Kleine GTPasen der Rab- und Arf-Familien: Schlüsselregulatoren des intrazellulären Transports bei der NeurodegenerationⅡ

2. Rab-GTPasen bei Neurodegeneration

Kleine GTPasen der Rab-Familie sind für die Kontrolle des Vesikeltransports und des Membrantransports verantwortlich. Sie regeln alle Schritte dieses Transports; die Biogenese von Trägern, ihre Bewegung durch das Zytoskelett und ihre Anbindung an die Zielmembranen [38,39]. Wie bei den übrigen Mitgliedern der Ras-Superfamilie wird die Aktivität von Rab-GTPasen durch GEFs, GAPs und GDIs reguliert. Zwei Hauptfamilien von RabGEFs wurden beschrieben. Die erste ist die DENN-Domänen-enthaltende GEF-Familie, die verschiedene Rab-GTPasen aktivieren kann [40]. DENN ist die katalytische Domäne, die direkt mit Rab-GTPasen interagiert [40]. Die zweite ist die Vps9-domänenhaltige Familie von GEFs, die spezifisch für Rab5-GTPasen sind [41].

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Abgesehen von diesen beiden Familien wurde gezeigt, dass andere Proteine ​​als GEFs für Rab-GTPasen fungieren, wie die Komplexe TRAPP I und Mon1/Ccz1, die GEFs für Rab1 bzw. Rab7 sind [41]. Auf der anderen Seite, während GEFs untereinander eine niedrige Sequenzhomologie teilen, werden Rab GAPs in eine einzigartige Familie eingeteilt, die Tre-2/Bub2/Cdc16 (TBC)-Domänen-GAPs. Beim Menschen gibt es ein einzelnes GAP, das diese TBC-Domäne nicht enthält, den Rab3GAP-Komplex [41]. Leider wurden GEFs und GAPs für einige der Rab-GTPasen noch nicht beschrieben [41,42]. Abgesehen davon, dass sie durch ihren Aktivierungszustand (GDP-gebunden/GTP-gebunden) reguliert werden, können Rab-GTPasen sowohl in ihrem aktiven als auch inaktiven Zustand im Zytosol oder in Membranen gefunden werden.

Diese Lokalisierung wird durch die Prenylierung der C-terminalen Cysteinreste kontrolliert. Sobald der vesikuläre Transport abgeschlossen ist, müssen Rab-GTPasen recycelt und von den Membranen zurück zum Cytosol transportiert werden. GDIs binden an prenylierte und inaktive (GDP-gebundene) Rab-GTPasen und dann werden die GTPasen von der Membran entfernt. Somit wird das Recycling von Rab-GTPasen erst erreicht, wenn der vesikuläre Transport abgeschlossen ist und die GTPase durch ein GAP inaktiviert wird [41]. Dennoch ist die Prenylierung nicht die einzige posttranslationale Modifikation, die Rab-GTPasen reguliert. Einige Rabs können durch Kinasen wie p34cdc2 oder die PD-verwandte Kinase LRRK2 phosphoryliert werden [41,43]. Die mit PD assoziierten pathogenen Varianten von LRRK2 führen zu einer Zunahme dieser Phosphorylierung. Diese posttranslationale Modifikation findet in der Switch-II-Domäne statt, die für die Interaktion der GTPase mit ihren Regulatoren entscheidend ist. Insbesondere reduziert die Phosphorylierung die Wechselwirkung der GTPase mit ihren Regulatoren [43,44].

Wie bereits erwähnt, kontrollieren Rab-GTPasen aufgrund ihrer Fähigkeit, mit verschiedenen Effektormolekülen zu interagieren, alle Schlüsselschritte des Vesikeltransports und des Membrantransports [45]. Für die Ladungsauswahl, das Knospen und die Mantelbildung interagieren Rab-GTPasen mit Proteinen wie TIP47 oder Retromer. Beispielsweise interagiert Rab9-GTP mit TIP47 in späten Endosomen, wodurch die Affinität von TIP47 zu der zu transportierenden Fracht erhöht wird [46]. TIP47 erkennt die zytoplasmatischen Domänen von Mannose-6--Phosphat-Rezeptoren (MPR) und aktiviert den Transport von Endosomen zum Golgi-Komplex [46]. Ein weiteres Beispiel ist die Wechselwirkung von Rab7 mit dem Retromer-Komplex, um den Transport vom Endosom zum Golgi-Komplex zu vermitteln [47]. Bezüglich der Regulation des vesikulären Transports interagieren Rab-GTPasen mit Motorproteinen wie Kinesinen und Dyneinen. Kinesine und Dyneine sind ATPasen, die die ATP-Hydrolyse verwenden, um Konformationsänderungen zu induzieren, die die Antriebskraft erzeugen, um die Fracht zum Plus-Ende bzw. zum Minus-Ende der Mikrotubuli zu bewegen [48].

Die Rab-GTPasen wie Rab3A, 6, 8A, 10, 11A, 14, 27A und 39B interagieren mit Myosin Typ V, um Organellen und Vesikel durch Aktinfilamente zu transportieren [49]. Beispielsweise interagiert Rab27A mit Myosin Typ V und Melanophilin und bildet einen ternären Komplex, um Melanosomen zu Aktinfilamenten zu transportieren [50]. Zur Kontrolle des Uncoating und Tethering von Vesikeln assoziieren Rab GTPasen mit Proteinen wie TRAPP, Exocyst oder p115/Golgins. Ein Beispiel ist die Interaktion von Rab1 mit p115, einem Tethering-Protein, das die Bildung des SNARE-Komplexes induziert und das Andocken von COP I-beschichteten Vesikeln an Golgi-Membranen stimuliert [51]. Darüber hinaus interagiert Rab1 auch mit anderen Bindungsfaktoren wie GM130 und GRASP65, um die Fusion der Vesikel der Golgi-Membranen zu erleichtern [52].

