Гомеостаз заліза та медицина аутофагії
Ахмед Хамай 1, 2 * і Маріям Мерпур 1, 2 **
1 Institut Necker-Enfants Malades (INEM), Inserm U1151-CNRS UMR 8253, 14, rue Maria Helena Vieira Da Silva, 75993 Paris Cedex 14, Франція
2 Паризький університет Декарта-Сорбони Паризьке місто, F-75993 Париж, Франція
Залізо - мікроелемент, необхідний для життя. Однак здатність заліза чергувати окислену та відновлену форми сприяє утворенню активних форм кисню. Вироблення цих вільних радикалів призводить до окисного стресу і ініціювання сигнальних шляхів, що беруть участь у виживанні або загибелі клітин. Тому гомеостаз заліза дуже ретельно регулюється, і його дерегуляція сприяє різним патологіям людини. Робота, проведена в останні роки, виявила нові клітинні процеси та механізми, включаючи феритинофагію, які поглибили наше розуміння залізного гомеостазу. Феритинофагія - це форма селективної макроавтофагії, при якій феритин, білок, що зберігає залізо, розщеплюється в лізосомі. Ми представляємо тут нагадування про гомеостаз заліза, а потім короткий зміст знань, отриманих щодо ферритинофагії, та їх взаємозв’язку з новою формою залізозалежної загибелі клітин, ферроптозом.
Залізо - необхідна поживна речовина для життя. Однак здатність заліза циркулювати між окисленою та відновленою формами сприяє утворенню активних форм кисню. Вироблення вільних радикалів призводить до окисного стресу та ініціювання сигнальних шляхів, що беруть участь у виживанні або загибелі клітин. Гомеостаз заліза дуже ретельно регулюється, і порушення регуляції метаболізму заліза сприяє різним патологіям людини. Робота, проведена в останні роки, виявила нові клітинні процеси та механізми, такі як феритинофагія, які поглиблюють наше розуміння залізного гомеостазу. Феритинофагія - це форма селективної макроавтофагії, при якій феритин, білок, що зберігає залізо, розкладається в лізосомі. Тут ми описуємо гомеостаз заліза та оглядаємо нещодавні відкриття щодо механізму ферритинофагії та його зв’язку з новою формою клітинної загибелі заліза, ферроптозом.
Гомеостаз заліза - складний, високо регульований процес
Залізо є необхідною поживною речовиною для всього життя на землі. Здатність заліза чергуватись між окисленим (ферильна форма Fe 3+, нерозчинний) та відновленим (ферильна форма Fe 2+, прооксидант), через реакція Фентона 1 [30] (→), сприяє утворенню активних форм кисню (АФК), надмірне утворення яких призводить до окисного стресу та ініціювання сигнальних шляхів, які мають вирішальне значення для виживання та загибелі клітин. Тому нездатність регулювати гомеостаз заліза може сприяти різним патологіям людини, включаючи хвороби, пов’язані із перевантаженням заліза, та рак. Тому гомеостаз заліза дуже тонко регулюється як на системному рівні, так і на рівні клітин [1–5].
(→) Див. Синтез К. Бомонта, РС n ° 1, січень 2004 р., сторінка 68
Системні механізми регуляції гомеостазу заліза
Механізми регуляції внутрішньоклітинного гомеостазу заліза
Недавні роботи показали можливість заліза Fe 2+ (та інших іонів металів) заліза зв'язатись безпосередньо з стрижень-пряжка IRE, в 5 ’UTR, і індукують конформаційну зміну структури, що призводить до зниження спорідненості елемента до IRP і збільшення зв’язку комплексу ініціації трансляції, eIF4F (еукаріотичний фактор ініціації 4F) [4]. Отже, структура IRE сама по собі сприяє посттранскрипційній регуляції експресії генів залізозалежної білкової мережі.
