Семейство белков-медиаторов коллапсинового ответа или семейство CRMP состоит из пяти внутриклеточных фосфопротеинов ( CRMP-1 , CRMP-2, CRMP-3, CRMP4, CRMP5) с аналогичным размером молекулы (60–66 кДа) и высоким (50–70%) аминокислотой. идентичность последовательности . CRMP преимущественно экспрессируются в нервной системе во время развития и играют важную роль в формировании аксонов из нейритов, а также в управлении конусом роста и коллапсе посредством взаимодействия с микротрубочками . [1] [2] Расщепленные формы CRMP также связаны с дегенерацией нейронов.после травмы, вызванной травмой. [3]
Модуляция экспрессии CRMP-2 с помощью различных фармацевтических препаратов - это новая и расширяющаяся область исследований. Обнаружив химические вещества, которые могут увеличивать или уменьшать экспрессию CRMP-2, ученые потенциально могут уменьшить эффекты неврологических заболеваний, таких как болезнь Альцгеймера и болезнь Паркинсона . [4]
История
Члены семейства CRMP были обнаружены независимо у разных видов несколькими группами, работающими параллельно. [4] [5] Среди пяти членов семейства CRMP-2 был впервые идентифицирован в 1995 году. Группа исследователей во главе с Гошимой выяснила, что CRMP-2 играет роль в трансдукции внеклеточного семафорина 3A (Sema3A), ингибирующий белок для управления аксонами в ганглиях задних корешков кур (DRG). [5] Белок сначала был назван CRMP-62 с относительной молекулярной массой 62 кДа, а затем назван CRMP-2. Одновременно с этим , белок 64 кДа , названный в TOAD-64 для включен после разделения, было показано значительное увеличение во время развития коры в головном мозге . Последовательность кДНК TOAD-64 соответствовала таковой крысиного CRMP-2. В 1996 году мышиный CRMP-4, часто называемый Ulip для Unc-33-подобного фосфопротеина, был обнаружен Byk и его коллегами с использованием кроличьей поликлональной антисыворотки, которая распознала специфический фосфопротеин мозга мыши 64 кДа. [5] В том же году в нескольких других исследованиях были клонированы CRMP-1-4 в крысе и последовательность CRMP-1, -2 и -4, гомологичная дигидропиримидиназе (DHPase) , в мозге плода человека. [5] Наконец, в 2000 году CRMP-5 был открыт с помощью двухгибридного скрининга библиотек мозга или очистки от белкового комплекса. [5] В следующих исследованиях CRMP изучались как целевые антигены для аутоантител при различных аутоиммунных нейродегенеративных расстройствах . [5]
Состав
CRMP1-5 состоит из 564-572 аминокислот, и обнаружено, что эти белки примерно на 95% консервативны между мышью и человеком. [5] Белковые последовательности CRMP1-4 примерно на 75% гомологичны друг другу, тогда как CRMP5 только на 50-51% гомологичны каждому из других CRMP. [4] Кроме того, CRMPs являются гомологами Unc33, мутация которого вызывает нарушение способности формировать нервные цепи и нескоординированную подвижность у Caenorhabditis elegans . [6] гены CRMP1-4 примерно на 60% гомологичны с тетрамерами дигидропиримидиназы печени (DHPase), а также обладают аналогичной структурой членов металла-зависимой amidohydrolases . Однако тот факт, что CRMP не являются ферментативными, показывает, что в них могут отсутствовать критические остатки His , которые присутствуют в ферментах амидогидролазы, чтобы позволить им связывать атомы металлов со своим активным сайтом . [4]
Кроме того, CRMP могут существовать в виде гомотетрамеров или гетеротетрамеров. Эти тетрамер расположены таким образом , что активные остатки на N-терминале расположены на внешней стороне комплекса. Это позволяет CRMP регулировать различные факторы в цитоплазме. Анализ гель-фильтрации показал, что CRMP-5 и CRMP-1 образуют более слабые гомотетрамеры по сравнению с CRMP-2, и что двухвалентные катионы Ca2 + и Mg2 + дестабилизируют олигомеры CRMP-5 и CRMP-1, но способствуют олигомеризации CRMP-2. . [7] С-конец состоит из 80 аминокислот и является сайтом фосфорилирования для различных киназ . [4]
Выражение
