Механизм аутофагии: Как аутофагия может сохранить здоровье и продлить жизнь

Макроаутофагия включает образование субклеточных структур с двойной мембраной, называемых аутофагосомами, содержащих разлагаемое содержимое для секвестрации цитоплазматических материалов и доставки их в лизосомы для разложения лизосомальными ферментами. .

Продукты разложения можно повторно использовать для функционирования клеток. Процесс макроаутофагии (далее именуемый аутофагией) начинается с инициирования образования изолирующей мембраны (фагофора), процесса, называемого зародышеобразованием.Рост фагофора (удлинение или расширение) заканчивается завершением аутофагосомы. Затем при слиянии аутофагосомы с лизосомой образуется автолизосома, в которой заключенный материал разрушается [6, 7, 35].

Шаперон-опосредованная аутофагия (CMA) отличается от других типов аутофагии двумя свойствами, а именно ее селективностью в отношении определенного пула цитозольных белков и механизмом доставки белков-субстратов в лизосомы. Подсчитано, что около 30% растворимых цитозольных белков мечены пентапептидом-мишенью СМА KFERQ.Только белки, несущие этот конкретный нацеливающий мотив в своей аминокислотной последовательности, избирательно распознаются родственным белку теплового шока 70 кДа (hsc70), шапероном, который обеспечивает их доставку в лизосомы [32–34]. Некоторые из следующих идентифицированы как субстратные белки, которые включают гликолитические ферменты (глицеральдегид-3-фосфатдегидрогеназа, альдолаза и фосфоглицеромутаза), протеасома 20S, факторы транскрипции и ингибиторы факторов транскрипции (c-fos, ингибитор NF κ B [I κ B]), α 2-микроглобулин, кальций-связывающие белки (аннексины I, II, IV и VI) и белки, связанные с везикулярным переносом (-синуклеин) [32, 36].

После того, как мотив нацеливания CMA распознается hsc70, комплекс субстрат / шаперон направляется на поверхность лизосом, где он связывается с ассоциированным с лизосомами мембранным белком типа 2A (LAMP-2A), рецептором для CMA [37] . После связывания субстрат разворачивается [38] и пересекает лизосомную мембрану с помощью лизосомальной формы hsc70 (lys-hsc70), присутствующей в просвете [39]. Субстраты CMA достигают просвета лизосом непосредственно через лизосомальную мембрану. Транспорт является насыщаемым, что требует источника энергии (АТФ) и зависит от температуры (связывание происходит при температурах до 10 ° C, но транспорт обнаруживается только при температурах выше 25 ° C) [40, 41].

Селективность разложения, связанная с CMA, кажется полезной в определенных условиях, в которых требуется различение для разных типов белков. Во время длительного голодания CMA обеспечивает аминокислоты, необходимые для синтеза белка, но также способствует деградации ненужных белков по сравнению с белками, необходимыми для выживания клеток [42, 43]. Точно так же во время легкого окислительного стресса [44] или после воздействия токсичных соединений, модифицирующих белок [45], это позволяет селективно удалять белки, поврежденные или измененные в этих условиях.

9. Аутофагия и рак

Изменение гибели клеток при раке является одним из признаков, и эти клетки находятся под давлением выживания. Неудача в апоптозе вызывает трансформацию этих клеток и приводит к генетическим повреждениям и канцерогенезу [46, 47]. Существует так много информации о мутационных и экспрессионных изменениях генов апоптоза, таких как Fas и каспазы, при раке человека [48–51]. Однако данные по генам аутофагии более ограничены, чем по апоптозу [52–54]. Сообщается, что при раке гены ATG2, ATG5, ATG9, ATG12 и UVRAG мутируют с микросателлитной нестабильностью [55].Ген Atg6 (Beclin1) удален при некоторых раковых заболеваниях [55], а точечные мутации редко обнаруживаются при раковых заболеваниях человека [54]. Мутировавший UVRAG связывается с Beclin-1 при раке желудка и толстой кишки с микросателлитной нестабильностью [53]. Гены антиапоптоза, вероятно, будут потенциальными онкогенами, тогда как гены смерти процессов, вероятно, будут потенциальными генами-супрессорами опухолей. О роли аутофагии в развитии рака ведутся споры. Некоторые данные подтверждают идею о том, что аутофагия подавляет онкогенез, тогда как другие данные предполагают, что аутофагия усиливает онкогенез и защищает опухолевые клетки от гибели клеток [56].

Когда первичные эпителиальные клетки становятся бессмертными, путь гибели клеток, включающий как аутофагию, так и апоптоз, выборочно инактивируется [57]. В модельных системах образования ацинусов молочных желез и апоптоз, и аутофагия участвуют в удалении эпителиальных клеток с образованием просветных структур [58]. Это говорит о том, что аутофагия предотвращает ранние стадии развития эпителиальной опухоли. Взятые вместе, эти данные означают, что аутофагия может как стимулировать, так и предотвращать рак в зависимости от контекста.Для дальнейшей проверки этой идеи гораздо интереснее изучить мышей с дефектами в других генах Atg, чтобы увидеть, есть ли у них также фенотип предрасположенности к раку, подобный мышам Beclin-1 +/-.

ATG5 — белок, участвующий в ранней стадии формирования аутофагосом [59, 60]. Связывание ATG5 с ATG12 способствует образованию аутофагосом, которые секвестрируют цитоплазматический материал перед доставкой в ​​лизосомы [61]. Стимулы апоптоза расщепляют ATG5, который впоследствии перемещается в митохондрии и запускает активацию каспаз.Экспрессия ATG5 повышает чувствительность опухолевых клеток к химиотерапии, но подавление ATG5 приводит к устойчивости к химиотерапии [62].