GM130 ist dann für die Aufrechterhaltung der Golgi-Struktur verantwortlich [52]. Es ist bekannt, dass Rab-GTPasen mit Proteinen wie Sro7 und Rabenosyn-5 interagieren [45]. Beispielsweise interagiert Rab8 mit Sro7 und reguliert die SNARE-Proteinfunktionen bei der Fusion von Vesikeln mit den Zellmembranen, während Rabenosyn-5 als Bindeglied zwischen Rab und hVPS45 dient [53,54], indem es Rab4 und/oder Rab5 und zusammenbringt hVPS45-assoziiertes Rabenosyn-5, das dann SNAREs bindet. Zusammenfassend sind Rab-GTPasen die Hauptregulatoren für Ladungsauswahl, Bildung, Transport, Andocken und die Fusion von Vesikeln mit Zielmembranen. Unter Berücksichtigung der Bedeutung des Membrantransports im Nervensystem haben Neuronen spezifische Mechanismen entwickelt, um den Transport von Proteinen, Organellen und Rezeptoren über große Entfernungen in Axonen und Dendriten zu kontrollieren. Rab-GTPasen regulieren das Recycling, die Exozytose und die Endozytose von synaptischen Vesikeln; die Freisetzung von Neurotransmittern; der Verkehr von Rezeptoren; und die anterograden und retrograden axonalen Transporte [15].

Darüber hinaus sind sie auch an der Verzweigung und Morphogenese von Dendriten, dem Neuritenwachstum und der neuronalen Migration während der Entwicklung beteiligt. In Anbetracht der Bedeutung solcher Prozesse wurde die Dysregulation von Rab-GTPasen mit verschiedenen neurodegenerativen Erkrankungen wie AD, PD, amyotropher Lateralsklerose (ALS) und Charcot-Marie-Tooth (CMT) in Verbindung gebracht [8,15]. Bei AD sind verschiedene Rab-GTPasen am Transport von Proteinen beteiligt, die mit der Pathologie zusammenhängen, wie Tau, APP, BACE1, -Sekretase, -Sekretase und A-Peptide. Darüber hinaus ist die Expression dieser GTPasen im postmortalen AD-Gehirn verändert [55]. Bei PD kontrollieren diese GTPasen den Transport von -syn [56]. Darüber hinaus könnten Rab-GTPasen die durch die LRRK2-Kinase bei PD verursachte Toxizität vermitteln [57]. Wie oben erwähnt, sind einige Rab-GTPasen Substrate von LRRK2, und es wurde beschrieben, dass die Fehlregulation dieser Phosphorylierung Neurotoxizität und die Degeneration von dopaminergen Neuronen in vivo induziert [57,58]. Im Folgenden beschreiben wir die spezifischen Rollen der wichtigsten Rab-GTPasen beim Einsetzen und Fortschreiten von AD und PD (Abbildung 2).

2.1. Rab1

Rab1-GTPasen kontrollieren den bidirektionalen Transport zwischen dem endoplasmatischen Retikulum (ER) und dem GA sowie die Bildung, Integrität und das Recycling von Golgi-Membranen [38,59]. Die Rab1-Familie besteht aus zwei Isoformen: Rab1A und Rab1B. Das GEF für beide Isoformen ist TRAPP I. TRAPP I ist ein Proteinkomplex, der Rab1 aktiviert und am ER-Golgi-Transport beteiligt ist [41,60]. Andererseits ist das für die Inaktivierung von Rab1 verantwortliche Molekül TBC1D20 GAP [41,61]. Viele Studien unterstreichen die Bedeutung von Rab1 sowie seiner Regulatoren für die Aufrechterhaltung der Integrität von Golgi-Membranen.

Die Überexpression dominant-negativer Formen von Rab1A und Rab1B, die Depletion beider GTPasen und die Überexpression von TBC1D20 GAP induzieren die Fragmentierung des GA [38]. 2.1.1. Rab1 und der ER-Golgi-Verkehr Rab1 kontrolliert den Transport zwischen dem ER und dem GA, da es mit p115 und GM130-GRASP65 interagieren kann, um die Fusion von ER-Vesikeln im GA zu begünstigen [62–64]. Durch seine Wechselwirkung mit diesen Effektormolekülen steuert Rab1 die Bildung, Integrität und Wiederverwertung von GA-Membranen. Einerseits interagiert Rab1 mit dem p115-Protein, das ein Vesikel-Anbindungsfaktor ist, um diesen ER-GA-Verkehr zu kontrollieren [65]. Wenn sich Rab1 andererseits mit dem GM130-GRASP65-Komplex im GA verbindet, reguliert es die Stapelung des GA und die Vesikelbindung [66,67].

