Rolle von EIF5A in der Mitochondrienfunktion Teil 2

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4. Verbindungen zwischen elF5A und Mitochondrienfunktion

Zusammenhänge zwischen elF5A, seinen Kopplungsenzymen und dem Kopplungssubstrat Spermidin und der Mitochondrienfunktion gibt es zwar schon lange, doch die Summe aller Daten ergibt noch immer ein nicht ganz eindeutiges und teilweise widersprüchliches Bild. Einerseits haben verschiedene Berichte dokumentiert, dass sowohl ein Mangel als auch ein Überschuss an elfF5A schädliche Auswirkungen auf die Mitochondrienfunktion haben. Beispielsweise führte in Herzmuskelzellen der Ratte die durch das Antitumormittel Doxorubicin induzierte Überexpression von eIF5A zu einem allmählichen Anstieg von ROS und einem Anstieg von Ca2 plus Einstrom in die Mitochondrien [54]. Diese Veränderungen korrelierten mit einem Verlust des mitochondrialen Transmembranpotentials und der Induktion von Apoptose, während die Störung der EIF5A1-Expression die Apoptose verringerte. Diese Ergebnisse stimmten gut mit den von Sun et al. (2010)[124] berichteten Ergebnissen überein, die in menschlichen Zellen erhalten wurden, in denen die EIF5A1-Überexpression durch eine Virusinfektion stimuliert wurde, aber auch die Überexpression einer nicht trennbaren EIF5A1-Mutante induzierten apoptotischen Zelltod durch den intrinsischen mitochondrialen Signalweg. Der Anstieg der EIF5A1-Spiegel verursachte einen Verlust des mitochondrialen Membranpotentials und führte zur Translokation des apoptotischen Markers B-Zell-Lymphom 2--assoziiertes X(Bax)-Protein in die Mitochondrien, die Freisetzung von Cytochrom c und Caspase-Aktivierung. Ein weiterer interessanter Aspekt dieser Studie war, dass eine proteomische Analyse von HeLa-Zellen mit eIE5A-Überexpression die Hochregulation von mitochondrialen Proteinen zeigte [124]. Daher provozierte in diesen Studien die Dysregulation der hyp-eIF5A- und nicht mit Bindestrich versehenen elF5A-Proteinspiegel eine mitochondriale Dysfunktion und Apoptose.

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Im Fall von Hefe wurde, wie oben erwähnt, früh festgestellt, dass die vom S. cerevisiae-TIF51A-Gen codierte eIF5A-Isoform für das Wachstum in Gegenwart von Sauerstoff erforderlich ist, während die vom TIF51B-Gen codierte Isoform unter hypoxischen Bedingungen induziert wird [1]. Tatsächlich führt eine Verringerung des Tif51A-Proteins dazu, dass die mitochondriale Atemfrequenz sinkt [107]. Bei der Spalthefe Schizosaccharomyces pombe verursacht eine Punktmutation im DOHH-Gen (kodiert durch das MMD1-Gen) temperaturempfindliches Wachstum und Defekte in der mitochondrialen Morphologie und Verteilung. Bei einer nicht-permissiven Temperatur zeigen Mikrotubuli, die die mitochondriale Positionierung vermitteln, eine abweichende Organisation und Mitochondrien aggregieren an den beiden Zellenden [125]. Jüngste Studien in verschiedenen Krankheitskontexten, wie Nierentransplantation, Schlaganfall und Malariainfektion, haben die positive Verbindung zwischen den Aktivitäten von eF5A und Mitochondrien hervorgehoben und auf die Hemmung von hyp-eIF5A als eine Möglichkeit hingewiesen, Zellen in vorübergehenden Situationen mit niedrigem Niveau zu schützen Sauerstoffverfügbarkeit, die ansonsten zu Mitochondrienschäden und Zelltod beitragen. Melis et al. (2017)[126] untersuchten den möglichen Zusammenhang zwischen elF5A-Hyphenation und zellulärer Resistenz gegen Hypoxie/Anoxie. Sie zeigten, dass die Behandlung mit GC7-- oder RNA-Interferenz-vermittelter Hemmung von DHPS oder DOHH den Anoxie-induzierten Zelltod in Nierenzellen von Mäusen verhinderte. Wichtig ist, dass die GC7-Behandlung eine reversible metabolische Verschiebung in Richtung Glykolyse induziert, die von einer mitochondrialen Remodellierung und der Herunterregulierung der Expression und Aktivität der ETC-Atmungskettenkomplexe zusammen mit einer verringerten mitochondrialen Sauerstoffverbrauchsrate und einer abgeschwächten Anoxie-induzierten Erzeugung von ROS begleitet wurde. Zusammen zeigen diese Daten, dass eine reduzierte hyp-elF5A-Aktivität zu einer mitochondrialen Stummschaltung führt. Dies wurde in Ratten-Ischämie-induzierten Nierenverletzungs- und Schweinenierentransplantationsmodellen bestätigt, die die vorteilhaften Wirkungen der mitochondrialen Stummschaltung durch hyp-eIF5A-Hemmung zur Verhinderung von Anoxie-induziertem Zelltod zeigten [126]. Vor kurzem verwendete die gleiche Gruppe ein Schweinetransplantationsmodell, um zu zeigen, dass die eF5A-Hemmung durch GC7-Behandlung Nieren für die Transplantation von Spendern mit Hirntod präkonditioniert, was von einer reduzierten Sauerstoffaufnahme ]127I begleitet wurde. Insbesondere scheint die GC7-Behandlung die antioxidativen Abwehrkräfte zu erhalten, indem sie die Expression von mitochondrienschützenden Proteinen (Superoxiddismutase, Hämoxygenase und andere) und die mitochondriale Integrität/Homöostase erhöht, indem sie die Dynamin-bezogene Protein-I-Expression verringert und die Mitofusin-2-Expression erhöht . Diese protektiven Effekte führten zu einem besseren Transplantationsergebnis [127].Cistanche-Dosierung redditDie Aufrechterhaltung der mitochondrialen Funktion durch Verringerung ihrer Aktivität während hypoxischer Bedingungen durch Hemmung von hyp-elF5A wurde erneut von der gleichen Gruppe demonstriert, die mit einem zerebralen Ischämie-Mausmodell arbeitete. Der Verlust des mitochondrialen Membranpotentials ist ein Kennzeichen des neuronalen Zelltods im Zusammenhang mit einer mitochondrialen Dysfunktion, die mit einer übermäßigen ROS-Produktion, einer Ca²-Freisetzung aus den Mitochondrien und einer Abnahme des internen ATP auftritt. Die GC7-Behandlung reduzierte diese drei Effekte in Neuronen, die mit Depolarisationsmitteln behandelt wurden, wodurch das mitochondriale Membranpotential erhalten blieb. In vivo reduzierte GC7 das Infarktvolumen und die kognitiven Defizite nach einem Schlaganfall bei Mäusen [128]. In einem anderen Zusammenhang haben Studien an Säuglingen mit Malariainfektion das parallele Auftreten von zellulärer Hypoxie gezeigt, die zur Apoptose von kardialen ventrikulären Myozyten führt. In einem In-vitro-Modell einer Malariainfektion in menschlichen Kardiomyozyten wurde festgestellt, dass die Verringerung der hyp-elF5A-Spiegel durch GC7-Behandlung zu einer Verringerung der Freisetzung von Cytochrom c und Laktat aus beschädigten Mitochondrien führt und die proinflammatorische und proapoptotische myokardiale Caspase reduziert {{11 }} Aktivität. Diese Ergebnisse zeigen, dass die Verabreichung von GC7 in einem Malaria-simulierenden In-vitro-Modell eine durch Hypoxie verursachte Herzschädigung verhindert [129].

