• 検索結果がありません。

Exchanger Nhx1p from Saccharomyces cerevisiae Plays an Important Role in the

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2021

シェア " Exchanger Nhx1p from Saccharomyces cerevisiae Plays an Important Role in the "

Copied!
8
0
0

読み込み中.... (全文を見る)

全文

(1)

A Novel Implication of the Physiological Importance of Local Protons at the Membrane Surface of Organellar Vesicles in Eukaryote Cells: Organellar Type Na

+

/H

+

Exchanger Nhx1p from Saccharomyces cerevisiae Plays an Important Role in the

Formation of Multivesicular Bodies

Hiroshi Kanazawa1, 2) and Keiji Mitsui2)

Intracellular pH homeostasis is the essential element for living cells.  Optimal pH has to be provided  for proteins to function properly within the cells.  pH is kept at around 7.3 in most cells from  bacterial to mammalian.  In contrast, for various endosomes in the cytoplasm their own weak  acidic pH is maintained.  For the homeostatic pH regulation in the compartments like cytoplasm and  endosomal lumen are performed by H+ transporting membrane integral proteins.  One of these is the  Na+/H+ exchanger (NHE or Nha).  Here the roles of Na+/H+ exchangers in the cells are summarized  based on our recent findings.  One of the most important findings is that the acidic pH regulated by  NHE in the yeast endosomes contributes to recruitment of various factors required for membrane  protein trafficking on the membrane surface of the endosomes.  This acidic pH leads to multivesicular  body (MVB) formation.  These observations raise a new important role for NHE, not only in the  pH regulation of the endosome lumen but also for pH regulation on the cytoplasmic surface of the  endosomes.  Based on this new physiological role of organellar NHE from yeast (Nhx1) we propose a  new conceptual idea of the importance of local protons regulated by the NHEs in cell physiology.

Key Words : pH regution,  Na/Hexchangers,  ion transporter,  multivesicular body,  membrane trafficking

Homeostasis of pH within the cells Intracellular ionic condition is an essential factor  for living cells to survive.  In particular,  H is  the most important element to be kept at a certain  value,  the concentration because it provides the best 

environment for proteins to perform their roles.  It is  well established that cytoplasmic pH is kept at around  7.2‑7.4 in the cells from most bacteria to humans  [1,  2].  For eukaryotic cells,  intracellular vesicular  organelles are found in which pH shows an acidic value  for the luminal condition (Fig.  1) [1].  For instance,   lysosomes,  one of these organelles,  in which pH is  set at around less than 5.5 [1],  provide the best pH  condition for the lysosomal enzymes to play a role.

The cytoplasmic pH becomes acidic as a result  of whole metabolism in the cells.  To maintain the  neutral pH in the cytoplasm,  excess protons should 

1)  

2) Copyright© 2013 by Chugokugakuen

http://www.cjc.ac.jp/

Corresponding author. 

Hiroshi Kanazawa

Department of Human Nutrition,  Faculfy of Contemporary Life Science,    Chyugoku Gakuen University,  83,  Niwase,  Kitaku,  Okayama 701ン0197,   Japan

Tel & Fax ; + 81 86 293 1100

(2)

be removed from the cytoplasm.  For this,  various H  transporters and pumps (H transporting ATPases)  have been provided in the plasma membranes of  living cells from bacteria to humans [1].  H is  exported from inside the cells to the outside by H  transporting ATPase for bacterial and yeast cells.  

H extrusion is also performed by the respiratory  chain for bacterial cells.  This extrusion leads to the  formation of a proton electrochemical gradient across  the plasma membranes [3,  4].  The proton gradient  drives various transporters for the nutrients and  ions in bacterial and yeast cells.  The H extrusion  is also performed by Na/H exchangers (NHE) for  mammalian cells.  To drive H extrusion by NHEs a  Na gradient is used that is established by Na/K  ATPase.  Excess H in the cytoplasm is also removed  by uptake of H into organellar lumen by V-type H  transporting ATPase [1,  2].

An extensively acidic condition outside of the  cells eventually leads to acidification of cytoplasm  and inhibits the growth of cells [5].  For a NHE1- deficient cultured cell line under an acidic condition  in  a  culture  medium  cell  growth  was  inhibited,   supporting the idea of functional importance of NHE1  in the pH regulation.  Thus pH regulation inside  cells is accomplished by total functional regulation  of various H transporters such as NHEs together  with H or Na transporting ATPases.  The precise  molecular mechanisms of this coordinated control of  various H transporters are still unclear.

