AUTOFÁGIA: CHARAKTERISTIKA, TYPY, FUNKCIE, ŠTÚDIE - BIOLÓGIE - 2024

Autofagie je intracelulárnej degradácii systému dochádza tak zachované v lyzozómoch všetkých eukaryotických buniek (a vakuoly kvasiniek). Slovo sa všeobecne používa na označenie degradácie komponentov cytosolu alebo „častí“ bunky, ktoré sú „zastarané“ alebo ktoré prestali správne fungovať.

Termín autofágia bol vytvorený v roku 1963 na Rockefellerovej univerzite de Duve, ktorý tiež pozoroval a opísal procesy bunkovej endocytózy. Doslovne slovo autofágia znamená „konzumovať sa“, hoci niektorí autori ho opisujú ako „sebakanibalizmus“.

Grafické znázornenie makroautofágy a mikroautofágy (Zdroj: Cheung a IP prostredníctvom Wikimedia Commons)

Tento systém sa líši od degradácie sprostredkovanej proteazómmi tým, že autofágia je schopná selektívne odstrániť úplné intracelulárne organely a veľké proteínové komplexy alebo agregáty.

Napriek tejto neselektívnej fagocytóze rôzne výskumy ukázali, že autofágia má početné fyziologické a patologické dôsledky. Pretože je aktivovaný počas období adaptácie na hladovanie, počas vývoja, na odstránenie napadajúcich mikroorganizmov, počas programovanej bunkovej smrti, na odstránenie nádorov, prezentáciu antigénov atď.

vlastnosti

Autofágia, ako je diskutované, je proces sprostredkovaný cytoplazmatickou organelou známou ako lyzozóm.

Proces „autofágy“ sa začína zapuzdrením organely, ktorá bude degradovaná dvojitou membránou, čím sa vytvorí membránové telo známe ako autofagozóm. Autofagozómová membrána sa následne fúzuje s lyzozomálnou membránou alebo s neskorým endozómom.

Každý z týchto krokov medzi sekvestráciou, degradáciou a uvoľňovaním aminokyselín alebo iných komponentov na recykláciu má rôzne funkcie v rôznych bunkových kontextoch, čo z autofágy robí vysoko multifunkčný systém.

Autofágia je pomerne riadený proces, pretože iba značené bunkové komponenty sú smerované k tejto degradačnej dráhe a značenie sa všeobecne vyskytuje počas procesov bunkovej prestavby.

Napríklad, keď pečeňová bunka zistí detoxikačnú reakciu v reakcii na liečivá rozpustné v tukoch, jej hladké endoplazmatické retikulum sa značne rozšíri a keď sa stimul generovaný liekom zníži, prebytok hladkého endoplazmatického retikula sa autofágiou odstráni z cytosolického priestoru.

Indukcia autofágy

Jednou z udalostí, ktoré najčastejšie spúšťajú autofagické procesy, je hladovanie.

V závislosti od uvažovaného organizmu môžu tento „recyklačný“ systém spustiť rôzne druhy základných živín. Napríklad v kvasinkách, hoci nedostatok uhlíka určitých aminokyselín a nukleových kyselín môže indukovať autofágiu, nedostatok dusíka je najúčinnejším stimulom, ktorý platí aj pre rastlinné bunky.

Aj keď to nebolo úplne pochopené, bunky majú špeciálne "senzory", aby určili, kedy je živina alebo esenciálna aminokyselina vo veľmi malom stave, a tak spustili celý proces recyklácie lyzozómami.

U cicavcov sa niektoré hormóny podieľajú na regulácii (pozitívnych alebo negatívnych) autofágy v bunkách patriacich k určitým orgánom, ako je inzulín, niektoré rastové faktory alebo interleukíny atď.

druhy

Medzi eukaryoty existujú tri hlavné typy autofágov: autofágia v makrofotografii, autofágia v mikroorganizmoch a autofágia sprostredkovaná chaperónom. Pokiaľ nie je uvedené inak, výraz autofágia sa vzťahuje na autofágiu v makre.

Aj keď sa tieto tri typy autofágie morfologicky líšia, všetky sa končia transportom látok do lyzozómov na degradáciu a recykláciu.

makroautofagie

Je to typ autofágie, ktorý závisí od de novo tvorby fagocytárnych vezikúl známych ako autofagozómy. Tvorba týchto vezikúl je nezávislá od tvorby „púčikov“ membrány, pretože sú tvorené expanziou.

V kvasinkách sa tvorba autofagozómov začína na konkrétnom mieste známom ako PAS, zatiaľ čo u cicavcov sa v cytozole vyskytuje mnoho rôznych miest, pravdepodobne spojených s endoplazmatickým retikulám prostredníctvom štruktúr známych ako „omegasomy“.

Veľkosť autofagozómov je veľmi variabilná a závisí od organizmu a typu molekuly alebo organely, ktorá je fagocytovaná. Môže sa meniť v priemere od 0,4 do 0,9 μm v kvasinkách až 0,5 až 1,5 μm u cicavcov.

Keď sa membrány autofagozómu a lyzozómu spoja, ich obsah sa zmieša a vtedy začína trávenie cieľových substrátov autofágy. Táto organela je potom známa ako autolyzozóm.

Pre niektorých autorov môže byť makroautofágia subklasifikovaná na indukovanú autofágiu a autofágiu na základnej línii. Indukovaná makroautofágia sa používa na produkciu aminokyselín po dlhšom období hladovania.

Bazálna makroautofágia sa vzťahuje na konštitutívny mechanizmus (ktorý je vždy aktívny) nevyhnutný na premenu rôznych cytosolických zložiek a intracelulárnych organel.