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Alle bisherigen Studien an verschiedenen Modellen und Organismen zeigen deutlich die positive Rolle von hvpusiniertem eF5A bei der Förderung der mitochondrialen Atmung und Funktion, weisen aber auch darauf hin, dass ein Überschuss an eF5A, mit oder ohne Bindestrich, die mitochondriale Funktion dereguliert. Die Mechanismen, die dieser eIF5A-Mitochondrien-Beziehung zugrunde liegen, stehen erst am Anfang ihrer Aufklärung und werden in den folgenden Abschnitten diskutiert.

5. Polyamine regulieren die Mitochondrienfunktion: eIF5A-abhängige und unabhängige Wirkungen

Die zellulären Polyaminspiegel von Säugetieren werden streng kontrolliert, und es ist seit langem bekannt, dass Polyamine (Spermidin, Spermin und ihre Vorstufe Putrescin) regulatorische Funktionen in den Mitochondrien ausüben [130-132]. Der Abbau von Polyaminen provoziert oxidativen Stress und induziert den Übergang der mitochondrialen Permeabilität, der die Zellen letztendlich zur Apoptose oder Nekrose führt [133]. Im Gegensatz dazu stellt die Zugabe von Spermin zu depolarisierten Mitochondrien das Transmembranpotential wieder her [134]. Polyaminwirkungen auf Mitochondrien können durch eIF5A ausgeführt werden, da eine der Hauptrollen von Spermidin die eines Substrats für die eIF5A-Hyphenation ist [12,130]. Es scheint jedoch, dass andere eIF5A-unabhängige Polyaminrollen direkt auf die mitochondriale Funktion abzielen können. Beispielsweise wurde festgestellt, dass Spermidin die ribosomale Translationsinitiation von Hefe-COX4 fördert, einer der Untereinheiten der Cytochrom-c-Oxidase (Komplex IV), in der ein Defekt die mitochondriale Atmung beeinträchtigt [135].Cistanche-Extrakt VorteileDie Initiation der COX4-mRNA-Translation wird durch Spermidin durch Ribosomen-Shunting hochreguliert, ein unkonventioneller Translationsinitiationsmodus, der auch von Viren und einigen eukaryotischen mRNAs verwendet wird, vermittelt durch eine verlängerte Haarnadelstruktur in der 5'-untranslatierten Region [136].Cistanche Dschingis KhanObwohl elF5A nicht in Bezug auf die COX4-Translation untersucht wurde, wurde dokumentiert, dass es andere unkonventionelle Arten der Translationsinitiation während einer Virusinfektion [137] und für spezifische zytoplasmatische mRNAs fördert [138,139]. Ein tiefgreifendes Verständnis des Mechanismus, durch den Polyamine die Mitochondrien beeinflussen Funktion wird es möglich machen, zwischen elF5A-vermittelten und unabhängigen Effekten zu unterscheiden.

