БИОХИМИЯ, 2013, том 78, вып. 4, с. 466 - 480
УДК 577.57.052.6
АУТОФАГИЯ: МЕХАНИЗМЫ, РЕГУЛЯЦИЯ И РОЛЬ В РАЗВИТИИ ОПУХОЛЕЙ
Обзор
© 2013 г. А.А. Пархитько12*, О.О. Фаворова1, Э.П. Хенске2
1ГБОУВПО «Российский национальный исследовательский медицинский университет им. Н.И. Пирогова» Минздрава РФ, кафедра молекулярной биологии и медицинской биотехнологии, 117997Москва, ул. Островитянова, 1; факс: (495)434-6129, электронная почта:parhitko@mail.ru
2 Brigham and Women's Hospital, Harvard Medical School, Boston 02155, Blackfan Circle, 1; fax: (617)355-9016
Поступила в редакцию 07.10.12 После доработки 19.12.12
Аутофагия (от греческого auto — само и phagos — поедать) — основной катаболический процесс, участвующий в доставке и лизосомальной деградации долгоживущих внутриклеточных компонентов: белков, жировых накоплений, нуклеиновых кислот и органелл. С момента открытия в 1990-х годах генов, участвующих в регуляции аутофагии, значительно вырос интерес к изучению роли этого процесса как в поддержании клеточного гомеостаза, так и при развитии различных патологий. В настоящем обзоре представлены общие сведения об аутофагии, ее механизмах и способах регуляции, а также описана роль аутофагии в развитии опухолей.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: аутофагия, метаболизм, митофагия, mTORC1.
Непрерывное обновление содержимого эу-кариотической клетки происходит в результате точно сбалансированных процессов синтеза и деградации. Деградация белков — консервативный клеточный процесс, который осуществляет контроль качества внутриклеточных белков и обеспечивает повторное использование аминокислот. В клетке существуют две основные системы, которые участвуют в деградации белков — протеасомная и лизосомальная. В то время как протеасомная система в основном осуществляет деградацию короткоживущих белков и вовлечена в регуляцию клеточных сигнальных систем, лизосомальная система является основным механизмом клеточной деградации долгоживущих внутриклеточных компонентов: белков и их агрегатов, жировых накоплений, органелл и т.д. Существует несколько основных способов доставки внутриклеточных компонентов в лизосо-мы: макроаутофагия, микроаутофагия и шапе-рон-опосредованная аутофагия, причем основным процессом является макроаутофагия (в дальнейшем — аутофагия, от греческого auto —
* Адресат для корреспонденции.
само и phagos — поедать). В процессе аутофагии участки цитоплазмы и дефектные органеллы окружаются мембранами, образуя органеллы, называемые аутофагосомами. Последние впоследствии сливаются с лизосомами, где происходит их деградация [1—3].
Процесс аутофагии — многоступенчатый. Захват цитоплазмы начинается с образования уникальной «преаутофагосомальной структуры» (preautophagosomal structure) [4], из которой образуется мембранный «фагофор» (от греческого phagos — поедать и phore — нести) размером 0,3—1 мкм. После захвата цитоплазмати-ческого содержимого и закрытия фагофора образуется аутофагосома. Фагофоры формируются в цитоплазме случайным образом, а образовавшиеся аутофагосомы движутся вдоль микротрубочек в сторону центра организации микротрубочек, где сконцентрированы лизосомы. Затем происходит образование аутолизосомы, причем или напрямую при слиянии аутофаго-сомы с лизосомой, или через последовательное слияние аутофагосомы сначала с эндосомой, с образованием амфисомы, а затем с лизосомой [5] (рис. 1).
Происхождение и природа фагофора до сих пор неизвестны: фагофор может образовываться de novo или, альтернативно, использовать существующие цитоплазматические мембраны. Во втором случае для образования фагофора может быть, в принципе, использована любая из клеточных мембран; возможна также ситуация, при которой более чем один тип клеточных мембран участвует в образовании фагофора. Окрашивание фагофоров и стенок аутофагосом осмием показало, что они исключительно богаты липи-дами с высоким содержанием ненасыщенных жирных кислот и практически не содержат белков [6]. В настоящее время считается, что эндо-плазматический ретикулум, в особенности оме-гасома (его чашевидный компартмент) [7], аппарат Гольджи [8, 9], внешняя митохондриальная мембрана [10] и плазматическая мембрана [11], могут служить источником мембран и/или белков для аутофагосом. Образование аутофагосом требует участия белков SNARE [12]. Таким образом, вопрос об источнике мембран и белков для образования аутофагосом остается одним из основных в понимании механизмов аутофагии. Содержимое аутофагосом соответствует нормальному содержимому цитоплазмы. Цитозоль-ные ферменты в аутофагосомах представлены в тех же концентрациях, что и в цитоплазме. Несмотря на то, что аутофагия, как правило, процесс неспецифический, она может участвовать в селективной деградации определенных клеточных компонентов через связывание специфических рецепторов. Селективная деградация белковых агрегатов называется агрефагия, секреторных гранул — кринофагия, или зимография, липид-ных вакуолей — липофагия, митохондрий — ми-тофагия, пероксисом — пексофагия, внутриклеточных патогенов — ксенофагия [13].