Na/H exchangers (NHE)

One of the most important H transporters is  the Na/H exchanger (NHE) also named Na/H  antiporter (Nha) found in bacterial to human cells.  

NHE and Nha form a family of several isoforms.  Na  and H are transported in the opposite direction.  

The transport direction of the ions is determined  primarily by the ion gradient formed by the ion  transporting ATPases.  For bacteria and yeast Na is  exported to the outside of cells to maintain the optimal  osmotic pressure of the cells by NHEs [3].  This  extrusion of Na is driven by the H gradient formed  by H-transporting ATPase.  Thus Nha plays an  important role for bacterial and yeast cells to survive  under high saline environments [3].  

For mammalian cells,  NHE1 to NHE5 are found  in the plasma membranes [2,  6].  For organellar  membranes,  NHE6 to NHE9 are found [7] (Fig.  

2).  For yeast cells,  one organellar type antiporter  (Nhx1p) and one plasma membrane type Nha (Nha1p)  are known.  

Organellar type NHEs

In eukaryotic cells various types of vesicular  structures are found as organelles.  These organellar  vesicular structures include lysosomes,  peroxisomes,   and other endosomes.  The internal acidic pH in these  organelles (Fig.  1) is established as described earlier  here by V type‑ATPase transporting H from the  cytoplasmic space to the inside of the vesicles (lumen)  (Fig.  3).  The acidic value of a type of organellar  lumen is specific for each type of organelles as shown  in Fig.  3.  The organellar type NHEs can export  H to the cytoplasmic space driven by a K gradient  across the membranes instead of Na because high  K and low Na are established by Na/K ATPase  [7,  8]. For mammalian cells,  NHE6 is localized  to the early and recycling endosomes [8,  9].  NHE  9 is found at the late endosomes.  NHE 7 is localized  at the Trans-Golgi network,  while NHE8 is found at  the mid-Golgi.  Thus the organellar type NHEs are  localized to different organelles and play a role to  keep the weak acidic pH value in the lumen specific to  each organelle together with V-ATPase [7,  8,  10].  

Although acidic pH for various organellar lumen  seems to be regulated by both V-ATPase and NHEs,  

14 Kanazawa et al. CHUGOKUGAKUEN J. Vol.  12

Fig. 1   Luminal pH values of various organelles are shown at the  side of an organelle located on the secretory or endocytic pathway  in a mammalian cell [7]. 

(3)

the physiological significance of this pH regulation  is not fully known in detail.  NHE6 is localized at  the early and recycling endosomes.  However,  about  20 percent of NHE6 in HeLa cells is also found  in  the  plasma  membranes [11].   Knockdown  of  NHE6 expression in HeLa cells caused reduction  of transferrin uptake from the outside of cells,  

especially at early stage of endocytosis of transferrin  receptor  (Fig.   4).   NHE6  may  affect  clathrin  recruitment to the endosome surface [12].  NHE6  binds RACK1 that had been found as a cytoplasmic  scaffold protein for a protein kinase and other  transporters [11].  Knockdown of RACK1 expression  leads to a decrease of NHE6 molecules at the plasma  membrane and accumulation at the early endosomes.  

NHE6 shuttles between the plasma membrane and  endosomes which is regulated by RACK1 [11].  

NHE6 is also found at endosomes in HepG2 cells,  a  hepatoma cell line,  in which formation of cell-polarity  as observed for the formation of distinct apical and  basolateral structures in a cell is observed during   cell culture [13].  This polarity formation  involves pH regulation of endosomes by NHE6 that  is supported by knockdown experiments of NHE6.  

This knockdown caused a decrease of bile canalicular  structure observed for the apical area of HepG2 cells  [13].  

NHE6 is identified as a causative gene for human  mental retardation syndrome such as Angelman  syndrome like syndrome [14].  We have found a 

Fig. 2   Schematic illustration of various Na

/H

 exchangers. NhaA,  NhaB,  and ChaA are family members of bacteria exchangers found  in the cytoplasmic membranes.  NHE1 to NHE9 are family members of mammalian Na

/H

 exchangers located at distinct organelles in  mammalian cells [7]. 

Fig. 3   Schematic illustration of pH regulation in organellar  lumen by V‑ATPase, the Cl channel and NHEs. 

(4)

Japanese family lacking the normal NHE6 gene [15].  