Нові білки, що беруть участь у поглинанні та торгівлі залізом
В останні роки кілька білків, включаючи транспортери заліза та молекули шаперону, були визначені як нові ключові гравці у внутрішньоклітинному обігу заліза [4].
Важливість перевізників сімейства ZRT/IRT-як білок (ZIP), ZIP8 та ZIP14, таким чином, було показано для транспортування заліза, не пов'язаного з трансферином (або NTBI для залізо, не зв’язане з трансферином) після зменшення останнього на прионний білок [4]. NTBI - це особлива форма плазмового заліза, яка присутня у ситуаціях великих перевантажень залізом, зокрема після переливання. Вираз ZIP8, та з ZIP14, регулюється інакше, ніж інші гени, що кодують транспортери заліза, такі як TFR1 та DMT1, обидва з яких регулюються після транскрипції. На стійкість мРНК цих білків залізо не впливає, проте рівень експресії білка ZIP позитивно корелює зі статусом заліза. Дійсно, дефіцит заліза зменшує кількість білків ZIP8 та ZIP14, тоді як перевантаження залізом збільшує його. Роль цих нових білків у таких контекстах, як патологічні стани з дерегуляцією метаболізму заліза (анемія, хвороби, пов’язані з перевантаженням заліза, рак, нейродегенеративні захворювання тощо), ще слід дослідити.
Націлювання феритину на його деградацію в лізосомах залежить чи ні від сигнальних шляхів макроавтофагії
Перший непрямий зв’язок, встановлений між гомеостазом заліза та макроавтофагією у людей, базується на нещодавніх дослідженнях. Вони пов'язують дефект відновлення феритину з нейродегенеративними розладами, дитяча статична енцефалопатія з нейродегенерацією у дорослих (статична енцефалопатія дитинства з нейродегенерацією в зрілому віці, СЕНДА). Це захворювання характеризується накопиченням відкладень заліза в базальних гангліях, які походять від мутацій гена WDR45 (WD повторний домен 45, інша назва WIPI4). Ці результати, пов’язуючи накопичення заліза та участь генів сімейства WIPI, тому підкреслюють важливість аутофагії у гомеостазі заліза та його біодоступності [15, 16]. Як ми бачили, регуляція рівня заліза в клітинах підтримується мережею залізозалежних білків. Надлишок заліза зберігається у феритині. Коли споживання зменшується, його біодоступність підтримується за рахунок розкладання феритину в лізосомі та його вивільнення. Тому феритин служить резервуаром заліза для клітини. Це також основа механізму запобігання утворенню вільних радикалів через фентонова реакція.
Макроавтофагія та феритин
Пряма роль макроавтофагії у розщепленні феритину під час виснаження заліза була спочатку продемонстрована дослідженнями з використанням фібробластів мишей, інвалідизованих для гена Atg5 який кодує один з білків ATG [17]. Згодом ультраструктурні дослідження, проведені на фібробластах мишей та клітинах людини лінії Hela, анульовані на гени аутофагії, такі як ATG9 або FIP200 (Білок сімейства FAK, що взаємодіє з кіназою, 200 кДа) показали, що в місці утворення аутофагосом накопичуються згустки феритину, колокалізовані білком p62, субстратом макроавтофагії, показуючи, що феритин може бути набраний у місці утворення аутофагосом, незалежно від білків ATG [18].
Механізм, за допомогою якого ферритин націлений на аутофагічну деградацію, був з’ясований двома протеомічними дослідженнями [19, 20], які виявили коактиватор ядерних рецепторів 4 (NCOA4, коактиватор ядерних рецепторів 4) як специфічний рецептор ферритину, який направляє його в лізосому для деградації. Цей процес, який називається "феритинофагія", важливий для підтримки клітинного гомеостазу заліза. Дійсно, інвалідність гена Ncoa4 призводить до збільшення вираженостіIRP2 та з TFR1, ймовірно через зменшення лабільного заліза внаслідок накопичення феритину. Миші, чий ген Ncoa4 також визнаний значним накопиченням заліза в макрофагах селезінки, що свідчить про порушення зберігання та переробки заліза [19]. Тому деградація феритину ферритинофагією, залежною від NCOA4, є важливою для гомеостазу заліза в селезінці [20].