GM130 ist für die Integrität von Golgi-Membranen verantwortlich [52]. Darüber hinaus wird angenommen, dass p115 mit GM130-GRASP65 für die ER-Vesikel-Fusion im GA interagieren kann [62,64]. Darüber hinaus steuert Rab1 auch den retrograden Transport zwischen GA und ER. Dazu interagiert die GTPase mit GBF1, einem GEF für die Arf1-GTPase, die an der Biogenese von COP-I-Vesikeln beteiligt ist [68,69]. Obwohl die Rolle von Rab1 im ER-GA-Verkehr in der AD-Pathogenese noch nicht klar ist, wurde beschrieben, dass diese GTPase den Verlust von dopaminergen Neuronen bei PD verhindern könnte [19]. Bei PD ist einer der möglichen Mechanismen, durch die -syn eine Neurodegeneration induzieren könnte, die Hemmung des ER-GA-Verkehrs [19].

Es wurde beschrieben, dass Wildtyp (WT) -syn sowie die Mutante -synA53T, die früh einsetzende PD verursacht, den ER-GA-Verkehr blockieren, obwohl -synA53T diese Blockierung schneller initiiert als das WT. Cooper und Mitarbeiter haben gezeigt, dass diese -syn-induzierte Toxizität in Gegenwart von Rab1 verhindert wird [19]. Tatsächlich rettete die Expression von Rab1 in Drosophila melanogaster (D. melanogaster), Caenorhabditis elegans (C. elegans) und Primärkulturen von Rattenneuronen, die WT-syn oder -synA53T exprimieren, den Verlust von dopaminergen Neuronen [19]. Diese Daten legen nahe, dass Rab1 eine schützende Rolle bei der Kontrolle des ER-GA-Verkehrs spielen und daher die Neurodegeneration bei PD verhindern könnte. Rab1 und seine Funktion bei der Steuerung des ER-GA-Verkehrs sind ebenfalls mit ALS verwandt. Die Mutationen in SOD1-, TDP-43- oder FUS-Proteinen, die diese neurodegenerative Erkrankung verursachen, führen zu einer Fehllokalisierung von Rab1 sowie zu einem beeinträchtigten ER-GA-Transport und erhöhtem ER-Stress [8]. Im Gegensatz dazu übt die Rab1-Überexpression eine schützende Rolle gegen diesen Stress aus [8,21].

2.1.2. Rab1 und die Integrität des GA

Abgesehen von den klassischen Merkmalen von AD- und PD-Pathologien wurde beschrieben, dass Neuronen in beiden Fällen ein fragmentiertes GA aufweisen [70]. Diese Fragmentierung wurde verschiedenen Ursachen zugeschrieben, wie dem Vorhandensein von Proteinaggregaten im Zytoplasma, Veränderungen im Zytoskelett oder der Fehlfunktion des intrazellulären Transports. Martínez-Menárguez et al. geben an, dass der Hauptgrund für die GA-Fragmentierung bei neurodegenerativen Erkrankungen die Veränderungen im intrazellulären Transport sind [70]. Mehrere Studien haben gezeigt, dass bei neurodegenerativen Pathologien eine Rab1--vermittelte Verkehrsdysregulation eine GA-Fragmentierung induziert [16,17,70]. Im Fall von AD wurden diese GA-Veränderungen mit pTau-Spiegeln verknüpft [71,72].

Im Jahr 2014 ergab die Studie von Jiang und Mitarbeitern, dass die GA-Fragmentierung der Tau-Hyperphosphorylierung vorausging [71]. Ihnen zufolge fördert die GA-Fragmentierung die Tau-Phosphorylierung durch die Aktivierung der Cyclin-abhängigen Kinase -5 (cdk5) und ERK. Darüber hinaus weisen Neuronen, die NFTs ausgesetzt sind, bei AD-Patienten im Vergleich zu Neuronen ohne NFT größere Defekte am Golgi auf [72]. Neuronen, die vor der NFT-Bildung mittlere Spielniveaus angesammelt hatten, zeigten mittlere Defekte im GA [72]. Dies spricht dafür, dass die fortschreitende Akkumulation des Spiels mit strukturellen Veränderungen im GA verbunden ist. Laut Antón-Fernández und Mitarbeitern könnten diese Veränderungen die Verarbeitung und den Transport von Proteinen beeinflussen und daher zu einer neuronalen Dysfunktion bei AD beitragen [72]. Darüber hinaus verhinderte die Überexpression von Rab1A in HeLa-Zellen, die menschliches Tau und primäre Neuronen des Rattenkortex exprimieren, die GA-Fragmentierung, während die Stummschaltung der GTPase durch siRNA ihre Fragmentierung induzierte [16,17].

Sie beobachteten, dass Rab1A zusammen mit GM130 in Primärkulturen von Neuronen aus dem Rattenkortex lokalisiert wurde [16]. Ein weiterer Effekt des Rab1A-Silencing war die Hochregulierung der Tau-Sekretion. Daher schlugen die Autoren vor, dass Rab1 ein therapeutisches Ziel sein könnte, um die Golgi-Dynamik und die Tau-Sekretion bei AD zu modulieren [16]. Zusammenfassend ist die GA-Fraktionierung mit Tau-Phosphorylierung [71], pTau-Akkumulation in NFT [72] und Tau-Sekretion [16] assoziiert. Daher könnte die Rab1-GTPase-Regulation solche neurodegenerativen Prozesse modulieren. In Bezug auf PD zeigen dopaminerge Neuronen auch eine GA-Fragmentierung. Insbesondere dopaminerge Neuronen aus der Substantia nigra par compacta, die humanes -syn überexprimieren, weisen eine GA-Fragmentierung auf, die bei einer Überexpression von Rab1A reduziert wird [17].