Интенсивность аутофагии может быть различной: на низком уровне происходит во всех клетках, осуществляя гомеостатические функции через утилизацию белков и органелл; в терминально-дифференцированных клетках (таких как нейроны и подоциты) уровень аутофагии, как правило, выше [14], чем в пролиферирую-щих клетках, в которых аутофагия ингибируется циклин-зависимой киназой 1 Сёк1 [15]. Процесс быстро активируется в клетках, испытывающих недостаток питательных веществ, ростовых факторов и энергии, а также в клетках, подвергающихся структурным перестройкам в ходе развития, или в случае необходимости избавиться от продуктов окислительного стресса, инфекционных агентов, белковых агрегатов, в результате накопления побочного продукта белкового метаболизма — аммиака [16]. Массивная активация аутофагии регулирует начальные этапы эмбриогенеза, когда высокодифференцирован-ный ооцит сразу после оплодотворения переходит в недифференцированное состояние [17]. Аутофагия также важна для деградации одной из родительских митохондрий после оплодотворения [18, 19]. Одним из этапов, требующих активации аутофагии, является переход из эмбрионального в неонатальное состояние (первые два дня после рождения), когда аутофагия активируется во всех тканях организма за исключением мозга [20]. Помимо участия в развитии целого организма, аутофагия необходима для диффе-ренцировки эритроцитов [21], Т- и В-лимфоци-тов [22] и адипоцитов [23]. Тканеспецифичес-кий нокаут генов, необходимых для аутофагии, в названных клетках приводит к развитию различных патологий [2]. Стимулирование аутофа-гии приводит к увеличению продолжительности жизни многих организмов [24].
Рис. 1. Процесс аутофагии. На схеме указаны основные стадии развития аутофагосомы: образование фагофора, элонгация, образование аутофагосомы и ее слияние с лизосомой
МОЛЕКУЛЯРНЫЕ МЕХАНИЗМЫ ОБРАЗОВАНИЯ АУТОФАГОСОМ
Используя Saccharomyces cerevisiae в качестве модели, выделили группу генов, необходимых для аутофагии. Впоследствии названия этих генов объединили в общую группу Atg (AuTophaGy-related genes) [25].
Как отмечалось выше, аутофагия быстро активируется в клетках, испытывающих недоста-
ток ростовых факторов и аминокислот. Основным клеточным сенсором, реагирующим на их наличие, является киназный комплекс mTORC1 (рис. 2). Высококонсервативная серин/треони-новая протеинкиназа mTOR (мишень для рапа-мицина у млекопитающих) принадлежит к семейству фосфатидилинозитолкиназ PIKK, к которому также относятся киназы ATM, ATR, DNA-PK и hSMG1, и является ключевым ферментом mTOR-сигнального пути, регулирующе-
Генотоксический/ окислительный стресс *
Ростовые факторы I
Рецепторные тирозинкиназы
Сестрин1,2 ч
PI3K *
Akt
AMP/ATP
АМРК I
1 V
Гипоксия Reddl TSC1/TSC2
GDP-Rheb
ч
Ras i
Raf I
MEK i
МАРК
Аминокислоты i
Лейцил-тРНК-синтетаза/ глютаматдегидрогеназа i
RagA/B
RagC/D *
Regulator (p14, MP1, p18)
S6K, 4E-BP i
Транскрипция, Трансляция
GTP-Rheb i
mTORCl i- АМРК AMP/ATP
JL "v +
DAP1 ULK1,2/ ATG 13/ FIP200 i
Аутофагия
Рис. 2. Регуляция инициации аутофагии киназным комплексом mTORCl. Ростовые факторы регулируют киназный комплекс mTORCl через активацию рецепторных тирозинкиназ, активацию сигнальных путей PI3K/Akt и Ras/MAPK, которые в конечном итоге фосфорилируют и инактивируют комплекс TSC1/TSC2, негативный регулятор ГТФазы Rheb, активация которой необходима для активации киназного комплекса mTORCl. Снижение уровня АТФ и повышение уровня АМФ приводит к активации киназы AMPK, которая инактивирует mTORCl через фосфорилирование белков TSC2, Raptor (входящего в состав mTORCl) и киназ ULK1,2 и тем самым активирует аутофагию. Гипоксия, генотоксический и окислительный стресс инактивируют mTORCl через активацию комплекса TSCl/TSC2. Аминокислоты регулируют активность mTORCl независимо от комплекса TSCl/TSC2. В качестве возможных сенсоров аминокислот могут выступать лейцил-тРНК-синтетаза и глютаматдегидрогеназа, которые активируют димеры ГТФаз, состоящих из RagA/B и RagC/D, в результате чего происходит перенос киназного комплекса mTORCl с помощью комплекса Ragulator на поверхность ли-зосом, где происходит его активация. Киназный комплекс mTORCl регулирует аутофагию через фосфорилирование киназ ULKl,2 и белка DAPl. Активация обозначена как инактивация как —|
го накопление клеточной массы у многих эука-риот. В качестве каталитической субъединицы mTOR входит в состав двух функционально различных гетероолигомерных комплексов: mTORCl и mTORC2. mTORCl представляет собой функциональный димер, содержащий по две субъединицы каждого из белков: mTOR, Raptor (regulatory associated protein of mTOR), mLST8 (mammalian lethal with sec-13), PRAS40 (proline-rich AKT substrate 40 kDa) и Deptor (DEP-domain-containing mTOR-interacting protein). Регуляция киназного комплекса mTORCl ростовыми факторами и аминокислотами осуществляется через два различных механизма. Ростовые факторы активируют киназы Akt, RSK1, MK2 и ERK2, которые фосфорилируют и инактивируют тубе-рин/гамартиновый комплекс. Туберин содержит высококонсерват
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.