Экспрессия CRMP регулируется на протяжении всего развития нервной системы . В целом, CRMP сильно экспрессируются в постмитотических нервных клетках с ранней эмбриональной жизни. В развивающейся нервной системе каждый CRMP демонстрирует определенный паттерн экспрессии как во времени, так и в пространстве. Например, во внешнем гранулярном слое (EGL), где происходит митоз гранулярного нейрона мозжечка, CRMP-2 высоко экспрессируется, тогда как CRMP-5 никогда не экспрессируется. Однако обнаружено, что CRMP-2 и CRMP-5 коэкспрессируются в постмитотических гранулярных нейронах. [5] Экспрессия CRMP наиболее высока, когда нейроны и синаптические связи активно созревают в течение первой постнатальной недели, что свидетельствует о роли CRMP в миграции, дифференцировке и росте аксонов нейронов . [4] [5] Действительно, экспрессия CRMP-2 индуцируется факторами, способствующими дифференцировке нейронов, такими как ноггин , хордин , GDNF и FGF . [4]
В нервной системе взрослого человека экспрессия CRMP значительно подавлена и ограничена в областях, связанных с пластичностью мозга , нейрогенезом или регенерацией. МРНК crmp1 в основном экспрессируется в клетках Пуркинье в мозжечке . Среди пяти членов семьи CRMP, CRMP-2 является наиболее выражено в мозге взрослого, особенно в пост-митотических нейронов в обонятельной системе , мозжечке и гиппокампе . CRMP-3 мРНК экспрессируется только в зернистом слое мозжечка , нижней оливы и зубчатой извилине в гиппокампе . CRMP-4 является наименее экспрессируемым белком семейства CRMP, и его экспрессия ограничена обонятельной луковицей , гиппокампом и внутренним слоем гранул (IGL) мозжечка . И, наконец, CRMP-5 выражается не только в пост-митотических нейронов в обонятельную луковицу , обонятельный эпителий и зубчатой извилине в гиппокампе , но также и в периферических нервных аксонов и сенсорных нейронов . Другие семейства CRMP также появляются в периферических тканях. Экспрессия CRMP-1, -4 и -5 в семенниках взрослого человека обнаруживается только на стадии сперматид клеток, а мРНК CRMP-2 обнаруживается в ткани легких эмбриона мыши и взрослого человека. [5]
Экспрессия CRMP также может быть обнаружена в передаче сигналов смерти или выживания постмитотических нейронов. Хотя CRMP является цитозольным белком, значительное количество экспрессии CRMP обнаруживается как мембрана, связанная на переднем крае ламеллиподиума и филоподий конуса роста . Кроме того, вызванная повреждением экспрессия CRMPs обнаруживается в прорастающих волокнах как в центральной, так и в периферической нервной системе . [4] Экспрессия CRMP-4 стимулируется при ишемическом повреждении и связана с нейронами, имеющими неповрежденную морфологию, что позволяет предположить, что CRMP-4 обеспечивает сигнал выживания и может участвовать в регенерации нейронов. Точно так же было высказано предположение, что CRMP-2 участвует в выживании и поддержании постмитотических нейронов, поскольку его сверхэкспрессия ускоряет регенерацию нервов. Однако CRMP-2 может также участвовать в гибели нейронов, поскольку его экспрессия повышается на ранних стадиях индуцированного допамином апоптоза нейронов в нейронах гранул мозжечка. [6]
Механизм, функции и регулирование
Формирование аксонов в развивающемся нейроне
CRMP-2 играет роль в полярности нейронов . Расширения ранних нейронов, называемые ламеллиподиями, образуют ранние нейриты . На этой стадии нейриты неотличимы от дендритов и аксона . Один из этих нейритов в конечном итоге становится аксоном и становится длиннее дендритных нейритов . CRMP-2 помогает ускорить рост аксонов за счет взаимодействия с микротрубочками . [1] CRMP-2 связывается и сополимеризуется с гетеродимерами тубулина, но не связывается так же хорошо с полимеризованным тубулином . Эта специфичность связывания способствует полимеризации тубулина in vitro . Комплексы CRMP-2 / тубулин обнаруживаются в дистальной части аксона и модулируют динамику микротрубочек , контролируя скорость сборки микротрубочек . CRMP-2 также способствует установлению нейрональной полярности путем регулирования поляризованного Numb- опосредованного эндоцитоза в конусах роста аксонов . [1] В обоих случаях фосфорилирование CRMP-2 по Thr-555 с помощью Rho-киназы или по Thr-509, Thr-514 или Ser-518 с помощью GSK-3β инактивирует белок, снижая аффинность связывания с тубулином и Numb . [1]
