미토콘드리아 기능 파트 2에서 EIF5A의 역할
Jun 20, 2022
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4. elF5A와 미토콘드리아 기능의 연결
elF5A, 하이픈 연결 효소, 하이픈 연결 기질 스페르미딘, 미토콘드리아 기능 사이의 연결에 대한 증거가 오랫동안 있었지만, 모든 데이터의 합계는 여전히 완전히 명확하지 않고 때로는 모순되는 것처럼 보이는 그림을 제공합니다. 한편으로는 elfF5A의 결함과 과잉이 미토콘드리아 기능에 해로운 영향을 미친다는 여러 보고서가 있습니다. 예를 들어, 쥐의 심장 근육 세포에서 항종양제 독소루비신에 의해 유도된 elF5A의 과발현은 ROS의 점진적인 증가와 Ca2의 증가와 미토콘드리아의 유입을 초래했습니다[54]. 이러한 변화는 미토콘드리아 막횡단 전위의 손실 및 세포자멸사 유도와 상관관계가 있는 반면, EIF5A1 발현의 중단은 세포자멸사를 감소시켰다. 이러한 결과는 EIF5A1 과발현이 바이러스 감염에 의해 자극되었지만 하이픈을 연결할 수 없는 EIF5A1 돌연변이체의 과발현이 인간 세포에서 얻은 Sun et al.(2010)[124]에 의해 보고된 결과와 잘 일치합니다. 내인성 미토콘드리아 경로를 통해 세포 사멸을 유도합니다. EIF5A1 수치의 증가는 미토콘드리아 막 전위의 손실을 일으키고 세포자멸사 마커 B 세포 림프종 2-관련 X(Bax) 단백질을 미토콘드리아로 전위시키고, 시토크롬 c의 방출 및 카스파제 활성화를 초래했습니다. 이 연구의 또 다른 흥미로운 측면은 eIE5A 과발현이 있는 HeLa 세포의 단백질체 분석이 미토콘드리아 단백질의 상향 조절을 보여주었다는 것입니다[124]. 따라서 이 연구에서 hyp-eIF5A 및 하이픈이 없는 elF5A 단백질 수준의 조절 장애는 미토콘드리아 기능 장애와 세포 사멸을 유발했습니다.
효모의 경우, 앞서 언급한 바와 같이 S.cerevisiae TIF51A 유전자에 의해 암호화된 elF5A isoform이 산소 존재하에서 성장하는데 필요한 반면, TIF51B 유전자에 의해 암호화된 isoform은 저산소 조건에서 유도된다는 것이 일찍 확인되었다. [1]. 실제로, Tif51A 단백질의 감소는 미토콘드리아 호흡률을 떨어뜨리는 원인이 됩니다[107]. 분열 효모 Schizosaccharomyces pombe에서 DOHH 유전자(MMD1 유전자에 의해 인코딩됨)의 점 돌연변이는 온도에 민감한 성장과 미토콘드리아 형태 및 분포의 결함을 유발합니다. 허용되지 않는 온도에서 미토콘드리아 위치를 조정하는 미세소관은 비정상적인 조직과 미토콘드리아의 두 세포 말단에 응집된 상태를 나타냅니다[125]. 신장 이식, 뇌졸중, 말라리아 감염과 같은 다양한 질병 상황에 대한 최근 연구에서 eF5A와 미토콘드리아의 활성 사이의 긍정적인 연관성이 강조되었으며, 낮은 수치의 일시적인 상황에서 세포를 보호하는 방법으로 hyp-eIF5A의 억제를 지적했습니다. 그렇지 않으면 미토콘드리아 손상 및 세포 사멸에 기여하는 산소 가용성. Melis et al.(2017)[126]은 elF5A 하이픈 연결과 저산소증/무산소증에 대한 세포 저항 사이의 가능한 연관성을 조사했습니다. 그들은 DHPS 또는 DOHH의 GC{16}또는 RNA 간섭 매개 억제 처리가 마우스 신장 세포에서 무산소 유발 세포 사멸을 예방한다는 것을 보여주었습니다. 중요하게도, GC7 처리는 미토콘드리아 산소 소비율 감소 및 무산소 유발 ROS 생성과 함께 미토콘드리아 리모델링 및 ETC 호흡 사슬 복합체의 발현 및 활성의 하향 조절을 수반하는 해당 작용으로의 가역적 대사 이동을 유도했습니다. 함께, 이러한 데이터는 감소된 hyp-elF5A 활성이 미토콘드리아 침묵으로 이어진다는 것을 보여줍니다. 이것은 hyp-eIF5A 억제를 통한 미토콘드리아 침묵의 유익한 효과를 입증하여 무산소 유발 세포 사멸을 예방하는 쥐의 허혈 유발 신장 손상 및 돼지 신장 이식 모델에서 확인되었습니다[126]. 보다 최근에, 같은 그룹은 돼지 이식 모델을 사용하여 GC7 처리에 의한 eF5A 억제가 산소 섭취 감소를 동반한 뇌사 기증자로부터의 이식을 위해 신장을 사전 조건화한다는 것을 보여주었습니다. 