Autophagy та Шляхом Розкладання з Лізосомами

mTOR: Клітинний Сенсор Харчування та Головний Вимикач

У центрі прийняття рішень щодо аутофагії знаходиться комплекс білкових кіназ, відомий як механічний Target of Rapamycin (mTOR), зокрема його версія mTORC1. Можна уявити mTORC1 як клітинний термостат для забезпечення поживними речовинами: коли амінокислоти, фактори росту та енергія у вигляді АТФ надлишково, mTORC1 дуже активний і однією з його багатьох функцій в цьому стані є безпосереднє фосфорилювання та пригнічення комплексу білків ULK1, який є ініціальним кіназом шляху аутофагії. Іншими словами, за умов хорошого харчування mTORC1 активно стримує аутофагію, надаючи перевагу росту та біосинтезу замість переробки. Коли поживні речовини стають дефіцитними – завдяки голодуванню, фізичним вправам або просто обмеженню калорій – або коли виникає клітинний енергетичний стрес, який відчуває супутніму фермент AMP-активована протеїнкіназа (AMPK), активність mTORC1 різко знижується. Це звільняє ULK1 від пригнічення, а AMPK одночасно забезпечує друге, активаційне фосфорилювання ULK1, створюючи скоординований механізм перемикання, який рішуче переводить клітину з стану росту в стан рециклінгу. Ця система контролю, орієнтована на mTOR, пояснює тісні зв’язки між аутофагією та дослідженнями обмеження калорій та голодування: деякі з найбільш вивчених інтервенцій, які показано подовжують термін життя лабораторних організмів – від дріжджів до мишей – діють принаймні частково шляхом пригнічення активності mTOR і, таким чином, постійно підвищують базовий флюс аутофагії, дозволяючи клітинам ефективніше видаляти накопичений пошкоджений матеріал протягом життя.

Формування аутофагосоми з нуля

Що робить утворення аутофагосоми структурно незвично, порівняно з більшістю транспортування везикул в клітині, так це те, що воно не просто відшаровується від існуючого мембранного компонента, як, наприклад, везікула утворюється з гольгі апарату. Замість цього мембрана аутофагосоми формується практично з нуля, розростаючись зовні від невеликої чашоподібної попередньої структури, яка називається фагофором або ізоляційною мембраною. Після активації ULK1 він залучає та активує другий комплекс, що містить ліпідний кіназ VPS34, який генерує специфічний сигнальний ліпід – фосфатидилнінсолітол-3-фосфат у місці, де буде формуватися фагофор, часто біля контактних точок між ендоплазматичним ретикулумом та мітохондріями. Цей ліпідний сигнал залучає подальші механізми, включаючи дві системи кон’югації з участю ATG12, що діють подібно до системи міткування утинітин, яка використовується в клітині для деградації білків. Одна система прикріплює білок ATG12 до ATG5, а отриманий комплекс допомагає другій системі кон’югувати невеликий білок LC3 безпосередньо до ліпідного фосфатидилэтаноламіна, що вбудований у зростаючий фагофорний мембранний комплекс. Ліпідований LC3 є найбільш корисним маркером, який мають науковці для відстеження аутофагії в лабораторії, оскільки його поява на мембранах корелює безпосередньо з утворенням аутофагосоми, а також відіграє прямий функціональний роль: він допомагає зростаючому мембранному комплексу викривлятися, подовжуватися та зрештою замикати навколо вантажу, герметизуючи фагофор у повну двошарову аутофагосому, готову до наступного етапу шляху.

Вибірковий аутофаг): Не просто випадкове самохарчування

Протягом десятиліть вибірковий аутофаг описувався переважно як масовий, неселективний процес, по суті, як спосіб безформно висмоктувати цитоплазму під час голодування для утворення вільного амінокислотного складову. Цей образ виявився незавершеним. Клітини також здійснюють високоселективні форми аутофагу, які конкретно цілять у видалення певних пошкоджених компонентів на знищення, і ці селективні шляхи мають власні описові назви: мітофаг для цільового видалення дефектних мітохондрій, агрефаг для очищення білкових агломерацій, ксенофаг для знищення вторглись бактерій та інші. Селективність досягається завдяки родині рецепторних білків, серед яких p62, також відомий як SQSTM1, є найбільш вивченим. Ці рецепторні білки мають дві ключові області зв'язку: одну, яка розпізнає мітки убіквітину, прикріплені до пошкодженого вантажу, що маркує його для знищення подібно до того, як убіквітин маркує білки для протеасоми, та другу область, яку називають LC3-інтерактивною областю, яка зв’язується безпосередньо з LC3, вбудованим у зростаючу мембрану аутофагу. Загальним захопленням обох міток вантажу та утворюючої мембрани, ці рецепторні білки діють як молекулярні мости, фізично тягнучи фагофор за собою до конкретної пошкодженої структури, яку потрібно видалити. Мітофаг є особливо добре вивченим прикладом: коли мітохондрія стає дефектною та втрачає свій потенціал мембранного протонного градієнту, дві білки, названі PINK1 і Parkin, накопичуються на її зовнішній мембрані та посилено міцно маркують її убіквітином, залучаючи p62 та інші рецептори для того, щоб обгорнути цю конкретну, несправну мітохондрію в аутофаг, залишаючи невеликі, здорові мітохондрії в клітині повністю непошкодженими в іншому місці.