6. Die subzelluläre Lokalisierung des eukaryotischen Translationsinitiationsfaktors 5A und seine Assoziation mit Mitochondrien

Der eukaryotische Translationsinitiationsfaktor 5A ist ein sehr häufig vorkommendes Protein, das hauptsächlich im Zytoplasma lokalisiert ist. Es wurden jedoch auch andere nicht-zytoplasmatische Lokalisationen beschrieben, einschließlich der Mitochondrien, obwohl die quantitative und funktionelle Relevanz dieser alternativen subzellulären Lokalisation noch unklar ist. Wie zuvor diskutiert, ist eine der subzellulären Lokalisierung von eF5A in der ER-Membran, wo die co-translationale Translokation von Proteinen in das ER zu vermitteln scheint [23,25,26]. Der eukaryotische Translationsinitiationsfaktor 5A wurde auch im Zellkern nachgewiesen, in den er aufgrund seiner geringen Größe durch die Kernporenkomplexe eindringen kann [140]. Nukleare Exportine für elF5A wurden in Säugetieren (Xpo4) und in Hefe (Pdr6) gefunden[30,140]. Die Kernlokalisierung von eIF5A scheint durch seine reversible Acetylierung reguliert zu werden, eine Modifikation, die eine Silbentrennung auszuschließen scheint (Übersicht in [141]). Daher besteht derzeit Konsens darüber, dass das unmodifizierte eF5A in der gesamten Zelle verteilt ist, während acetyliertes eF5A im Zellkern und hyp-eF5A im Zytoplasma akkumuliert. Es wurde vorgeschlagen, dass das Kern-Zytoplasma-Shuttle von eIF5A den nuklearen Export spezifischer mRNAs und Proteine ​​erleichtert, obwohl diese Funktion nicht klar verstanden wird [141].

Es wurde auch vorgeschlagen, dass der nukleare Export von elF5A durch Xolo/Crm1 vermittelt wird, obwohl spätere Ergebnisse gegen Xolo als direkten elF5A-Export sprechen [24,57,142]. Interessanterweise fördert die Hemmung von Xpo1 die Akkumulation des elF5A-Proteins in den Mitochondrien einer menschlichen Eierstockkrebs-Zelllinie, wo es Apoptose induziert [143]. Es wurde entdeckt, dass elF5A mit dem mRNA-bindenden Protein des insulinähnlichen Wachstumsfaktors 2 (IGF2BP1) im Zytoplasma interagiert und so die Akkumulation von elF5A in den Mitochondrien verhindert. Paul ist das Kernexportin von IGF2BP1; somit führt die Hemmung des Xpo1--vermittelten Kernexports von IGFBP1 zur Lokalisierung von elF5A in den Mitochondrien. IGF2BP1 wirkt daher als Regulator der Lokalisierung von elF5A und der pro-apoptotischen Funktion in den Mitochondrien [143]. Andere Berichte haben auch vorgeschlagen, dass eIF5A mit den Mitochondrien assoziiert ist. In einer proteomischen Studie zur Bestimmung unterschiedlich exprimierter mitochondrialer Proteine ​​in einer metastasierten im Vergleich zu einer nicht metastasierten Nasopharynxkarzinom-Zelllinie war elfF5A eines der am häufigsten induzierten Proteine ​​aus gereinigten Mitochondrien, zusammen mit Proteinen, die am mitochondrialen Redoxstoffwechsel, respiratorischen Elektronentransport und beteiligt sind Mitochondrienmembranpotential [144].

Bei der Translation einiger mRNA-Transkriptvarianten des menschlichen EIF5A1-Gens entsteht durch die Verwendung eines alternativen Startcodons eine eIF5A-Isoform mit 30 Aminosäuren verlängerter N-terminaler Peptidsequenz [145]. Diese längere eIF5A-Isoform wird viel weniger effizient translatiert als das kanonische eIF5A, ist aber auch anfällig für Modifikationen durch Silbentrennung. Die verlängerte N-terminale Sequenz enthält ein mutmaßliches mitochondriales Lokalisierungssignal, und tatsächlich, als die längere eIF5A-Isoform in menschlichen HeLa-Zellen überexprimiert wurde, wurde sie mit den Mitochondrien co-gereinigt [145]. Vor kurzem untersuchte dieselbe Gruppe die Rolle der längeren eIF5A-Isoform auf die mitochondriale Funktion [146]. Sie verwendeten eine spezifische siRNA, um nur die längere elF5A-Isoform abzureichern, ohne die kanonische zu beeinträchtigen, und beobachteten die Herunterregulierung der mRNA-Spiegel mehrerer Gene, die an der Mitochondrien-Biogenese beteiligt sind, sowie eine Verringerung der Spiegel mehrerer OXPHOS-Proteine ​​in HeLa-Zellen. Im Gegensatz zu den Ergebnissen der Verarmung des kanonischen elF5A führte die Verarmung der N-terminal verlängerten elF5A-Isoform zu einem Anstieg des Sauerstoffverbrauchs; es produzierte jedoch auch mehr ROS und mitochondriale Fragmentierung und erhöhte die Expression des pro-apoptotischen BAK-Proteins, was darauf hindeutet, dass die längere eIF5A-Isoform für die mitochondriale Dynamik notwendig ist und dass ihre Erschöpfung zu mitochondrialer Dysfunktion und Apoptose führt [146]. Abgesehen von der Erhöhung des Sauerstoffverbrauchs rekapitulieren andere Wirkungen der Abreicherung der längeren elF5A-Isoform die, die bei der Abreicherung oder Hemmung der kanonischen Säugetier-elF5A-Isoform gefunden wurden, was die Möglichkeit erhöht, dass die verwendeten Strategien, wie z könnte auch auf die Longerel-F5A-Isoform einwirken.cistanche lebensverlängerungSomit können die beobachteten Ergebnisse eine Folge eines Fehlens der weniger stark exprimierten Isoform sein. Diese Möglichkeit kann derzeit nicht ausgeschlossen werden und weitere Arbeiten sind erforderlich, um diesen Punkt zu klären. Aus den oben zitierten Arbeiten kann gefolgert werden, dass die Rolle von eIF5A in Mitochondrien direkt mit seiner Assoziation mit dieser Organelle verbunden ist, aber dies ist noch ungewiss.