특히, GC7 처리는 미토콘드리아 보호 단백질(과산화물 디스뮤타제, 헴 옥시게나제 등)의 발현을 증가시켜 항산화 방어를 보존하고 다이너민 관련 단백질 I 발현을 감소시키고 미토푸신-2 발현을 증가시켜 미토콘드리아 완전성/항상성을 유지하는 것으로 보입니다. . 이러한 보호 효과는 더 나은 이식 결과를 가져왔습니다[127].cistanche 복용량 레딧hyp-elF5A 억제를 통해 저산소 상태에서 활성을 감소시킴으로써 미토콘드리아 기능의 보존은 마우스 대뇌 허혈 모델로 작업한 동일한 그룹에 의해 다시 입증되었습니다. 미토콘드리아 막 전위의 손실은 과도한 ROS 생성, 미토콘드리아에서 Ca² 방출 및 내부 ATP 감소로 발생하는 미토콘드리아 기능 장애와 관련된 신경 세포 사멸의 특징입니다. GC7 처리는 미토콘드리아 막 전위를 보존하면서 탈분극제로 처리된 뉴런에서 이러한 세 가지 효과를 감소시켰습니다. 생체 내에서 GC7은 쥐의 경색 부피와 뇌졸중 후 인지 결손을 감소시켰습니다[128]. 다른 맥락에서, 말라리아 감염이 있는 유아에 대한 연구는 심장 심실 근육 세포의 세포 사멸을 초래하는 세포 저산소증의 병렬 발생을 보여주었습니다. 인간 심근세포에서 말라리아 감염에 대한 시험관 모델은 GC7 처리에 의한 hyp-elF5A 수준의 감소가 손상된 미토콘드리아로부터 시토크롬 c 및 젖산염의 방출을 감소시키고 염증 촉진 및 세포 사멸 촉진 심근 카스파제를 감소시키는 것으로 확인했습니다.{11 }} 활동. 이러한 결과는 말라리아를 시뮬레이션하는 시험관 내 모델에서 GC7을 투여하면 저산소증으로 인한 심장 손상을 예방할 수 있음을 보여줍니다[129].
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다른 모델과 유기체에 대한 이전의 모든 연구는 미토콘드리아 호흡과 기능을 촉진하는 데 있어 hvpusinated eF5A의 긍정적인 역할을 분명히 보여주지만, 하이픈이 있든 없든 과잉의 elF5A는 미토콘드리아 기능의 조절을 완화합니다. 이 elF5A-미토콘드리아 관계의 기초가 되는 메커니즘은 이제 막 해명되기 시작했으며 다음 섹션에서 논의됩니다.
5. 폴리아민은 미토콘드리아 기능을 조절합니다: eIF5A 의존 및 독립적 효과
포유동물 세포의 폴리아민 수준은 엄격하게 제어되며 폴리아민(스페르미딘, 스페르민 및 이들의 전구체 퓨트레신)이 미토콘드리아에서 조절 기능을 수행하는 것으로 오랫동안 알려져 왔습니다[{0}}]. 폴리아민의 고갈은 산화 스트레스를 유발하고 궁극적으로 세포를 세포 사멸 또는 괴사로 이끄는 미토콘드리아 투과성 전이를 유도합니다[133]. 대조적으로, 탈분극된 미토콘드리아에 스페르민을 추가하면 막횡단 전위가 회복됩니다[134]. 미토콘드리아에 대한 폴리아민 효과는 스페르미딘의 주요 역할 중 하나가 elF5A 하이픈 연결의 기질이라는 점을 감안할 때 elF5A를 통해 실행될 수 있습니다[12,130]. 그러나 다른 elF5A 독립적인 폴리아민 역할이 미토콘드리아 기능을 직접 표적으로 삼을 수 있는 것으로 보입니다. 예를 들어, 스페르미딘은 결함이 미토콘드리아 호흡을 손상시키는 시토크롬 c 산화효소(복합체 IV)의 소단위 중 하나인 효모 COX4의 리보솜 번역 개시를 촉진하는 것으로 밝혀졌습니다[135].시스탄치 추출물의 장점COX4 mRNA 번역의 개시는 리보솜 단락(ribosome shunting)을 통한 스페르미딘에 의해 상향조절되는데, 이는 바이러스와 5' 비번역 영역의 확장된 헤어핀 구조에 의해 매개되는 소수의 진핵생물 mRNA에서도 사용되는 비전통적인 번역 개시 방식이다[136].시스탄체 징기스칸elF5A가 COX4 번역과 관련하여 조사되지는 않았지만 바이러스 감염[137] 및 특정 세포질 mRNA[138,139]에 대한 번역 개시의 다른 비전통적 모드를 촉진하는 것으로 문서화되었습니다. 폴리아민이 미토콘드리아에 영향을 미치는 메커니즘에 대한 깊은 이해 기능을 통해 elF5A 매개 효과와 독립 효과를 구분할 수 있습니다.
