УДК 616.006-092:576.367(048.8)
РОЛЬ АУТОФАГИИ В МЕХАНИЗМЕ ГИБЕЛИ ОПУХОЛЕВЫХ КЛЕТОК
© 2015 г. О. О. Рябая12, А. В. Егорова2, Е. В. Степанова1
1 Российский онкологический научный центр им. Н.Н. Блохина, Москва 2 Российский национальный исследовательский медицинский университет им. Н.И. Пирогова, Москва
E-mail: ronc@ronc.ru, rsmu@rsmu.ru
Аутофагия - эволюционно сложившийся процесс поддержания целостности клетки путем лизосо-мальной утилизации собственных цитозольных белков, макромолекул, органелл и белковых агрегатов. Аутофагия регулируется группой генов ATG (autophagy-related genes) и детектируется практически во всех клетках организма на базальном уровне. Изменения в сигнальных путях, связанные с аутофагией, часто происходят при различных патологиях, в том числе и злокачественных новообразованиях. Многочисленные экспериментальные и клинические исследования в области онкологии показали важную роль аутофагии в механизмах резистентности/чувствительности к широкому спектру противоопухолевых препаратов. В данном обзоре описаны молекулярные механизмы аутофагии, взаимодействия апоптоза и аутофагии, а также оценены возможности модуляции уровня аутофагии в опухолевых клетках для повышения эффективности противоопухолевой терапии.
Ключевые слова: механизмы клеточной гибели, злокачественные новообразования.
ВВЕДЕНИЕ
Гибель клеток является неотъемлемой частью не только нормального физиологического развития организма и гомео стаза тканей, но также и его защиты от различных патологических состояний (Miura, 2011). Сбои в этих процессах могут привести к развитию гиперпролиферативных заболеваний, например злокачественных новообразований (Elmore, 2007). Уничтожение опухолевых клеток происходит, главным образом, путем индукции в них программируемой клеточной гибели 1-го типа - апоптоза. Процесс канцерогенеза ассоциирован с возникновением различных мутаций в клетках, связанных в том числе и с их выживаемостью при воздействии неблагоприятных условий, облучения или химиотерапии (Ha-nahan, Weinberg, 2011). Так как проблемы про-грессирования и химиорезистентности остаются актуальными для больных со злокачественными новообразованиями, первостепенное значение имеет поиск новых альтернативных стратегий индукции гибели опухолевых клеток.
В настоящее время благодаря достижениям в области молекулярной биологии опухолевых клеток, представления о самих механизмах клеточной гибели и их биологическом значении для онкологии претерпели большие изменения. Помимо апоптоза и некроза как самостоятельных
форм гибели клеток стали выделять аутофагию, митотическую катастрофу и клеточное старение (senescence).
Лизис в клетке собственных клеточных компонентов впервые наблюдал Кристиан де Дюв в 1963 году. Он назвал это явление "аутофагией" от греческого auto - "сам" и phagos - "есть", что достаточно точно передает суть этого процесса. В настоящее время известно, что аутофагия необходима для разрушения и утилизации долго-живущих белков, клеточных агрегатов или поврежденных органелл. Таким образом, аутофагия способствует перераспределению питательных веществ и энергии в клетке при недостатке аминокислот и глюкозы (Yang, Klionsky, 2010).
В данном обзоре обобщены известные на сегодняшний день данные о действии аутофагии как механизма гибели опухолевых клеток и перспективах использования ее модуляции в практике клинической онкологии.
МОЛЕКУЛЯРНЫЕ МЕХАНИЗМЫ ПРОЦЕССА АУТОФАГИИ
Известны три формы аутофагии: макроауто-фагия (обычно и подразумевается под термином "аутофагия", и о ней будет идти речь далее), мик-роаутофагия и шаперон-зависимая аутофагия (Mi-
zushima et al., 2008). Каждая форма характеризуется типом утилизируемого материала (органеллы или белки) и механизмом попадания продуктов деградации в аутолизосому. При макроаутофагии участок цитоплазмы и/или органеллы сначала отделяется мембранной структурой (фагофорой), которая впоследствии расширяется и сливается, превращаясь в аутофагосому с характерной двойной мембраной. В случае микроаутофагии цитоплазматический материал (макромолекулы и обломки клеточных мембран) захватывается непосредственно эндосомой или лизосомой без этапа формирования прелизосомальной вакуоли. Таким путем клетка может переваривать белки при нехватке энергии или аминокислот (например, при голодании). При шаперон-зависимой аутофагии происходит направленный транспорт частично денатурировавших определенных ци-тозольных белков, содержащих пентапептидный мотив (KFERQ), в полость лизосомы с участием соответствующих белков-шаперонов семейства Hsc70. Этот тип аутофагии, описанный только для млекопитающих, индуцируется стрессом (Arias, Cuervo, 2011).
Процесс аутофагии разделяют на шесть основных этапов: образование омегасомы (инициация), образование фагофоры, ее элонгация, образование (созревание) аутофагосомы, синтез аутолизосомы и ее деградация. Все стадии регулирует группа генов ATG (autophagy-related genes). Около 30 генов ATG были обнаружены в дрожжах, 16 из них имеют гомологи у человека (Cheong, Klionsky, 2008). В таблице 1 приведены основные гены, контролирующие различные этапы аутофагии.
Ключевым событием в формировании пре-аутофагосомной везикулы (фагофоры) является активация синтеза фосфатидилинозитол-3-фос-фата (PI3P) при формировании комплекса Beclin1-Vps34 -PI3K-CIII (Simonsen, Tooze, 2009). При этом PI3P локализуется на особых структурах эндоплазматического ретикулума (ЭПР) - омега-сомах, названных так из-за их O-образной формы. Они образуются на основе мембран ЭПР путем присоединения к ним белка DFCP1 и PB-киназ-ного комплекса Beclin1-Vps34-Atg14 (Axe et al., 2008; Itakura, Mizushima, 2010). Далее именно на мембранах омегасомы происходит сборка комплексов белков, необходимых для формирования фагофоры.