7. Molekulare Rollen des eukaryotischen Translationsinitiationsfaktors 5A in der Mitochondrienfunktion

Die in den vorherigen Abschnitten besprochenen Studien zeigen, dass eIF5A für eine korrekte mitochondriale Funktion notwendig ist; Die Ergebnisse sind jedoch immer noch rätselhaft. Hier überprüfen wir aktuelle Arbeiten, die verschiedene molekulare Mechanismen vorschlagen, durch die elF5A die mitochondriale Leistung beeinflussen kann.

Die von Puleston et al. (2019) [147] sind aufschlussreich über die Rolle von eIF5A in Mitochondrien. Zunächst zeigten die Autoren, dass die Hemmung von hyp-elF5A die mitochondriale OXPHOS in Säugerzellen begrenzt und dass hyp-eF5A zur Steigerung der Atmung unter Bedingungen eingeschränkter Glykolyse notwendig ist. Darüber hinaus demonstrierten die Autoren in einem OXPHOS-abhängigen Maus-Makrophagen-Aktivierungskontext, dass die Hemmung von hyp-eF5A die Aktivität des TCA-Zyklus reduzierte und die Expression vieler mitochondrialer Proteine ​​auf Proteinebene reduzierte, ohne die mRNA-Ebenen zu beeinflussen. Diese Ergebnisse stimmen mit früheren Ergebnissen überein, die von Melis et al. (2017)[126]. Die von Puleston et al. (2019)[147] identifizierten eIF5A-sensitiven mitochondrialen Proteine ​​umfassten ETC-Komplexkomponenten, einige TCA-Enzyme (z. B. Succinyl-CoA-Synthetase und Succinat-Dehydrogenase) und TCA-ernährende Enzyme (z. B. Pyruvat-Dehydrogenase). Andere TCA-Proteine ​​waren jedoch weniger betroffen (z. B. Citratsynthase und Isocitratdehydrogenase) und Glykolyseenzyme waren nicht betroffen, was auf die Spezifität der Wirkung hinweist. Die Autoren untersuchten die Möglichkeit, dass die Übersetzung von spezifischen mitochondrialen Targeting-Signalen (MTSs) von hyp-elF5A abhängig war. Sie zeigten, dass die Masse einiger hyp-eIF5A-empfindlicher Proteine ​​ausreichte, um bei Fusion mit Reporterproteinen eine hyp-eF5A-abhängige Translationseffizienz zu verleihen. Puleston et al. (2019)[147] kamen zu dem Schluss, dass hyp-eIF5A die mitochondriale Atmung zumindest teilweise reguliert, indem es die Translation der MTS einiger mitochondrialer Proteine ​​fördert, ein wesentlicher Schritt, wenn die Anforderungen von OXPHOs steigen, wie z. B. während Makrophagen Aktivierung. Obwohl MTS-Sequenzen Abschnitte von repetitiven Aminosäuren enthalten und reich an geladenen Aminosäuren sind, die die Translation verlangsamen können, ist es nicht klar, wie die Autoren angeben, wie hyp-elF5A die Translationseffizienz einiger dieser MTSs beeinflusst, aber nicht die anderer mit ähnlichen globalen Merkmalen.

Neue Untersuchungen zur schützenden Rolle der eIF5A-Hemmung während einer Nierenischämie haben den metabolischen Übergang von der aeroben oxidativen Phosphorylierung zur anaeroben Glykolyse nach GC7-Behandlung detailliert beschrieben und gezeigt, dass diese Behandlung die Expression von Glukosetransportern reguliert [148]. In proximalen Nierenzellen unter eIF5A-Hyphenationshemmung nahm der Sauerstoffverbrauch ab, aber der Glukoseverbrauch und der Laktatabfluss nahmen zu, ebenso wie die Abhängigkeit vom Glukoseimport und der Glykolyse, was eine metabolische Umstellung auf ausschließlich anaerobe Glykolyse zeigt. Während der In-vitro- und In-vivo-GC7-Hemmung wurde der Glucose-Efflux aus proximalen Nierenzellen durch die Repression des vermittelten Glucose-Transporters GLUT1 beeinträchtigt, wodurch die Verfügbarkeit von Glucose in den proximalen Zellen erhöht wurde. Diese Ergebnisse erklären das Überleben von Nierenzellen unter Hypoxie, wobei energetische Anforderungen durch eine Umstellung auf anaerobe Glykolyse erfüllt werden. Die molekularen Gründe für diese metabolische Veränderung sind jedoch unklar, da GLUT1 keine mutmaßlichen eIF5A-abhängigen Peptidmotive enthält. Es ist auch nicht bekannt, ob der Anstieg des intrazellulären Glukosespiegels aufgrund der Hemmung von GLUT1 eine Ursache oder Folge dieser GC7--vermittelten Stoffwechselveränderung ist [148].