Abgesehen von der Rettung der GA-Fragmentierung führte die Rab1A-Überexpression in dopaminergen Neuronen zu Verbesserungen der motorischen Funktionen. Umgekehrt war die Überexpression des nicht druckbaren Rab1A (Rab1A-∆CC) nicht in der Lage, GA vor der Fragmentierung zu retten. Dies zeigte die Bedeutung von Rab1A für die Aufrechterhaltung der GA-Integrität und folglich für die Kontrolle der motorischen Funktionen [17]. Diese Daten legen nahe, dass die Rab1A-GTPase-Überexpression ein therapeutischer Ansatz für diese Pathologie sein könnte. Eine kürzlich durchgeführte Studie hat dopaminerge Neuronen aus der Substantia Nigra von menschlichen Patienten mit Parkinson analysiert und gezeigt, dass GA fragmentiert ist und dass die überlebenden Neuronen eine hohe Überexpression der Rab1-GTPase aufweisen [18].

Die Autoren schlagen vor, dass diese Überexpression von Rab1 die GA-Fragmentierung durch zwei vorgeschlagene theoretische Mechanismen induzieren könnte: (1) Überexprimiertes Rab1 könnte den ER-Golgi-Transport verändern und daher ein Ungleichgewicht im GA verursachen; (2) Rab1 könnte mit Golgin -84 interagieren, was die Fragmentierung induzieren würde [18]. Insgesamt gibt es Diskrepanzen hinsichtlich der Rolle von Rab1 bei der Induktion oder Verhinderung der GA-Fragmentierung bei PD. Abgesehen von AD und PD ist ALS eine weitere neurodegenerative Erkrankung, die eine GA-Fragmentierung aufweist. Die Hauptursache dafür scheinen die Störungen des von Rab1 abhängigen sekretorischen Weges zu sein [70]. Daher sind Rab1 und seine Rolle bei der Aufrechterhaltung der GA-Integrität an verschiedenen neurodegenerativen Erkrankungen beteiligt.

2.1.3. Rab1 und die Kontrolle des Autophagosoms

Die Rab1-GTPase ist zusammen mit anderen Rab-GTPasen wie Rab5, Rab7, Rab9A, Rab11, Rab23, Rab32 und Rab33B an der Bildung des Autophagosoms [73] zu Beginn beteiligt, indem sie das Autophagie-verwandte Protein 9 (Atg9) rekrutiert. ein Transmembranprotein, das für den Transport von Membranen zum Phagophor verantwortlich ist, das die Struktur ist, die der Bildung des Autophagosoms vorausgeht [74,75]. Wie bereits erwähnt, induziert eine -syn-Überexpression eine GA-Fragmentierung. Dies führt zu einer Dysregulation der Autophagie in der humanen Neuroblastom-Zelllinie SKNSH, HeLa, HEK293 und M7- -syn-Mäusen [20]. Winslow und Kollegen beschrieben, dass -syn die Aktivität der Rab1A/Atg9-Achse verändert. Beim Silencing von Rab1A und Überexpression von -syn hörte das Atg9-Protein auf, sich an einer perinukleären Position zu lokalisieren und ging zu einer diffusen Verteilung über, was zu einer Verringerung der Autophagosomenbildung führte [20]. So könnte eine Erhöhung der Rab1A-Aktivität die Autophagie begünstigen und damit die Schwere der Erkrankung verringern, da dieser Mechanismus genutzt werden könnte, um Proteinaggregate zu recyceln und zu eliminieren.

2.2. Rab5

Rab5 spielt eine wichtige Rolle bei der Endozytose, da es für die Fusion von endozytischen Vesikeln aus der Plasmamembran zu frühen Endosomen verantwortlich ist. Durch diesen Mechanismus reguliert Rab5 die Internalisierung und den Transport von Membranrezeptoren [76]. Die beiden für Rab5 beschriebenen GEFs sind Ras/Rab Interactor 3 (RIN3) und Rabex5. RIN3 ist zusammen mit RIN1 und RIN2 ein Mitglied der RIN-Familie von GEFs. Alle drei haben eine Vps9-Domäne, die die Rab5--spezifische katalytische GEF-Domäne ist [77]. In Bezug auf Rabex5 ist es das am besten verstandene Mitglied der GEFs, die die Vps9-Domäne enthalten. Neben seiner katalytischen Domäne enthält Rabex5 eine Rabaptin5-Bindungsstelle, die ein Rab5-Effektormolekül ist. Daher bindet Rabex5 fest an Rab5--reguliertes Rabaptin5, das wiederum die GEF-Aktivität von Rabex5 reguliert und eine Rückkopplungsschleife bildet [78]. Rab5 rekrutiert Rabaptin5 in frühen Endosomen, wobei letzteres für das Andocken und die Fusion von Membranen verantwortlich ist [79].

Nach der Aktivierung ist der Rabex5/Rab5/Rabaptin5-Komplex in endozytischen Vesikeln und frühen Endosomen lokalisiert [79–81]. Die drei Moleküle arbeiten daran, aktives Rab5 zu stabilisieren, sobald es seine Ziellokalisierung erreicht hat, und bilden eine positive Rückkopplungsschleife, die diesen Signalweg potenziert [38]. Wie die oben beschriebene Rab5-Signalisierung an Rabaptin5 [79], kann Rab5 durch den PI3K-hVPS34-p150-Komplex signalisieren, was die PI3P-Spiegel in frühen Endosomen erhöht [25,82,83]. Dieses PI3P ermöglicht die Rekrutierung von EEA1, einem weiteren Rab5-Effektormolekül, das das Andocken endozytischer Vesikel vor ihrer Fusion mit den frühen Endosomen reguliert [84]. Darüber hinaus kann hVPS34-p150 eine negative Rückkopplungsschleife aktivieren, indem es TBC1D2-GAPs aktiviert, was zu einer Rab5-GTPase-Inaktivierung führt [85].