Направление конуса аксонального роста
В развивающейся нервной системе , вовлечение CRMPs' в аксонах руководства было предложено локализацией CRMPs в невритах и аксоны конусом роста . В самом деле, CRMP участвуют в двух различных путях трансдукции, вызывая коллапс конуса роста аксонов . Оба пути включают в свой сигнальный каскад ГТФазы семейства Rho , RhoA и Rac1 . GTPases семейства Rho регулируют реорганизацию цитоскелета конуса роста и влияют на подвижность конуса роста . [2]
В сигнальном каскаде Sema3A CRMP играет роль внутриклеточного мессенджера, опосредующего отталкивающий сигнал. Sema3A инициирует кластеризацию рецептора нейропилина 1 и плексина A1 . [5] В то время как некоторые из других классов семафоринов напрямую связываются с рецепторами плексина , Sema3A не связывается напрямую с плексином. Вместо этого он взаимодействует с нейропилинами в качестве лиганд-связывающего корецептора для плексина и высвобождает основанную на плексине передачу сигналов. Путь передачи сигнала ниже активированного рецептора плексина опосредуется CRMP. [2] В ответ на сигнальный каскад Sema3A, CRMP, которые существуют как гетеротетрамер в цитозоле, связываются с цитозольным доменом PlexA, и его конформация изменяется. Кроме того, CRMP фосфорилируются Cdk5 , GSK3β и Fes, тирозиновой протеинкиназой . [4] В частности, фосфорилирование CRMP-1 и CRMP-2 важно для Sema3A-регулируемого аксонального управления . [6] В присутствии CRMP-2 сигнал может вызывать изменения Rac- зависимого пути, который модулирует сборку актиновых филаментов в конусе роста. В отсутствие Sema3A взаимодействие между тетрамером CRMP и PlexA блокируется. [4] Фосфолипаза D2 (PLD-2), которая локализуется в конусе роста и участвует в перестройке актинового цитоскелета , может ингибироваться CRMP-2, и его ингибирование приводит к деполимеризации актина и, возможно, влияет на коллапс конуса роста аксонов . В присутствии CRMP-2 сигнал может вызывать изменения Rac- зависимого пути, который модулирует сборку актиновых филаментов в конусе роста . [5]
Более того, CRMP-2 участвует в другом сигнале коллапса конуса роста, индуцируемом внеклеточной лизофосфатидной кислотой (LPA). Сигнал через семимембранный рецептор активирует внутриклеточный путь, RhoA и нижестоящий RhoA, Rho-киназа впоследствии фосфорилирует CRMP-2 по треонину-555 (Thr555). В DRG нейронах, CRMP-2 фосфорилируются с помощью Rho киназы в передаче сигналов LPA , но не в передаче сигналов Sema3A, свидетельствующая о присутствии как Rho киназа -зависимых и Rho - киназа-независимых путями для конуса роста коллапса. [2] В пути RhoA CRMP-1 взаимодействует с Rho-киназой и модулирует передачу сигналов RhoA. CRMP-2 может посттрансляционно регулироваться O-GluNAc (β-N-ацетилглюкозамин, связанный с гидроксилами серина или треонина), поскольку модификация блокирует фосфорилирование CRMP-2. [5]
Дегенерация, вызванная травмой
Продукты расщепления CRMP играют значительную роль в дегенерации аксонов в результате травмы центральной нервной системы (ЦНС). В результате травмы, вызванной ЦНС, глутамат активирует рецепторы NMDA, что приводит к притоку кальция, который активирует кальций-зависимую протеазу кальпаина . Было показано, что активированный кальпаин протеолитически расщепляет CRMP-3, создавая продукт расщепления CRMP, который взаимодействует с жизненно важными цитозольными и ядерными молекулами, вызывая нейродегенерацию. [6] Структура этой расщепленной формы CRMP еще не определена, что затрудняет понимание происходящих белок-белковых взаимодействий и того, почему эти формы способны