Because of the defect in the primary sequence in the  NHE6 gene found as a nucleotide deletion at position  441,  a termination codon and resultant truncation of  the NHE6 protein sequence was taken place.  This  mutation causes a malfunction of NHE6.  Detailed  studies to clarify the correlation between the disease  and gene defect will be required.  Interestingly our  preliminary experimental results suggest that NHE6  is required for neurite growth for neuronal cell  model PC12 cells [16].  NHE9 is found at the late  endosomes and has been found as the causative gene in  case of the autism [17].  Mechanistic studies to reveal  the physiological role of NHE9 in neuronal cells are  needed.

Organellar type Nhx1p from yeast and its  physiological role

As  found  for  mammalian  NHE6  and  NHE9,   organellar type NHEs are an important pH regulator  in cell physiology,  probably through membrane  protein trafficking in the cells [7].  However,  the  mechanisms that involve NHEs including NHE6 are  largely unknown.  The yeast counterpart of NHE6  is Nhx1p [18] (Fig.  5).  Knockout of Nhx1 affects  protein trafficking of CPY (carboxy peptidase Y) that  is localized to the vacuole [19].  For the knockout  cells CPY is excreted to the outside of the cells.  

Further accumulation of prevacuolar compartments  was observed [19].  Based on these observations we  analyzed Nhx knockout on the trafficking of another  protease CPS (carboxy peptidase S) localized at  the vacuole (Fig.  5) because we thought that the  role of Nhx1 in protein trafficking might give a  clue to the mechanism involving NHE6 and other  organellar type NHEs [20].  Knockout of Nhx1 

16 Kanazawa et al. CHUGOKUGAKUEN J. Vol.  12

Fig. 4   Schematic illustration of transferrin uptake and endocytosis.  NHE6 is located at the plasma membrane and early endosomes (left  panel).  Uptake of transferrin by HeLa cells is reduced for the cells with reduced levels of NHE6 expression by the gene knockdown (right  panel).  Details of the experiments are described in [12]. 

Fig. 5   Trafficking of membrane receptors (Ste3) and vacuolar  protease CPS in yeast cells.  Nhx1p is located at the late  endosomes with multivesicular bodies (MVB).  Ste3 is degraded  while Cps1p is processed in vacuole and becomes matured.  For  more details,  see the reference [20]. 

(5)

caused the accumulation of CPS in the prevacuolar  compartment which blocks the destination of CPS to  the vacuole.  It has been described that trafficking of  CPS from prevacuoles to the vacuole,  multivesicular  body  structures  (MVBs) [20]  occurs  (Fig.   5).  

In this process a series of proteins named VPS  (vacuolar protein sorting) are involved [19,  21].  

The first step involves Vps27.  Vps27 knockout also  caused accumulation of CPS in the prevacuolar  compartments [20].  These results suggested that  Nhx1p might affect the process of Vps27p recruitment  to the early endosomes by pH regulation of the  endosomes.  We successfully established an    system of MVB formation and found that Nhx1  knockout affects MVB formation   [20] (Fig.  

6).  Vps27p recruitment on the early endosomes was  also affected for the Nhx1 knockout cells [20].  The  most important finding was that for the   MVB  formation,  acidic pH is better than neutral pH (Fig.  

7).  We further analyzed pH on the endosome surface 

facing to the cytoplasm by using chimeric protein of  Vps27p and pHluorin,  a pH indicator GFP variant.  

The results indicated that pH on the endosome  surface is significantly more acidic than the cytoplasm  detected by free pHluorin (Fig.  8).  Based on these  observations we concluded that acidic pH environment  on the endosome surface provided by Nhx1p is  required for recruitment of Vps27p and acts as the  trigger for MVB formation.  This acidic pH may be  also required for fusion of MBV to the vacuole.  It  was reported that Nhx1p is required for the fusion  of MVB to the vacuole although it is not shown how  pH regulation by Nhx1p is involved in the process  [22].  It has been shown that Vps27p has an amino  acid sequence called FYVE required for binding  to phosphatidyl inositol phosphate (PIP) [23].  We  found that Vps27p binds to liposomes with PIP more  efficiently in acidic pH conditions [24].  

Conclusion 

We found that acidic pH on the early endosome  surface formed by Nhx1p is an important factor for  the recruitment of Vps27p,  the first element of MVB  formation.  This finding reveals a new physiological  role for Nhx1p because pH regulation by Nhx1 is 

Fig. 6   Schematic illustration of the assay procedure of    MVB formation (top panel).  Yeast lysate prepared from yeast cells  are incubated at 30℃ with fluorescent dye HPTS and ATP.  After  the incubation fluorescent dye quencher DPX is added to stop the  uptake of HPTS and then the vesicles are separated from the free  dyes by centrifugation.  MVB formation was indicated by measuring  HPTS fluorescence intensity taken up into the vesicles.  Time  course of the uptake of HPTS is shown for the wild type vesicles  and the mutant vesicles forΔ 1 andΔ 27 in the bottom panel 

[20]. 

