Transkripční faktor EB podporuje proteostázu v běžném modelu stárnutí
V odborném časopise Aging Cell vědci zkoumali, jak transkripční faktor EB (TFEB) podporuje proteostázu v běžném modelu stárnutí.
Udržování funkce proteinů
Proteostáza je přirozeně udržována systémem kontroly kvality, který využívá síť chaperonů a ko-chaperonů k řízení všech aspektů údržby proteinů, včetně skládání a rozkládání, spolu s destrukcí nesprávně složených nebo jinak poškozených proteinů [1]. Tento proces je částečně řízen stresovými reakcemi, které působí na transkripční faktory, jež regulují geny související s proteostázou [2].
Jedním z klíčových faktorů je koenzym A (CoA), který je široce využíván v těle v mnoha základních biochemických reakcích, včetně mitochondriálních procesů získávání energie, přirozené syntézy steroidů a řízení proteinů. K syntéze CoA tělo používá pantotenátkinázu (PanK), která představuje klíčové úzké hrdlo v jeho produkci [3]. Jak se očekávalo, genetické mutace způsobující deficience PanK vedou k závažným onemocněním, jako je degenerace mozku [4].
CoA také produkuje klastry železa a síry (ISC), které slouží jako zásobárny elektronů pro biochemické reakce. Ačkoli se ISC shromažďují v mitochondriích [5], jsou transportovány po celé buňce složitou sítí a narušení této sítě vedou k vážným onemocněním [6].
Tato práce zkoumá, jak CoA a ISC souvisejí s běžným transkripčním faktorem TFEB. TFEB má ortolog, HLH-30, u červů C. elegans, a proto jej vědci v celé práci označují jako HLH-30/TFEB.
Možný přínos omezení
U C. elegans vede úplná deplece PanK k podobným problémům jako u lidí [7]. Nicméně snížení jeho produkce na polovinu nevede u těchto červů ke zkrácení délky života.
Naopak, u červů s genetickou mutací, která vedla k expanzi PolyQ, což je porucha proteostázy vedoucí k tvorbě agregátů shlukujících se v jejich tělech, mělo snížení produkce PanK na polovinu za následek menší počet těchto shluků v jejich svalech, spolu s větší aktivitou a svalovým pohybem, než u červů, kteří měli pouze tuto poruchu, ačkoli počet agregátů byl stejný. Zajímavé je, že k tomu došlo pouze u červů léčených RNA interferencí (RNAi) ke snížení exprese PanK, a nikoli u červů, kteří byli geneticky modifikováni tak, aby měli poloviční produkci PanK.
Zaujati tímto zjištěním se vědci poté obrátili k modelu s mutací, která nesprávně kóduje klíčový svalový protein, čímž se stává citlivým na teplotu. Při nesprávné teplotě mají červi s touto mutací mnohem větší potíže s pohybem, protože se tyto proteiny nesprávně skládají. Nicméně snížení PanK u těchto červů, ať už jinou genetickou modifikací nebo RNAi, zlepšilo jejich pohyby při nesprávné teplotě, což naznačuje, že mechanismy proteostázy pracují intenzivněji.
Práce s značeným inzulinovým proteinem tyto nálezy potvrdila. Červi, kteří jej dokážou správně zpracovat, jej umístí, správně složený, do tělní dutiny, zatímco červi, kteří jej zpracovat nedokážou, nechají nesprávně složený protein v buňkách. Způsobení chronického stresu mutací u červů poškozuje jejich proteostázu, což znamená, že jej nechávají ve svých buňkách; nicméně snížení PanK mutací nebo RNAi vede k většímu množství správně složeného proteinu.
Vědci se poté blíže podívali na stres. Zjistili, že červi s nižším množstvím PanK lépe zvládali stres, ať už způsobený chemickou inzultací nebo tepelným šokem; rozdíl byl sice malý ve srovnání s nekontrolovanými kontrolami, ale v datech byl jasně patrný a statisticky významný.
A konečně, a to je klíčové, totéž platilo pro lidské buňky. Buňky rakoviny kostí, kterým byl podán inhibitor PanK, přežily tepelný šok lépe než buňky, kterým inhibitor podán nebyl. Podobné výsledky byly zjištěny u jiného typu buněk. Inhibice PanK neovlivnila životaschopnost těchto buněk, pokud nebyly vystaveny tepelnému stresu.
