DOI: https://doi.org/10.22263/2312-4156.2024.5.17
Т.Л. Аладьева, Р.Е. Лис
Пероксисомы в нервной ткани
Гродненский государственный медицинский университет, г. Гродно, Республика Беларусь
Вестник ВГМУ. – 2024. – Том 23, №5. – С. 17-30.
Резюме.
Пероксисомы представляют собой одномембранные органеллы, которые принимают участие в широком спектре важных метаболических процессов в клетке (ά- и β-окисление длинноцепочечных жирных кислот; синтез желчных кислот, детоксикация глиоксилата у млекопитающих; образование и инактивация активных форм кислорода, в частности пероксида водорода; синтез плазмалогенов, которые имеют решающее значение в образовании и функционировании миелина; окисление D-аминокислот), благодаря содержанию многочисленных ферментов. Кроме того, пероксисомы также выполняют важные функции в защите от патогенов и вирусов, что подчеркивает их более широкое значение для здоровья и болезней человека.
Нарушение биогенеза пероксисом, приводящего к утрате или нарушению пероксисомальных функций в результате мутаций генов, кодирующих пероксины, пероксисомальные ферменты или белки-транспортеры, приводит к серьезным нарушениям обмена веществ у людей, в частности, к характерным поражениям ЦНС, в виде тяжелых неврологических расстройств, связанных с нарушением развития головного мозга, демиелинизацией, потерей целостности отростков нейронов, нейровоспалением или другими нейродегенеративными процессами. Пероксисомальная дисфункция также считается одной из причин, вызывающих болезнь Альцгеймера и рассеянный склероз.
Цель данного обзора – систематизировать современные данные о биогенезе, регуляторных и метаболических функциях пероксисом, а также пексофагии в клетках нервной системы.
Ключевые слова: пероксисомы, пексофагия, нейроны, головной мозг, нервная система.
Литература
1. Imanaka, T. Biogenesis, the function of peroxisomes, and their role in genetic disease: with a focus on the ABC transporter / T. Imanaka // Yakugaku Zasshi. 2018. Vol. 138, N 8. P. 1067–1083. doi: 10.1248/yakushi.18-00023
2. Role of peroxisomes in ROS/RNS-metabolism: implications for human disease / M. Fransen [et al.] // Biochim. Biophys. Acta. 2012 Sep. Vol. 1822, N 9. P. 1363–1373. doi: 10.1016/j.bbadis.2011.12.001
3. Peroxisomes in brain development and function / J. Berger [et al.] // Biochim. Biophys. Acta. 2016 May. Vol. 1863, N 5. P. 934–955. doi: 10.1016/j.bbamcr.2015.12.005
4. The physiological functions of human peroxisomes / R. J. A. Wanders [et al.] // Physiol. Rev. 2023 Jan. Vol. 103, N 1. Р. 957–1024. doi: 10.1152/physrev.00051.2021
5. The peroxisome: an update on mysteries 3.0 / R. Kumar [et al.] // Histochem. Cell. Biol. 2024 Feb. Vol. 161, N 2. P. 99–132. doi: 10.1007/s00418-023-02259-5
6. Peroxisome biogenesis disorders / S. J. Steinberg [et al.] // Biochim. Biophys. Acta. 2006 Dec. Vol. 1763, N 12. P. 1733–1748. doi: 10.1016/j.bbamcr.2006.09.010
7. Peroxisome-mediated metabolism is required for immune response to microbial infection / F. Di Cara [et al.] // Immunity. 2017 Jul. Vol. 47, N 1. P. 93–106. doi: 10.1016/j.immuni.2017.06.016
8. Peroxisomes are signaling platforms for antiviral innate immunity / E. Dixit [et al.] // Cell. 2010 May. Vol. 141, N 4. P. 668–681. doi: 10.1016/j.cell.2010.04.018
9. Hjorth, E. Immunomodulation of microglia by docosahexaenoic acid and eicosapentaenoic acid / E. Hjorth, Y. Freund-Levi // Curr. Opin. Clin. Nutr. Metab. Care. 2012 Mar. Vol. 15, N 2. P. 134–143. doi: 10.1097/MCO.0b013e32835017cc
