Аутофагия: эрос и танатос во внутриклеточных процессах

Согласно некоторым идеям небезызвестного Зигмунда Фрейда, которого любят вспоминать, если речь заходит о психологии человеческого поведения, многие аспекты поведения человека основываются на взаимодействии двух взаимопротивоположных сил — Эроса и Танатоса. То есть, как полагал Фрейд, стремление к жизни борется в человеке с деструктивным инстинктом смерти. Так ли это? Думаю, лучше оставить этот вопрос для другого поста. Здесь это упоминание позволит нам всего лишь ещё раз взглянуть на то, какие занятные параллели можно порой провести между макро- и микромиром. Дуализм, воплощённый в сопряжённости, казалось бы, разнонаправленных процессов, сопутствует многим событиям на различных уровнях организации жизни. Ещё со школы известный всем нам пример — наследственность и изменчивость — два неотделимых друг от друга понятия, характеризующих эволюционно приобретённые свойства живых организмов, благодаря которым возможно сохранение характерных признаков среди представителей одного вида наряду с поразительным морфологическим разнообразием особей в пределах того же вида. И сейчас мы обратим все внимание непосредственно на наименьшую структурную и функциональную единицу, обладающую этими свойствами — клетку — бурлящее единство противоположностей. Клетка живёт, считая жизненные циклы, синтезируя и разрушая различные соединения, восстанавливаясь и накапливая мутации, делясь, давая жизнь дочерним клеткам, и погибая, замещаясь новыми и новыми клетками, отмеряющими количеством жизненных циклов время до своей гибели, и так снова и снова.

Аутофагия относится к важнейшим и древнейшим механизмам регуляции клеточного гомеостаза, присущим всем типам клеток. К задачам данного процесса относится катаболизм различных присутствующих в цитоплазме компонентов (например, долгоживущих белков, растворимых цитоплазматических белков), а также клеточных органелл (пероксисом, митохондрий) и даже проникших в клетку микроорганизмов. Таким образом, посредством аутофагии клетка может избавляться от повреждённых или ненужных продуктов синтеза и органоидов, регулируя состав цитозоля и, например, размеры эндоплазматической сети. Аутофагия играет роль в эмбриональном развитии, дифференцировке, формировании тканей, контроле роста, иммунной защите организма, а также в приспособлении к факторам окружающей среды, старении, в реализации процессов клеточной гибели, в развитии многочисленных заболеваний, раковых опухолей и их чувствительности к терапевтическим вмешательствам. Аутофагосомальные процессы компенсаторно запускаются в клетке при стрессовых ситуациях (например, недостаток питательных веществ и энергии, инфекции, перегревания, оксидативный стресс), а также в случаях серьезного повреждения клеток, когда может быть реализован как апоптоз, так и неапоптотическая запрограммированная смерть клетки.

Считается, что имеют место быть два механизма аутофагии — селективная и неселективная. В последнее десятилетие большинство учёных придерживается мнения, что неселективное разрушение случайно помещённого в аутофагосому материала является скорее исключением, чем закономерностью, а сама аутофагия — процесс довольно избирательный и строго регулируемый. К селективному разрушению органоидов клетки посредством аутофагии можно отнести удаление рибопротеиновых комплексов, митохондрий (митофагия), ЭПС (ретикулофагия), пероксисом (пероксифагия), клеточного ядра (нуклеофагия), рибосом (рибофагия). Хорошо исследованным подтипом избирательной аутофагии является путь Cvt (cytoplasm-to-vacuole targeting), реализуемый в клетках пекарских дрожжей Sacharomyces cerevisiae, при котором определённые гидролазы, минуя цитоплазму, с участием Cvt-везикул транспортируются в вакуоли. По результатам достаточно большого количества исследований открыто и охарактеризовано много ключевых белков аутофагии. Известно около 37 Atg-генов (autophagy-related), чьи продукты задействованы в различных путях. Часть этих генов важна для всех форм аутофагии, некоторые встречаются при определённых аутофагических процессах. Например, рецептор внешней мембраны митохондрий Atg32 принимает участие в митофагии в клетках дрожжей, но не является необходимым при других типах аутофагии.