Eine weitere neuere Studie hat eine molekulare Verbindung zwischen eIF5A und dem mitochondrialen Fusionsprozess hergestellt [149]. Die Autoren untersuchten die Rolle des kardiovaskulären Remodeling-Transkriptionsfaktors Krüppel-like Factor 5 (Klf5) bei der Gefäßalterung und fanden heraus, dass Klf5 direkt an den EIF5A-Promotor bindet und dessen Transkription aktiviert, um die Integrität der Mitochondrien zu erhalten. Die Modulation von elF5A durch Klf5 modulierte gleichzeitig den ATP-Gehalt, die ROS-Produktion und die mitochondriale Dynamik. Wichtig ist, dass elF5A physisch mit Mitofusin 1 (Mnf1) interagierte, einem Transmembranprotein der äußeren Mitochondrienmembran, das ein Schlüsselregulator der mitochondrialen Fusion und Integrität ist. Die eukaryotischen Translationsinitiationsfaktoren 5A und Mnf1 kolokalisierten sich in den Mitochondrien und erleichterten die Bildung von Netzwerken fusionierter Mitochondrien. Im Gegensatz dazu führte die Herunterregulierung von elF5A durch Klf5-Mangel oder während der vaskulären Seneszenz zu einer mitochondrialen Spaltung und zu Gefäßerkrankungen [149]. Obwohl die genauen Mechanismen, durch die die mitochondriale Integrität durch die Interaktion von elF5A mit Mnf1 aufrechterhalten wird, noch aufgeklärt werden müssen, ist bekannt, dass eine ausgewogene mitochondriale Fusion und Spaltung nicht nur die Form, Größe und Anzahl der Mitochondrien koordiniert, sondern auch den Energiestoffwechsel, den Zellzyklus , Mitophagie und Apoptose [150].

Wie in den vorangegangenen Abschnitten erwähnt, ist bekannt, dass die mitochondriale Funktion mit zunehmendem Alter abnimmt [83]. In den letzten Jahren wurden verschiedene In-vitro- und In-vivo-Modelle verwendet, um einen starken Zusammenhang zwischen Spermidin-Supplementierung und Lebensverlängerung in Modellorganismen und verzögertem Altern in Modellorganismen und Menschen aufzuzeigen. Dieser Zusammenhang wurde kürzlich untersucht und Spermidin-Effekte beim Altern werden hauptsächlich durch Spermidin-induzierte elF5A-Hyphenation vermittelt, die die mitochondriale Funktion erhält.

Eine Abnahme von Polyaminen ist seit langem in Säugetierzellkulturen und menschlichen Organen während des Alterns dokumentiert [151,152]. Im Jahr 2009 wurde die Arbeit von Eisenberg et al. (2009)[153] zeigten, dass die exogene Zugabe von Spermidin die Lebensdauer in Hefe-, Fliegen-, Wurm- und menschlichen Zellen verlängerte. Spermidin reduzierte auch den altersbedingten oxidativen Stress bei Mäusen. Im Gegensatz dazu verringerte die Polyaminverarmung die Lebensdauer der Hefe und erhöhte die ROS-Produktion und Nekrose. Die Autoren beobachteten eine Korrelation zwischen der durch Spermidin induzierten Langlebigkeit und der Hypoacetylierung von Histon H3, was zu einer Hochregulierung der Autophagie-Gene ATG7, ATG11 und ATG15 führte und die Autophagie in allen getesteten Modellorganismen förderte, was sich als entscheidend für Polyamin herausstellte -verbesserte Langlebigkeit [153].

Die vorteilhaften Wirkungen einer Spermidin-Supplementierung auf das Altern wurden auch in verschiedenen Organismen in Bezug auf verschiedene altersbezogene Aspekte im Zusammenhang mit der Förderung der Autophagie [154,155], aber auch unabhängig voneinander [156] berichtet. Es wurde nachgewiesen, dass Spermidin die kardiovaskuläre Alterung verbessert, das Gedächtnis verbessert und die Krebssterblichkeit reduziert, neben anderen positiven Wirkungen [157].cistanche nzDie Vermittlung von Spermidineffekten durch induzierte Kopplung von eIF5A wurde kürzlich in Studien zur B-Zell-Immunität bei älteren Erwachsenen gezeigt. Spermidin-geförderte elF5A-Hyphenation stellte die B-Zell-Immunität in alten Mäusen durch die Förderung der Autophagie wieder her [43]. Hyp-elF5A hielt die Autophagie durch die Translation des Autophagie-Transkriptionsfaktors TFEB aufrecht, der Polyprolin-Motive in seiner Aminosäuresequenz enthält. Während des Alterns sinken die TFEB-Spiegel zusammen mit denen von hyp-eF5A und Spermidin, was zu einem Versagen des Immunsystems führt [43]. Interessanterweise zeigte eine in dieser Studie durchgeführte proteomische Analyse mit primären B-Zellen, die mit GC7 behandelt wurden, eine reduzierte Expression von TFEB, aber nicht des zuvor gezeigten Säugetier- und Caenorhabditis-elegans-Autophagie-elF5A-Ziels ATG3 [42], was auf den Einfluss des zellulären Kontexts hindeutet. Sowohl ATG3 als auch TFEB enthalten Polyprolin-Motive, die für elF5A-Abhängigkeit anfällig sind, und stellen eine mechanistische Verbindung zwischen hyp-elF5A und Autophagie her, obwohl das Vorhandensein von Polyprolin-Motiven allein in der Proteinsequenz nicht in allen Fällen ausreichend zu sein scheint, um reduzierte Proteinspiegel durch Hemmung von Hyp- eIF5A [43,158].