6. 진핵생물 번역 개시 인자 5A의 세포내 국소화 및 미토콘드리아와의 연관성
진핵생물 번역 개시 인자 5A는 대부분 세포질에 국한된 매우 풍부한 단백질입니다. 그러나 미토콘드리아를 포함한 다른 비세포질 국소화가 설명되었지만 이 대체 세포내 국소화의 양적 및 기능적 관련성은 여전히 불분명합니다. 이전에 논의된 바와 같이, ER 막에서 eF5A의 세포내 국소화 중 하나는 단백질의 ER로의 동시 번역 전위를 매개하는 것으로 보입니다[23,25.26]. 진핵생물 번역 개시 인자 5A는 핵에서도 검출되었는데, 핵은 크기가 작기 때문에 핵공 복합체를 통해 들어갈 수 있다[140]. elF5A에 대한 핵 익스포틴은 포유류(Xpo4)와 효모(Pdr6)에서 발견되었습니다[30,140]. elF5A의 핵 국소화는 가역적 아세틸화에 의해 조절되는 것으로 보이며, 이 변형은 하이픈 연결을 배제하는 것으로 보입니다([141]에서 검토됨). 따라서 현재의 합의는 변형되지 않은 eF5A가 세포 전체에 분포하는 반면 아세틸화된 elF5A는 핵에 축적되고 hyp-elF5A는 세포질에 축적된다는 것입니다. elF5A의 핵-세포질 이동은 이 기능이 명확하게 이해되지는 않았지만 특정 mRNA와 단백질의 핵 수출을 촉진하기 위해 제안되었습니다[141].
elF5A의 핵 수출이 Xolo/Crm1에 의해 매개된다고 제안되었지만, 이후 결과는 Xolo가 직접적인 elF5A 수출로 반대한다고 주장합니다[24,57,142]. 흥미롭게도 Xpo1의 억제는 인간 난소암 세포주의 미토콘드리아에서 elF5A 단백질의 축적을 촉진하여 세포 사멸을 유도합니다[143]. elF5A는 세포질에서 인슐린 유사 성장 인자 2 mRNA-결합 단백질(IGF2BP1)과 상호작용하여 미토콘드리아에서 elF5A 축적을 방지한다는 것이 발견되었습니다. Paul은 IGF2BP1의 핵 내보내기입니다. 따라서 IGFBP1의 Xpo 매개 핵 내보내기 억제는 미토콘드리아에서 elF5A의 국소화를 초래합니다. 따라서 IGF2BP1은 미토콘드리아에서 elF5A의 국소화 및 pro-apoptotic 기능의 조절자 역할을 합니다[143]. 다른 보고서에서도 elF5A가 미토콘드리아와 관련이 있다고 제안했습니다. 비전이성 비인두암 세포주와 비교하여 전이성에서 차등적으로 발현된 미토콘드리아 단백질을 결정하기 위한 단백질체 연구에서 elfF5A는 미토콘드리아 산화환원 대사, 호흡 전자 수송 및 미토콘드리아 막 전위 [144].
EIF5A1 인간 유전자의 일부 mRNA 전사체 변이체를 번역하는 동안 대체 시작 코돈을 사용하면 N-말단 펩타이드 서열에 30개 아미노산이 확장된 elF5A 이소폼이 생성됩니다[145]. 이 더 긴 elF5A isoform은 표준 elF5A보다 훨씬 덜 효율적으로 번역되지만 하이픈 연결에 의해 수정될 수도 있습니다. 확장된 N-말단 서열은 추정되는 미토콘드리아 국소화 신호를 포함하며, 실제로 더 긴 elF5A isoform이 인간 HeLa 세포에서 과발현되었을 때 미토콘드리아와 함께 공동 정제되었습니다[145]. 보다 최근에, 같은 그룹이 미토콘드리아 기능에 대한 더 긴 elF5A 동형의 역할을 조사했습니다[146]. 그들은 특정 siRNA를 사용하여 표준에 영향을 미치지 않고 더 긴 elF5A 동형체만 고갈시켰고 미토콘드리아 생합성에 관여하는 여러 유전자의 mRNA 수준의 하향 조절과 HeLa 세포에서 여러 OXPHOS 단백질 수준의 감소를 관찰했습니다. 표준 elF5A를 고갈시킨 결과와 달리 N-말단 확장 elF5A 이소폼이 고갈되면 산소 소비가 증가합니다. 그러나, 그것은 또한 더 많은 ROS와 미토콘드리아 단편화를 생성하고 BAK pro-apoptotic protein의 발현을 증가시켰는데, 이는 더 긴 elF5A isoform이 미토콘드리아 역학에 필요하고 그것의 고갈이 미토콘드리아 기능 장애와 세포자멸사를 초래함을 시사합니다[146]. 산소 소비의 증가를 제외하고 더 긴 elF5A 동형을 고갈시키는 다른 효과는 정식 포유류 elF5A 동형을 고갈시키거나 억제할 때 발견되는 효과를 요약하여 표준 EIF5A1 서열에 대해 하이픈 넣기 억제 또는 RNA 간섭과 같은 전략이 사용될 가능성을 높입니다. 또한 longelF5A isoform에도 작용할 수 있습니다.시스탄체 수명 연장따라서 관찰된 결과는 덜 발현된 동형이 결핍된 결과일 수 있습니다. 현재로서는 이 가능성을 배제할 수 없으며 이 점을 명확히 하기 위한 추가 작업이 필요합니다. 위에서 인용한 연구에서 미토콘드리아에서 elF5A의 역할이 이 세포소기관과의 연관성과 직접적으로 연관되어 있다고 추론할 수 있지만 이것은 여전히 불확실합니다.