Нещодавно визначена функція NCOA4 як рецептора ферритинофагії надзвичайно відрізняється від його ролей, спочатку визначених, як коактиватор андрогенних рецепторів [21]. NCOA4 насправді є субстратом макроавтофагії, коли остання інгібується високоселективним інгібітором комплексу Vps34, ініціатором процесу аутофагії [20]. NCOA4 взаємодіє з усім комплексом феритину через важка ланцюг білка.
Феритинофагія та еритропоез
Дослідження з використанням моделі даніо та індуцибельної еритролейкемії та клітинної лінії геміна (клітини K562) показали, що NCOA4-залежна ферритинофагія важлива для еритропоезу у природніх умовах і в пробірці. Початкові зв'язки між NCOA4 та еритропоезом базувались на дослідженні, що показало вищу експресію мРНК NCOA4 у місцях еритропоезу під час розвитку у даніо. Таким чином, під час диференціювання еритроїдів більша частина заліза, отриманого в результаті ендоцитозу голо-трансферину, може зберігатися ферритином до його мобілізації через NCOA4-залежна ферритинофагія для синтезу гему [23]. Таким чином, залежна від NCOA4 ферритинофагія виглядає важливою для регуляції клітинного метаболізму заліза та в організмі.
Феритинофагія та окислювальний стрес
Два дослідження показують можливу деградацію феритину у присутності інгібітора класу III кінази PI3K (3-метиладенин), вказуючи на те, що його деградація може бути незалежною від канонічної макроавтофагії [17, 25]. Таким чином, ці результати дозволяють припустити, що поряд з феритинофагією існують інші лізосомні шляхи деградації ферритину, а також протеасомний шлях, індукований певними хелаторами заліза, або надмірна експресія ферропортину [25, 26].
Залізо, важливий посередник загибелі клітин
Дослідження, що вивчають взаємозв'язок між феритинофагією та ферроптозом, перебувають лише на ранніх стадіях. Однак було показано, що, розщеплюючи феритин у фібробластах та ракових клітинах, феритинофагія сприяє ферроптозу. Подібним чином, інвалідність генів аутофагії, таких як ATG5 або ATG7 обмежує ферроптоз, викликаний ерастином, і виснаження NCOA4 запобігає деградації феритину та ферроптозу. Навпаки, надмірна експресія гена НЕCOA4 призводить до посилення деградації феритину та сприяє ферроптозу [28]. Дослідження з використанням культивованих фібробластів та інваляції генів Atg13 підтвердив участь ферритинофагії у ферроптозі [29]. Таким чином, ці результати дають нове розуміння взаємодії між макроавтофагією та запрограмованою загибеллю клітин.
Висновки
В останні роки поглиблено та розширено знання щодо регуляції заліза у фізіологічних та патологічних станах (рак та нейродегенеративні захворювання). Виявлено нові механізми залучення заліза, такі як феритинофагія та ферроптоз, і розпочато використання цих знань у терапевтичних цілях. Інші роботи з розуміння важливості феритинофагії у природніх умовах має призвести до ідентифікації тканинних відділів, що беруть участь у цьому процесі, та з’ясувати механізми дерегуляції ферритинофагії при походженні захворювань.
Посилання, що цікавлять
Автори заявляють, що не мають ніякого інтересу стосовно даних, опублікованих у цій статті.
Дякую
Автори висловлюють подяку Inserm, CNRS, Паризькому університету Декарта, SATT Île-de-France Innov, а також Фонду Франції за підтримку досліджень ферритинофагії та ракових стовбурових клітин, а також Джоел Ботт за його коректуру.
Реакція Фентона заснована на окисленні-відновлення перекису водню з утворенням • ОН-радикалу.