Microautophagy

Tento typ autofágie sa týka procesu, pri ktorom sa cytoplazmatický obsah zavádza do lyzozómu invagáciami, ku ktorým dochádza v membráne organel.

Po zavedení do lyzozómu vezikuly produkované týmito inváziami voľne plávajú v lúmene, kým nie sú lyzované a ich obsah je uvoľňovaný a degradovaný špecifickými enzýmami.

Autofagia sprostredkovaná chaperónom

Tento typ autofágy bol hlásený iba pre bunky cicavcov. Na rozdiel od makroskopickej autofágy a mikroautofágy, keď sú niektoré cytozolové časti nešpecificky fagocytované, je autofágia sprostredkovaná chaperónmi celkom špecifická, pretože závisí od prítomnosti konkrétnych pentapeptidových sekvencií v substrátoch, ktoré budú fagocytované.

Niektorí výskumníci zistili, že tento pentapeptidový motív súvisí so sekvenciou KFERQ a že sa nachádza vo viac ako 30% cytosolických proteínov.

Nazýva sa „sprostredkované chaperónom“, pretože chaperónové proteíny sú zodpovedné za udržiavanie tohto konzervovaného motívu exponovaného, ​​aby sa uľahčilo jeho rozpoznanie a zabránilo sa skladaniu proteínu na ňom.

Proteíny s touto značkou sú translokované do lyzozomálneho lúmenu a sú tam degradované. Mnoho substrátov na degradáciu sú glykolytické enzýmy, transkripčné faktory a ich inhibítory, proteíny viažuce vápnik alebo lipidy, proteazómové podjednotky a niektoré proteíny zapojené do vezikulárneho obchodovania.

Rovnako ako ďalšie dva typy autofágie, autofágia sprostredkovaná chaperónom je regulovaný proces na mnohých úrovniach, od rozpoznávania značky po transport a degradáciu substrátov v lyzozómoch.

Vlastnosti

Jednou z hlavných funkcií autofagického procesu je odstránenie starnúcich alebo „zastaraných“ organel, ktoré sú značené rôznymi spôsobmi degradácie v lyzozómoch.

Vďaka pozorovaniu elektrónových mikrografov lyzozómov v cicavčích bunkách bola v nich zistená prítomnosť peroxizómov a mitochondrií.

Napríklad v pečeňových bunkách je priemerná životnosť mitochondrií 10 dní, po ktorých je táto organela fagocytovaná lyzozómami, kde je degradovaná a jej zložky sú recyklované na rôzne metabolické účely.

V podmienkach nízkej koncentrácie živín môžu bunky spustiť tvorbu autofagozómov, aby selektívne „zachytili“ časti cytosolu, a tiež štiepené metabolity v týchto autofagozómoch môžu pomôcť bunkám prežiť, keď sa vonkajšie podmienky z hľadiska obmedzujú. z hľadiska výživy.

Úlohy v zdraví a rozvoji

Autofágia má dôležité funkcie pri reštrukturalizácii buniek v procese diferenciácie, pretože sa podieľa na odstraňovaní cytosólových častí, ktoré nie sú potrebné v konkrétnom čase.

Má tiež dôležité dôsledky pre zdravie buniek, pretože je súčasťou obranných mechanizmov proti napadnutiu vírusmi a baktériami.

Štúdie Yoshinori Ohsumi

Yoshinori Ohsumi, japonský vedecký pracovník Nobelovej ceny za rok 2016 v odbore Fyziológia a medicína, opísal molekulárne mechanizmy autofágie v kvasinkách a študoval metabolický osud mnohých proteínov a vakuoly týchto jednobunkových organizmov.

Vo svojej práci Ohsumi nielen identifikoval proteíny a dráhy zapojené do procesu, ale tiež ukázal, ako je autofágová dráha regulovaná vďaka pôsobeniu proteínov schopných "snímať" rôzne metabolické stavy.

Jeho práca sa začala s presnými mikroskopickými pozorovaniami vakuol počas intenzívnych degradačných udalostí. Vakuoly sa považujú za úložiská kvasinkových „odpadkov“ a bunkových zvyškov.

Tým, že pozoroval kvasinky s defektnými mutantnými genotypmi pre rôzne gény súvisiace alebo hypoteticky súvisiace s autofágiou (známe ako gény ATG), bol tento výskumný pracovník a jeho spolupracovníci schopní opísať autofagický systém kvasiniek na genetickej úrovni.

Následne táto skupina vedcov určila hlavné genetické vlastnosti proteínov kódovaných týmito génmi a významne prispela k ich interakcii a tvorbe komplexov zodpovedných za iniciovanie a vykonávanie autofágie v kvasinkách.

Vďaka práci Yoshinoriho Ohsumiho dnes lepšie rozumieme molekulárnym aspektom autofágy, ako aj jej dôležitým dôsledkom na správne fungovanie buniek a orgánov, ktoré nás tvoria.

Referencie

1. Alberts, B., Johnson, A., Lewis, J., Morgan, D., Raff, M., Roberts, K., & Walter, P. (2015). Molecular Biology of Cell (6. vydanie). New York: Garland Science.
2. Klionsky, DJ, a Emr, SD (2000). Autofágia ako regulovaná cesta degradácie buniek. Science, 290, 1717-1721.
3. Mizushima, N. (2007). Autofágia: proces a funkcia. Genes & Development, 21, 2861 - 2873.
4. Mizushima, Noboru a Komatsu, M. (2011). Autofágia: Obnova buniek a tkanív. Cell, 147, 728 - 741.
5. Rabinowitz, JD, a White, E. (2010). Autofágia a metabolizmus. Science, 330, 1344 - 1348.