7. 미토콘드리아 기능에서 진핵생물 번역 개시 인자 5A의 분자 역할
이전 섹션에서 검토한 연구는 elF5A가 올바른 미토콘드리아 기능에 필요하다는 것을 보여줍니다. 그러나 결과는 여전히 수수께끼입니다. 여기에서 우리는 elF5A가 미토콘드리아 성능에 영향을 미칠 수 있는 다양한 분자 메커니즘을 제안하는 매우 최근의 작업을 검토합니다.
Puleston et al.이 제시한 결과. (2019) [147]은 미토콘드리아에서 elF5A의 역할에 대해 밝히고 있습니다. 첫째, 저자는 hyp-elF5A의 억제가 포유류 세포에서 미토콘드리아 OXPHOS를 제한하고 hyp-eF5A가 제한된 해당과정에서 호흡을 증가시키는 데 필요하다는 것을 보여주었습니다. 또한, 저자는 OXPHOS 의존성 마우스 대식세포 활성화 맥락에서 hyp-eF5A의 억제가 TCA 주기의 활성을 감소시키고 mRNA 수준에 영향을 미치지 않으면서 단백질 수준에서 많은 미토콘드리아 단백질의 발현을 감소시킨다는 것을 입증했습니다. 이러한 결과는 Melis et al.에 의해 보고된 이전 결과와 일치합니다. (2017)[126]. Puleston et al.(2019)[147]에 의해 확인된 eIF5A 민감성 미토콘드리아 단백질에는 ETC 복합 성분, 일부 TCA 효소(예: succinyl-CoA synthetase 및 succinate dehydrogenase) 및 TCA 공급 효소(예: pyruvate dehydrogenase)가 포함됩니다. 그러나 다른 TCA 단백질(예: citrate synthase 및 isocitrate dehydrogenase)은 영향을 덜 받았고 해당 효소는 영향을 받지 않아 효과의 특이성을 나타냅니다. 저자는 특정 미토콘드리아 표적화 신호(MTS)의 번역이 hyp-elF5A에 의존할 가능성을 조사했습니다. 그들은 일부 hyp-eIF5A-민감성 단백질의 질량이 리포터 단백질에 융합될 때 hyp-eF5A-의존성 번역 효율을 부여하기에 충분하다는 것을 보여주었습니다. Puleston et al.(2019)[147]은 hyp-eIF5A가 일부 미토콘드리아 단백질의 MTS 번역을 촉진함으로써 미토콘드리아 호흡을 조절한다고 결론지었습니다. 활성화. MTS 서열에는 반복적인 아미노산이 포함되어 있고 번역을 느리게 할 수 있는 하전된 아미노산이 풍부합니다. 저자가 말했듯이 hyp-elF5A가 이러한 MTS 중 일부의 번역 효율성에 영향을 미치고 다른 MTS의 번역 효율성에는 영향을 미치지 않는지 명확하지 않습니다. 비슷한 글로벌 특성을 가지고 있습니다.
신장 허혈 동안 elF5A 억제의 보호 역할에 대한 새로운 조사는 GC7 처리 시 호기성 산화적 인산화에서 혐기성 해당작용으로의 대사 전환을 자세히 설명했으며 이 처리가 포도당 수송체의 발현을 조절한다는 것을 보여주었습니다[148]. elF5A 하이픈 넣기 억제 하에 있는 근위 신장 세포에서 산소 소비는 감소했지만 포도당 소비와 젖산 유출은 증가했으며 포도당 수입 및 해당 작용에 대한 의존도가 증가하여 배타적 혐기성 해당 작용으로의 대사 전환을 보여줍니다. 시험관 내 및 생체 내 GC7 억제 동안, 촉진된 포도당 수송체 GLUT1의 억제를 통해 신장 근위 세포로부터의 포도당 유출이 손상되어 근위 세포에서 포도당의 가용성이 증가했습니다. 이러한 결과는 저산소 상태에서 신장 세포의 생존을 설명하며, 혐기성 해당 작용으로의 전환에 의해 에너지 요구가 충족됩니다. 그러나, GLUT1이 추정되는 elF5A 의존성 펩타이드 모티프를 포함하지 않는다는 점을 감안할 때 이러한 대사 변화에 대한 분자적 이유는 불분명합니다. GLUT1 억제로 인한 세포 내 포도당 수준의 증가가 이러한 GC 매개 대사 변화의 원인인지 결과인지도 알려져 있지 않습니다[148].