Fig. 7   MVB formation detected by the uptake of HPTS (Fig.  6)  is pH dependent [20].

(6)

thought to be important for the luminal pH regulation.  

This observation also raises a new possibility of the  importance of H localized in a certain area of the  cells.  In this connection two similar observations  should be noted.  Firstly,  it is shown that local pH  regulation by NHE5 in neuronal cells is important  in the feedback regulation of NMDA (N-methyl-D- aspartate) receptors [25].  NHE5 shuttles between  the endosomes and plasma membrane in nerve cells.  

NMDA induces accumulation of NHE5 molecules at  the plasma membrane of the dendritic spine and causes  decrease in the activity of receptors in the synapse.  

Thus the pH based negative feedback mechanism  of NMDA receptor is proposed.  Secondly,  it has  been described that plasma membrane type NHE1  provides a local microdomain with higher pH on the  plasma membrane surface that induces recruitment of  carcineurin B and subsequent enhancement of NFκB  [26].  These two instances support the importance of  local pH regulation in the cell physiology.

The precise molecular mechanisms regulated by  NHE6 are still open to the future studies.  However,   the new physiological role of Nhx1 proposed here  will give a clue for future studies to elucidate the  roles of pH on the surface of the plasma membrane or  endosome membrane by NHE6 in mammalian cells.

Acknowledgement.  Our studies described in this review were  supported financially by Grant-in aid for a Scientific Research from the 

Ministry of Education, Science,  Culture,  Sports and Technology of  Japan.  This manuscript was kindly reviewed by Dr.  Paul Moritoshi of  Chygokugakuen University.

References

 1.  Futai,  M.,  Oka,  T.,  Sun-Wada,  G.,  Moriyama,  Y.,  Kanazawa,  H.,    and Wada,  Y.  (2000) J.  Exp.  Biol.  203,  107‑116.

 2.  Casey,  J.  R.,  Grinstein,  S.  and Orlowski,  J.  (2010) Nat.  Rev.   

Mol.  Cell,  Biol.  11,  50‑61.

 3.  Padan,  E.,  Venturi,  M.,  Gerschman,  Y.,  Dover,  N.  (2001 Biochim Biophys Acta 1185,  129151.

 4.  Futai,  M.  and Kanazawa,  H.  (1983) Microbiol.  Rev.  47,  285312.  5.  Counillon,  L.,  and Poyssegur,  J.  (2000) J.  Biol.  Chem.,  275,  

22373‑22376.

 6.  Sardet,  C.,  Franchi,  A.  and Pouyssegur,  J (1989) Cell,  56,  271‑

 7.  Ohgaki,  R.,  van Ijzendoorn,  S.  V.,  Matsushita,  M.,  Hoekstra,  D.,  280.

and Kanazawa,  H.  (2011) Biochemistry,  50,  443‑450.

 8.  Nakamura,  N.,  Tanaka,  S.,  Teko,  Y.,  Mitsui,  K.,  and Kanazawa,   H.  (2005) J.  Biol.  Chem.,  280,  15611572.

 9.  Brett,  C.  L.,  Wei,  Y.,  Donowitz,  M.,  and Rao,  R.  (2002) Am.  J. 

Phys.  Cell Phys.  282,  10311041.

10.  Fukura,  N.,  Ohgaki,  R.,  Matsushita,  M.,  Nakamura,  N.,  Mitsui,   K.,  and Kanazawa,  H.  (2010) J.  Membrane Biol.  234,  149‑158.

11.  Ohgaki,  R.,  Fukura,  N.,  Matsushita,  M.,  Mitsui,  K.,  and  Kanazawa,  H.  (2008) J.  Biol.  Chem.  283,  4417‑4429.

12.  Lou,  X.,  Matsushita,  M.,  Numaza,  M.,  Taguchi,  A.,  Mitsui,  K.,  and Kanazawa,  H.  (2011) Am.  J.  Phys.  Cell Phys.,  301,  14311444.

13.  Ohgaki,  R.,  Matsushita,  M.,  Kanazawa,  H.,  Ogihara,  S.,    Hoekstra,  D.,  and van IJzendoorn,  S.  V.  (2010) Mol.  Biol.  Cell  21, 1293‑1304.

