Аутофагия.
Аутофагия – это процесс утилизации клеточных органелл и макромолекул, необходимый для рециклирования собственного клеточного материала, для дифференцировки, развития и поддержания гомеостаза организма.
История исследований:
В 1955 году, который считается годом открытия лизосом, Кристиан де Дюв предложил название «лизосома» для клеточной органеллы, которая окружена мембраной и внутри которой поддерживается низкий pH и находится ряд ферментов, оптимально работающих в кислой среде. В этом же году К. де Дюв с помощью американского цитолога смог получить первые электронные фотографии этих органелл. «За открытия, касающиеся структурной и функциональной организации клетки» в 1974 году К. де Дюв совместно с Альбером Клодом и Джорджем Паладом был награжден Нобелевской премией.
Новые исследования в 1960-х годах показали, что большое количество клеточного содержимого, и даже целые органеллы, иногда можно найти внутри лизосом. Таким образом, ученые пришли к выводу, что у клетки должен быть механизм для доставки крупногабаритных объектов клетки в лизосомы. Далее с помощью биохимических и микроскопических исследований был обнаружен новый тип везикул, переносящий клеточный груз в лизосомы для его разрушения. Эти везикулы были названы Кристианом де Дювом аутофагосомами, а данный процесс был назван аутофагией, что в переводе с греческого означает «самопоедание».
В 1970-х и 1980-х годах ученые сосредоточили свои исследования на изучение другой системы, с помощью которой клетка разрушает белки, а именно "протеосом". В этой области исследований Чехановер, Гершко и Ирвин Роуз были удостоены в 2004 году Нобелевской премии по химии за "открытие убиквитин-опосредованной деградации белков".
Упрощенная схема убиквитин-зависимой деградации белков:
Общепринятая модель убиквитин-зависимой деградации белков протеасомой включает следующие стадии: (1) формирование конъюгата белка-субстрата с убиквитином происходит в несколько этапов и опосредуется ферментами Е1, Е2 и Е3 (убиквитинлигазами). Сначала присоединяется одна молекула убиквитина, которая узнается убиквитинлигазами, и далее с их помощью строится полиубиквитиновая цепь. (2) Субъединица Rpn10 регуляторной частицы протеасомы узнает четвертичную структуру полиубиквитиновой цепи. (3) Субъединицы Rpn1 и Rpn2 регуляторной частицы протеасомы связывают субстрат. (4) Субъединицы-ATPазы регуляторной частицы разворачивают субстрат. Взаимодействие АТРаз Rpt2 и Rpt5 c α-субъединицами коровой протеасомы приводит к открытию канала. (5) Отделение убиквитина от субстрата осуществляется Rpn11 субъединицей регуляторной частицы и деубиквитинирующими ферментами Uch37 и Usp14/Ubp6. (6) Транслокация полипептидной цепи субстрата в протеолитическую полость протеасомы осуществляется субъединицами-ATPазами регуляторной частицы, гидролиз пептидных связей протеазными субъединицами (β1, β2 и β5, каталитические центры обозначены кружками). Высвобождаемые пептиды имеют размер 3–25 аминокислотных остатков.
Далее исследования, касающиеся аутофагии и разрушения компонентов клетки, потеряли интерес. Но тем не менее, оставались неясными многие вопросы. Протеасома эффективно разрушает протеины один за одним, но этот механизм не объясняет, как клетка избавляется от крупных белковых комплексов и изношенных органелл. Может ли процесс аутофагии быть ответом и, если да, то каковы его механизмы? Каким образом части клетки попадают в лизосомы? Какие гены контролируют этот процесс? Как осуществляется регуляция аутофагии?
За ответы на эти вопросы и за «открытие механизмов аутофагии» в 2016 году Ёсинори Осуми был награжден Нобелевской премией.
Раньше не было модели, на которой можно было бы исследовать аутофагию. В 1992 году такая модель была создана Ёсинори Осуми и результаты опубликованы в статье. Дрожжевые клетки относительно легко изучать и, следовательно, они часто используются в качестве модели для человеческих клеток. Но дрожжевые клетки очень малы, и было неизвестно, есть ли там аутофагия вообще. Ученый создал мутантный штамм, лишенный вакуолярных протеаз (протеинкиназа А, В и карбоксипептидаза Y), и выращивал их на дефицитных питательными веществами средах. Таким образом, в результате короткого времени в лизосомах было обнаружено накопление большого количества сферических телец, содержимым которых являлись компоненты цитоплазмы (тогда Ёсинори предположил, что эти сферические тельца являются аутофагасомами и что они образуются в цитоплазме, и он доказал это позже). Это исследование доказывало, что аутофагия имеет место быть в дрожжевых клетках и что она стимулируется голоданием. Таким образом, была создана модель для изучения механизмов аутофагии, чем и занимался ученый на протяжении более, чем 20-ти лет.