Роль аутофагии при раке является предметом интенсивных дискуссий. Как упоминалось выше, аутофагия позволяет клетке реагировать на изменяющиеся условия окружающей среды, такие как лишение питательных веществ. При голодании аутофагия значительно увеличивается, позволяя клетке разрушать белки и органеллы и, таким образом, получать источник макромолекулярных предшественников, таких как аминокислоты, жирные кислоты и нуклеотиды, которые в противном случае были бы недоступны.Таким образом, аутофагия выполняет защитную роль, позволяя клеткам выживать во время дефицита питательных веществ.

Более того, когда в этих условиях предотвращается аутофагия, клетки подвергаются апоптозу [63, 64]. Таким образом, когда опухолевые клетки голодают, аутофагия останавливает их от смерти, подавляя апоптоз. В опухоли это может означать, что аутофагия поддерживает жизнеспособность опухолевых клеток, когда ограниченный ангиогенез приводит к депривации питательных веществ и гипоксии. Следовательно, мы ожидаем, что усиление аутофагии будет способствовать росту солидных опухолей, тогда как снижение аутофагии может предоставить полезный способ ограничить рост опухоли.В отличие от этого потенциального канцерогенного эффекта аутофагии, многочисленные доказательства указывают на противораковую роль. Ген аутофагии Beclin-1 (аналог дрожжевого гена Atg6 у млекопитающих), который является частью комплекса фосфатидилинозитол-3-киназы типа III, необходимого для образования аутофагических пузырьков, является гаплонедостаточным опухолевым супрессором у мышей [65, 66] и является моноаллельно теряется в опухолях груди, яичников и других людей [67]. Более того, p53 и PTEN являются двумя из наиболее часто мутируемых генов-супрессоров опухолей, и оба вызывают аутофагию [68, 69].Напротив, онкогенный белок Bcl-2 напрямую взаимодействует с Beclin-1, подавляя аутофагию [70], потому что онкогены могут ингибировать аутофагию, а опухолевые супрессоры вызывают аутофагию. Принимая во внимание, что истинный регулятор аутофагии сам по себе является супрессором опухоли, эти данные предполагают, что аутофагия играет противораковую роль. Механизм, с помощью которого аутофагия тормозит развитие опухоли, неясен. Возможности включают ограничение роста опухолевых клеток или уменьшение мутагенеза или других повреждений, вызванных активными формами кислорода, путем удаления поврежденных митохондрий и других органелл.В качестве альтернативы аутофагия может убивать развивающиеся опухолевые клетки.

10. Аутофагия и гибель клеток

Программируемую гибель клеток можно разделить на апоптотическую (тип I) и аутофагическую (тип II) гибель клеток. Кроме того, могут быть формы запрограммированного некроза и другие, еще менее четко определенные пути смерти. Молекулярные пути, участвующие в регуляции и реализации апоптоза, хорошо определены. Но механизмы гибели аутофагических клеток изучены недостаточно. Попытки определить гибель аутофагических клеток были ограничены морфологическими характеристиками, такими как обширное аутофагосомное / аутолизосомное образование и транслокация Atg-8 / LC3 в аутофагические пузырьки.В последнее время появились сообщения, в которых определен один механизм гибели аутофагических клеток. Эти исследователи показали, что аутофагическая гибель клеток, вызванная ингибированием каспаз, достигается за счет избирательной аутофагической деградации каталазы, которая приводит к генерации активных форм кислорода, убивающих клетку [71].

11. Аутофагия и болезни

В последнее время было опубликовано несколько обзоров об аутофагии, связанной с раком и другими заболеваниями [67, 72]. Аутофагия — это генетически запрограммированный, эволюционно консервативный процесс, разрушающий долгоживущие клеточные белки и органеллы.Аутофагия важна для нормального развития и реагирует на меняющиеся раздражители окружающей среды. Помимо своей роли при раке, он важен при многих заболеваниях, включая бактериальные и вирусные инфекции, нейродегенеративные расстройства, некоторые миопатии и сердечно-сосудистые заболевания [72].

12. Миопатии

Нейрональные ткани и скелетные мышцы являются основными органами, в которых аутофагия физиологически усилена [73]. Накопление аутофагических вакуолей наблюдается в скелетных миофибриллах при некоторых нервно-мышечных расстройствах [74–78].На основании исследований вакуолей эти заболевания называются аутофагическими вакуолярными миопатиями (АВМ). Два расстройства, принадлежащие к этой группе, были связаны с первичными дефектами лизосомального белка, а именно болезнь Данона и болезнь Помпе [79].

13. Болезнь Данона

Болезнь Данона вызывается первичной недостаточностью лизосомального мембранного белка и ассоциированного с лизосомами мембранного белка-2 (LAMP-2) вместо гликолитического фермента [80]. Фактически, накопление гликогена не является постоянным признаком, и подробные патологические признаки отличаются от таковых при дефиците кислой мальтазы.Не следует использовать название «болезнь накопления гликогена IIb (GSDIIb)», поскольку ранее считалось, что это заболевание вызвано дефицитом мальтазы [81]. Болезнь Данона характеризуется Х-сцепленным доминантным типом наследования, в результате чего мужчины страдают более серьезно, чем женщины, хотя у женщин симптомы развиваются позже [82].

