Autofāgija: definīcija, mehānismi un nozīme šūnu atjaunošanā

Autofāgija: uzzini, kā šūnas kontrolēti nojauc un pārstrādā bojātas daļas — mehānismi, gēni, nozīme šūnu atjaunošanā un veselības saglabāšanā.

Autofāgija (autofāgija nozīmē "apēd sevi") ir viens no šūnu pamatmehānismiem. Tas ļauj kontrolēti noārdīt tās šūnas daļas, kas nedarbojas vai nav vajadzīgas. Šādas šūnas daļas pēc tam var pārstrādāt pēc vajadzības.

Ir vairāki veidi, kā tas notiek. Mērķa šūnas daļas var izolēt no pārējās šūnas autofagosomā (divkāršā vezikulā). Autofagosoma saplūst ar lizosomām, un tās saturs tiek sadalīts un pārstrādāts. Galējā bada gadījumā šūnu komponentu sadalīšana veicina šūnu izdzīvošanu, uzturot šūnu enerģijas līmeni.

Nosaukumu "autofāgija" 1963. gadā radīja beļģu bioķīmiķis Kristians de Duve. Ar autofāģiju saistīto gēnu identificēšana raugā pagājušā gadsimta 90. gados ļāva pētniekiem noskaidrot autofāģijas mehānismus. Tā rezultātā 2016. gadā Nobela prēmija fizioloģijā vai medicīnā tika piešķirta japāņu pētniekam Jošinori Ohsumi.

Autofāgijas veidi

Autofāgija nav vienveidīga — galvenie tipi ir:

• Makroautofāgija — visbiežāk aprakstītais veids, kur mērķa materiāls tiek iesaiņots autofagosomā, kas saplūst ar lizosomu.
• Microautofāgija — lizosoma tieši "iekož" nelielas šūnas daļas, tieši ieņemot tās savā membrānā.
• Šaperonmediētā autofāgija — specifiskiem proteīniem ar noteiktu signālu (KFERQ līdzīgs) palīdz šaperoni tiek vērsti uz lizosomu membrānas receptoru un tie tiek translocēti vienkāršā veidā uz degradāciju.

Molekulārie mehānismi (svarīgākie soļi)

Autofāgijas pamatā ir sarežģīta gēnu un proteīnu sērija, ko bieži dēvē par ATG (autophagy-related) proteīniem. Galvenie posmi:

• Iniciācija — signalizācijas ceļi novērš vai aktivizē autofāģiju (skat. zemāk par mTOR un AMPK).
• Fagoforas (phagophore) veidošanās — membrānas loksne sāk apvīt mērķi.
• Autofagosomas veidošanās — fagofora aizveras, veidojot divkāršu membrānu struktūru.
• Maturācija un saplūšana — autofagosoma nogādā saturu līdz lizosomai un saplūst ar to, veidojot autolizosomu.
• Degradācija — lizosomu enzīmi sadala olbaltumvielas, lipīdus un citus komponentus; to produkti tiek atgriezti šūnas metabolismā.

Viens no laboratoriski nozīmīgākajiem marķieriem ir LC3 (lipidētais LC3-II formas klātbūtne norāda uz autofagosomu skaitu). Pārstrādes starpposma proteīts p62/SQSTM1 kalpo kā adapteris selektīvai autofāgijai un tā līmeņa palielināšanās var liecināt par defektīvu autofāģijas plūsmu.

Selektīvā autofāgija

Autofāgija var būt arī selektīva — konkrētu organellu vai materiālu mērķēšana. Piemēri:

• Mitofāgija — bojātu mitohondriju selektīva noārdīšana.
• Xenofāgija — iekššūnu patogēnu (piem., baktēriju) iznīcināšana.
• Aggrephagija — nepareizi salocītu proteīnu agregātu likvidācija.