10. 10.Van Veldhoven, P. P. Biochemistry and genetics of inherited disorders of peroxisomal fatty acid metabolism / P. P. Van Veldhoven // J. Lipid. Res. 2010 Oct. Vol. 51, N 1. P. 2863–2895. doi: 10.1194/jlr.R005959
11. Oller do Nascimento, C. M. Long-chain polyunsaturated fatty acids essential for brain growth and development / C. M. Oller do Nascimento, L. M. Oyama // Nutrition. 2003 Jan. Vol. 19, N 1. P.66. doi: 10.1016/S0899-9007(02)00955-3
12. Single-membrane-bounded peroxisome division revealed by isolation of dynamin-based machinery / Y. Imoto [et al.] // Proc. Natl. Acad. Sci. U S A. 2013 Jun. Vol. 110, N 23. P. 9583–9588. doi: 10.1073/pnas.1303483110
13. The human peroxisome in health and disease: the story of an oddity becoming a vital organelle / J. Vamecq [et al.] // Biochimie. 2014 Mar. Vol. 98. P. 4–15. doi: 10.1016/j.biochi.2013.09.019
14. Gabaldon, T. Peroxisome diversity and evolution / T. Gabaldon // Philos. Trans. R. Soc. Lond. B. Biol. Sci. 2010 Mar. Vol. 365, N 1541. P. 765–773. doi: 10.1098/rstb.2009.0240
15. De Duve, C. Peroxisomes (microbodies and related particles) / C. De Duve, P. Baudhuin // Physiol. Rev. 1966 Apr. Vol. 46, N 2. P. 323–357. doi: 10.1152/physrev.1966.46.2.323
16. Galiani, S. Super-resolution microscopy and studieческих s of peroxisomes / S. Galiani, C. Eggeling, K. Reglinski // Biol. Chem. 2023 Jan. Vol. 404, N 2/3. P. 87–106. doi: 10.1515/hsz-2022-0314
17. Mouse models to study peroxisomal functions and disorders: overview, caveats, and recommendations / S. Kocherlakota [et al.] // Methods Mol. Biol. 2023. Vol. 2643. P. 469–500. doi: 10.1007/978-1-0716-3048-8_34
18. Wanders, R. J. Metabolic interplay between peroxisomes and other subcellular organelles including mitochondria and the endoplasmic reticulum / R. J. Wanders, H. R. Waterham, S. Ferdinandusse // Front Cell. Dev. Biol. 2015 Jan. Vol. 3. P. 83. doi: 10.3389/fcell.2015.00083
19. Functional characterisation of peroxisomal beta-oxidation disorders in fibroblasts using lipidomics / K. Herzog [et al.] // J. Inherit Metab. Dis. 2018 May. V.41. P. 479–487. doi: 10.1007/s10545-017-0076-9
20. The beta-oxidation of arachidonic acid and the synthesis of docosahexaenoic acid are selectively and consistently altered in skin fibroblasts from three Zellweger patients versus X-adrenoleukodystrophy, Alzheimer and control subjects / A. Petroni [et al.] // Neurosci. Lett. 1998 Jul. Vol. 250, N 3. P. 145–148. doi: 10.1016/s0304-3940(98)00467-4
21. Phytanic acid and pristanic acid are oxidized by sequential peroxisomal and mitochondrial reactions in cultured fibroblasts / N. M. Verhoeven [et al.] // J. Lipid. Res. 1998 Jan. Vol. 39, N 1. P. 66–74.
22. The peroxisomal transporterABCD3 plays a major role in hepatic dicarboxylic fatty acid metabolism and lipid homeostasis / P. Ranea-Robles [et al.] // J. Inherit Metab. Dis. 2021 Nov. Vol. 44, N 6. P. 1419–1433. doi: 10.1002/jimd.12440
23. Alkyldihydroxyacetonephosphate synthase mechanism: 18O studies of fatty acid release from acyldihydroxyacetone phosphate / A. J. Brown [et al.] // Biochemistry. 1985 Dec. Vol. 24, N 27. P. 8012–8016. doi: 10.1021/bi00348a026
24. Primary hyperoxaluria type 1 / D. S. Milliner [et al.] // GeneReviews [Electronic resource] / eds.: M. P. Adam [et al.]. Seattle (WA) : University of Washington, Seattle, 1993. Mode of access: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/20301295/. Date of access: 27.09.2024.