Причинный белок, LAMP-2A, представляет собой одинарный мембранный белок с молекулярной массой 95–120 кДа. Сообщалось, что LAMP-2A функционирует как рецептор для опосредованной шапероном аутофагии, в которой выборочно отбираются определенные цитозольные белки с консенсусной последовательностью, содержащей мотив последовательности, родственный пентапептиду KFERQ, такие как рибонуклеаза A и глицеральдегид-3-фосфатдегидрогеназа. вверх и деградирует в лизосоме [83, 84].

Было продемонстрировано, что LAMP-2A необходим для преобразования ранних аутофагических вакуолей в вакуоли, что указывает на его участие в слиянии аутофагических вакуолей с эндосомами и лизосомами. LAMP 2-дефицитные мыши демонстрируют повышенную смертность после 20-дневного возраста и демонстрируют накопление аутофагических вакуолей в печени, почках, поджелудочной железе, сердечных и скелетных мышцах [85]. Нарушения нормального развития аутофагического процесса в отсутствие LAMP-2 были представлены с использованием культивированных гепатоцитов.К ним относятся накопление ранних аутофагических вакуолей и внутриклеточное неправильное нацеливание лизосомных ферментов и LAMP-1. Вместо повышения секреции лизосомальных ферментов эти культивированные гепатоциты демонстрируют неправильный процессинг катепсина D, аномальное удержание маннозо-6-фосфатных рецепторов в аутофагических вакуолях, снижение деградации долгоживущих белков и незначительную индукцию аутофагической деградации белков после голодания.

14. Х-связанная миопатия с избыточной аутофагией (XMEA)

XMEA — редкая Х-сцепленная рецессивная АВМ, характеризующаяся медленно прогрессирующей слабостью и атрофией проксимальных мышц [86].Большинство пациентов сохраняют самостоятельное передвижение даже после 60 лет. Мышечная патология аналогична результатам, наблюдаемым при болезни Данона. Есть некоторые особенности, которые отличаются от болезни Данона, что указывает на то, что XMEA — это другая миопатия. Другие характерные особенности включают отложение комплемента C5b-9 и кальция [87] на сарколемме. Электронная микроскопия показывает, что базальная пластинка кажется многослойной [88] и что многочисленные экзоцитозированные материалы находятся внутри базальной пластинки [86, 89].До сих пор ген, ответственный за XMEA, не был идентифицирован, но был нанесен на карту в теломерной области длинного плеча хромосомы X (Xq28). Поскольку XMEA имеет сходство в патологии с Danon, было высказано предположение, что причинный ген, вероятно, кодирует лизосомальный белок.

15. Болезнь Помпе (дефицит кислотной мальтазы)

Болезнь Помпе (или болезнь накопления гликогена типа II) является аутосомно-рецессивным заболеванием, вызванным первичным дефицитом кислоты α -1,4-глюкозидазы, которая также называется кислой мальтазой.Это лизосомальная кислота α -глюкозидаза (GAA; EC 3.2.1.3), экзо-1,4- и -1,6- α -глюкозидаза, которая специфически гидролизует гликоген до глюкозы. Предшественник белка GAA содержит 952 аминокислоты с прогнозируемой молекулярной массой 110 кДа. Кроме того, вновь синтезированный предшественник подвергается нескольким стадиям обработки с получением зрелых форм 70 и 76 кДа. Сообщалось о более чем 50 мутациях в гене, кодирующем GAA, которые приводят к полному или частичному дефициту лизосомального GAA.Важно отметить, что среди всех ферментов, ответственных за болезнь накопления гликогена, GAA является единственным ферментом, локализованным в лизосомах, в то время как все другие ферменты присутствуют в цитозоле. Лизосомная аномалия наблюдается только при болезни Помпе среди всех болезней накопления гликогена и является прототипом лизосомального расстройства накопления [90, 91]. Клинически это заболевание подразделяется на две формы: младенческая и с поздним началом [92]. Позднее начало болезни подразделяется на детский, ювенильный и взрослый типы. Бессмысленные мутации чаще наблюдаются в младенческой форме.Дефицит GAA приводит к накоплению лизосомального гликогена практически во всех клетках тела, но наиболее заметны его эффекты в сердечных и скелетных мышцах. Вакуоли внутрицитоплазмы более заметны при младенческой форме кислой мальтазы, чем при взрослой форме. Характерно, что эти вакуоли настолько велики, что занимают большую часть пространства во многих мышечных волокнах, что часто приводит к появлению «кружева». Более того, было замечено, что эти вакуоли содержат аморфные материалы и сильно окрашиваются периодическим кислотным окрашиванием Шиффа, что указывает на то, что они содержат гликоген.

16. Нервно-мышечные расстройства

Нервно-мышечные расстройства демонстрируют накопление телец включения, помимо наличия вакуолей в их клетках, и были классифицированы как спорадический миозит с тельцами включения (sIBM). Спорадический миозит с тельцами включения (sIBM) — наиболее частое прогрессирующее мышечное заболевание у пожилых людей [93, 94]. Характерными чертами мышечных волокон sIBM являются аутофагические вакуоли, накопление убиквитин-положительных мультипротеиновых агрегатов, содержащих неправильно свернутые белки в конформации складчатого листа амилоида, и воспаление мононуклеарных клеток [95, 96].Помимо вакуолизации мышечные волокна sIBM обладают и другими интересными особенностями, а их клинический спектр включает фенотипическое сходство с мозгом при болезни Альцгеймера и болезни Паркинсона [94].

