Автофагія "самокалічення" як стратегія виживання

Ленцен-Шульте, Мартіна; Жилка-Менхорн, Віра

Нобелівська премія з медицини відзначає дослідження контролю за аутофагією. Помилки в процесі самоочищення можуть призвести до нейродегенеративних захворювань, раку або підвищеної сприйнятливості до інфекцій.

У природі нічого не втрачається: процеси характерні як для живих істот, так і для всієї біосфери, в яких відновлюється значна частина вихідних матеріалів. Одним з таких регуляторів людської клітини є аутофагія - програма переробки, яка дозволяє розщеплювати пошкоджені або неправильно складені білки, включаючи цілі органели, а потім переробляти їх.

Вперше явище аутофагії було описано в 1960-х; Довгий час лише невелика дослідницька спільнота присвячувала себе цій галузі. Це змінилося за останні роки. Тепер важливість цього важливого клітинного процесу відображається у визнанні Комітетом Нобелівської премії: Японець Йосінорі Осумі (71) отримує шану за відкриття механізмів аутофагії. Його робота "кардинально змінила розуміння цього життєво важливого процесу", - йдеться у заяві Комітету Нобелівської премії.

Ошумі розпочав з вирішальних експериментів на початку 90-х років на дріжджових клітинах (Saccharomyces cerevisae). Тоді вже було відомо, що певні органели, лізосоми, розщеплюють клітинні компоненти. Бельгієць Крістіан де Дюве вже отримав за це Нобелівську премію в 1974 році. Також він ввів термін автофагія.

Але лише завдяки роботі Осумі стало зрозуміло, які саме процеси відбуваються і наскільки вони важливі для здоров’я людини. Під час низки складних експериментів він показав, що 15 генів по суті беруть участь в аутофагії. На основі своїх досліджень він описав мережу сигналів і білків, які контролюють процес на різних його стадіях.

Переробка клітин: надзвичайно складний процес

Переробка - це звичайне явище для клітин - молекулярне сміття точно упаковується мембраною і направляється в лізосоми для переробки. У цьому дуже складному процесі (графічно) клітинні компоненти, які більше не виконують своє завдання належним чином, направляються у внутрішню частину аутофагосом. Це везикули з подвійною мембраною, які охоплюють білки, ліпіди, компоненти мембрани та цілі органели (мітохондрії) з клітинної плазми всередині. Потім аутофагосоми зливаються з лізосомами, утворюючи автофаголізосоми, де частинки розщеплюються кислими гідролазами, а їх основні будівельні блоки стають доступними для переробки. Зрештою, цей механізм допомагає утримувати баланс розпаду старих і вироблення нових клітинних компонентів (клітинний гомеостаз).

Аутофагія постійно активна на базальному рівні, але активізується спеціально у стресових ситуаціях. В екстремальних ситуаціях, наприклад у випадку серйозних пошкоджень клітин, може бути ініційований або апоптоз, або те, що називається аутофагосомною загибеллю клітин - неапоптотична, запрограмована клітинна смерть. Отже, аутофагія є механізмом забезпечення виживання окремо взятої клітини, але в той же час також програмою самогубства для пошкоджених клітин для забезпечення виживання багатоклітинного організму. "Тому легко зрозуміти, що порушення регульованої або зниженої аутофагічної активності, як ми, мабуть, виявляємо в літньому віці, неминуче призводить до клітинної катастрофи, яка проявляється у цілому ряді захворювань", - говорить проф. вип. нац. Тассула Пройкас-Сезанн з Інтерфакультурного інституту клітинної біології Тюбінгенського університету (1). До них належать:

Рак (відсутність придушення пухлини, порушення регульованої загибелі клітин, відсутність усунення пошкоджених органел),
Накопичення нейродегенеративних бляшок при захворюваннях деменції (порушення внутрішньоклітинного розпаду білка),
М'язові захворювання (нервово-м'язові синдроми, міопатії),
Інфекційні захворювання (порушена аутофагосомна елімінація внутрішньоклітинних збудників),
функціональна печінкова недостатність.

Інгібування аутофагії як терапія раку

Дослідники раку роками вважали аутофагію важливою для свого суб’єкта. Це стосується насамперед туморогенезу. Довгий час аутофагія вважалася принципом пригнічення пухлини в організмі, оскільки розвиток пухлини був пов’язаний із втратою здатності клітин до аутофагії. Наприклад, у мишей з дефіцитом аутофагії спонтанно розвивається більше пухлин (2).