Митохондрии являются энергетическими станциями клеток, обеспечивая запасание химической энергии в форме АТФ с помощью окислительного фосфорилирования, и занимаются исполнением некоторых дополнительных функций в клетке, как, например, формирование железосерных кластеров, разрушение жирных кислот, регуляция апоптоза. В ходе окислительного фосфорилирования образуются в качестве побочных продуктов активные формы кислорода, которые не только обладают сигнальной функцией, но и могут вести к повреждениям белков, липидов, ДНК. По этой причине повреждение митохондрий связано с процессами старения и развитием многих заболеваний, а их своевременная утилизация во многом ответственна за сохранение нормальной физиологии клетки и её жизнеспособности.

Вообще в клетке присутствуют две основные системы для разрушения белков. Например, это может быть убиквитин-протеасомный путь, в ходе которого селективно отмечаются короткоживущие белки контроля клеточного цикла или белки стрессовых реакций, которые затем деградируются посредством АТФ-зависимого гидролиза. Также в клетках возможна убиквитин-опосредованная митофагия. Данный путь обозначается как PINK1/PARKIN. Что интересно, мутации в генах PINK1 и PARKIN связаны с возникновением ранней формы болезни Паркинсона. В том числе и по этой причине появились предположения о том, что болезнь Паркинсона и некоторые другие нейродегенеративные заболевания могут быть вызваны, кроме прочих причин, недостаточным удалением повреждённых митохондрий. В ходе PINK1/PARKIN-опосредованного пути митохондриальная киназа PINK1 стабилизируется на внешней мембране повреждённой деполяризированной митохондрии и начинает способствовать рекрутированию Е3-убиквитин-лигазы на такую повреждённую митохондрию. В функционально полноценных митохондриях PINK1 транспортируется через внешнюю митохондриальную мембрану и разрушается в межмембранном пространстве с помощью протеаз. В повреждённых же митохондриях PARKIN убиквитирует белки внешней мембраны митохондрии, как, например, MFN 1/2 илиVDAC, которые вновь привлекают адапторные белки — p62, оптиневрин, NDP52, а также белки из семейства LC3. Помимо этого, PINK1 обладает еще одной важной функцией: этот белок фосфорилирует как PARKIN, так и убиквитин, стимулируя убиквитинирование белков внешней мембраны митохондрий. Путь PINK1/PARKIN играет, таким образом, важную роль в распознавании и удалении повреждённых митохондрий, определяя степень убиквитирования белков внешней мембраны.

Для разборки более длительно существующих белков в клетке доступны три типа аутофагии: микро-, макроаутофагия и шаперон-опосредованная аутофагия. В случае реализации третьего типа аутофагии осуществляется прямой транспорт неправильно уложенных (или вовсе не получивших нужной конформации) белков через мембрану лизосом или вакуолей. При макроаутофагии сначала происходит образование двумембранной структуры — фагофора, который захватывает и отделяет цитоплазматические компоненты от остальной цитоплазмы, запирая их и образуя аутофагосому. Образование аутофагосом является характерной особенностью аутофагии. Содержимое аутофагосомы (ДНК, белки, жиры) расщепляется гидролазами лизосомы после их слияния, благодаря чему клетка получает возможность добыть питательные вещества для восполнения энергетических потребностей при отсутствии достаточного их поступления извне.

В общем и целом аутофагия служит не только для поддержания жизнеспособности каждой из клеток в отдельности, но и является механизмом избавления многоклеточного организма от поврежденных клеток. Нетрудно догадаться, что нарушенная регуляция или сниженная аутофагическая активность, предположительно встречающиеся всё чаще с возрастом человека, приводят к неизбежному разладу и ошибкам, последствиями которых могут быть самые разнообразные заболевания:

— развитие опухолей вследствие отсутствия опухолевой супрессии, недостатка регуляции клеточной гибели, нарушения элиминации поврежденных органелл клетки;

— накопление нейродегенеративных бляшек при деменционных расстройствах, когда нарушается внутриклеточная разборка белков;

— заболевания мышечной системы — нейромышечные синдромы, миопатии;

— инфекционные заболевания — могут развиваться по причине нарушения процесса аутофагосомальной элиминации возбудителей из клетки;

— функциональная печёночная недостаточность.