Нарушение работы CMA было описано при семейных формах болезни Паркинсона, когда мутированный 𝛼-синуклеин доставляется в лизосомы для деградации через CMA. Но после связывания с LAMP-2A он не может перемещаться в просвет лизосомы, что приводит к блокированию этого пути [97].Во время старения активность CMA снижается из-за снижения уровней LAMP-2A на лизосомной мембране [98], вызывая накопление аномальных белков, приводящих к более высоким стрессорам, характерным для старых организмов [39, 98–101].

Вакуоли в мышечных волокнах sIBM считаются аутофагическими, поскольку они часто содержат (i) лизосомальные мембранозные остатки по данным световой и электронной микроскопии, что считается результатом неперевариваемости нормально перевернутых или патологически поврежденных клеточных белков и органелл (ii) ) положительная реакция на кислую фосфатазу и (iii) повышенная иммунореактивность некоторых лизосомальных ферментов [102, 103].Хотя патогенез sIBM кажется сложным и многофакторным, предполагается, что важным аспектом является накопление недеградированных, неправильно свернутых белков и предположительно токсичных олигомеров. Недавно сообщалось о повышенном синтезе и накоплении p62 / SQSTM1 в мышечных волокнах и культивируемых человеческих миоцитах из sIBM. Р62 представляет собой убиквитин-связывающий белок, предположительно перемещающий полиубиквитинированные белки для их деградации как протеасомами, так и лизосомами, что было продемонстрировано [104, 105].Повышенное накопление p62 / SQSTM1 в мышечных волокнах sIBM также является индикатором неадекватной системы утилизации белка.

Два основных пути деградации клеточного белка относятся к протеасоме 26S и аутофагической / лизосомной системам. Протеасома 26S, также называемая убиквитин-протеасомной системой, является основным механизмом деградации (i) нормальных регуляторных и других короткоживущих белков и (ii) неправильно свернутых белков, экспортируемых из эндоплазматического ретикулума (ER) посредством убиквитин-опосредованного АТФ-независимого процесса. [106–108].Однако долгоживущие структурные белки, поврежденные или неправильно свернутые белки и устаревшие клеточные органеллы деградируют посредством аутофагии [109–112]. Макроаутофагия относится к образованию и созреванию аутофагосом, которые представляют собой структуры, несущие белки и органеллы, предназначенные для лизосомальной деградации, как обсуждалось ранее. Аномальное накопление в клетке неправильно свернутых или поврежденных белков, которое может происходить из-за их чрезмерной продукции, ингибирования протеасом, окислительного стресса или других стрессоров, увеличивает потребность в аутофагической деградации, сопровождаемой повышенным образованием и созреванием аутофагосом [105, 107].Однако, когда деградация лизосом нарушена или количество материала, подлежащего разложению, превышает лизосомные возможности, образование аутофагосом резко увеличивается, что приводит к образованию аутофагических вакуолей. В клетках млекопитающих присутствие белка LC3-II на иммуноблотах, липидной формы аутофагосомного белка LC3 (легкая цепь 3B белка, ассоциированного с микротрубочками), считается наиболее важным индикатором повышенного образования и созревания аутофагосом [110, 112] .

Недавно обнаруженное заболевание, миопатия с тельцами включения, костная болезнь Педжета и лобно-височная деменция (IBMPFD), также обнаруживает патологию, аналогичную sIBM в мышечных волокнах.Заболевание вызвано мутацией в p97 / VCP (валозинсодержащий белок). VCP принадлежит к семейству АТФаз типа II, связанных с различными клеточными активностями (AAA), имеющим два домена АТФазы. Было высказано предположение, что он участвует в ряде клеточных активностей, включая слияние гомотипических мембран, активацию транскрипции, реконструкцию ядерной оболочки, повторную сборку постмитотических органелл, контроль клеточного цикла, апоптоз и деградацию белков, связанную с эндоплазматическим ретикулумом (ERAD).Патология включает накопление телец включения, положительных по убиквитину и Tar-связывающему белку-43 (TDP-43). Белок TDP-43 эволюционно консервативен, и его структура состоит из богатого глицином домена и двух мотивов распознавания РНК. Точная функция TDP-43 остается неясной, хотя известно, что он связывает ДНК и РНК (такие как мотивы последовательности ДНК TAR вируса иммунодефицита человека 1 типа) и участвует в регуляции сплайсинга матричной РНК и пропуска экзонов. Также было продемонстрировано повышенное окрашивание LC3-II и TUNEL-положительные ядра.Клинический спектр также включает костную болезнь Педжета и лобно-височную деменцию, помимо миопатии с тельцами включения. Эти данные предполагают, что IBMPFD может быть следствием нарушения аутофагии и ER стресса [113].

17. Заболевания, связанные с аутофагией, и их лечение

Несколько лекарств использовались для лечения расстройств, связанных с аутофагией, но одновременное лечение еще не появилось. Здесь основное внимание уделялось лекарствам по отдельности или в сочетании с лечением болезни. Лекарства использовались для того, чтобы вызвать или заблокировать путь аутофагии, чтобы облегчить заболевание.

3-Метиладенин (3-МА) — агент, давно известный как селективный и мощный ингибитор зависимой от аутофагии деградации белка и подавляющий образование аутофагосом [114, 115]. Другой агент, бафиломицин A1 (Baf A1), блокирует слияние аутофагосом и лизосом [116]. И 3-МА, и Baf A1 могут ингибировать аутофагию в дозах 10 мМ и 100 нМ соответственно в клетках NB4. Экспрессия как LC3, так и Beclin1 снижалась при обработке 3-МА. В клетках, обработанных Baf A1, аутофагия подавляется до слияния аутофагосом и лизосом.В результате агрегаты LC3-II были обнаружены на аутофагосомах и не могут быть разложены посредством слияния аутофагосом и лизосом. Следовательно, в этих клетках увеличение экспрессии LC3-II указывает на подавление аутофагии.