또 다른 최근 연구는 eIF5A와 미토콘드리아 융합 과정 사이의 분자적 연결을 확립했습니다[149]. 저자는 혈관 노화에서 심혈관 리모델링 전사 인자 Krüppel-like factor 5(Klf5)의 역할을 조사하고 Klf5가 EIF5A 프로모터에 직접 결합하고 미토콘드리아 무결성을 보존하기 위해 전사를 활성화한다는 것을 발견했습니다. Klf5에 의한 elF5A의 조절은 ATP 함량, ROS 생산 및 미토콘드리아 역학을 동시에 조절했습니다. 중요하게도, elF5A는 미토콘드리아 융합 및 완전성의 핵심 조절자인 미토콘드리아 외부 막의 막횡단 단백질인 미토푸신 1(Mnf1)과 물리적으로 상호작용했습니다. 진핵생물 번역 개시 인자 5A와 Mnf1은 미토콘드리아에 공존하고 융합된 미토콘드리아의 네트워크 형성을 촉진했습니다. 대조적으로, Klf5 결핍 또는 혈관 노화 동안 elF5A의 하향 조절은 미토콘드리아 분열을 일으키고 혈관 질환을 유발한다[149]. elF5A와 Mnf1의 상호작용을 통해 미토콘드리아의 완전성이 유지되는 정확한 기전은 아직 밝혀지지 않았지만 균형 잡힌 미토콘드리아 융합과 분열은 미토콘드리아의 모양, 크기 및 수뿐만 아니라 에너지 대사, 세포 주기, , 미토파지 및 세포자멸사 [150].
이전 섹션에서 언급했듯이 미토콘드리아 기능은 나이가 들면서 감소하는 것으로 잘 알려져 있습니다[83]. 지난 몇 년 동안 다양한 시험관 내 및 생체 내 모델이 모델 유기체의 스페르미딘 보충과 수명 연장 사이의 강력한 연관성과 모델 유기체 및 인간의 노화 지연을 보여주기 위해 사용되었습니다. 이 연결은 최근에 조사되었으며 노화에 대한 스페르미딘 효과는 대부분 미토콘드리아 기능을 보존하는 스페르미딘 유도 elF5A 하이픈 연결에 의해 매개됩니다.
폴리아민의 감소는 노화 동안 포유동물 세포 배양 및 인간 장기에서 발생하는 것으로 오랫동안 문서화되었습니다[151,152]. 2009년, Eisenberg et al. (2009)[153]은 스페르미딘의 외인성 첨가가 효모, 파리, 벌레 및 인간 세포의 수명을 연장한다는 것을 보여주었습니다. Spermidine은 또한 생쥐의 노화 관련 산화 스트레스를 감소시켰습니다. 대조적으로, 폴리아민 고갈은 효모 수명을 감소시키고 ROS 생성 및 괴사를 증가시켰습니다. 저자들은 스페르미딘 유도 수명과 히스톤 H3의 저아세틸화 사이의 상관관계를 관찰했으며, 이는 자가포식 유전자 ATG7, ATG11 및 ATG15의 상향조절을 유도하고 테스트한 모든 모델 유기체에서 자가포식을 촉진했으며, 이는 폴리아민에 중요한 것으로 나타났습니다 -향상된 장수 [153].
노화에 대한 스페르미딘 보충의 유익한 효과는 자가포식 촉진[154,155]뿐 아니라 독립적으로[156] 다양한 연령 관련 측면과 관련하여 다양한 유기체에서도 보고되었습니다. 스페미딘은 심혈관 노화를 개선하고, 기억력을 개선하며, 암 사망률을 줄이는 것으로 입증되었습니다.시스탄체 NZelF5A의 유도 하이픈 연결을 통한 스페르미딘 효과의 매개는 최근 노인의 B 세포 면역 연구에서 나타났습니다. Spermidine-promoted elF5A 하이픈 삽입은 autophagy의 촉진을 통해 늙은 쥐의 B 세포 면역을 회복시켰습니다[43]. Hyp-elF5A는 아미노산 서열에 폴리프롤린 모티프를 포함하는 자가포식 전사인자 TFEB의 번역을 통해 자가포식을 유지했습니다. 노화가 진행되면 hyp-eF5A 및 스페르미딘과 함께 TFEB 수치가 감소하여 면역 체계의 부전으로 이어집니다[43]. 흥미롭게도, 이 연구에서 GC7으로 처리된 1차 B-세포를 사용하여 수행한 단백질체 분석은 TFEB의 발현 감소를 보여주었지만 이전에 나타난 포유동물 및 Caenorhabditis elegans 자가포식 elF5A는 ATG3를 표적으로 하지 않는 것으로 나타났습니다[42], 이는 세포 맥락의 영향을 시사합니다. ATG3와 TFEB는 모두 elF5A 의존성에 민감한 폴리프롤린 모티프를 함유하고 hyp-elF5A와 자가포식 사이의 기계적인 연결을 제공하지만, 단백질 서열에 폴리프롤린 모티프의 존재만으로는 모든 경우에 hyp-elF5A를 억제하여 단백질 수준을 감소시키기에 충분하지 않은 것으로 보입니다. eIF5A [43,158].