25. Peroxisomes are oxidative organelles / V. D. Antonenkov [et al.] // Antioxid. Redox. Signal. 2010 Aug. Vol. 13, N 4. P. 525–537. doi: 10.1089/ars.2009.2996
26. Dowling, D. K. Reactive oxygen species as universal constraints in life-history evolution / D. K. Dowling, L. W. Simmons // Proc. Biol. Sci. 2009 May. Vol. 276, N 1663. P. 1737–1745. doi: 10.1098/rspb.2008.1791
27. The mammalian peroxisomal membrane is permeable to both GSH and GSSG - Implications for intraperoxisomal redox homeostasis / M. J. Ferreira [et al.] // Redox. Biol. 2023 Jul. Vol. 63. Art. 102764. doi: 10.1016/J.REDOX.2023.102764
28. Schrader, M. Fission and proliferation of peroxisomes / M. Schrader, N. A. Bonekamp, M. Islinger // Biochim. Biophys. Acta. 2012 Sep. Vol. 1822, N 9. P. 1343–1357. doi: 10.1016/j.bbadis.2011.12.014
29. Waterham, H. R. Genetics and molecular basis of human peroxisome biogenesis disorders / H. R. Waterham, M. S. Ebberink // Biochim. Biophys. Acta. 2012 Sep. Vol. 1822, N 9. P. 1430–1441. doi: 10.1016/j.bbadis.2012.04.006
30. Bagattin, A. Transcriptional coactivator PGC-1α promotes peroxisomal remodeling and biogenesis / A. Bagattin, L. Hugendubler, E. Mueller // Proc. Natl. Acad. Sci. U S A. 2010 Nov. Vol. 107, N 47. P. 20376–20381. doi: 10.1073/pnas.1009176107
31. Jones, J. M. PEX19 is a predominantly cytosolic chaperone and import receptor for class 1 peroxisomal membrane proteins / J. M. Jones, J. C. Morrell, S. J. Gould // J. Cell. Biol. –2004 Jan. Vol. 164, N 1. P. 57–67. doi: 10.1083/jcb.200304111
32. Ubiquitination of mammalian Pex5p, the peroxisomal import receptor / A. F. Carvalho [et al.] // J. Biol. Chem. 2007 Oct. Vol. 282, N 43. P. 31267–31272. doi: 10.1074/jbc.M706325200
33. Competitive Microtubule Binding of PEX14 Coordinates Peroxisomal Protein Import and Motility / M. Reuter [et al.] // J. Mol. Biol. 2021 Mar. Vol. 433, N 5. Art. 166765. doi: 10.1016/j.jmb.2020.166765
34. NBR1 acts as an autophagy receptor for peroxisomes / E. Deosaran [et al.] // J. Cell. Sci. 2013 Feb. Vol. 126, pt. 4. P. 939–952. doi: 10.1242/jcs.114819
35. The peroxisome-autophagy redox connection: a double-edged sword? / H. Li [et al.] // Front Cell. Dev. Biol. 2021 Dec. Vol. 9. Art. 814047. doi: 10.3389/fcell.2021.814047
36. PEX13 prevents pexophagy by regulating ubiquitinated PEX5 and peroxisomal ROS / N. D. Demers [et al.] // Autophagy. 2023 Jun. Vol. 19, N 6. P. 1781–1802. doi: 10.1080/15548627.2022.2160566
37. Evans, C. S. Quality control in neurons: mitophagy and other selective autophagy mechanisms / C. S. Evans, E. L. F. Holzbaur // J. Mol. Biol. 2019 Jan. Vol. 432, N 1. P. 240–260. doi: 10.1016/j.jmb.2019.06.031
38. Differential regulation of autophagy during metabolic stress in astrocytes and neurons / A. Kulkarni [et al.] // Autophagy. 2020 Sep. Vol. 16, N 9. P. 1651–1667. doi: 10.1080/15548627.2019.1703354
39. The peroxisome: an update on mysteries 3.0 / R. Kumar [et al.] // Histochem. Cell. Biol. 2024 Feb. Vol. 161, N 2. P. 99–132. doi: 10.1007/s00418-023-02259-5
40. VAPs and ACBD5 tether peroxisomes to the ER for peroxisome maintenance and lipid homeostasis / R. Hua [et al.] // J. Cell. Biol. 2017 Feb. Vol. 216, N 2. P. 367–377. doi: 10.1083/jcb.201608128
41. Cholesterol transport through lysosome-peroxisome membrane contacts / B. B. Chu [et al.] // Cell. 2015 Apr. Vol. 161, N 2. P. 291–306. doi: 10.1016/j.cell.2015.02.019
42. Spastin tethers lipid droplets to peroxisomes and directs fatty acid trafficking through ESCRT-III / C. L. Chang [et al.] // J. Cell. Biol. 2019 Aug. Vol. 218, N 8. P. 2583–2599. doi: 10.1083/jcb.201902061
43. Notes on synaptic vesicles and related structures, endoplasmic reticulum, lysosomes and peroxisomes in nervous tissue and the adrenal medulla / E. Holtzman [et al.] // Histochem. Cytochem. 1973 Apr. Vol. 21, N 4. P. 349–385. doi: 10.1177/21.4.349