инициировать нейродегенерацию после повреждения ЦНС. Кроме того, калпаин ингибиторы () всех п Показано предотвратить расщепление CRMP-3 и , следовательно , нет дегенерацию аксонов или гибель нейронов, дополнительно предполагая , что кальпаин цели CRMP-3 для расщепления во глутамат-индуцированной гибели нейронов. Ca2 + / кальмодулин-зависимая протеинкиназа II (CaMK II) также активируется притоком кальция через рецепторы NMDA и является еще одним возможным активатором CRMP-3. [6] CRMP-3 - не единственный CRMP, участвующий в дегенерации нейронов, вызванной травмой и церебральной ишемией, поскольку все CRMP фактически нацелены на расщепление, чтобы способствовать дегенерации. [6]
Список CRMP (и связанных фенотипов нокаута и производных функций)
[8]
CRMP | Фенотип у мышей с нокаутом | Производная функция в культивируемых нейронах |
---|---|---|
CRMP-1 | Снижение пролиферации гранулярных клеток и апоптоза | Sem3A-индуцированный эффект наведения аксонов |
Замедленная миграция нейронов | Аксоно формирование / расширение , индуцированное NT3 | |
Дезориентация апикальных дендритов | Гибель нейронов спинного мозга | |
Нарушение плотности дендритных шипов | ||
Нарушение LTP и пространственной памяти | ||
CRMP-2 | Сильно ненормальное формирование дендритного рисунка | Управление аксонами с помощью хеморепеллента |
Спецификация, удлинение и разветвление аксонов | ||
NT3-индуцированный рост аксонов | ||
Отрицательный эффект на удлинение аксонов, индуцированный NGF | ||
Ускоряет регенерацию аксонов двигательных нейронов с повреждением нервов | ||
Выпуск нейротрансмиттера | ||
Устойчивость к токсичности глутамата за счет трафика NR2B | ||
Гибель нейрональных клеток | ||
CRMP-3 | Нарушение созревания дендритного шипа | Гибель нейрональных клеток |
Нарушение ДП | ||
Снижение предымпульсного торможения | ||
CRMP-4 | Повышенный фенотип проксимальной бифуркации в гиппокампе CA1 | Удлинение и разветвление аксонов |
Ингибирование аксонов регенерации с помощью миелиновых -derived ингибиторов | ||
Дегенерация аксонов и гибель клеток | ||
Sema3A-индуцированное расширение и разветвление дендритов | ||
CRMP-5 | Атрофия из клеток Пуркинье | Филоподии и конус роста развития |
Impaired LTD | Отмена промотирующей активности CRMP-2 в отношении роста нейритов |
Клиническое значение
Выражение CRMPs изменяется в нейродегенеративных заболеваний , и эти белки , вероятно , играют существенную роль в патогенезе заболеваний нервной системы, в том числе болезни Альцгеймера , болезни Паркинсона , шизофрении и многих других. Одним из фармацевтических препаратов, которые относительно эффективно воздействуют на CRMP-2 с целью уменьшения результатов нейродегенеративного заболевания, является лакозамид . Лакозамид используется в сочетании с другими типами лекарств для контроля различных типов припадков, особенно эпилепсии . Один из способов, которым лакозамид делает это, - модулировать CRMP-2, тем самым вызывая нейропротекторные эффекты и уменьшая эпилептические эффекты у людей, страдающих эпилепсией . [9]
CRMP-2, фосфорилированный по Thr-509, Ser-518 и Ser-522, был связан с дегенерирующим невритом при болезни Альцгеймера . Исследования показывают, что киназа-3β гликогенсинтазы (GSK-3β) и циклинзависимая протеинкиназа 5 ( Cdk5 ) высоко экспрессируются при болезни Альцгеймера и являются одними из протеинкиназ, ответственных за инактивацию CRMP-2 при болезни Альцгеймера . Эта инактивация CRMP-2 у людей с болезнью Альцгеймера способствует экспрессии нейрофибриллярных клубков и нейритов бляшек, которые характерны для людей, страдающих этим заболеванием. [10] [11] CRMP-2 также связан с биполярным расстройством и шизофренией , вероятно, в результате фосфорилирования CRMP-2 с помощью GSK-3β . [11]
Рекомендации
- ^ а б в г Аримура Н., Менагер С., Фуката Ю., Кайбути К. (январь 2004 г.). «Роль CRMP-2 в нейрональной полярности». Журнал нейробиологии . 58 (1): 34–47. DOI : 10.1002 / neu.10269 . PMID 14598368 .