Die mechanistischen Zusammenhänge zwischen den positiven Wirkungen von Spermidin auf die Verringerung altersbedingter Symptome und der Rolle von hyp-elF5A bei der Aufrechterhaltung funktioneller Mitochondrien wurden in jüngsten Studien untersucht. Schroeder et al. (2021)[159] untersuchten gealterte Mäuse und fanden heraus, dass Spermidin aus der Nahrung die Blut-Hirn-Schranke passiert und die elF5A-Trennung im Hippocampus verstärkt. Gealterte Mäuse, die mit Spermidin gefüttert wurden, zeigten Verbesserungen bei mehreren kognitiven Tests. Die Autoren zeigten auch eine höhere mitochondriale Atmung im Mausgehirn und bei Fliegen, obwohl die Ergebnisse bei Mäusen geschlechts- und altersabhängig waren. Es wurde zuvor vorgeschlagen, dass die Autophagie für die mitochondriale Qualitätskontrolle während des Alterns und der Neurodegeneration von entscheidender Bedeutung ist [160]. Dementsprechend beseitigte bei Drosophila die Herunterregulierung des essentiellen Autophagie-Gens Atg7, der mitophagieassoziierten PTEN-induzierten mutmaßlichen Kinase (Pink1) und des Homologs der humanen E3-Ubiquitin-Ligase Parkin (Park) die Spermidin-vermittelte Verbesserung der Atmung [159] . Diese Ergebnisse stimmen mit Ergebnissen von [161] bei C.elegans überein, wo die Spermidin-Hemmung von Neurodegeneration und Alterung von PINK1 und dem Parkin-Ortholog PDR1 des Wurms abhängig war, die die Mitophagie vermitteln.

Die vorteilhaften Wirkungen von Spermidin auf die Gesundheit der Mitochondrien und der Gehirnkognition können durch den Effektor eIF5A vermittelt werden [159,162]. Alternde Drosophila unter Spermidin-Supplementierung enthielt höhere Konzentrationen von Proteinen, die an OXPHOS beteiligt sind, aber keine höheren Konzentrationen der entsprechenden mRNA, und dies korrelierte mit einer höheren maximalen Atmung und einer höheren mitochondrialen Häufigkeit im Gehirn. In gealterten Drosophila-Gehirnen sanken die Spermidin- und hyp-elF5A-Spiegel, und beide konnten durch Polyamin-Supplementierung bis ins mittlere Alter gesteigert werden, wenn auch nicht in sehr alten Drosophila-Gehirnen. Verschiedene genetische Ansätze zur partiellen Reduktion der elF5A-Hyphenation im Fliegenhirn führten zu einer reduzierten mitochondrialen Atmung, und quantitative proteomische Analysen zeigten eine Herunterregulierung von Mitochondrienproteinen, insbesondere OXPHOS-Proteinen. Interessanterweise wurden die meisten positiven Wirkungen auf die mitochondriale Funktion, die durch Spermidin-Supplementierung verursacht wurden, durch die Reduzierung von hyp-eF5A in Fliegengehirnen aufgehoben. Liang et al. (2021)162] untersuchten auch, ob die eIF5A-Hyphenierung der Grund für die zuvor erwähnte verlängerte Lebensdauer war, die bei Fliegen, Mäusen und anderen Organismen durch die Zugabe von Spermidin erzielt wurde [153,163,164]. Sie beobachteten, dass die Lebensverlängerung bei Fliegen mit Silbentrennung aufgehoben wurde [162]. Schließlich verbesserte Spermidin den Rückgang der Bewegungs- und Gedächtnisfunktionen alter Fliegen, während die Abschwächung der elF5A-Hyphenation diese altersschädlichen Effekte verstärkte und, was wichtig ist, die positiven Wirkungen von Spermidin auf die Fortbewegung und das Gedächtnis bei elF5A-Hypusin-abgeschwächten Tieren größtenteils verloren gingen . Diese letztgenannten Ergebnisse stimmen mit einer anderen neueren Studie überein, in der eine Verringerung der Desoxyhypusin-Synthase-Aktivität mit einer neurologischen Entwicklungsstörung beim Menschen in Verbindung gebracht wurde [165]. Obwohl die von Liang et al. (2021)[162] berichteten Ergebnisse die molekulare Verbindung zwischen den vorteilhaften Wirkungen von Spermidin auf die Mitochondrienleistung im Alter und die Gehirnfunktionen mit elF5A-Hyphenation verstärkten, wiesen Schroeder et al. (2021)[159] auf eine Rolle hin von hyp-elF5A bei der Aufrechterhaltung der mitochondrialen Qualitätskontrolle durch Autophagie/Mitophagie fehlen noch die mechanistischen molekularen Details und es ist nicht vollständig verstanden, wie Autophagie/Mitophagie die mitochondriale Leistung direkt fördert.