Другой препарат LY2

(LY) является ингибитором пути Akt. LY был использован для изучения того, подавляет ли блокирование пути Akt аутофагию. Результаты ЭМ показывают, что образование аутофагосом уменьшилось в обработанных LY клетках. Кроме того, Beclin-1 и LC3-II также уменьшаются в клетках NB4.Это означает, что ингибирование Akt может подавлять аутофагию [116].

До настоящего времени было зарегистрировано четыре ингибитора p97. (1) Иэярестатин I является ингибитором ERAD, который, как было установлено, напрямую связывается с p97 и ER. Он ингибирует p97-ассоциированные деубиквитинирующие ферменты, а также p97-зависимую деградацию белка, за исключением активности АТФазы. Было продемонстрировано, что деубиквитинирование, связанное с p97, участвует в ERAD. (2) Соединения 2-анилино-4-арил-1,3-тиазола ингибировали активность АТФазы p97 и связанное с p97 расщепление белка.(3) Ингибитор Syk III необратимо подавлял активность АТФазы р97 за счет его взаимодействия с Cys522 в пределах домена АТФазы D2 р97 и слитого с убиквитином репортерного белка. (4) Химический агент N2, N4-дибензилхиназолин-2,4-диамин (DBeQ) был идентифицирован как селективный, мощный, обратимый и АТФ-конкурентный ингибитор p97 путем скрининга библиотеки химических соединений. DBeQ ингибировал ERAD и аутофагию и индуцировал апоптоз, активируя несколько каспаз. DBeQ также показал антипролиферативную активность в отношении раковых клеток человека.

Было продемонстрировано, что ингибирование системы убиквитин-протеасома и гомеостаза ER может предложить привлекательные терапевтические возможности для определенных типов рака человека. Таким образом, разработка ингибиторов p97 стала терапевтической стратегией лечения рака человека. Интересно отметить, что уровень экспрессии p97 коррелирует с прогрессированием, прогнозом и рецидивом определенных типов рака [117].

Идентифицировано множество соединений, которые либо препятствуют, либо блокируют функцию протеасомы.К ним относятся β -лактоны, такие как кластолактацистин, пептидилальдегиды, такие как MG132 (карбобензокси-L-Leu-L-Leu-L-Leu), и пептидилборонаты, такие как Velcade (бортезомиб / PS-341). Лактацистин связывается ковалентно, тогда как MG132 и Velcade обратимо связываются с N-концевым остатком Thr субъединицы 1 внутри 26S протеасомы. Велкейд (бортезомиб / PS-341) — это ингибитор протеосом, который, как было показано, блокирует целевую протеолитическую деградацию короткоживущих белков, которые участвуют в поддержании, росте, делении и гибели клеток, что позволяет использовать ингибиторы протеасомы в качестве терапевтических агентов. .Было продемонстрировано, что использование одного ингибитора протеасомы для терапии и комбинация ингибиторов протеасом лактацистина и MG132 могут быть более эффективными в индукции апоптоза [118].

18. Заключение

Таким образом, вместе взятые, необходимо углубленное изучение механизма и регуляции аутофагии при раке, а также его индукторов и ингибиторов для лечения заболевания. Точно так же необходимо сосредоточить внимание на некоторых миопатиях и нервно-мышечных расстройствах в отношении аутофагии и гибели клеток.Исследование может быть полезным при открытии лекарств и их применении для облегчения расстройств, связанных с аутофагией.

Обзор аутофагии: морфология, механизм и регулирование

Антиоксидный окислительно-восстановительный сигнал. 2014 20 января; 20 (3): 460–473.

Отдел молекулярной, клеточной биологии и биологии развития, Институт наук о жизни, Мичиганский университет, Анн-Арбор, штат Мичиган.

Поступила в редакцию 15 апреля 2013 г .; Пересмотрено 21 мая 2013 г .; Принято 2 июня 2013 г.

Abstract

Значение: Аутофагия — это высококонсервативный процесс рециклинга эукариотических клеток. Благодаря деградации цитоплазматических органелл, белков и макромолекул, а также повторному использованию продуктов распада аутофагия играет важную роль в выживании и поддержании клеток. Соответственно, нарушение этого процесса способствует возникновению патологий многих болезней человека. Последние достижения: В настоящее время проводятся обширные исследования, чтобы лучше понять процесс аутофагии. В этом обзоре мы описываем современные знания о морфологии, молекулярном механизме и регуляции аутофагии млекопитающих. Critical Issues: На механистическом и нормативном уровнях все еще остается много неотвеченных вопросов и нерешенных моментов. Будущие направления: Благодаря дальнейшим исследованиям более полное и точное представление о молекулярном механизме и регуляции аутофагии не только укрепит наше понимание этого важного клеточного процесса, но и поможет в разработке новых методов лечения заболеваний человека в какая аутофагия не работает должным образом. Антиоксид. Редокс-сигнал. 20, 460–473.