44. Arnold, G. Microperoxisomes in the central nervous system of the postnatal rat / G. Arnold, E. Holtzman // Brain. Res. 1978 Oct. Vol. 155, N 1. P. 1–17. doi: 10.1016/0006-8993(78)90300-1
45. Arnold, G. Ultrastructural localization of D-amino acid oxidase in microperoxisomes of the rat nervous system / G. Arnold, L. Liscum, E. Holtzman // J. Histochem. Cytochem. 1979 Mar. Vol. 27, N 3. P. 735–745. doi: 10.1177/27.3.39097
46. Peroxisomal localization in the developing mouse cerebellum: implications for neuronal abnormalities related to deficiencies in peroxisomes / T. Nagase [et al.] // Biochim. Biophys. Acta. 2004 Mar. Vol. 1671, N 1/3. P. 26–33. doi: 10.1016/j.bbagen.2004.01.004
47. Adamo, A. M. A possible relationship between concentration of microperoxisomes and myelination / A. M. Adamo, P. A. Aloise, J. M. Pasquini // Int. J. Dev. Neurosci. 1986. Vol. 4, N 6. P. 513–517. doi: 10.1016/0736-5748(86)90003-1
48. Optogenetic control of organelle transport and positioning / P. Van Bergeijk [et al.] // Nature. 2015 Feb. Vol. 518, N 7537. P. 111–114. doi: 10.1038/nature14128
49. RhoA regulates peroxisome association to microtubules and the actin cytoskeleton / L. Schollenberger [et al.] // PLoS ONE. 2010 Nov. Vol. 5, N 11. Art. e13886. doi: 10.1371/journal.pone.00138 86
50. Spatiotemporal contact between peroxisomes and lipid droplets regulates fastinginduced lipolysis via PEX5 / J. Kong [et al.] // Nat. Commun. 2020 Jan. Vol. 11. Art. 578. doi: 10.1038/s4146 7-019-14176 -0
51. Impaired neurogenesis and associated gliosis in mouse brain with PEX13 deficiency / R. S. Rahim [et al.] // Mol. Cell. Neurosci. 2018 Apr. Vol. 88. P. 16–32. doi: 10.1016/j.mcn.2017.11.015
52. Absence of functional peroxisomes from mouse CNS causes dysmyelination and axon degeneration / L. Hulshagen [et al.] // J. Neurosci. 2008 Art. Vol. 28, N 15. P. 4015–4027. doi: 10.1523/JNEUROSCI.4968-07.2008
53. Uzor, N. E. Peroxisomal dysfunction in neurological diseases and brain aging / N. E. Uzor, L. D. McCullough, A. S. Tsvetkov // Front Cell. Neurosci. 2020 Mar. Vol. 14. P. 44. doi: 10.3389/fncel.2020.00044
54. Mi, J. Quantitative proteomic comparison of mouse peroxisomes from liver and kidney / J. Mi, E. Kirchner, S. Cristobal // Proteomics. 2007 Jun. Vol. 7, N 11. P. 1916–1928. doi: 10.1002/pmic.200600638
55. Reductions in neuronal peroxisomes in multiple sclerosis grey matter / E. Gray [et al.] // Mult. Scler. 2014 May. Vol. 20, N 6. P. 651–659. doi: 10.1177/1352458513505691
56. Gärtner, J. Mutations in the 70K peroxisomal membrane protein gene in Zellweger syndrome / J. Gärtner, H. Moser, D. Valle // Nat. Genet. 1992 Apr. Vol. 1, N 1. P. 16–23. doi: 10.1038/ng0492-16
57. Gould, S. J. The peroxisome biogenesis disorders / S. J. Gould, G. V. Raymond, D. Valle // The metabolic and molecular bases of inherited disease/ ed: C. R. Scriver [et al.]. New York : McGraw-Hill, 2001. P. 3181–3217.
58. MRI of the brain and cervical spinal cord in rhizomelic chondrodysplasia punctate / A. M. Bams-Mengerink [et al.] // Neurology. 2006 Mar. Vol. 66, N 6. P. 798–803. doi: 10.1212/01.wnl.0000205594.34647.d0
59. Adrenomyeloneuropathy: a neuropathologic review featuring its noninflammatory myelopathy / J. M. Powers [et al.] // J. Neuropathol. Exp. Neurol. 2000 Feb. Vol. 59, N 2. P. 89–102. doi: 10.1093/jnen/59.2.89
Поступила 07.06.2023 г.
Принята в печать 18.10.2024 г.
Сведения об авторах:
Т.Л. Аладьева – ассистент кафедры гистологии, цитологии и эмбриологии, Гродненский государственный медицинский университет;
Р.Е. Лис – к.б.н., доцент кафедры гистологии, цитологии и эмбриологии, Гродненский государственный медицинский университет, e-mail: Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра. – Лис Руслан Евгеньевич.