연령 관련 증상을 줄이는 데 대한 스페르미딘의 긍정적인 효과와 기능적 미토콘드리아를 유지하는 데 있어 hyp-elF5A의 역할 사이의 기계적 연결이 매우 최근 연구에서 탐구되었습니다. Schroeder et al.(2021)[159]은 늙은 쥐를 연구한 결과 식이 스페르미딘이 혈액-뇌 장벽을 통과하여 해마 elF5A 하이픈 연결을 증가시킨다는 사실을 발견했습니다. 스페르미딘을 먹인 나이든 쥐는 몇 가지 인지 테스트에서 개선을 보였습니다. 저자들은 또한 생쥐의 뇌와 파리에서 더 높은 미토콘드리아 호흡을 보여주었지만 생쥐의 결과는 성별과 연령에 따라 다릅니다. autophagy는 노화와 신경 퇴행 동안 미토콘드리아 품질 관리에 중요하다고 이전에 제안되었습니다[160]. 따라서 Drosophila에서 필수 autophagy 유전자 Atg7의 하향 조절, mitophagy 관련 PTEN 유도 추정 키나아제(Pink1) 및 인간 E3 ubiquitin ligase Parkin의 상동체(Park)는 호흡에서 스페르미딘 매개 개선을 제거했습니다[159] . 이러한 결과는 신경퇴화 및 노화의 스페르미딘 억제가 미토파지를 매개하는 PINK1 및 웜 Parkin ortholog PDR1에 의존하는 C.elegans의 [161] 결과와 일치합니다.
미토콘드리아 및 뇌 인지 건강에 대한 스페르미딘의 유익한 효과는 이펙터 eIF5A에 의해 매개될 수 있습니다[159,162]. 스페르미딘 보충 하에서 노화된 초파리는 OXPHOS와 관련된 더 높은 수준의 단백질을 함유했지만, 상응하는 mRNA의 더 높은 수준은 아니었으며, 이는 더 높은 최대 호흡 및 뇌의 미토콘드리아 풍부와 상관관계가 있었습니다. 나이든 초파리 뇌에서 스페르미딘과 hyp-elF5A 수치가 떨어졌고, 아주 오래된 초파리 뇌에서는 그렇지는 않지만 중년까지 폴리아민 보충에 의해 둘 다 향상될 수 있습니다. 파리 뇌에서 elF5A 하이픈 연결의 부분적 감소를 위한 다른 유전적 접근은 미토콘드리아 호흡을 감소시켰고, 정량적 단백질체 분석은 미토콘드리아 단백질, 특히 OXPHOS 단백질의 하향 조절을 나타냈습니다. 흥미롭게도, 스페르미딘 보충으로 인한 미토콘드리아 기능에 대한 대부분의 긍정적인 효과는 파리 뇌에서 hyp-eF5A를 감소시킴으로써 폐지되었습니다. Liang et al.(2021)162] 또한 elF5A 하이픈 삽입이 이전에 언급한 스페르미딘을 추가하여 파리, 마우스 및 기타 유기체에서 얻은 연장된 수명의 이유인지 조사했습니다[153,163,164]. 그들은 하이픈 연결이 부족한 파리에서 수명 연장이 폐지되었음을 관찰했습니다[162]. 마지막으로, 스페르미딘은 나이든 파리의 기관차 및 기억 기능의 감소를 개선한 반면, elF5A 하이픈 삽입의 감쇠는 이러한 노화-해로운 효과를 강화했으며, 중요하게는, elF5A 하이푸신-약독화 동물에서 운동 및 기억에 대한 스페르미딘의 긍정적인 효과는 대부분 손실되었습니다. . 이러한 후자의 결과는 deoxyhypusine synthase 활성의 감소가 인간의 신경 발달 장애와 관련이 있다는 또 다른 최근 연구와 일치합니다[165]. Liang et al.(2021)[162]이 보고한 결과가 노화된 미토콘드리아 성능과 뇌 기능에 대한 스페르미딘의 유익한 효과 사이의 분자적 연결을 강화했지만, Schroeder et al.(2021)[159]은 다음과 같은 역할을 지적했습니다. autophagy/mitophagy에 의한 미토콘드리아 품질 관리를 유지하는 hyp-elF5A의 경우, 기계적 분자 세부 사항이 여전히 누락되어 있으며 autophagy/mitophagy가 미토콘드리아 성능에 직접적으로 도움이 되는 방법을 완전히 이해하지 못했습니다.