После образования омегасомы внутри ее полости формируется изолированная мембрана (преаутофагосома, или фагофора), к которой присоединяются комплекс Atg12-Atg5-Atg16, белки Atg9, WIPI-1, протеинкиназный комплекс
ULK1-Atg13-FIP200-Atg101 и Beclin1-Vps34-Atg14-PI3P, ответственные за этап элонгации (Mizushima et al., 2001; Kuma et al., 2002).
Основная функция этой вновь сформированной фагофоры - поглощение поврежденных цитоплазматических компонентов. На этом этапе формирования аутофагосомы участвуют две белок-сопряженные системы: Atg12-Atg5 и AtgS-фосфатидилэтаноламин (LC3, microtubule-associated 1A/1B-light chain 3) (Ohsumi, 2001). Комплекс Atg12-Atg5 способствует формированию и удлинению фагофоры, а также образованию аутофагосомы. На более поздних стадиях элонгации фагофоры комплекс Atg12-Atg5-Atg16 постепенно отделяется от мембраны аутофагофо-ры и расщепляется (Mizushima et al., 2001). Ци-тозольная форма LC3-I при участии белков Atg7, Atg3 и Atg12-Atg5-Atg16 образует комплекс с фосфатидилэтаноламином, который встраивается в мембрану фагофоры, вследствие чего получается форма LC3-II белка, непосредственно связанная с мембраной аутофагосомы.
В процессе формирования аутофагосомы участвует только LC3-II-изоформа белка. В отличие от Atg12-Atg5, LC3-II постоянно присутствует в аутофагосоме и считается самым надежным маркером аутофагии (Kabeya et al., 2000; Klionsky et al., 2008). Его накопление в аутофагосомах визуализируется микроскопически в виде отдельных включений, т.н. пунктатов (Kabeya et al., 2000). В некоторых случаях поврежденные белки/орга-неллы доставляются в аутофагосому специфическими белками-адаптерами (например, NBR1 и p62/SQSTM1), связывающимися с LC3-II (Pankiv et al., 2007; Kirkin et al., 2009).
Ген Beclin 1 (Atg6) играет ключевую роль в процессе аутофагии у млекопитающих (Eske-linen, Saftig, 2009). Белок, кодируемый этим геном, активно участвует в инициации аутофагии: присоединяясь к комплексу Vps34-PI3K-CIII, он дает начало формированию аутофагосом (Kabeya et al., 2000; Klionsky et al., 2008; Eskelinen, Saftig, 2009). Он также тесно взаимодействует с другими белками аутофагии Ambra1, ULK1, Vps15 (Fimia et al., 2007; Simonsen, Tooze, 2009).
Вскоре после образования аутофагосомы происходит слияние ее внешней мембраны с лизосомой и образуется аутолизосома. Это слияние стимулируется комплексом Beclin1-Vps34-PI3K-CIII-UVRAG, а ингибируется путем присоединения белка Rubicon к этому комплексу (Liang et al., 2008; Matsunaga et al., 2009). Содержимое аутофагосомы разрушается под действием лизосомаль-ных гидролаз, в том числе катепсинов и липаз
Таблица 1. Гены, участвующие в регуляции аутофагии и образовании аутолизосом (Tanida, 2011)
Ген Функция Этап формирования
ULK1-Atg13-FIP200-Atg101-киназный комплекс
ULK1 Протеинкиназа, мишень сигнального пути шТОК
Atg13 Фосфорилированный белок, мишень сигнального пути шТОК Инициация и образование фаго-
FIP200 Стабилизация и фосфорилирование ЦЬК1 форы
Atg101 Стабилизация и фосфорилирование ЦЬЮи Atg13
Atg9- WIPI-1 комплекс
Atg9 Мембранный белок Элонгация фагофоры
WIPI-1 Р!(3)Р-связывающийся белок
Vps34-Beclin1-PI3-киназный комплекс
Vps34 Р13-киназа, взаимодействующая с КаЬ 5 и КаЬ 7
Beclin 1 Является одной из ключевых субъединиц при формировании аутофагосом; взаимодействует с Вс1-2 Элонгация и образование аутофагосомы
Atg14 Стимулятор образования аутофагосомы
UVRAG Стимулятор слияния аутофагосомы с лизосомой и эндоцитозного транспорта Весь процесс
Rubicon Ингибитор слияния аутофагосомы с лизосомой и эн- Слияние аутофагосомы с лизосо-
доцитозного транспорта мой
AMBRA1 Стимулятор аутофагии Формирование аутофагосомы
Atg12-Atg15-Atg16 комплекс
Atg12 Модификатор, связывающийся с Atg5
Atg5 Мишень Atg12, расположен на изолированной мембране
Atg16 Определяет сайт связывания LC3 Элонгация и созревание фагофоры
Atg7 Е1-подобный фермент, обеспечивающий связывание Atg12 и Atg8/LC3
Atg10 Е2-подобный фермент, обеспечивающий связывание Atg12 и Atg8/LC3
Atg4B Цитоплазматическая цистеин-протеаза, обеспечивающая расщепление Atg8/LC3 Деградация аутолизосомы
Alfy Белок, содержащий FYVE-домен, ассоциированный с белковыми гранулами и мембраной аутофагосомы Созревание аутофагосомы
DFCP/FYVE Белок, содержащий два FYVE-домена, локализован в Инициация
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.