8. Perspektiven zur Identifizierung von mitochondrialen Prozessen und Targets unter der Kontrolle von eIF5A

Die molekulare Hauptrolle, die elF5A zugeschrieben wird, ist die Erleichterung der Translation spezifischer Untergruppen von Proteinen, die elF5A-abhängige Motive enthalten [10,11]. Es wurden jedoch andere, weniger charakterisierte molekulare Rollen vorgeschlagen, die sich auf die Fähigkeit von eIF5A beziehen, RNAs zu binden und ihren Metabolismus zu regulieren. Aus den obigen Ergebnissen geht klar hervor, dass angemessene Spiegel von hyp-elF5A notwendig sind, um OXPHOS und die mitochondriale Funktion zu erhalten. Die oben beschriebenen Studien haben vorgeschlagen, dass elF5A an der Translation von spezifischen mitochondrialen Proteinen beteiligt sein könnte, die elF5A-abhängiges MTS enthalten, an der Regulierung des Flusses von Metaboliten zu den Mitochondrien, um den aeroben Stoffwechsel durch die Regulierung von Glukosetransportern aufrechtzuerhalten, und an der Aufrechterhaltung der mitochondrialen Dynamik durch die Wechselwirkung mit Proteinen, die an der mitochondrialen Fusion (Mnf1) beteiligt sind, bei der Förderung der Autophagie durch Erleichterung der Synthese von ATG3 und TFEB oder speziell bei der Mitophagie durch einen Mechanismus, der von PINK1- und Park-Proteinen abhängt. Um diese Rollen zu erkennen und zu beweisen, ist es notwendig, den spezifischen molekularen Prozess und/oder die spezifischen Proteinziele und -bedingungen unter der direkten Kontrolle von eIF5A zu identifizieren.

Bei einem Versuch, mitochondriale Proteinkandidaten für eine direkte eIF5A-abhängige Translation zu identifizieren, suchten wir nach Peptidmotiven, die eIF5A-abhängiges Ribosomen-Stalling verursachen [11] im mitochondrialen Proteom von S. cerevisiae. Wir fanden heraus, dass die eIF5A-Motivhäufigkeit in den 1117 kerncodierten mitochondrialen Proteinen nur geringfügig höher ist als in den gesamten Hefeproteinen, aber diese Motive sind in den 10 mitochondrialen DNA-codierten Proteinen kaum vertreten (Abbildung 2). Proteine, die am TCA-Zyklus beteiligt sind, zeigen durchschnittlich 3,3 Motive/Protein, höher als der Durchschnitt im gesamten Hefeproteom (2,8 Motive/Protein) und viel höher als der in OXPHOS-Proteinen (1,8 Motive/Protein). Die am häufigsten vertretenen eIF5A-abhängigen Motive waren jedoch dieselben (GGA, GGG und KPG) in TCA- und OXPHOS-Proteinen, mit nur zwei PPP-Motiven: eines im Succinyl-CoA-Ligase(Lsc1)TCA-Enzym und ein anderes in der Untereinheit von Succinatdehydrogenase (Sdh4), die am TCA-Zyklus und OXPHOS teilnimmt.

Abbildung 2. Verteilung von eIF5A-abhängigen Motiven in mitochondrialen Proteinen von Saccharomyces cerevisiae. Verteilung der 43 am höchsten bewerteten elF5A-abhängigen Ribosomen-pausierenden Tri-Peptid-Motive [1l] in den Proteinen des gesamten Hefegenoms (a), kerncodierten mitochondrialen Proteinen (b), mitochondrialen codierten Proteinen (c), den Tricarbonsäure (TCA)-Zyklus (d), oxidative Phosphorylierung (OXPHOS) (e) und in der Funktionskategorie der mitochondrialen Organisation Gene Ontology (f). Die Tabelle zeigt die Proteine, die an einer mitochondrialen Organisation mit mindestens einem PPP-Motiv beteiligt sind. Der Proteinpausenindex (PPI) wird als Summe des quantitativen Werts der Ribosomenpause berechnet, die durch die Verarmung von elF5A in jedem der 43 höchsten elF5A-abhängigen Tripeptidmotive [11] hervorgerufen wird, die in der Aminosäuresequenz jedes Proteins gefunden werden und ist höher in Proteinen, die mutmaßlich stärker von eIF5A für ihre Translation abhängig sind. Eine Suche nach mitochondrialen Hefeproteinen mit längeren Polyprolinmotiven zeigte, dass Ytal2, Srv2 und Tim50 Abschnitte von bis zu neun, sechs bzw. sieben aufeinanderfolgenden Prolinen enthalten (Abbildung 2). Yta12 (homolog zu humanem AFG3L2) ist Teil der konservierten mitochondrialen m-AAA-Protease, die aus den Proteinen Afg3 und Yta12 besteht und sich an der inneren Mitochondrienmembran befindet (Abbildung 3). Ytal2/Afg3 reguliert die mitochondriale Proteostase, indem es die Proteinreifung vermittelt und Abbau und ist für den korrekten Aufbau von mitochondrialen Enzymkomplexen erforderlich [166]. Interessanterweise ist der Ytal2/Afg3-Komplex auch am Spleißen der mitochondrialen mRNAs beteiligt, die die Introns COXT und COB enthalten, die die Untereinheit 1 der Cytochromoxidase bzw. Cytochrom b kodieren, die Teil des ETC sind. Somit führt ein Mangel an Yta12/Yta10 unter anderem aufgrund einer mangelhaften ETC-Assemblierung zu einer geringen Atmung[167]. Srv2 (Homolog zu humanem CAP1 und CAP2) vermittelt die Aktin-Assemblierung in Mitochondrien, und die Deletion von Srv2 verursacht verlängerte hyperfusionierte Mitochondrien und reduziert die Atmung. Interessanterweise interagiert Srv2 mit der mitochondrialen Spaltung GTPase Dnm1/DRP1 [168]. Schließlich ist Tim50 (ein Homolog des humanen TIMM50) eine essentielle Untereinheit des TIM23-Komplexes der mitochondrialen Innenmembran, der den Import der meisten mitochondrialen Proteine ​​durch Erkennung ihrer MTS vermittelt (Abbildung 3)[169]. Obwohl diese drei Proteine ​​verlockende Kandidaten für die Vermittlung der Wirkungen von eIF5A auf die mitochondriale Funktion sind, ist das Vorhandensein von Polyprolinabschnitten keine ausreichende Voraussetzung, um eine Abhängigkeit von eIF5A zu erzeugen [43,158]. Zukünftige Studien werden die genauen mechanistischen Verbindungen zwischen elF5A und den bereits beschriebenen hyp-eIF5A-sensitiven mitochondrialen Proteinen bestimmen und neue mitochondriale Zielproteine ​​und Prozesse unter der Kontrolle von elF5A identifizieren (Abbildung 3).