Введение

Аутофагия — это процесс клеточной деградации и рециклинга, который очень консервативен у всех эукариот. В клетках млекопитающих существует три основных типа аутофагии: микроаутофагия, макроаутофагия и шаперон-опосредованная аутофагия (CMA). Хотя каждый из них морфологически отличен, все три завершаются доставкой груза в лизосому для деградации и рециклинга (154). Во время микроаутофагии инвагинации или выступы лизосомальной мембраны используются для захвата груза (101).Поглощение происходит непосредственно на ограничивающей мембране лизосомы и может включать интактные органеллы. CMA отличается от микроаутофагии тем, что не использует мембранные структуры для секвестрации груза, а вместо этого использует шапероны для идентификации белков груза, которые содержат конкретный пентапептидный мотив; эти субстраты затем разворачиваются и индивидуально перемещаются непосредственно через лизосомную мембрану (95). В отличие от микроаутофагии и CMA, макроаутофагия включает секвестрацию груза от лизосомы.В этом случае синтез de novo двойных мембранных везикул — аутофагосом — используется для секвестрации груза и последующей транспортировки его к лизосомам (157).

Три типа аутофагии в клетках млекопитающих. Макроаутофагия основывается на образовании de novo цитозольных двойных мембранных везикул, аутофагосом, для изоляции и транспортировки грузов к лизосомам. Опосредованная шапероном аутофагия переносит отдельные развернутые белки непосредственно через лизосомальную мембрану.Микроаутофагия включает прямое поглощение груза через инвагинацию лизосомальной мембраны. Все три типа аутофагии приводят к деградации груза и высвобождению продуктов распада обратно в цитозоль для повторного использования клеткой. См текст для деталей. Чтобы увидеть эту иллюстрацию в цвете, читателя отсылают к веб-версии этой статьи по адресу www.liebertpub.com/ars

Из трех типов аутофагии макроаутофагия изучена лучше всего. Макроаутофагия конститутивно протекает на низком уровне и может быть дополнительно индуцирована в стрессовых условиях, таких как нехватка питательных веществ или энергии, для разложения цитоплазматического материала на метаболиты, которые могут использоваться в процессах биосинтеза или выработке энергии, обеспечивая выживание клеток (157).В нормальных условиях роста макроаутофагия способствует поддержанию клеток путем деградации поврежденных или избыточных органелл (154). Таким образом, макроаутофагия — это прежде всего цитопротекторный механизм; однако чрезмерное саморазложение может быть вредным. Соответственно, аутофагическая дисфункция связана с множеством патологий человека, включая болезни легких, печени и сердца, нейродегенерацию, миопатии, рак, старение и метаболические заболевания, такие как диабет (148).

В этом обзоре представлен обзор современного состояния знаний об аутофагии с акцентом на морфологию, молекулярный механизм, регуляцию и селективность макроаутофагии млекопитающих.

Микроаутофагия

Микроаутофагия относится к процессу, при котором цитоплазматическое содержимое попадает в лизосому через инвагинацию или деформацию лизосомальной мембраны (94). В одном раннем исследовании с помощью электронной микроскопии было показано, что изолированные лизосомы печени крысы поглощают частицы Перколла in vitro посредством выступов или чашеобразных инвагинаций лизосомальной мембраны, образуя пузырьки внутри лизосомы. Некоторые из этих частиц были замечены в свободном плавании в просвете лизосом, предположительно в результате разрыва / лизиса везикул (93).Совсем недавно проведенное исследование представило доказательства того, что процесс, подобный микроаутофагии, называемый эндосомной микроаутофагией, переносит растворимые цитозольные белки в везикулы поздних эндосомных мультивезикулярных тел (123). Из-за ограниченного количества инструментов, доступных для изучения микроаутофагии, мы относительно мало знаем об этом процессе, включая его регуляцию и возможные роли в здоровье и болезнях человека (101).

Шаперон-опосредованная аутофагия

Второй тип аутофагии, который до сих пор был описан только в клетках млекопитающих, — это CMA.В отличие от микроаутофагии и макроаутофагии, которые могут неспецифически поглощать объемную цитоплазму, CMA очень специфичен; Общим для всех субстратов CMA является направленный на пентапептид мотив, биохимически связанный с KFERQ (24). На основании анализа последовательностей и экспериментов по иммунопреципитации установлено, что примерно 30% цитозольных белков содержат такую ​​последовательность (16). Белки-мишени, содержащие консенсусный мотив KFERQ, разворачиваются под действием цитозольных шаперонов и перемещаются непосредственно через лизосомную мембрану, где они разрушаются в просвете (114).CMA разрушает широкий спектр субстратных белков, включая определенные гликолитические ферменты, факторы транскрипции и их ингибиторы, кальций и липидсвязывающие белки, субъединицы протеасом и белки, участвующие в везикулярном переносе (3).

Во время CMA мотив KFERQ распознается 70 кДа белком 8 теплового шока (HSPA8 / HSC70), а также другими кохаперонами () (17). Затем HSPA8 может доставлять субстрат к лизосомной мембране, где он, вероятно, способствует развертыванию субстрата (1). На лизосомальной мембране субстрат связывается с мономерами рецептора субстрата CMA, мембранного белка 2A, ассоциированного с лизосомами (LAMP2A) (18).Это связывание субстрат-рецептор приводит к мультимеризации LAMP2A (8, 18). По мере формирования мультимерного транслокационного комплекса субъединицы комплекса стабилизируются на просветной стороне лизосомальной мембраны с помощью HSP90 (8). После транслокации субстрата в просвет лизосомы — отчасти за счет действия люменального HSPA8 — комплекс транслокации активно разбирается цитозольным HSPA8, и LAMP2A возвращается в мономерное состояние, где он может связывать новый субстрат и инициировать новый раунд транслокации. (8).