Злиття з Лізосомами та Фінальний Розпад

Завершені аутофагосомні структури самі по собі є неактивними резервуарами, які не мають власної травної здатності. Фактичний розпад їхнього вмісту потребує злиття з лізосомою – органелою, внутрішній простір якої підтримується високою кислотністю, зазвичай від pH 4,5 до 5, завдяки протонам-помпам, вбудованим у її мембрану, та яка містить близько шістдесяти різних гідролітичних ферментів, здатних розщеплювати майже всі класи біологічних макромолекул – протеази для білків, ліпази для жирів і нуклеази для нуклеїнових кислот. Автофагосомна структура транспортується вздовж мікротрубочок до району клітини, багатого на лізосоми, зазвичай поблизу ядра, подорож, що підтримується моторними білками, які зчитують напрямкові сигнали від цитоскелету. Коли зовнішня мембрана аутофагосомної структури контактує з лізосомою, процес зв’язування та злиття, опосередкований білками, включаючи Rab7 і сімейство мембранно-зливарних білків, відомих як SNAREs, об'єднує дві мембрани разом, утворюючи єдине гібридне відсік – аутолізосому. Всередині цього новоутвореного об’єднаного відсіку, під дією кислотного, ферментно-багатого середовища, швидко розкладаються як оригінальний вантаж, так і внутрішня мембрана аутофагосомної структури. Отримані продукти розкладання – амінокислоти, вільні жирні кислоти, нуклеотиди та прості цукри – потім експортуються назад у цитоплазму через спеціалізовані транспортні білки в лізосомальній мембрані, де голодна клітина може негайно використовувати їх для синтезу нових білків, генерування АТФ шляхом метаболізму або для підтримки інших життєво важливих процесів до появи зовнішніх поживних речовин.

Автофагія при Хворобах та Нобелівська Премія 2016 року

Розладована автофагія зараз пов’язана з надзвичайно широким спектром людських захворювань, що підкреслює центральну роль цієї системи переробки в здоров’ї клітин. У нейродегенеративних захворюваннях порушена автофагія дозволяє токсичним білковим агрегатам накопичуватися, а мутації в генах, пов’язаних з автофагією, безпосередньо пов’язані з деякими успадкованими формами хвороби Паркінсона, що підкреслює важливість ефективного мітохондріозу у нейронах, які особливо вразливі до енергетичного дефіциту, оскільки їх важко замінити. В онкології ситуація складніша та залежить від контексту: автофагія може пригнічувати раннє утворення пухлин шляхом видалення пошкоджених органел і запобігання генетичній нестабільності, яку можуть викликати пошкоджені мітохондрії, але вже сформовані пухлини часто використовують автофагію для виживання в умовах дефіциту поживних речовин та киснідефіциту, що зустрічаються глибоко всередині зростаючої пухлинної маси, роблячи інгібування автофагії активною областю досліджень у розробці онкологічних препаратів. Біологію інфекцій значною мірою визначає ксенофагія – селективне аутофагічне знищення бактерій, які проникають в цитоплазму, і декілька успішних патогенів, включаючи певні штами Salmonella та Listeria, еволюціонували специфічні контрзаходи для блокування або уникнення цієї оборони. Модельний каркас для розуміння всього цього значною мірою базується на роботі японського біохіміка клітин Йошінорі Осумі, який на початку 1990-х років використовував прості дріжджі пекарів для ідентифікації більшості основних генів ATG, які будують аутофагосому, робота, яка була визнана Нобелівською премією з фізіології та медицини 2016 року. Його генетичні скрині, дивовижно, показали, що фундаментальна техніка, яку він виявив у дріжджах, майже незмінно зберігається від дріжджів до людей, тому шлях, який спочатку був картизований у одноклітинному грибку, став одним з найважливіших цілей сучасної медицини.

Часті запитання

Спробуйте наживо

Усе, що вище, працює прямо у вашому браузері — відкрийте Autophagy and the Lysosomal Degradation Pathway і змінюйте параметри під час роботи. Нічого не встановлюється, нічого не завантажується на сервер, уся модель живе в одній вкладці.