Die TBC-Domänen enthaltenden GAPs TBC1D3, RUTBC3 und USP6NL wurden als Rab5-GAPs beschrieben [12,41]. Die Rolle von Rab5 bei neurodegenerativen Erkrankungen wurde dem endosomalen Trafficking zugeordnet. In dieser Hinsicht haben verschiedene Studien eine Zunahme der Rab5-Aktivität bei AD [12,22,86–91] sowie in Mausmodellen von PD [12,92,93] nachgewiesen. Bei der Huntington-Krankheit (HD) kontrolliert Rab5 auch die Beweglichkeit früher Endosomen. Die Huntington-Krankheit wird durch Mutationen im Huntingtin (Htt)-Protein verursacht, das sich auf dem GA und den Vesikeln befindet. Htt bildet einen Komplex mit dem Htt-assoziierten Protein 40 (HAP40) und dient als Effektormolekül von Rab5 [94]. Bei der Huntington-Krankheit ist HAP40 hochreguliert und der Htt-HAP40-Komplex ist gestört. Dadurch wird die Motilität der frühen Endosomen reduziert [94]. Somit könnte Rab5 ein therapeutisches Ziel sein, um die endosomale Motilität bei der Huntington-Krankheit zu verbessern.

2.2.1. Rab5 und APP ProcEssen

Die Anomalien im endozytischen Transport sind eines der Hauptmerkmale von AD, und laut Cataldo und Mitarbeitern gehen sie den A-Ablagerungen voraus [95]. Eine spätere Studie zeigte, dass eine Rab5-Überexpression solche endozytischen Anomalien reproduzieren kann, indem sie die hochaktive Verarbeitung von APP in Endosomen erhöht [22]. Die Überexpression von Rab5 in murinen Zellen induzierte endozytische Veränderungen im Zusammenhang mit AD, wie das Vorhandensein großer Endosomen, ähnlich denen, die in Neuronen von AD-Gehirnen beobachtet wurden [22]. Darüber hinaus erhöhte sich die Rab5-Überexpression um das 2,5-fache der A 1-40- und A 1-42-Sekretion [22].

Die Autoren beobachteten auch einen Anstieg der CTF-Spiegel. Diese CTFs kolokalisieren mit frühen Endosomen, was auf eine direkte Beziehung zwischen dem endosomalen Weg, der CTF-Erzeugung und der A-Produktion hindeutet. Daher könnten die bei AD beobachteten endosomalen Anomalien mit Defekten in der APP-Proteolyse in Verbindung gebracht werden [22]. Dies legt nahe, dass Rab5 aufgrund seiner Relevanz bei der Kontrolle der APP-Verarbeitung und folglich in der A 1-40- und A 1-42-Generation ein therapeutisches Ziel sein könnte. Die Rolle von CTF bei der Rekrutierung von Pleckstrin-Homologie und Phosphotyrosin-Bindungsdomäne- und Leucin-Zipper-Motiv-enthaltendem Adapterprotein (APPL1) wurde ebenfalls beschrieben [91]. In Endosomen stabilisiert APPL1 aktives Rab5-GTP, was zu einer pathologischen Dysregulierung der Endozytose führt [91].

Unter Berücksichtigung der Rolle von Rab5 im endosomalen Weg verteidigen Grbovic und Mitarbeiter, dass die Dysregulationen in den Endosomen zu einem Anstieg der CTF führen [22], und Kim und Mitarbeiter verteidigen, dass CTFs diese endosomalen Dysregulationen induzieren [91]. Darüber hinaus kehrte das shRNA-Silencing von BACE1 die Endozytose-Defekte um, was darauf hindeutet, dass die APP-Proteolyse die Ursache der Endozytose-Defekte sein könnte [96]. Zusammenfassend weisen diese Studien auf eine positive Rückkopplungsschleife hin, in der die APP-Verarbeitung zu einer Dysregulation des endosomalen Signalwegs führen könnte und die Defekte im endozytischen Signalweg wiederum die APP-Verarbeitung erhöhen könnten

2.2.2. Rab5 und Axonal

Transport In normalen cholinergen Neuronen des basalen Vorderhirns (BFCNs) bindet und aktiviert der Nervenwachstumsfaktor (NGF) den TrkA-Rezeptor an den axonalen Enden. Der NGF-TrkA-Komplex wird dann durch Rab5-vermittelte Endozytose internalisiert. Die Endosomen werden in retrograder Richtung durch Mikrotubuli zum Zellkörper transportiert, wo die Wachstums- und Differenzierungssignale zum Zellkern weitergeleitet werden [12]. Unter pathologischen Bedingungen kommt es zu einer Überaktivierung von Rab5 in BFCN-Neuronen, was zu größeren frühen Endosomen führt. Diese Endosomen stören den retrograden axonalen Transport von NGF-Signalen. Darüber hinaus kann eine Erhöhung der Rab5-Aktivität auch Motorproteine ​​​​beeinflussen, den axonalen Transport verändern, und Defekte beim Transport trophischer Signale zum Zellkörper führen zu neuronaler Atrophie [12].

