АВТОФАГІЯ: ХАРАКТЕРИСТИКИ, ВИДИ, ФУНКЦІЇ, ДОСЛІДЖЕННЯ - БІОЛОГІЯ - 2024

Аутофагія є внутрішньоклітинної система деградації відбувається так , зберігається в лізосомах всіх еукаріотичних клітин (і вакуолі дріжджів). Слово зазвичай використовується для позначення деградації компонентів цитозолу або «частин» клітини, які є «застарілими» або які перестали працювати належним чином.

Термін аутофагія був введений в 1963 році в університеті Рокфеллера де Дюве, який також спостерігав і описував процеси клітинного ендоцитозу. Буквально слово аутофагія означає "спожити себе", хоча деякі автори описують це як "самоканібалізм".

Графічне зображення макроавтофагії та мікроавтофагії (Джерело: Cheung та Ip через Wikimedia Commons)

Ця система відрізняється від протеасомно-опосередкованої деградації тим, що аутофагія здатна видаляти повні внутрішньоклітинні органели та великі білкові комплекси або агрегати неселективно.

Незважаючи на цей неселективний фагоцитоз, різні дослідження показали, що аутофагія має численні фізіологічні та патологічні наслідки. Оскільки він активується в періоди адаптації до голодування, під час розвитку, для усунення вторгнення мікроорганізмів, під час запрограмованої загибелі клітин, для усунення пухлин, представлення антигенів тощо.

характеристики

Як обговорювалося, аутофагія - це процес, опосередкований цитоплазматичною органелою, відомий як лізосома.

Процес "аутофагії" починається з інкапсуляції органели, яка буде деградована подвійною мембраною, утворюючи мембранозне тіло, відоме як автофагосома. Мембрана аутофагосоми згодом зливається з лізосомальною мембраною або з пізньою ендосомою.

Кожен з цих етапів між секвестрацією, деградацією та вивільненням амінокислот або інших компонентів для переробки виконує різні функції в різних клітинних контекстах, що робить автофагію високофункціональною системою.

Автофагія є досить контрольованим процесом, оскільки лише зазначені клітинні компоненти спрямовані до цього шляху деградації, і маркування зазвичай відбувається під час процесів реконструкції клітин.

Наприклад, коли клітина печінки встановлює детоксикаційну відповідь у відповідь на жиророзчинні препарати, її гладкий ендоплазматичний ретикулум значно поширюється, а коли стимул, що генерується препаратом, зменшується, надлишок гладкого ендоплазматичного ретикулума за допомогою автофагії видаляється з цитосолічного простору.

Індукція аутофагії

Однією з подій, яка найчастіше запускає аутофагічні процеси, є голодування.

Залежно від розглянутого організму, різні види необхідних поживних речовин можуть спровокувати цю систему "переробки". Наприклад, у дріжджах, хоча дефіцит вуглецю певних амінокислот та нуклеїнових кислот може викликати аутофагію, дефіцит азоту є найбільш ефективним стимулом, що діє також для рослинних клітин.

Хоча це ще не до кінця зрозуміло, клітини мають спеціальні «датчики», щоб визначити, коли поживна речовина або незамінна амінокислота знаходиться в дуже низькому стані, і тим самим викликати весь процес переробки через лізосоми.

У ссавців деякі гормони беруть участь у регуляції (позитивної чи негативної) аутофагії в клітинах, що належать до певних органів, таких як інсулін, деякі фактори росту або інтерлейкіни тощо.

Типи

Існує три основні типи аутофагії серед еукаріотів: макроавтофагія, мікроавтофагія та аутофагія, опосередкована шапероном. Якщо не зазначено, термін аутофагія відноситься до макроавтофагії.

Хоча три види аутофагії морфологічно різні, всі вони закінчуються транспортом речовин до лізосоми для деградації та переробки.

Макроавтофагія

Це тип аутофагії, який залежить від новоутворення фагоцитарних везикул, відомих як автофагосоми. Утворення цих пухирців не залежить від утворення мембранних "бутонів", оскільки вони утворюються шляхом розширення.

У дріжджах утворення аутофагосом починається на певному ділянці, відомому як PAS, тоді як у ссавців у цитозолі виникає багато різних ділянок, ймовірно пов'язаних з ендоплазматичним ретикулумом через структури, відомі як "омегасоми".

Розмір аутофагосом сильно мінливий і залежить від організму та типу молекули або органели, яка фагоцитозується. Він може змінюватися від 0,4-0,9 мкм в діаметрі в дріжджах до 0,5-1,5 мкм у ссавців.

Коли мембрани аутофагосоми та лізосоми зливаються, їх вміст змішується, і саме тоді починається травлення цільових субстратів аутофагії. Потім ця органела називається автолізосомою.

Для деяких авторів макроавтофагія може бути підкласифікована, у свою чергу, на індуковану аутофагію та базову аутофагію. Індукована макроавтофагія використовується для отримання амінокислот після тривалого періоду голодування.

Базальна макроавтофагія стосується конститутивного механізму (який завжди активний), необхідного для обороту різних цитозольних компонентів та внутрішньоклітинних органел.

