CОВРЕМЕННЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ ОБ АУТОФАГИИ

Введение

Процесс аутофагии был обнаружен в 1963 году биохимиком Кристианом Де Дювом, который в 1974 году стал лауреатом Нобелевской премии по медицине «За открытие, касающиеся структурной и функциональной организации клетки». Кристианом Де Дювом были найдены в клетках лизосомы и аутофагосомы, а также он первый описал процесс их соединения и последующего разрушения содержимого, которое было поймано в клетку. В 90-х годах произошел прорыв в области изучения аутофагии, который был  совершен Yoshinori Ohsumi, который получил Нобелевскую премию по физиологии и медицине 3 октября 2016 года.

Аутофагия (от др.-греч. autos – «сам» и fagos — «есть») — это процесс переработки собственных органелл и макромолекул в клеточных отсеках, которые формируются при слиянии аутофагосом с лизосомами. Аутофагия - это один из  важнейших процессов адаптации как клетки, так и всего организма. Так, в условиях голодания , при недостаточности энергетического обеспечения, клетка отдает часть собственных структурных единиц и макромолекул на переработку до мономеров и дальнейшее построение из последних новых белковых структур, нуклеиновых кислот, липидов, углеводов [1].

Однако данному процессу отведена особая роль при повреждении клеточных структур. При этом происходит захват клеточных структур специализированным компартментом, происходит дальнейшее расщепление до мономеров и постройка новых биологических полимеров и органелл.  К примеру: на уровне организма одним из проявлений аутофагии является метаболизм подкожного жира, когда организм при голодании потребляет свою часть (жировую ткань) с перераспределением энергии, которая высвобождается в результате этого процесса. Другим примером служит апоптоз — регулируемое «самоубийство» клеток, необходимое для правильного развития любого растительного или животного организма [1].

История открытия процесса

Yoshinori Ohsumi начал исследование аутофагии в дрожжевых клетках, в основу которого легла генетическая методика. Он обнаружил 15 генов, кодирующих данный процесс . Осуми установил, что инактивация этих генов ведет к нарушению образования аутофагосом. Ему удалось клонировать и секвенировать эти гены. После чего ученый исследовал функционирование их белковых продуктов, что позволило выяснить молекулярные механизмы запуска, течения и регуляции аутофагии.

Сейчас эти гены называют ATG (Autophagy-related Genes) и на данный момент их открыто уже более 30 [2]. Генетику аутофагии легче всего было изучать на дрожжевых клетках, но наряду с этим проводились исследования на млекопитающих, в ходе которых в их клетках были обнаружены гомологи дрожжевых генов ATG.

В настоящее время удалось установить маркёры аутофагосом и индикаторы аутофагии – белки LC3-I и LC3-II. Также в лабораторных условиях выведены мыши с данными белками, связанными с флюоресцентной меткой. Данный факт позволил ученым отследить количественную и качественную стороны аутофагии в различных органах и тканях организма мышей [2].

Помимо того, учеными были выведены трансгенные мыши с удаленным геном, отвечающим за процессы аутофагии в организме. Полученное потомство от таких мышей быстро погибало, что свидетельствует об огромном значении аутофагии в эмбриогенезе и в первые месяцы жизни.[3]

Типы и механизмы аутофагии

Выделяют 3 типа аутофагии:

-микроаутофагию (она отсутствует у млекопитающих);

-макроаутофагию (основную и селективную);

-шаперон-зависимую аутофагию.

При микроаутофагии крупные молекулы и части мембран клеток захватываются лизосомой, где происходит их деградация до мономеров. Шаперон-зависимая аутофагия опосредована Hsc70 и ко- шаперонами. При данном типе аутофагии белки с поврежденной структурой с шаперонами постпают в лизосомы при помощи специального рецепторного аппарата. Отдельный механизм лежит в основе макроаутофагии. Воздействие специфических сигналов запускает образование фагофора, который состоит из липидной мембраны с включениями белков, кодируемых генами ATG. Далее к фагофору присоединяются и другие ATG-белки, в итоге они образуютмногокомпонентные комплексы. В результате формируется структура в виде незамкнутой полусферы, которая окружает структурные элементы цитоплазмы. Далее мембрана, замыкаясь, формирует фагосому с включенными в нее молекулами и органеллами. При слиянии аутофагосомы с лизосомой образуется аутофаголизосома, под воздействием лизосомальных энзимов в которой происходит расщепление захваченных структур. Именно в данных процессах и принимают участие белковые продукты более 30 генов ATG [3].

