护作用。这些发现表明,zonisamide可能激活SEL1L充当HRD1稳定器,和由此产生的调节HRD1蛋白抑制6-hydroxydopamine-induced细胞死亡(70年]。

5。结论

我们回顾了ER应激的参与在PD的病因,HRD1作为泛素连接酶的关键作用ERAD,基于HRD1对PD和治疗策略。PD最近被报道是一种多因子的神经退行性疾病;因此,重要的是要从不同角度的方法治疗,包括环境因素、氧化应激、线粒体功能障碍,除了ER应激(73年- - - - - -75年]。我们还描述重要的发现展示的参与HRD1降解的淀粉样前体蛋白和随后的减少淀粉样蛋白 ,一个可能的因素在AD的发病机制24]。

基于这些结果,我们建议HRD1潜在有多种基质蛋白构象的疾病,包括帕金森病和广告,推测分子激活HRD1可能治疗神经退行性疾病的潜在治疗。如果急诊室的压力的确是神经退行性疾病的原因之一,可能是这种方法代表了一种常见的神经保护策略,可以利用神经退行性疾病的治疗。

承认

本研究支持的科研补助金从教育部,文化、体育、科技、日本。