Интересным является вопрос о том, какую выгоду или, напротив, какой недостаток может предоставить аутофагия опухолевым клеткам на различных стадиях опухолевой прогрессии. Ответ на этот вопрос пока не вполне ясен. Контроль над регуляцией механизмов аутофагии может помочь опухолевым клеткам на ранних стадиях онкогенеза добиться относительной независимости от наличия питательных веществ в окружении клетки. Однако на завершающих стадиях прогрессии опухоли аутофагия может помешать автономии в существовании опухолевой клетки. Исследовать данные взаимодействия взялись ещё несколько лет назад учёные Института клеточной биологии Университета Тюбингена. Им удалось выделить новое семейство белков — WIPI — содержащих домены WD40. Гены белков этого семейства являются эволюционно высококонсервативными, и их гомологи обнаружены в клетках дрожжей и растений. Учёными из Тюбингена была обнаружена корреляция между дефектной регуляцией экспрессии генов WIPI и опухолевой прогрессией: у исследованной группы пациентов с различными типами опухолей были зафиксированы отклонения от нормы в генной экспрессии всех WIPI-генов (WIPI-1,-2,-3,-4). К примеру, экспрессия WIPI-1 сильно повышена в опухолях кожи, а также в клетках некоторых линий злокачественной меланомы. Усиленная экспрессия WIPI-1 и WIPI-3 обнаружена соответственно в клетках рака шейки матки и рака тела матки. Напротив, в клетках почечной карциномы и опухолей поджелудочной железы экспрессия WIPI-2 и WIPI-4 практически выключена.

Чтобы всё-таки приблизиться к пониманию того, могут ли WIPI-гены работать как гены опухолевой супрессии и таким образом брать на себя прямое влияние на возникновение опухолевых клеток, следует обратиться к сети внутриклеточных сигнальных путей, регулирующий процесс аутофагии. К сожалению, пока что достоверно известно только два типа передачи сигнала для регуляции аутофагии: сдерживание этого процесса с помощью протеинкиназы mTOR и активация посредством PI3-киназы класса III, так как липидные киназы данного класса генерируют фосфолипиды, являющиеся составной частью мембран аутофагосом. Есть предположение, что WIPI-1 является эффектором PI3K III и регулирует тем самым инициальные стадии аутофагии. Кроме того, с помощью данных электронной микроскопии была чётко определена локализация WIPI-1 на аутофагосомных структурах. Также взаимодействие с белками аутофагии зависит от динамического состояния микротрубочек. Вероятно, что на основании связывания с фосфолипидами, формируемыми PI3K III, белки WIPI-1 способны определять место сборки аутофагосомной мембраны.

На этом многогранность и нюансы аутофагии не заканчиваются — мы охватили только вступительную часть, ведущую в целую науку о внутриклеточной регуляции собственного гомеостаза клеток. Аутофагия поистине удивительна. Этот процесс сочетает в себе заботу как о каждой клетке в отдельности, так и готовность пожертвовать потенциально опасными клетками ради нормального функционирования большого организма. Только представьте, как самоотверженно клетки борются с многочисленными факторами, пытающимися нарушить баланс их физиологического состояния. Думая об этом, я вспоминаю французскую революционерку Луизу Мишель, чей принцип был «ничего для себя». Так и белки аутофагии воюют на баррикадах, отстаивая право нашего организма на полноценное существование.

Источники:

Manipulation der Autophagie als neue Strategie in der Tumortherapie, Deutche Zeitschrift f?r klinische Forschung, 2008

Proikas-Cezanne WIPI-Proteine in der Autophagie humaner Zellen, BioSpektrum, 05/2010

Behrendt, Zimmermann, Reichert Mitophagie: die gezielte Entsorgung unerw?nschter Mitochondrien, BioSpektrum, 01/2016

vk.cc/64Xhev — Narendran, Tanaka, Suen, Youle Parkin is recruited selectively to impaired mitochondria and promotes their autophagy

vk.cc/64Xiez — Youle et al. Mechanisms of mitophagy

vk.cc/64Xj0K — Ohsumi Molecular mechanism of autophagy in yeast, Saccharomyces cerevisiae

Комментарии: