Abstract

Reticulul endoplasmatic (ER) și mitocondriunea sunt organele cheie în celulele mamiferelor și joacă roluri cruciale într-o varietate de funcții biologice atât în ​​condiții fiziologice, cât și patologice. S-a constatat că proteina care conține valozină (VCP), o proteină ATPază asociată cu calciu nou, este implicată atât în ​​funcția ER, cât și în funcția mitocondrială. Afectarea VCP, cauzată de mutații structurale sau modificări ale expresiilor, contribuie la dezvoltarea diferitelor boli, printr-un efect integrator asupra ER, mitocondriilor și a sistemului ubiquitin-proteazom, prin interferența cu degradarea proteinelor, translocația subcelulară și homeostazia calciului. Astfel, înțelegerea rolului și mecanismelor moleculare ale VCP în aceste organite aduce noi perspective asupra patogeniei bolilor asociate și duce la descoperirea de noi strategii terapeutice. În această revizuire, am rezumat progresul studiilor privind VCP, în ceea ce privește reglarea ER și funcția mitocondrială și implicațiile sale pentru bolile asociate, concentrându-se asupra cancerelor, bolilor de inimă și tulburărilor neurodegenerative.

1. Introducere

În această revizuire, am rezumat noile progrese realizate în studiile VCP, în ceea ce privește efectul său de reglare asupra funcțiilor ER și mitocondriilor și implicațiile sale pentru diferite boli, concentrându-se pe cancer, boli de inimă și tulburări neurodegenerative.

2. Structura și distribuția VCP în celulele mamifere

VCP aparține clasei de tip II a familiei de ATPase AAA (ATPaze asociate cu diverse activități celulare) [20]. Așa cum se arată în Figura 1, VCP posedă patru domenii structurale, inclusiv un domeniu N-terminal conservat, două domenii AAA ATPază (D1 și D2) și o coadă C-terminală. Domeniile D1 și D2 sunt stivuite într-un mod cap-coadă și se conectează cu un linker polipeptidic scurt, în timp ce domeniul N-terminal este conectat la domeniul D1 printr-un alt linker scurt. În celulele mamiferelor, VCP funcționează ca un homohexamer [20]. Forma activă a VCP este un complex cu o structură cu inel dublu, cu domeniile D1 și D2 așezate una peste alta.

atpază

Schema izoformei mamiferelor din domeniile VCP și funcția acestora. VCP este constituit dintr-un domeniu de legare N-domeniu, două domenii ATPase (domeniul D1 și domeniul D2) și un C-terminal. Domeniile N sunt responsabile pentru recunoașterea și legarea substratului. Domeniul D2 contribuie la activitatea ATPaza majoră a VCP, în timp ce domeniul D1 este responsabil pentru asamblarea homohexamerului VCP. Domeniul N și domeniul D1 sunt conectate printr-un linker N-D1, iar domeniile D1 și D2 sunt conectate prin linkerul D1 - D2.

În timp ce domeniul N-terminal al VCP este implicat în recunoașterea și interacțiunea substratului cu alți cofactori, coada C-terminală s-a dovedit a fi implicată în localizarea nucleară prin interacțiunea cu alte proteine. Între timp, domeniul D2 întreprinde activitatea principală ATPază, în timp ce domeniul D1 contribuie în principal la asamblarea hexamerilor [20]. Linkerii dintre domeniile D1 și D2 și domeniile terminale D1 și N sunt, de asemenea, raportate a fi critice pentru funcțiile VCP. De exemplu, regiunea linker dintre domeniile D1 și D2 este esențială pentru activitatea D2 ATPase [21]. Interesant, majoritatea mutațiilor asociate bolii VCP au fost găsite în domeniile N și domeniile ATPase [22], iar aceste mutații din VCP s-au dovedit a afecta funcția mitocondrială și homeostazia proteinelor [23,24]. De asemenea, a raportat că mutațiile din regiunea linkerului terminal D1 - N ale VCP pot provoca tulburări neurodegenerative la om [25].

VCP este una dintre cele mai exprimate proteine ​​la om și poate fi detectată într-o varietate de organe, cum ar fi creierul, mușchiul scheletic, inima, rinichii, ficatul, ovarul, testiculul și plămânul [26]. În celulele mamiferelor, VCP este distribuit în diferite organite subcelulare, cum ar fi citoplasma, aparatul Golgi [27], învelișul nuclear [28], ER și mitocondriile [29]. S-a demonstrat că VCP, o ATPază, participă la o gamă diversă de funcții celulare, inclusiv replicarea ADN-ului, plierea și degradarea proteinelor, sistemul ubiquitin-proteazom (UPS), homeostazia calciului, remodelarea cromatinei și asamblarea Golgi și a nucleului nuclear membrane [30].

3. Reglementarea VCP în ER și funcția mitocondrială în starea fiziologică

Funcția ER în condiții normale este responsabilă de reglarea plierii și sintezei proteinelor, modificarea post-translațională și menținerea tranzacției diferitelor proteine ​​transmembranare. S-a demonstrat că VCP, ca chaperonă selectivă a ubiquitinei, joacă un rol esențial în menținerea integrității ER prin interacțiunea cu ligazele ubiquitinei E3, cum ar fi Glicoproteina 78 (gp78, cunoscută și sub numele de AMFR) și E3 ubiquitin-proteina ligază asociată cu ERAD . HRD 1 (Hrd1) [31.32].

ER interacționează fizic direct cu mitocondriile și joacă un rol critic în menținerea funcției mitocondriale. De exemplu, VCP poate extrage proteine ​​pliate greșit din mitocondrii în timpul procesului de degradare asociată mitocondriilor cu cofactorii VCP Ufd1-Np14. S-a demonstrat că VCP participă la degradarea legată de mitofagie, care depinde de E3 ligaza Parkin [36]. VCP este, de asemenea, necesar pentru retrotranslocarea secvenței 1 de leucemie a celulei mieloide proteine ​​anti-apoptotice (Mcl1) de la mitocondrii la citosol pentru degradarea proteazomală [29].

În plus, legarea ER - mitocondriile joacă un rol critic în reglarea homeostaziei calciului prin MAM. Receptorul inozitol trifosfat (IP3R), un canal Ca 2+ pe ER, este foarte acumulat în MAM [37]. Prin interacțiunea regulatorilor și a complexului proteic de reglare a canalului Ca 2+, transferul de Ca 2+ poate fi modulat între ER și mitocondrii [38,39]. În mitocondrii, diferite niveluri de Ca 2+ declanșează activități moleculare diferite. Creșterea Ca 2+ mitocondrială stimulează activitatea electronilor și generarea de ATP [40]. Cu toate acestea, nivelurile excesive de Ca2 + vor declanșa apoptoza, prin inducerea deschiderii porilor de tranziție a permeabilității mitocondriale (mPTP) [41]. Astfel, mecanismul VCP în reglarea homeostaziei mitocondriale a calciului a atras atenția. Studii recente au arătat că VCP participă la respirația mitocondrială, aportul de calciu și mPTP, prin reglarea proteinelor de absorbție a calciului mitocondrial (MICU) prin reglarea degradării acestor proteine ​​[17].

Pe scurt, așa cum se arată în Figura 2, VCP joacă un rol esențial în menținerea ER celulară și a funcției mitocondriale și a homeostaziei calciului în celulele normale și, prin urmare, afectarea activității VCP, cauzată de deficiența expresiei sau mutația structurii, va induce ER și disfuncții mitocondriale, care ulterior induc leziuni celulare, ducând la patogeneza bolilor.