14.  Garben,  J.  Y., Neuman,  M.,  Trojanowski,  J.,  Q.,  Lee,  V.  M.,  Feldman,  G.,  Norris,  J.  W.,  Friez,  M.  J.,  Schwartz,  C.  E.,   Stevenson,  R.,  and Sima,  A.  A.  (2010) Brain,  13911420.

18 Kanazawa et al. CHUGOKUGAKUEN J. Vol.  12

Fig. 8   pH on the endosomes surface is measured by monitoring the fluorescence of pHluorin‑Vps27p fusion.  pH on the endosomes is  around 6.67 while pH in the cytoplasm is 7.0 (right panel) [20]. The locations of pHuluorin and Vps27p‑pHluorin are shown in the pictures  (left panel). 

(7)

15.  Takahashi,  Y.,  Hosoki,  K.,  Matsushita,  M.,  Funatsuka,  M., Saito,  K.,  Kanazawa,  H.,  Goto,  Y.,  and Saito,  S.  (2011) Am.  J.  Med. 

Genetics,  799807.

16.  Matsushita,  M.  Suzuki,  S.,  Nishihara,  Y.,  and Kanazawa,  H. 

personal communi. (2012)

17.  Devlin,  B.,  and Sherer,  S.  W.  (2012) Current Opinion in Genetics  and development 22,  229‑237.

18.  Nass,  R.  and Rao,  R.  (1998) J.  Biol.  Chem.  273,  21054‑21060.

19.  Raymond,  C,  K.,  Howald-Stevenson,  I.,  Vater,  C.  A.  and  Stevens,  T.  H.  (1992) Mol.  Biol.  Cell 3,  1389‑1402.

20.  Mitsui,  K.,  Koshimura,  Y.,  Yoshikawa,  Y.,  Matsushita,  M.,  and  Kanazawa,  H.  (2011) J.  Biol.  Chem.  286,  3762537638. 21.  Raiborg, C.,  and Stenmark,  H.  (2009) Nature,  458,  445452 22.  Kally L.  M.,  Brett,  C.  L.,  Tukaye,  D.  N.,  Wemmer,  M.,  Chyou, 

A.,  Odorizzi,  G.,  and Rao,  R.  (2011) J.  Biol.  Chem.,  286, 44067‑

44077.

23.  Katzman,  D.,  Stefan,  C.  J.,  Babst,  M.,  and Emr,  S.  D.  (2001) J. 

Cell.  Biol.  162,  413423.

24.  Mitsui,  K.,  Izumida,  K.,  Matsushita,  M.  and Kanazawa,  H. 

Personal Communi. 

25.  Diering GH,  Mills F,  Bamji SX,  Numata M.  (2011) Mol Biol Cell. 

2011 22,  2246‑57. 

26.  Hisamitsu,  T.,  Nakamura,  T.  Y.,  and Wakabasyashi,  S.  (2012)  Mol.  Cell.  Biol.  32,  3265‑3280.

Accepted March 29,  2013. 

(8)

Fig .   3    Schematic illustration of pH regulation in organellar  lumen by V‑ATPase, the Cl −  channel and NHEs. 
Fig .   4    Schematic illustration of transferrin uptake and endocytosis.  NHE6 is located at the plasma membrane and early endosomes (left  panel)
Fig .   7    MVB formation detected by the uptake of HPTS (Fig.  6)  is pH dependent [20].
Fig .   8    pH on the endosomes surface is measured by monitoring the fluorescence of pHluorin‑Vps27p fusion

参照

関連したドキュメント

We then introduce the notion of compression of a graph Γ which plays an important role in the study of partially commutative groups and prove that the lattices of closed sets for

The main problem upon which most of the geometric topology is based is that of classifying and comparing the various supplementary structures that can be imposed on a

The variational constant formula plays an important role in the study of the stability, existence of bounded solutions and the asymptotic behavior of non linear ordinary

Then it follows immediately from a suitable version of “Hensel’s Lemma” [cf., e.g., the argument of [4], Lemma 2.1] that S may be obtained, as the notation suggests, as the m A

Definition An embeddable tiled surface is a tiled surface which is actually achieved as the graph of singular leaves of some embedded orientable surface with closed braid

Applications of msets in Logic Programming languages is found to over- come “computational inefficiency” inherent in otherwise situation, especially in solving a sweep of

Our method of proof can also be used to recover the rational homotopy of L K(2) S 0 as well as the chromatic splitting conjecture at primes p > 3 [16]; we only need to use the

In this paper we focus on the relation existing between a (singular) projective hypersurface and the 0-th local cohomology of its jacobian ring.. Most of the results we will present