Регуляция аутофагии осуществляется за счет:  активатора аутофагии – белка biclin-1, а главного ингибитора – белок TOR.  Белок TOR находится в активном состоянии под влиянием фактора роста, а также в том случае, если в клетке имеются достаточные запасы энергии. Недостаток же энергии блокирует фактор TOR, в результате чего активируется процесс аутофагии. Данный фактор ингибируется рапамицином и ресвератролом- природным фитоалексином, выделяемым некоторыми растениями в качестве защитной реакции против паразитов [4].

Значение аутофагии в медицинской практике

В настоящее время ученые всего мира озадачены значением аутофагии и возможностью ее использования в медицинской практике. Аутофагия имеет важное значение при таких заболеваниях, как канцерогенез и нейродегенеративные болезни [5]. Относительно опухолевого роста процесс аутофагии с одной стороны, является ингибитором канцерогенеза в начальных стадиях метаплазии клеток, с другой же стороны, выступает в роли протектора клеток уже сформированной опухоли, создавая их устойчивость к химиопрепаратам, а также повышая способность к регенерации, и как следствие к ускоренному развитию и метестазированию опухолевых клеток. Сейчас активно ведутся клинические исследования белков-ингибиторов аутофагии, применение которых достаточно перспективно в лечении. Существует связь между нарушением аутофагии и нейродегенеративными заболеваниями, при которых в нервных клетках накапливаются белки с нарушенной структурой. Доктора Саван Саркар провел  исследование на дрозофилах, в основу которого легло применение ингибиторов репрессора аутофагии (белока TOR) - рипампицина и лития. В результате чего у мушек возобновился процесс аутофагии, и не возникала последующая дегенерация нервной системы [4]. Кодирующие гены белков аутофагии весьма консервативны, поэтому, изучая регуляцию атофогии на дрозофилах, можно прийти к ее пониманию у более высших животных, в том числе у человека .

Возможность вновь запустить аутофагию у людей с нейродегенеративными нарушениями позволит снизить темп или вообще прекратить накопление в головном мозге дефектных белков. Это было подтверждено в одном из исследований, в ходе которого пациенты с болезнью Паркинсона каждый день принимали лекарственные препараты от лейкемии, активирующие аутофагию. Данное исследование продолжалось 6 месяцев, в течение которых у пациентов улучшались мыслительная деятельность и моторные навыки [5]. Еще одно направление в использовании механизмов аутофагии – борьба с вирусными и бактериальными инфекциями. Необходимо только создать лекарственные препараты, интенсифицирующие процессы аутофагии, и клетки организма смогут сами изабавиться от патогенных возбудителей. Таким образом исчезнет необходимость в синтезировании вакцин против постоянно мутирующих бактерий и вирусов.

Список литературы:

1.  Daniel J. Klionsky, Fabio C. Abdalla, Hagai Abeliovich, Robert T. Abraham, Abraham Acevedo-Arozena, et. al.. (2012). Guidelines for the use and interpretation of assays for monitoring autophagy. Autophagy.  445-544;
2. Takeshige, K., Baba, M., Tsuboi, S., Noda, T. and Ohsumi, Y. Autophagy in yeast demonstrated with proteinase-deficient mutants and conditions for its induction. Journal of Cell Biology 119. 1992.p. 301-311.
3. Takahiro Shintani and Daniel J. Klionsky Autophagy in Health and Disease: A Double-Edged Sword/Science. Vol. 306. no. 5698.2004. p. 990—995.
4. Sarkar S, Davies JE, Huang Z, Tunnacliffe A, Rubinsztein DC. Trehalose, a novel mTOR-independent autophagy enhancer, accelerates the clearance of mutant huntingtin and alpha-synuclein. J.Biol. Chem. Vol. 282. 2007. p. 6641-52.
5. A. Almendrala.  Nobel Prize Winner Yoshinori Ohsumi’s Discoveries Could Change How We Treat Disease. 2016.