Abbildung 3. Zelluläre Funktionen von eIF5A und Modell für seine Rolle bei der Aufrechterhaltung der mitochondrialen Aktivität. Es ist bekannt, dass eIF5A an verschiedenen zellulären Prozessen beteiligt ist, obwohl die relevantesten und mitochondrienbezogenen davon in der Abbildung dargestellt sind. An Ribosomen gebunden, erleichtert hyp-elF5A die Translationselongation an spezifischen Motiven [10,11] sowie die ER-gekoppelte Translation [23,25,26]. Im Kern hilft eIF5A beim Export bestimmter mRNAs und Proteine ​​[141]. eIF5A spielt eine umstrittene Rolle bei der Apoptose, da es als notwendig definiert wurde, um die mitochondriale Apoptose zu induzieren [124,146], aber auch zum Zelltod führt wenn gehemmt [133]. Hyp-elF5A fördert die Autophagie durch die Translation der Autophagiefaktoren ATG3 (autophagy-related 3) und TFEB (transcription factor EB)[42A43]. Zunehmende Beweise zeigen eine direkte Verbindung zwischen hyp-elF5A und der mitochondrialen Funktion. Zusätzlich zu seiner Assoziation mit Mitochondrien [143-146] wurde beschrieben, dass einige Proteine ​​beider TCA direkt oder indirekt unter hyp-elF5A-Hemmung betroffen sind [126,147]. Es wurde auch vorgeschlagen, dass hyp-eF5A die Mitophagie durch die Proteine ​​ATG7 (Autophagy Related 7), Pink1 (die mitophagieassoziierte PTEN-induzierte mutmaßliche Kinase) und Park (die E3-Ubiquitin-Ligase Parkin) vermitteln könnte [170]. Andere Proteine, die am mitochondrialen Transport nukleär codierter Proteine ​​und der mitochondrialen Organisation beteiligt sind, gelten als mutmaßliche elF5A-Ziele (Abbildung 2). Unter diesen enthalten die integralen Proteine ​​der mitochondrialen Innenmembran Yta12 (Protease des Yta12/Afg3-Komplexes und Hefehomolog von humanem AFG3L2) und Tim50 (essentielle Untereinheit des TIM23-Komplexes und Hefehomolog von humanem TIMM50) lange Polyprolinabschnitte in ihrem Amino Säuresequenzen, was auf eine mögliche Abhängigkeit von eIF5A für ihre Translation und somit auf eine mögliche Verbindung zwischen hyp-eIF5A und mitochondrialer Funktion hindeutet. Die Bildverarbeitung wurde mit der BioRender-Software durchgeführt.

Autorenbeiträge:Konzeptualisierung, MB-A.und PA; Schreiben – Erstellung des Originalentwurfs, MB-A. und PA; Schreiben – Überprüfung und Bearbeitung, MB-A. und PA; Finanzierungsakquisition, PAAlle Autoren haben die veröffentlichte Version des Manuskripts gelesen und ihr zugestimmt.

Finanzierung:Diese Forschung wurde von der Generalitat Valenciana (AICO/2020/086) und dem spanischen Ministerium für Wissenschaft und Innovation (PID2020-120066RB-I00) für PAMB-A finanziert. ist Empfängerin eines Prädoktorandenstipendiums (FPU2017/03542) des spanischen Ministeriums für Wissenschaft, Innovation und Universitäten.

Danksagungen:Die Autoren danken allen Mitgliedern des GFL-Labors für die Unterstützung.

Interessenskonflikte:Die Autoren geben keinen Interessenkonflikt an. Die Geldgeber spielten bei der Gestaltung der Studie keine Rolle; bei der Erstellung des Manuskripts oder bei der Entscheidung, die Ergebnisse zu veröffentlichen.

Dieser Artikel ist aus Int. J.Mol. Wissenschaft. 2022, 23, 1284. https://doi.org/10.3390/ijms23031284 https://www.mdpi.com/journal/ijms