Мікроавтофагія

Цей тип аутофагії відноситься до процесу, при якому вміст цитоплазми вводиться в лізосому шляхом інвагінацій, які відбуваються в мембрані зазначеної органели.

Після введення в лізосому везикули, що виробляються цими інвагінаціями, вільно плавають у просвіті до тих пір, поки вони не лізуються, і їх вміст не вивільняється та не руйнується конкретними ферментами.

Аутофагія, опосередкована шапероном

Повідомлялося про такий тип аутофагії лише для клітин ссавців. На відміну від макроавтофагії та мікроавтофагії, де деякі цитозольні ділянки неспецифічно фагоцитозуються, аутофагія, опосередкована шаперонами, є досить специфічною, оскільки залежить від наявності певних пентапептидних послідовностей у субстратах, які будуть фагоцитозуватися.

Деякі дослідники визначили, що цей мотив пентапептиду пов'язаний з послідовністю KFERQ і що він міститься у понад 30% цитозольних білків.

Його називають "опосередкованим шапероном", оскільки шаперонові білки відповідають за збереження цього збереженого мотиву, щоб полегшити його розпізнавання та запобігти розгортанню білка на ньому.

Білки з цією міткою переміщуються в лізосомальний просвіт і там деградують. Багато субстратів для деградації - це гліколітичні ферменти, фактори транскрипції та їх інгібітори, білки, що зв'язують кальцій або ліпіди, субодиниці протеасоми та деякі білки, що беруть участь у везикулярному обігу.

Як і інші два типи аутофагії, аутофагія, опосередкована шапероном, є регульованим процесом на багатьох рівнях, від розпізнавання міток до транспорту та деградації субстратів у лізосомах.

Особливості

Однією з основних функцій аутофагічного процесу є видалення старіючих або «застарілих» органел, які позначаються різними шляхами деградації в межах лізосом.

Завдяки спостереженню електронних мікрофотографій лізосом у клітинах ссавців виявлено наявність у них пероксисом та мітохондрій.

Наприклад, в клітині печінки середня тривалість життя мітохондріону становить 10 днів, після чого ця органела фагоцитозується лізосомами, де вона руйнується і її компоненти переробляються для різних метаболічних цілей.

В умовах низької концентрації поживних речовин клітини можуть спровокувати утворення аутофагосоми для вибіркового «захоплення» порцій цитозолу, а також перетравлені метаболіти в цих автофагосомах можуть допомогти клітинам виживати, коли зовнішні умови обмежуються з точки з харчової точки зору.

Ролі в здоров’ї та розвитку

Автофагія виконує важливі функції в реструктуризації клітин в процесі диференціювання, оскільки бере участь у викиданні цитозольних порцій, які не потрібні в конкретний час.

Це також має важливі наслідки для клітинного здоров'я, оскільки є частиною захисних механізмів проти вірусних та бактерій.

Дослідження Йосінорі Осумі

Йосінорі Осумі, японський дослідник з фізіології та медицини за 2016 рік, охарактеризував молекулярні механізми аутофагії в дріжджах під час вивчення метаболічної долі багатьох білків та вакуолей цих одноклітинних організмів.

У своїй роботі Охсумі не тільки визначив білки та шляхи, що беруть участь у процесі, але й продемонстрував, як регулюється шлях аутофагії завдяки дії білків, здатних «чути» різні метаболічні стани.

Його робота розпочалася з точних мікроскопічних спостережень вакуолей під час інтенсивних подій деградації. Вакуолі вважаються місцями зберігання дріжджів «сміття» та стільникового сміття.

Спостерігаючи за дріжджами з дефектними мутантними генотипами різних генів, пов'язаних або гіпотетично пов'язаних з аутофагією (відомі як гени ATG), цей дослідник та його співробітники змогли описати автофагічну систему дріжджів на генетичному рівні.

Згодом ця група дослідників визначила основні генетичні характеристики білків, кодованих цими генами, та внесла вагомий внесок у їх взаємодію та утворення комплексів, відповідальних за ініціювання та здійснення аутофагії у дріжджах.

Завдяки роботі Йосінорі Охсумі сьогодні ми краще розуміємо молекулярні аспекти аутофагії, а також її важливі наслідки для правильного функціонування клітин і органів, які складають нас.

Список літератури

1. Alberts, B., Johnson, A., Lewis, J., Morgan, D., Raff, M., Roberts, K., & Walter, P. (2015). Молекулярна біологія клітини (6-е видання). Нью-Йорк: Гарленд Наука.
2. Кліонський, DJ, & Emr, SD (2000). Автофагія як регульований шлях деградації клітин. Наука, 290, 1717-1721.
3. Мізусіма, Н. (2007). Автофагія: процес і функція. Гени та розвиток, 21, 2861–2873.
4. Мізусіма, Нобору та Комацу, М. (2011). Автофагія: оновлення клітин і тканин. Сота, 147, 728-741.
5. Rabinowitz, JD, & White, E. (2010). Автофагія та обмін речовин. Науки, 330, 1344-1348.