8. eIF5A의 통제 하에 있는 미토콘드리아 과정 및 표적 식별에 대한 관점
elF5A에 기인하는 주요 분자 역할은 elF5A 의존적 모티프를 포함하는 단백질의 특정 하위 집합의 번역을 촉진하는 것입니다[10,11]. 그러나, elF5A가 RNA에 결합하고 대사를 조절하는 능력과 관련하여 덜 특성화된 다른 분자 역할이 제안되었습니다. 위의 결과로부터 OXPHOS와 미토콘드리아 기능을 보존하기 위해서는 적절한 수준의 hyp-elF5A가 필요하다는 것이 분명합니다. 위에서 설명한 연구는 elF5A가 elF5A 의존적 MTS를 포함하는 특정 미토콘드리아 단백질의 번역에 관여할 수 있다고 제안했으며, 대사 산물의 미토콘드리아로의 플럭스를 조절하여 포도당 수송체의 조절을 통해 호기성 대사를 유지하고 상호 작용을 통해 미토콘드리아 역학을 유지할 수 있다고 제안했습니다. 미토콘드리아 융합(Mnf1)에 관여하는 단백질, ATG3 및 TFEB의 합성을 촉진하여 자가포식 촉진, 또는 특히 PINK1 및 Park 단백질에 의존하는 메커니즘을 통한 미토파지 촉진. 이러한 역할을 식별하고 증명하려면 elF5A의 직접 제어 하에 특정 분자 과정 및/또는 특정 단백질 표적 및 조건을 식별하는 것이 필요합니다.
직접적인 elF5A 의존적 번역을 위한 미토콘드리아 단백질 후보를 확인하기 위해 우리는 elF5A 의존적 리보솜 실속을 일으키는 펩타이드 모티프를 검색했습니다[11 in S. cerevisiae mitochondrial proteome. 우리는 1117개의 핵으로 인코딩된 미토콘드리아 단백질에서 elF5A 모티프 풍부함이 전체 효모 단백질에서보다 약간 더 높지만 이러한 모티프는 10개의 미토콘드리아 DNA로 인코딩된 단백질에서 거의 나타나지 않는다는 것을 발견했습니다(그림 2). TCA 주기에 관여하는 단백질은 평균 3.3개의 모티프/단백질을 나타내며, 이는 전체 효모 프로테옴의 평균(2.8개의 모티프/단백질)보다 높고 OXPHOS 단백질(1.8개의 모티프/단백질)보다 훨씬 높습니다. 그러나 가장 많이 대표되는 eIF5A 의존성 모티프는 TCA 및 OXPHOS 단백질에서 동일했으며(GGA, GGG 및 KPG) PPP 모티프는 succinyl-CoA ligase(Lsc1)TCA 효소에 있고 다른 하나는 subunit에 있습니다. TCA 회로와 OXPHOS에 참여하는 숙시네이트 탈수소효소(Sdh4)
그림 2. Saccharomyces cerevisiae 미토콘드리아 단백질에서 elF5A 종속 모티프의 분포. 전체 효모 게놈(a), 핵으로 암호화된 미토콘드리아 단백질(b), 미토콘드리아로 암호화된 단백질(c), 트리카르복실산(TCA) 주기(d), 산화적 인산화(OXPHOS)(e) 및 미토콘드리아 조직 유전자 온톨로지 기능 범주(f). 표는 적어도 하나의 PPP 모티브를 가진 미토콘드리아 조직에 관여하는 단백질을 보여줍니다. 단백질 일시정지 지수(Protein pause index, PPI)는 각 단백질의 아미노산 서열에서 발견되는 가장 높은 43개의 elF5A 의존성 tri-peptide 모티프[11] 각각에서 elF5A의 고갈에 의해 유발되는 리보솜 일시정지의 정량적 값의 합으로 계산됩니다. 그리고 번역을 위해 elF5A에 더 많이 의존하는 것으로 추정되는 단백질에서 더 높습니다. 더 긴 폴리프롤린 모티프를 가진 효모 미토콘드리아 단백질에 대한 검색은 Ytal2, Srv2 및 Tim50이 각각 최대 9개, 6개 및 7개의 연속 프롤린을 포함하는 것으로 나타났습니다(그림 2). Yta12(인간 AFG3L2와 상동)는 보존된 미토콘드리아 m-AAA 프로테아제의 일부로, Afg3 및 Yta12 단백질로 구성되며 미토콘드리아 내부 막에 위치합니다(그림 3). Ytal2/Afg3은 단백질 성숙을 매개하여 미토콘드리아 단백질 항상성을 조절합니다 미토콘드리아 효소 복합체의 올바른 조립에 필요합니다[166]. 흥미롭게도 Ytal2/Afg3 복합체는 ETC의 일부인 cytochrome oxidase와 cytochrome b의 subunit 1을 각각 암호화하는 COXT 및 COB 인트론을 포함하는 미토콘드리아 mRNA의 스플라이싱에도 관여합니다. 따라서 Yta12/Yta10의 결핍은 다른 효과들 중에서도 ETC 어셈블리의 결핍으로 인해 낮은 호흡을 유발합니다[167]. Srv2(인간 CAP1 및 CAP2에 대한 상동체)는 미토콘드리아에서 액틴 어셈블리를 매개하고 Srv2의 결실은 연장된 과융합 미토콘드리아를 유발하고 호흡을 감소시킵니다. 흥미롭게도 Srv2는 미토콘드리아 분열 GTPase Dnm1/DRP1과 상호 작용합니다[168]. 마지막으로, Tim50(인간 TIMM50의 상동체)은 미토콘드리아 내막 TIM23 복합체의 필수 소단위이며, MTS의 인식을 통해 대부분의 미토콘드리아 단백질의 수입을 매개합니다(그림 3)[169]. 이 세 가지 단백질이 미토콘드리아 기능에 대한 elF5A의 효과를 매개하기 위한 후보를 유혹하지만, 폴리프롤린 스트레치의 존재는 elF5A에 대한 의존성을 생성하는 데 충분한 요건이 아닙니다[43,158]. 미래 연구는 elF5A와 이미 설명된 hyp-eIF5A 민감성 미토콘드리아 단백질 사이의 정확한 기계적 연결을 결정하고 elF5A의 제어 하에 새로운 미토콘드리아 표적 단백질 및 프로세스를 식별할 것입니다(그림 3).