In dieser Hinsicht wurde GEF RIN3 mit der Überaktivierung von Rab5 beim Transport trophischer Signale in Verbindung gebracht [77,97]. Darüber hinaus haben genomweite Assoziationsstudien (GWAS) RIN3 mit dem Risiko der Entwicklung von AD in Verbindung gebracht [12,98–100]. Es muss jedoch noch geklärt werden, ob RIN3-Funktion und -Expression bei AD verändert sind und ob andere Rab5-GEFs der Rab5-Überaktivierung bei AD zugrunde liegen [12]. Dennoch gibt es einen weiteren möglichen Mechanismus, der die Überaktivierung von Rab5 erklären könnte. Wie bereits erwähnt, rekrutiert CTF APPL1 zu den Endosomen, was Rab5-GTP stabilisiert. Dieser Komplex führt zu fehlregulierten Endozytosewegen sowie zu einem veränderten axonalen Transport [12,91]. In Bezug auf PD haben murine Modelle, die menschliches -syn konstitutiv exprimieren, die -syn-abhängige Aktivierung von Rab5 gezeigt, die zu einer Fehlregulation im Rab5- und Dynein-Komplex führt, was zu einer endosomalen Dysfunktion führt. Dies könnte der zugrunde liegende Mechanismus sein, der die Dysregulation im retrograden axonalen Transport und die daraus resultierende neuronale Atrophie bei PD erklären würde [12,93].

2.3. Rab7

Rab7 GTPase reguliert den vesikulären Transport, insbesondere den späten endozytischen Weg [101]. Es spielt eine grundlegende Rolle bei der Reifung von Endosomen, beim Transport von Endosomen und Lysosomen, bei der Fusion von späten Endosomen und Lysosomen und bei der lysosomalen Biogenese [26,101,102]. Rab7 nimmt auch am Verkehr von Autophagosomen teil [103]. In Anbetracht der Bedeutung all dieser Prozesse wurde Rab7 als therapeutisches Ziel für Krebs [26] und Neurodegeneration [104] vorgeschlagen. Die Rab7-Aktivierung wird durch das GEF Mon1-Ccz1 [27,105,106] vermittelt. Der Mechanismus, durch den Mon1-Ccz1 die Aktivierung von Rab7 vermittelt, besteht in seiner Fähigkeit, ein Effektormolekül von Rab5 zu sein und mit PI3P in frühen Endosomen zu interagieren [102,107].

Auf diese Weise findet ein Austausch zwischen Rab5 und Rab7 statt und das Endosom geht von einem frühen Endosom zu einem späten Endosom über [105,107]. Andererseits sind die für Rab7 beschriebenen GAPs TBC1D2A, TBC1D5, TBC1D15 und EVI5-L [41]. Rab7-GTP in späten Endosomen und Lysosomen kann durch sein Effektormolekül das Rab-interagierende lysosomale Protein (RILP) signalisieren [108]. RILP rekrutiert Dynein-Dynactin-Motorkomplexe und folglich werden die Endosomen zum Minus-Ende der Mikrotubuli transportiert [109]. Das FYVE und die Coiled-Coil-Domäne enthaltende Protein 1 (FYCO1) ist ein weiteres Effektormolekül von Rab7, das den vesikulären Transport zum Plus-Ende der Mikrotubuli vermittelt [110]. Darüber hinaus bildet FYCO1 einen Komplex mit Rab7 und dem LC3-Protein, das für die Reifung des Autophagosoms verantwortlich ist [111].

Sobald dieser Komplex gebildet ist, werden autophagische Vesikel zum Plus-Ende der Mikrotubuli transportiert [110]. In Bezug auf das Nervensystem wurden sowohl die Autophagie als auch der von Rab7 gesteuerte endolysosomale Verkehr mit Pathologien wie AD, PD, HD oder Charcot-Marie-Tooth Typ 2B (CMT2B) in Verbindung gebracht [104,112]. Rab7 ist am Verkehr von toxischen Peptiden wie A-Vesikeln [23] oder der Tau-Sekretion bei AD [29] und der -syn-Clearance bei PD [30] beteiligt.

2.3.1. Rab7 und TraFicken von toxischen Peptiden

Bei AD kann eine Akkumulation die Folge einer Fehlregulation in der APP-Prozessierung sowie eines Defekts in der Elimination der toxischen Oligomere sein [113]. Daher ist der Rab5- und Rab7--kontrollierte endolysosomale Verkehr wichtig für die Clearance toxischer Peptide wie A. In dieser Hinsicht haben Studien an der N2a-Neuroblastom-Mauszelllinie sowie an primären neuronalen Kulturen von Mäusen gezeigt, dass A 1-42 in Rab5--positiven frühen Endosomen im Anfangsstadium und später internalisiert wird. in Rab7--positiven späten Endosomen [23]. Diese Daten legen nahe, dass der endozytische Weg aktiv an der Clearance und/oder Elimination von A beteiligt ist.

Die Überexpression der dominant-negativen Formen von Rab5 und Rab7, die nicht in der Lage sind, das Signal zu binden und durch ihre Effektormoleküle zu übertragen, hemmte die Kolokalisation dieser GTPasen mit A 1-42-Monomeren und -Oligomeren in den Endosomen [23]. Dies unterstützt die Beteiligung dieser GTPasen und der Endozytose an der A-Clearance. Einige Studien legen nahe, dass der Rab5-- und Rab7--vermittelte fehlregulierte endolysosomale Weg toxische Wirkungen hat [24,87,88]. Postmortale AD-Gehirne haben erhöhte Rab5- und Rab7-Proteinspiegel gezeigt [87,88]. Darüber hinaus hat eine Studie an primären Neuronen aus dem Rattenkortex gezeigt, dass eine Rab5-- und Rab7--vermittelte aktive Internalisierung von A 1-42 zum neuronalen Tod führt [24], und fügt hinzu, dass die Endozytose allgemeiner Inhibitor Phenylarsinoxid (PAO) schwächte die Toxizität ab.