Регуляция процесса транслокации происходит на уровне связывания субстрата с LAMP2A, что является лимитирующим для CMA (19). Изменения уровней LAMP2A на лизосомальной мембране модулируют уровень активности CMA и в первую очередь являются результатом изменений в деградации и организации LAMP2A, а не в синтезе белка (8, 19, 20). Некоторые данные подтверждают идею о том, что перераспределение LAMP2A между жидкими областями лизосомальной мембраны и микродоменами, обогащенными липидами, влияет на деградацию LAMP2A (65).Хотя о регуляции транслокаций известно много, гораздо меньше ясности об общей регуляции CMA (3). Легкий окислительный стресс (66), токсины, повреждающие белок (21), и длительные периоды депривации питательных веществ — все это активирует CMA (6, 22), но внутриклеточные сигнальные пути, которые способствуют этому изменению, полностью не изучены (3).

Предполагается, что HSPA8 и LAMP2A также участвуют в типе макроаутофагии, называемой селективной аутофагией с помощью шаперонов. Во время этого процесса шапероны способствуют удалению избирательно убиквитинированных органелл и белковых комплексов (76).Ассоциация этих убиквитинированных мишеней с рецепторами, такими как SQSTM1 / p62 и NBR1, и с ферментами, включая HDAC6, позволяет распознавать механизм макроаутофагии, доставлять в лизосомы и деградацию (74, 76, 81).

Макроаутофагия

Основная морфологическая прогрессия

Как указано выше, макроаутофагия отличается от микроаутофагии и CMA частично потому, что начальный участок секвестрации происходит вдали от ограничивающей мембраны лизосомы и включает образование цитозольных пузырьков, которые транспортируют груз. к этой органелле.Морфологическая особенность, которая делает макроаутофагию уникальной по сравнению с другими процессами передачи внутриклеточных пузырьков, заключается в том, что секвестрирующие пузырьки, называемые аутофагосомами, образуют de novo , а не через отрастание мембран; то есть аутофагосома формируется путем расширения и не отпочковывается из уже существующей органеллы, уже содержащей груз (152). При индукции макроаутофагии у дрожжей образование аутофагосом начинается с единственного перивакуолярного сайта, называемого сайтом сборки фагофоров (PAS) (14).В системах млекопитающих генерация аутофагосом инициируется в нескольких сайтах по всей цитоплазме, а не в одном PAS (14, 57). Некоторые исследования показывают, что структуры, связанные с эндоплазматическим ретикулумом (ER), называемые омегасомами, могут служить сайтами инициации у млекопитающих (41, 155).

После инициации мембрана начинает расширяться. На этой стадии он называется фагофором, который представляет собой первичный изолирующий отсек с двойной мембраной () (43). Источник мембраны, из которой состоит фагофор, широко обсуждается, но различные исследования предполагают участие плазматической мембраны (120, 121), ER (41, 155), комплекса Гольджи (134) и митохондрий (36) в качестве возможных источников (107). , 145).Когда фагофор расширяется, мембрана изгибается, образуя в конечном итоге сферическую аутофагосому. Факторы, определяющие кривизну мембраны во время неспецифической макроаутофагии, неизвестны. В случае селективной макроаутофагии мембрана, по-видимому, по существу оборачивается вокруг груза; таким образом, подстраиваясь под конкретную цель (102). По завершении фагофор полностью окружает свой груз и сливается, образуя двухмембранную аутофагосому. Размер аутофагосомы варьируется в зависимости от организма и типа груза.Например, диаметр аутофагосом колеблется от ~ 0,4 до 0,9 мкм у дрожжей и от 0,5 до 1,5 мкм у млекопитающих (104, 117, 127, 136).

Морфология макроаутофагии. Зарождение фагофора происходит после индукции комплексом ULK1 / 2. Удлинению фагофора способствует комплекс ATG12 – ATG5-ATG16L1, комплекс PtdIns3K класса III, LC3-II и ATG9. В конце концов, расширяющаяся мембрана закрывается вокруг своего груза, образуя аутофагосому, и LC3-II отщепляется от внешней мембраны этой структуры.Затем внешняя мембрана аутофагосомы сливается с лизосомальной мембраной с образованием автолизосомы. В некоторых случаях аутофагосома может сливаться с эндосомой, образуя амфисому, прежде чем сливаться с лизосомой. Затем содержимое автолизосомы разрушается и экспортируется обратно в цитоплазму для повторного использования клеткой. См текст для деталей. Эта цифра была модифицирована из работы Янга и Клионского (153). ATG, связанный с аутофагией; PtdIns3K, фосфатидилинозитол-3-киназа; ULK, unc-51-подобная киназа ( C.elegans ). Чтобы увидеть эту цветную иллюстрацию, читателя отсылают к веб-версии этой статьи по адресу www.liebertpub.com/ars

После того, как аутофагосома сформирована, она должна доставить свой груз в лизосому у млекопитающих или в функционально связанную вакуоль у млекопитающих. дрожжи и растения. По достижении своего места назначения внешняя мембрана аутофагосомы сливается с лизосомальной / вакуолярной мембраной. У дрожжей и растений из-за относительно большого размера вакуоли это высвобождает аутофагическое тело с одной мембраной в просвет вакуоля.Однако слияние аутофагосом и лизосом у млекопитающих не приводит к образованию аутофагических тел (23). Продукт слияния аутофагосомы и лизосомы в клетках млекопитающих называется автолизосомой (152). Под воздействием кислого просвета и резидентных гидролаз лизосомы / вакуоли внутренняя мембрана аутофагосомы и, как следствие, аутофагический груз разрушаются, а составные части экспортируются обратно в цитоплазму через лизосомальные пермеазы для использования клеткой в ​​процессах биосинтеза или для генерировать энергию (157).У млекопитающих макроаутофагия часто сходится с эндоцитарным путем. Следовательно, перед слиянием с лизосомами аутофагосомы также могут сливаться с ранними или поздними эндосомами с образованием амфисом, которые затем сливаются с лизосомами, чтобы стать автолизосомами (9, 140).