Bylo zjištěno, že tyto výsledky závisí na výsledném snížení hladin CoA. U červů, kterým byl kromě sníženého PanK podáván i CoA, se žádný z dříve pozorovaných přínosů neprojevil.
Proteinové chaperony na záchranu
Jejich zjištění vedla vědce k prozkoumání možných příčin, přičemž se podrobně zaměřili na mitochondrie ve snaze zjistit, proč by snížení něčeho tak zásadního, jako je CoA, vedlo ke zvýšené, nikoli snížené proteostáze. Většina zkoumaných drah souvisejících s CoA byla neplodná; interference s nimi situaci pouze zhoršila. Nicméně ztišení dvou genů souvisejících s ISC se ukázalo jako prospěšné.
Další práce zjistila, že interference s těmito ISC v kterémkoli bodě byla prospěšná, ať už se jednalo o jejich vznik v mitochondriích nebo jejich transport po celé buňce. Tyto účinky nebyly aditivní se ztišením PanK, což demonstruje kauzální řetězec: snížení ISC způsobené supresí PanK vede ke zlepšení proteostázy.
Tato zlepšení proteostázy nesouvisela s proteazomem ani s lysozomem, které degradují nesprávně složené proteiny, ani neměla nic společného s buněčnou čisticí funkcí známou jako autofagie. Místo toho bylo zjištěno, že souvisejí se zvýšením skládání proteinů zprostředkovaného chaperony; cílení na tyto chaperony zničilo schopnost snížení PanK zvýšit výkonnost při stresu.
Role TFEB
Bylo zjištěno 13 specifických chaperonů, které zlepšovaly přežití při tepelném šoku, a 10 z nich souviselo s HLH-30/TFEB v existující datové sadě. Mutanti s nižším množstvím PanK vykazovali významné zvýšení mnoha souvisejících genů. Stejně jako u suplementace CoA, interference s HLH-30/TFEB zastavila funkci těchto chaperonů, a tak zabránila snížení PanK ve zvýšení přežití za podmínek tepelného šoku.
Vědci proto dospěli k závěru, že snížení CoA a ISC prostřednictvím sníženého PanK je zodpovědné za upregulaci HLH-30/TFEB, což má významné a prospěšné následné účinky na skládání proteinů prostřednictvím chaperonů.
Ačkoli je tato studie velmi podrobná ve své biochemii, jedná se o předběžnou práci. Žádná z těchto léčebných metod nevedla k významnému prodloužení délky života u červů, ať už byli vystaveni stresu, nebo ne. Ačkoli zmínili, že se jedná o jasný cíl, vědci nezvýšili HLH-30/TFEB genetickou intervencí ani jinými prostředky. K určení, zda by přímé posílení chaperonů mohlo být účinnou léčbou poruch proteostázy, jako je Alzheimerova a Parkinsonova choroba, bude zapotřebí další práce na červech a myších.
Literatura
[1] Jayaraj, G. G., Hipp, M. S., & Hartl, F. U. (2020). Functional modules of the proteostasis network. Cold Spring Harbor Perspectives in Biology, 12(1), a033951.
[2] Pessa, J. C., Joutsen, J., & Sistonen, L. (2024). Transcriptional reprogramming at the intersection of the heat shock response and proteostasis. Molecular cell, 84(1), 80-93.
[3] Robishaw, J. D., & Neely, J. R. (1985). Coenzyme A metabolism. American Journal of Physiology-Endocrinology And Metabolism, 248(1), E1-E9.
[4] Gregory, A., & Hayflick, S. J. (2017). Pantothenate kinase-associated neurodegeneration.
[5] Paul, V. D., & Lill, R. (2015). Biogenesis of cytosolic and nuclear iron–sulfur proteins and their role in genome stability. Biochimica Et Biophysica Acta (BBA)-Molecular Cell Research, 1853(6), 1528-1539.
[6] Maio, N., & Rouault, T. A. (2020). Outlining the complex pathway of mammalian Fe-S cluster biogenesis. Trends in Biochemical Sciences, 45(5), 411-426.
[7] Samuelson, A. V., Carr, C. E., & Ruvkun, G. (2007). Gene activities that mediate increased life span of C. elegans insulin-like signaling mutants. Genes & development, 21(22), 2976-2994.