Diese Ergebnisse legen nahe, dass die Blockierung der Rab5-- und Rab7--vermittelten Endozytose eine therapeutische Strategie sein könnte, um den neuronalen Tod bei AD zu verhindern [24]. Wie bei Tau zeigten die Gehirne von Patienten mit schnell fortschreitender AD und 5XFAD-Mäusehirne erhöhte Rab7A-Proteinspiegel, die mit pTau kolokalisiert waren [28]. Darüber hinaus induzierte die Rab7A-Überexpression in primären kortikalen Neuronen und HeLa-Zellen die Tau-Sekretion [29]. Umgekehrt blockierte das Silencing von Rab7A sowie die Überexpression seiner dominant-negativen Form teilweise die Tau-Sekretion [29]. All diese Daten könnten bedeuten, dass eine Rab7-Dysregulation zur Akkumulation von Tau sowie zur Ausbreitung seiner toxischen Wirkungen bei AD beitragen könnte [114].

2.3.2. Rab7 und Endolysosomal Trafficking of Membrane Receptoren

Eine Dysfunktion des endolysosomalen Signalwegs wurde mit PD in Verbindung gebracht, und Gene, die an diesem Signalweg beteiligt sind, wurden mit dieser Pathogenese in Verbindung gebracht [115]. Lrrk, das Homolog der LRRK2-Kinase in D. melanogaster, interagiert mit Rab7 in den Membranen später Endosomen und Lysosomen und hemmt nachweislich die Rab7--abhängige perinukleäre Lokalisierung von Lysosomen [116]. Umgekehrt fördert die mutierte Form von Lrrk, das Analogon zum pathogenen LRRK2G2019S, die perinukleäre Clusterbildung von Lysosomen. Somit könnten Rab7 und LRRK2G2019S dem dysfunktionalen endolysosomalen Signalweg bei PD zugrunde liegen [116].

Es wurde beschrieben, dass LRRK2 den Rab7--abhängigen Endozytoseverkehr des epidermalen Wachstumsfaktorrezeptors (EGFR) reguliert [31]. Die Expression der Mutante LRRK2G2019S verursachte eine Verzögerung des endosomalen EGFR-Transports von früh nach spät und eine daraus resultierende Verzögerung des EGFR-Abbaus. Diese Defekte wurden durch Überexpression der konstitutiv aktiven Form von Rab7 rückgängig gemacht [31]. Die Fähigkeit von Rab7, den Transport von Rezeptoren zu regulieren, wurde bereits in therapeutischen Ansätzen für Multiple Sklerose (MS) genutzt [33]. Die Überexpression von Rab7 kann das Vorhandensein von Toll-like-Rezeptoren (TLRs) regulieren und somit die Entzündungsreaktion kontrollieren [33]. Rab7 ist jedoch nicht die einzige Rab-GTPase, die den Transport von Rezeptoren reguliert.

Rab11 beispielsweise kontrolliert den TLR-Transport über die Endosomen [117]. In dieser Hinsicht wurde das Vorhandensein spezifischer Einzelnukleotidpolymorphismen (SNPs) in Evi5, einem Rab11GAP, mit einer höheren Anfälligkeit für die Entwicklung von MS korreliert [118]. Dies deutet darauf hin, dass Rab11 TLR-Rezeptoren recyceln könnte, was die angeborene Immunität beeinflusst. In jüngerer Zeit wurde Evi5 mit MS in Verbindung gebracht [119] und als Marker für die Krankheit verwendet [120]. Diese Daten laden dazu ein, die Signalregulation von Rab-GTPasen als einen Ansatz zur Förderung des Recyclings von Rezeptoren bei neurodegenerativen Erkrankungen zu untersuchen.

2.3.3. Parkin/Rab7/RILP

Parkin ist eine Ubiquitin-E3-Ligase, die mit PD assoziiert ist, da Mutationen in diesem Enzym der zweithäufigste genetische Risikofaktor für die Entwicklung der Krankheit sind [121]. Die Ubiquitinierung von Rab7-K38-Resten hält Rab7 in einer aktiven Form und beeinflusst folglich den endozytischen Verkehr [32]. Experimente mit primären Fibroblastenkulturen von Parkinson-Patienten mit einem Mangel an funktionellem Parkin und in Zellen, die die Rab7K38R-Mutante überexprimieren, die nicht ubiquitiniert werden kann, zeigten, dass in diesen Situationen die Fähigkeit von Rab7 zur Bindung an sein Effektormolekül Rab7-Interacting Lysosomal Protein (RILP) verringert [32]. RILP ist ein Rab7-Effektormolekül, das an der Signaltransduktion der Parkin/Rab7-Achse beteiligt ist.

Insbesondere rekrutiert RILP Dynein-Dynactin-Motorkomplexe, damit Vesikel zum Minus-Ende der Mikrotubuli transportiert werden können [108,109]. Laut Song und Mitarbeitern könnte eine Rab7-Dysregulation die Hauptursache für endozytische Veränderungen in Parkin-/-Zellen sein. Darüber hinaus könnten diese Dysregulationen der Parkin/Rab7/Endozytose-Achse zum Fortschreiten der PD-Pathologie beitragen [32].