Мабуть, це особливо актуально для ранніх фаз розвитку пухлини. У разі більш розвинених злоякісних новоутворень функціонуюча аутофагія дозволяє самим раковим клітинам мати більше шансів на виживання. (3). Ось чому нещодавно вчені досліджують, як процеси аутофагії можуть бути використані для поліпшення терапії раку, особливо для подолання резистентності до терапії.

Аутофагія допомагає особливо в несприятливих умовах, наприклад, в середовищі, де надходження поживних речовин зменшено або несприятливі умови ставлять клітини пухлини під стрес. Навіть говорять про “запрограмоване виживання” або “запрограмоване виживання” через автофагію. Пошкоджені органели видаляються з цитоплазми, а базові компоненти для нових молекул знову доступні. Це допомагає раковим клітинам витримувати навіть агресивне лікування.

В даний час аутофагія вважається одним з найважливіших механізмів, який часто дозволяє відновлюватися небагатьом пухлинним клітинам після тривалої хіміотерапії або опромінення. Саме вони утворюють резервуар для зворотних потоків. Є вказівки на те, що саме аутофагоцитотичні процеси сприяють підвищенню стійкості до іматинібу мезилату при лікуванні хронічного мієлоїдного лейкозу (ХМЛ). Стійкість HER2-позитивних клітин раку молочної залози до трастузумабу також частково зумовлена аутофагоцитозом (4,5). І, очевидно, зменшується ефект цисплатину при раку яєчників також обумовлений ефектами аутофагії.

Привабливий для розвитку онкологічних препаратів

Але якщо аутофагія захищає пухлинні клітини від стресу, то речовини, що інгібують або запобігають аутофагію, можуть стати цінними союзниками в терапії раку. Насправді нещодавно було розпочато велику кількість досліджень, в яких антифагоцитарні речовини випробовуються як доповнення до хіміотерапії (6). Одним з найвідоміших інгібіторів аутофагії є гідроксихлорохін, який блокує злиття аутофагосоми з лізосомою. В іншому випадку він використовується для профілактики малярії, як протипротозойний засіб або як протиревматичний засіб.

В даний час потенціал пригнічення аутофагії досліджується в численних дослідженнях клінічної терапії солідних пухлин, таких як рак товстої кишки, карцинома бронхів, меланома та рак молочної залози. Дослідження in vitro вже показали, що гідроксихлорохін у поєднанні з темсіролімусом ефективніше вбиває клітини меланоми. Хіміотерапія протокових аденокарцином підшлункової залози, до якої все ще важко підійти, також отримує поштовх від принципу аутофагії (7). Можливо, це стосується і пухлин ротової порожнини (8).

Іншими речовинами, які втручаються в процеси аутофагії, є, наприклад, інгібітори кіназ Vps34 та ULK1, двох ферментів, які каталізують найважливіші етапи аутофагії. Також дивно, що дуже різні терапевтичні засоби виявляють потенціал як інгібітори аутофагії. Сюди також входить трициклічний антидепресант кломіпрамін або вертепорфін, препарат, що використовується для лікування дегенерації жовтої плями. Тим часом цілеспрямована розробка нових інгібіторів аутофагії стала привабливим напрямком в онкологічній фармакології (6).

Процеси самоочищення відіграють видатну роль у підтримці здорового мозку. Оскільки нервові клітини, які не здатні розщеплювати скупчені білки або дефектні мітохондрії, вироджуються. «Важливу роль тут відіграють клітинні стресові ситуації, які виникають, наприклад, в процесі запальних процесів або під час старіння. Як результат, білки можуть виникати, змінюватися і дедалі частіше з’являтися в нерозчинній формі », - говорить проф. вип. нац. Крістіан Ріхтер-Ландсберг, Інститут біології та природокористування Університету Ольденбурга (9). При ряді захворювань генетичні дефекти також призводять до неправильної та підвищеної кількості білків, які потім відкладаються.

Наслідок: деградуючі системи перевантажені, вони вже не мають достатньої потужності. Але може бути і так, що сам аутофагічний процес послаблюється або порушується. "Неправильний контроль якості в клітинах мозку та порушення системи розкладання білків можуть сприяти процесам захворювання".

Також нейродегенеративні захворювання в полі зору

Подібно дослідженню раку, досліджується, чи можна чинити позитивний вплив на процес очищення клітин, щоб запобігти спалаху нейродегенеративних захворювань. Тут також є позитивні результати. Ці дослідження в основному проводились на модельних системах клітинних культур та на трансгенних мишах, яким передавали чужорідний генетичний матеріал або у яких гени, що мають відношення до аутофагії, були вимкнені. «У цих тварин, наприклад, спостерігалося збільшення кількості типових згустків білка, які можна було б знову видалити, активуючи аутофагію за допомогою певних речовин. Водночас ці тварини продемонстрували покращені навички навчання та пам’яті », - сказала Ріхтер-Ландсберг.