그림 3. elF5A의 세포 기능과 미토콘드리아 활성을 유지하는 역할에 대한 모델. elF5A는 다른 세포 과정에 연루된 것으로 알려져 있지만, 이들 중 가장 관련 있고 미토콘드리아와 관련된 것이 그림에 표시되어 있습니다. 리보솜에 결합된 hyp-elF5A는 특정 모티프[10,11]에서 번역 연장과 ER 결합 번역[23,25,26]을 촉진합니다. 핵에서 eIF5A는 특정 mRNA와 단백질을 내보내는 데 도움이 됩니다[141]. elF5A는 미토콘드리아 매개 세포자멸사[124,146]를 유도할 뿐만 아니라 세포 사멸을 유도하는 데 필요한 것으로 정의되었기 때문에 세포자살에서 논란의 여지가 있는 역할을 합니다. 억제될 때 [133]. Hyp-elF5A는 자가포식 인자 ATG3(자가포식 관련 3) 및 TFEB(전사 인자 EB)[42A43]의 번역을 통해 자가포식을 촉진합니다. 증가하는 증거는 hyp-elF5A와 미토콘드리아 기능 사이의 직접적인 연관성을 보여줍니다. 미토콘드리아[{28}}]와의 연관성 외에도 두 TCA의 일부 단백질은 hyp-elF5A 억제에 따라 직간접적으로 영향을 받는 것으로 설명되었습니다[126,147]. 또한 hyp-eF5A가 ATG7(Autophagy Related 7), Pink1(미토파지 관련 PTEN 유도 추정 키나제) 및 Park(E3 유비퀴틴 리가제 Parkin) 단백질을 통해 미토파지를 매개할 수 있다고 제안되었습니다[170]. 핵 암호화 단백질의 미토콘드리아 수송 및 미토콘드리아 조직에 관련된 다른 단백질은 추정 elF5A 표적으로 간주됩니다(그림 2). 이 중 미토콘드리아 내막 통합 단백질 Yta12(Yta12/Afg3 복합체의 프로테아제 및 인간 AFG3L2의 효모 동족체) 및 Tim50(TIM23 복합체의 필수 서브유닛 및 인간 TIMM50의 효모 동족체)은 아미노에 긴 폴리프롤린 스트레치를 함유하고 있습니다. 산 서열은 번역을 위해 elF5A에 대한 가능한 의존성을 제안하고 따라서 hyp-elF5A와 미토콘드리아 기능 사이의 가능한 연결을 제안합니다. 그림 처리는 BioRender 소프트웨어를 사용하여 수행되었습니다.
저자 기여:개념화, MB-A. 및 PA; 작문 - 원래 초안 준비, MB-A. 및 PA; 쓰기 - 검토 및 편집, MB-A. 및 PA; 자금 조달, PAAll 저자는 원고의 출판된 버전을 읽고 동의했습니다.
자금:이 연구는 Generalitat Valenciana(AICO/2020/086)와 스페인 과학 혁신부(PID2020-120066RB-I00)에서 PAMB-A에 자금을 지원했습니다. 스페인 과학, 혁신 및 대학부에서 박사 과정 펠로우십(FPU2017/03542)을 받았습니다.
감사의 말:저자는 GFL 연구실의 모든 구성원의 지원을 인정합니다.
이해 상충:저자는 이해 상충을 선언하지 않습니다. 자금 제공자는 연구 설계에 아무런 역할도 하지 않았습니다. 원고 작성, 또는 결과 발표 결정에서.
이 기사는 Int에서 발췌했습니다. J. 몰. 과학. 2022, 23, 1284. https://doi.org/10.3390/ijms23031284 https://www.mdpi.com/journal/ijms