2.3.4. Rab7 und AuTopophagie

Rab7 in seiner aktiven Form kann die Bildung des Autophagosoms sowie seine Reifung und seinen Transport zu den Mikrotubuli regulieren [104]. Die Untersuchung von Rab7 und seiner Rolle in der Autophagie könnte die Entwicklung von Strategien zur Behandlung von neurodegenerativen Erkrankungen erleichtern [104]. Rab7 steht im Zusammenhang mit der Autophagie bei der neurodegenerativen CMT2B-Erkrankung. Diese Pathologie wird durch verschiedene Missense-Mutationen in Rab7 verursacht, die zu einer reduzierten Lokalisierung von Rab7 in autophagischen Kompartimenten und einer verringerten Autophagie führen [8,34]. Es wird beschrieben, dass CMT2B eine direkte Folge einer Rab7-Dysfunktion ist, obwohl noch geklärt werden muss, ob die Pathologie eine Folge einer Verringerung des autophagischen Weges aufgrund eines Rab7-Funktionsverlusts ist [8].

In Bezug auf PD zeigten Studien mit HEK293 und D. melanogaster -synA53T, dass eine Rab7-Überexpression die Clearance von -syn-Aggregaten begünstigt [30]. Darüber hinaus identifizierten die Autoren, dass Rab7 in den Neuromelanin-Granula in der menschlichen Substantia nigra lokalisiert ist [30]. Die Rab7/Neuromelanin-Granula sind Autophagosomen-ähnliche Schutzorganellen. Rab7 ist an der Biogenese dieser Granula und der Beseitigung von -syn-Aggregaten beteiligt [30]. Darüber hinaus rettete die Rab7-Überexpression in D. melanogaster den Phänotyp und verbesserte die lokomotorischen Defizite [30]. Dennoch ist Rab7 nicht die einzige Rab-GTPase, die beschrieben wurde, um die -syn-Clearance durch Autophagie zu kontrollieren. Kürzlich wurde gezeigt, dass Rab27b den endolysosomalen Verkehr und damit die Sekretion und Clearance von -syn durch Autophagie kontrolliert [122].

Dementsprechend erhöhte das Silencing von Rab27b durch shRNA die intrazellulären Spiegel von unlöslichem -syn. Darüber hinaus zeigten die postmortalen Gehirne von Parkinson-Patienten erhöhte Proteinspiegel von Rab27b [122]. Obwohl sie nicht mit autophagischen Prozessen verwandt sind, sind auch andere Rab-GTPasen an der Homöostase von -syn beteiligt; während einige von ihnen die Beseitigung der Aggregate begünstigen, begünstigen andere ihre Bildung. Beispielsweise reguliert Rab39B klassischerweise den Transport zwischen dem GA und der postsynaptischen Membran. Bei PD haben Mutationen in Rab39B zu einem Funktionsverlust der GTPase und folglich zu einer Dysregulation der -syn-Homöostase geführt [123,124].

Umgekehrt haben PD-Patienten erhöhte Rab35-Spiegel gezeigt, was eine verstärkte Aggregation und Sekretion von -synA53T fördert [125]. Außerdem zeigten primäre Zellkulturen und In-vivo-Experimente, dass die LRRK2--vermittelte Rab5-Dysregulation eine schwere Neurotoxizität und den Verlust dopaminerger Neuronen induzierte [57,58].

warum der Verzehr von Cistanche der Alzheimer-Krankheit und der Parkinson-Krankheit vorbeugen kann

Cistanche enthält mehrere Wirkstoffe, die nachweislich neuroprotektive Wirkungen haben, die dazu beitragen können, das Fortschreiten der Alzheimer-Krankheit und der Parkinson-Krankheit zu verhindern oder zu verlangsamen. Zu diesen Verbindungen gehören Echinacosid, Acteosid und Verbascosid, die entzündungshemmende und antioxidative Eigenschaften haben, die Neuronen vor Schäden schützen und Entzündungen im Gehirn reduzieren können. Darüber hinaus hat sich gezeigt, dass Cistanche den Acetylcholinspiegel erhöht, einen Neurotransmitter, der für Lernen und Gedächtnis wichtig ist und bei der Alzheimer-Krankheit verringert sein kann. Obwohl mehr Forschung erforderlich ist, um die potenziellen Vorteile von Cistanche zur Vorbeugung dieser Krankheiten vollständig zu verstehen, sind diese ersten Ergebnisse vielversprechend.

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fortgesetzt werden

Alazne Arrazola Sastre 1,2, Miriam Luque Montoro 1, Hadriano M. Lacerda 3, Francisco Llavero 1,4,* und José L. Zugaza 1,2,5,

1 Achucarro Basque Center for Neuroscience, Wissenschaftspark der UPV/EHU, 48940 Leioa, Spanien; alazne.arrazola@ehu.eus (AAS); miriamluquem@gmail.com (MLM)

2 Abteilung für Genetik, physikalische Anthropologie und Tierphysiologie, Universität Baskenland UPV/EHU, 48940 Leioa, Spanien

3 Three R Labs, Science Park of the UPV/EHU, 48940 Leioa, Spain; hadrilac@gmail.com 

4 Hospital 12 de Octubre Research Institute (i plus 12), 28041 Madrid, Spanien 5 IKERBASQUE, Basque Foundation for Science, 48013 Bilbao, Spanien * Korrespondenz: fcollavero.imas12@h12o.es (FL); joseluis.zugaza@ehu.es (JLZ)