Порушення аутофагії, здається, частково відповідають за хворобу Паркінсона. У патогенезі захворювання бере участь безліч генів, мутацій та поліморфізмів. Мутації в генах PARK2/Parkin та PARK6/PINK1 призводять до аутосомно-рецесивної або спорадичної ювенільної форми захворювання. Одноіменні білки, що з них виникають, працюють командно. Разом вони позначають пошкоджені мітохондрії, позначаючи канал на поверхні мітохондрій невеликим білком убиквітином. Це маркування служить сигналом для клітини для руйнування пошкоджених органел. Якщо білки PINK1 або Паркін відсутні через мутацію, цей механізм утилізації порушується - і сприяє розвитку Паркінсона.

Дослідження I фази з інгібітором тирозинкінази нілотинібом, яке було вперше представлено у 2015 році на щорічному засіданні Американського товариства з неврології в Чикаго, може мати клінічне значення. У пілотному дослідженні препарат для лейкемії покращив пізнання, моторику та немоторні функції, такі як запор у пацієнтів із хворобою Паркінсона та деменцією з тілами Леві. Наприкінці дослідження дослідники виявили позитивні зміни у відповідних біомаркерах α-синуклеїні, амілоїді-β 40/42 та білках t-τ та p-τ у спинномозковій рідині. Це може свідчити про виведення токсичних білків з мозку.

«Правильна» доза може бути вирішальною для цього: Хоча доза до 800 мг на день є звичайною для лікування хронічного мієлоїдного лейкозу, у пілотному дослідженні використовували лише 150-300 мг. У високих дозах нілотиніб змушує ракові клітини до аутофагії і, таким чином, спричиняє їх загибель. Однак у меншій дозі активний інгредієнт, як видається, стимулює аутофагію приблизно протягом восьми годин на день, за словами д-ра. мед. Шарбель Мусса з Медичного центру Університету Джорджтауна. Цього періоду достатньо, щоб звільнити клітини від баласту, не вбиваючи їх (10).

Частина вродженого та адаптивного імунного захисту

Дослідження дослідників інфекцій також підтверджують, що аутофагія - це не просто форма клітинної "переробки відходів". Вони розглядають процес як важливу частину як вродженого, так і адаптивного імунного захисту. Ксеноавтофагія, підтип аутофагії, є дуже ефективним захисним механізмом від патогенних мікробів, який в ідеалі знищує ці мікроби. Однак багато патогени не тільки знають, як обійти цей захисний механізм, але і як використовувати його для себе. "Вони використовують пухирці, пов'язані мембраною, щоб створити безпечне середовище в клітині, в якому вони можуть безперешкодно розмножуватися", - сказав д-р. Андреа Скріма, керівник молодшої дослідницької групи "Структурна біологія аутофагії" Центру досліджень інфекцій ім. Гельмгольца (HZI). Хоча в даний час проводяться інтенсивні дослідження, деталі основних механізмів регуляції та стратегій використання аутофагії патогенами залишаються незрозумілими (11).

Не в останню чергу завдяки Нобелівській премії цього року дослідження автофагії зазнають величезного поштовху - як на міжнародному, так і на національному рівні. Дослідницька група „Автофагія” Товариства біохімії та молекулярної біології (GBM) існує у Німеччині з квітня 2015 року. Ваші автори хотіли б допомогти забезпечити, щоб ця область була міцно закріплена в німецькому дослідницькому середовищі.

Лікар. мед. Мартіна Ленцен-Шульте,

@ Література в Інтернеті:
www.aerzteblatt.de/lit4016
або за допомогою QR-коду.

Йосінорі Осумі народився у Фукуоці в 1945 році. Докторську ступінь отримав у 1974 році в Токійському університеті, після чого три роки працював в університеті Рокфеллера в Нью-Йорку. Потім він повернувся до Токійського університету, де в 1988 році заснував дослідницьку групу. На початку 1990-х він розпочав свої новаторські дослідження на клітинах дріжджів. Осумі є професором Токійського технологічного інституту з 2009 року. Цьогорічного переможця вважають відкритим, покірним та душевним.

За словами Фолькера Хауке, директора Інституту молекулярної фармакології Лейбніца, це було "давно назріло". Японець випередив свій час.