Современные представления об аутофагии.
Типы аутофагии:
1) Микроаутофагия
2) Макроаутофагия
3) Шаперон-зависимая аутофагия
Микроаутофагия. При микроаутофагии макромолекулы просто захватываются лизосомой. Таким путём клетка может переваривать белки при нехватке энергии или строительного материала (например, при голодании). Но процессы микроаутофагии происходят и при нормальных условиях и в целом неизбирательны. Иногда в ходе микроаутофагии перевариваются и органоиды; так, у дрожжей описана микроаутофагия пероксисом и частичная микроаутофагия ядер, при которой клетка сохраняет жизнеспособность.
Шаперон-зависимая аутофагия. См. Chaperone‐Mediated Autophagy in Aging and Diseases Ashish C. Massey, Cong Zhang, and Ana Maria Cuervo.
Схема шаперон-зависимой аутофагии:
Около 30% цитозольных белков могут быть обнаружены с помощью антител к KFERQ – мотиву, из низ 20% остаются в цитозольной фракции, скорее всего из-за того, что этот мотив скрыт во вторичных и третичных структурах этих белков. KFERQ – мотив узнается в цитоплазме цитозольным шаперонным комплексом 70 (HSC70, он является родственным к белкам теплового шока). Далее данный комплекс вместе с белком соединяется с лизосомальным белком типа 2А (LAMP-2A). Далее белок транслоцируется в лизосому и разрушается с помощью лизосомального шаперона (Lys-HSC70).
Физиологическая роль CMA.
1) Голодание. Во время голодания сначала активируется макроаутофагия, которая преимущественно является неселективной, но при продолжительном голодании активируется CMA, которая является более селективной. Видимо таким образом, клетка пытается сохранить важные белки от разрушения и удаляет несущественные белки, чтобы получит аминокислоты, необходимые для синтеза основных белков для выживания клеток. Механизмы этого перехода не изучены.
2) Окисление. Считается, что основную роль в удалении окисленных белков при окислительном стрессе выполняет убиквитин-зависимая система деградации белков. Однако, в просвете активированных CMA лизосом часто можно обнаружить окисленные белки. При мягком окислительном стресс CMA усиливается, что связывают с изменением конформации белков в этих условиях, что облегчает поиск и связывание HSC70.
3) Антигенная презентация. CMA играет ключевую роль в презентации эндогенных пептидов в MHC-II. Это показывают исследования, при которых снижение экспрессии LAMP2A приводит к снижению уровня презентации с помощью MHC-II. Аналогичные результаты были и при изменении активности HSC70. Наоборот, при увеличении активности компонентов CMA (LAMP2A и HSC70) приводит увеличению эффективности презентации в MHC-II.
Роль CMA в патологии.
1) Нефропатии. При хроническом воздействии экологических токсинов, например, бензином, в эпителиальных клетках проксимальных почечных канальцев накапливаются гиалиновые капли, основным составным компонентом которых является липопротеин-альфа2-микроглобулин. Этот белок содержит в своем составе KFERQ – мотив, и было показано, что в цитозольной форме этот белок в большей степени разрушается с помощью CMA, и при этом заболевании ее активность увеличивается (почему - неясно). На ранних стадиях заболевания CMA справляется с удалением этого белка. Но, по мере прогрессирования заболевания, CMA оказывается недостаточной. Обычно при конформационных расстройствах белка включается макроаутофагия, которая в течение некоторого периода времени гарантирует его удаление. Однако при данных нефропатиях компенсаторная активация макроаутофагии не обнаружена.
2) Нейродегенеративные заболевания. Растворимые мономерные белки могут неправильно сворачиваться при снижении активности убиквитин-зависимой системы и CMA. В итоге образуются аномальные олигомерные комплексы, которые уже не могут удаляться данными путями и блокируют эти пути. В ответ на это активируется макроаутофагия, чтобы удалить белковые агрегаты. Со временем происходит декомпенсация макроаутофагии, что приводит к накоплению плотно агрегированных белковых комплексов и прогрессированию заболевания. Такой механизм характерен для болезней Альцгеймера, Паркинсона, Хантингтона.
Макроаутофагия.