- ^ а б в г Лю Б.П., Strittmatter SM (октябрь 2001 г.). «Семафорин-опосредованное управление аксоном через Rho-связанные G-белки». Текущее мнение в клеточной биологии . 13 (5): 619–626. DOI : 10.1016 / s0955-0674 (00) 00260-X . PMID 11544032 .
- ^ Тагиан К., Ли Дж.Й., Петратос С. (август 2012 г.). «Фосфорилирование и расщепление семейства белков-медиаторов коллапсинового ответа может играть центральную роль в нейродегенерации после травмы ЦНС». Журнал нейротравмы . 29 (9): 1728–1735. DOI : 10,1089 / neu.2011.2063 . PMID 22181040 .
- ^ Б с д е е г ч я J Шмидт Э. Ф., Strittmatter SM (2007). «Семейство белков CRMP и их роль в передаче сигналов Sema3A». Семафорины: рецепторные и внутриклеточные сигнальные механизмы . Успехи экспериментальной медицины и биологии . 600 . С. 1–11 . DOI : 10.1007 / 978-0-387-70956-7_1 . ISBN 978-0-387-70955-0. PMC 2853248 . PMID 17607942 .
- ^ Б с д е е г ч я J к л м Charrier E .; Reibel S .; Rogemond V .; Aguera M .; Thomasset N .; Хоннорат Дж. (Август 2003 г.). «Белки-медиаторы ответа на коллапсин (CRMP) - участие в развитии нервной системы и нейродегенеративных расстройствах у взрослых». Молекулярная нейробиология . 28 (1): 51–63. DOI : 10.1385 / MN: 28: 1: 51 . PMID 14514985 . S2CID 23916946 .
- ^ а б в г д е Хоу СТ, Цзян С.Х., Смит Р.А. (2008). Разрешающие и отталкивающие сигналы и сигнальные пути роста и регенерации аксонов . Международный обзор клеточной и молекулярной биологии . 267 . С. 125–181. DOI : 10.1016 / S1937-6448 (08) 00603-5 . ISBN 9780123743749. PMID 18544498 .
- ^ Поннусами, Раджеш; Бернхард Локамп (5 марта 2013 г.). «Понимание олигомеризации CRMP: кристаллическая структура человеческого белка-медиатора коллапсинового ответа 5» . Журнал нейрохимии . DOI: 10.1111 / jnc.12188. 125 (6): 855–868. DOI : 10.1111 / jnc.12188 . PMID 23373749 . S2CID 22590453 .
- ^ Ямахиста Н., Гошима Ю. (февраль 2012 г.). «Белки-медиаторы ответа на коллапсин регулируют развитие и пластичность нейронов, изменяя их статус фосфорилирования». Молекулярная нейробиология . 45 (1): 234–246. DOI : 10.1007 / s12035-012-8242-4 . PMID 22351471 . S2CID 17567061 .
- ^ Доти П., Радд Г.Д., Стоер Т., Томас Д. (январь 2007 г.). «Лакозамид» . Нейротерапия . 4 (1): 145–8. DOI : 10.1016 / j.nurt.2006.10.002 . PMC 7479700 . PMID 17199030 .
- ^ Soutar MP, Thornhill P, Cole AR, Sutherland C (июнь 2009 г.). «Повышенное фосфорилирование CRMP2 наблюдается при болезни Альцгеймера; говорит ли это нам что-нибудь о развитии болезни?». Текущее исследование болезни Альцгеймера . 6 (3): 269–78. DOI : 10.2174 / 156720509788486572 . PMID 19519308 .
- ^ а б Йошимура Т., Аримура Н., Кайбути К. (ноябрь 2006 г.). «Молекулярные механизмы спецификации аксонов и нейрональные расстройства». Летопись Нью-Йоркской академии наук . 1086 (1): 116–125. Bibcode : 2006NYASA1086..116Y . DOI : 10.1196 / annals.1377.013 . PMID 17185510 . S2CID 37627165 .