Regulācija

Autofāģiju stingri regulē šūnas metaboliskais stāvoklis un signālu kaskādes. Svarīgākie regulatori:

• mTOR (mechanistic Target Of Rapamycin) — galvenais inhibītors; barojošos apstākļos mTOR aktivitāte nomāc autofāģiju.
• AMPK (AMP-activated protein kinase) — enerģijas deficīta laikā aktivizē autofāģiju, pretējā virzienā pret mTOR.
• Hormoni, stresa signāli, oksidatīvais stress un infekcijas arī modulē autofāģiju.

Fizioloģiskā nozīme

Autofāgija ir būtiska šūnu homeostāzei — tā palīdz atbrīvoties no bojātiem organelliem un proteīnu agregātiem, nodrošina barības vielu pieejamību bada apstākļos un piedalās attīstības procesos, diferenciācijā un imūnā atbildē. Vairāku slimību patoloģijā autofāģijas dysregulācija ir nozīmīga:

• Neirodeģeneratīvas slimības (piem., Alcheimera, Parkinsona) — samazināta autofāģija var veicināt toksisku proteīnu uzkrāšanos.
• Vēzis — autofāģija var darboties divējādi: novērst vēža attīstību agrīnā posmā, bet tumoros reizēm palīdz šūnām izdzīvot stresa apstākļos.
• Infekcijas — autofāgija var palīdzēt iznīcināt mikrobus, bet daži mikroorganismi ir attīstījuši mehānismus, lai izvairītos no tās.
• Metabolisma traucējumi un novecošanās — autofāģijas aktivitātes samazināšanās saistīta ar vecuma izraisītām kaitēm.

Pētniecības metodes un marķieri

Pētījumos autofāģiju analizē ar dažādām pieejām:

• Elektronu mikroskopija — tiešs autofagosomu vērojums.
• LC3 (I → II) konversijas noteikšana ar Western blot — lipidētā LC3-II ir saistīta ar autofagosomu membrānām.
• p62/SQSTM1 līmeņa mērījumi — uzkrāšanās var liecināt par plūsmas traucējumiem.
• GFP-LC3 puncta mikroskopija — vizualizē autofagosomu veidošanos šūnās.
• Autofāģijas "plūsmas" (flux) analīze —, piemēram, izmantojot lizosomu inhibītorus (bafilomicīns) lai atšķirtu autofagosomu ražošanu no to degradācijas defektiem.

Terapeitiskās iespējas

Autofāģijas modulēšana ir pievilcīga terapeitiska stratēģija. Piemēri:

• Autofāģijas aktivatori — rapamicīna (mTOR inhibitors) un AMPK aktivatoru (piem., metformīns) pētījumi rāda labvēlīgas ietekmes modeļos.
• Dzīvesveids — kaloriju ierobežošana, īslaicīga badošanās un regulāras fiziskās aktivitātes veicina autofāģiju un saistītas ar labāku veselību dažos modeļos.
• Vēža terapijā — gan autofāģijas inhibēšana, gan tās aktivācija tiek pētīta atkarībā no vēža tipa un stadijas.

Nākotnes virzieni un secinājums

Autofāgija ir universāls un dinamisks šūnu atjaunošanas mehānisms ar plašu lomu veselībā un slimībās. Turpmākie pētījumi cenšas labāk izprast selektīvos mehānismus, atklāt jaunas regulējošas molekulas un izstrādāt drošas terapijas, kas mērķētu autofāģiju slimību ārstēšanā. Sapratne par to, kā precīzi modulēt autofāģiju dažādos audos un klīniskajos apstākļos, ir izšķiroša, lai no šī mehānisma gūtu maksimālu labumu pacientiem.

Jautājumi un atbildes

J: Ko nozīmē autofāgija?

J: Kāds ir autofāģijas mērķis?

J: Kā šūnas daļas tiek sadalītas, izmantojot autofāziju?

J: Kādā galējā gadījumā šūnu komponentu sadalīšana veicina šūnu izdzīvošanu?

J: Kas un kad radīja terminu "autofāgija"?

J: Kad raugā tika identificēti ar autofāziju saistīti gēni?

J: Kam 2016. gadā tika piešķirta Nobela prēmija fizioloģijā vai medicīnā par darbu autofāģijas jomā?

Meklēt pēc burta