Rezumatul reglementării integratoare a VCP privind degradarea asociată cu ER și mitocondria și homeostazia calciului. VCP joacă un rol esențial în menținerea funcției celulare și a homeostaziei calciului în condiții fiziologice prin mecanisme multiple. Prin interacțiunea cu alte proteine, VCP participă la livrarea proteinelor pliate greșit din ER (a) și promovează procesele de degradare dependente de ubiquitină prin sistemul ubiquitin-proteazom (UPS) în timpul ERAD (b). VCP este, de asemenea, implicat în extragerea proteinelor pliate greșit din mitocondrii în timpul procesului de degradare asociată mitocondriilor și participă la degradarea legată de mitofagie (c). VCP participă la reglarea homeostaziei calciului prin intermediul membranelor ER asociate mitocondriilor (MAM), care stimulează activitatea electronilor și producția de ATP (d). Reciproc, VCP previne intrarea excesivă a calciului în mitocondrii prin reglarea aportului de calciu mitocondrial prin degradarea proteinelor de absorbție a calciului mitocondrial (MICU) (e), care ulterior inhibă deschiderea mPTP, prevenind moartea celulelor. Afectarea activității VCP induce disfuncții ER și mitocondriale, care ulterior induc leziuni celulare care duc la patogeneza bolilor.

4. Expresia aberantă a VCP mediază disfuncțiile ER și mitocondriile în progresul diferitelor tipuri de cancer

tabelul 1

Rezumatul expresiei VCP și a valorii prognostice în diferite tipuri de cancer.

Tipul de cancer Factor Nr. de pacienți Valoarea ratei de supraviețuire
Cancerul tiroidian folicular [14] Expresia VCP Al 10-lea fără boală de supraviețuire Figura 3, prin interacțiunea cu diferiți cofactori/adaptoare, VCP ar putea promova degradarea proteinelor induse greșit induse de stres și menține homeostazia calciului, care ulterior ajută la rezistența la deteriorarea celulelor și moartea induse de stres ER/mitocondrial. Astfel, creșterea VCP în celulele canceroase ar proteja celulele împotriva morții, în timp ce deficiența VCP în tulburările neurodegenerative și bolile cardiace ar induce leziuni celulare și moarte, datorită pierderii acestor funcții. Aceste dovezi au evidențiat rolul VCP în tulburările mitocondriale și/sau legate de ER.

Rezumatul caracteristicilor comune legate de VCP în diferite boli. În ciuda faptului că cofactorii și căile de semnalizare reglatoare care stau la baza patogenezei acestor tulburări pot varia, VCP ar putea promova degradarea proteinelor pliate greșit induse de stres și menține homeostazia calciului, care ulterior ajută la rezistența la deteriorarea celulelor induse de stres ER/mitocondrial și la moarte. Deoarece creșterea VCP în celulele canceroase ar proteja celulele împotriva morții, deficiența VCP în tulburările neurodegenerative și bolile cardiace ar induce leziuni celulare și moarte, datorită pierderii acestor funcții. (Săgețile roșii reprezintă efectele promoționale, iar săgețile verzi reprezintă efectele inhibitoare/supresive).

Prin urmare, cercetările viitoare ar putea atrage mai multă atenție asupra definiției mecanismului detaliat al VCP care este implicat în reglarea ER și a interacțiunii mitocondriale, în metabolismul calciului și homeostazia. În plus, deoarece efectele VCP se bazează în mare parte pe cofactorii săi în bandă, explorând interacțiunile potențiale dintre VCP și alte proteine, în special cofactorii și substraturile domeniului N-terminal al VCP, vor aduce o nouă perspectivă asupra mecanismului molecular în bolile legate de VCP. . Mai mult, translocația subcelulară proteică mediată de VCP este crucială în funcția ER și mitocondrială, iar înțelegerea în continuare a mecanismului prin care VCP mediază alte translocații proteice va ajuta la definirea noului efect al VCP în integrarea homeostaziei între organele multiple. De asemenea, este necesar să se investigheze mecanismele care stimulează VCP în celulele canceroase sau reducerea acestora sub stres cardiac, ceea ce va duce la descoperirea patogeniei bolilor înrudite. În cele din urmă, este important să se proiecteze și să se dezvolte inhibitori VCP pentru tratamentul diferitelor tipuri de cancer și activatori ai VCP pentru a restabili VCP în inimile stresate, pentru a preveni cardiomiopatia.