Аппарат макроаутофагии

Индукция

В макроаутофагии дрожжей индукция образования аутофагосом регулируется киназным комплексом Atg1-Atg13-Atg17-Atg31-Atg29 (43). В клетках млекопитающих этот комплекс состоит из гомолога Atg1 из семейства Unc-51-подобных киназ (ULK1 или ULK2), гомолога Atg13 у млекопитающих (ATG13) и RB1-индуцибельной спиральной спирали 1 (RB1CC1 / FIP200). ), который необходим для индукции макроаутофагии и может быть ортологом дрожжевого Atg17 () (33, 38, 47, 62).Также в этом комплексе находится C12orf44 / ATG101, который напрямую связывается с ATG13, необходим для макроаутофагии и не имеет известного дрожжевого гомолога (48, 100). Комплекс ULK1 / 2-ATG13-RB1CC1 млекопитающих стабилен и образуется независимо от статуса питательных веществ (47, 62).

Индукционный комплекс состоит из ULK1 / 2, ATG13, RB1CC1 и C12orf44. В условиях, богатых питательными веществами, MTORC1 связывается с комплексом и инактивирует ULK1 / 2 и ATG13 посредством фосфорилирования. Во время голодания MTORC1 диссоциирует от комплекса, а ATG13 и ULK1 / 2 становятся частично дефосфорилированными еще не идентифицированными фосфатазами, позволяя комплексу индуцировать макроаутофагию.RB1CC1 / FIP200 и C12orf44 / ATG101 также связаны с индукционным комплексом и важны для макроаутофагии. RB1CC1 / FIP200 может быть ортологом дрожжевого Atg17, тогда как функция C12orf44 / ATG101 неизвестна. Эта цифра была изменена из работы Янга и Клионского (154). MTORC1, механистическая мишень комплекса рапамицина 1; RB1CC1, RB1-индуцируемая спиральная катушка 1. Чтобы увидеть эту иллюстрацию в цвете, читателя отсылают к веб-версии этой статьи по адресу www.liebertpub.com/ars

Связь с механистической мишенью комплекса рапамицина 1 (MTORC1 ) с индукционным комплексом, однако, зависит от статуса питательных веществ.В условиях, богатых питательными веществами, MTORC1 связывается с комплексом, но диссоциирует при недостатке питательных веществ (47). Когда MTORC1 связан с комплексом, он фосфорилирует ULK1 / 2 и ATG13, инактивируя их. Однако, когда клетки обрабатывают рапамицином или испытывают недостаток питательных веществ, MTORC1 диссоциирует от индукционного комплекса, что приводит к дефосфорилированию на этих участках и индукции макроаутофагии (47, 62). Фосфатазы, ответственные за эту стадию, пока неизвестны. Участие MTORC1 в регуляции макроаутофагии является активной областью исследований и будет обсуждаться более подробно ниже, а также в другом обзоре в этой серии форумов.

Nucleation

Следующим комплексом, привлекаемым к предполагаемому сайту образования аутофагосом, является ATG14-содержащий фосфатидилинозитол 3-киназный комплекс класса III (PtdIns3K) (57). Комплекс PtdIns3K генерирует PtdIns3P, который необходим для макроаутофагии как у дрожжей, так и у млекопитающих (13). Этот комплекс участвует в зародышеобразовании фагофора и состоит из PIK3C3 / VPS34, PIK3R4 / p150 (Vps15 у дрожжей) и BECN1 (Vps30 / Atg6 у дрожжей) (32, 55, 67, 87, 151). Как и у дрожжей, этот комплекс может функционировать либо в макроаутофагии, связываясь с ATG14, либо в пути эндоцитоза за счет взаимодействия с UVRAG (ортолог дрожжевого Vps38) (55, 85, 132).В то время как некоторые данные предполагают, что UVRAG-ассоциированный комплекс PtdIns3K участвует в формировании аутофагосом (85), другие сообщения предполагают, что он может действовать на более поздних стадиях развития аутофагосом (86). Другое исследование показало, что нокдаун siRNA UVRAG в клетках HeLa не влияет на макроаутофагию (55). Ясно, что необходимы дальнейшие исследования, чтобы полностью понять роль UVRAG в эндоцитарном и макроаутофагическом путях.

Активность комплекса PtdIns3K класса III регулируется составом субъединиц. Комплекс ATG14 (ATG14-BECN1-PIK3C3-PIK3R4) необходим для макроаутофагии. Он может положительно регулироваться AMBRA1 и отрицательно регулироваться связыванием BCL2 с BECN1 и предотвращением ассоциации с комплексом. Комплекс UVRAG (UVRAG-BECN1-PIK3C3-PIK3R4) участвует в пути эндоцитоза, а также участвует в макроаутофагии. Sh4GLB1 / Bif-1 положительно регулирует этот комплекс, связывая UVRAG. Комплекс KIAA0226 / Rubicon (KIAA0226-UVRAG-BECN1-PIK3C3-PIK3R4) отрицательно регулирует макроаутофагию.Эта цифра была изменена из работы Янга и Клионского (154). Чтобы увидеть эту цветную иллюстрацию, читателю отсылаем к веб-версии этой статьи по адресу www.liebertpub.com/ars

Регуляция комплекса PtdIns3K происходит в основном через белки, которые взаимодействуют с BECN1, что важно для макроаутофагии (87, 160). Антиапоптотический белок BCL2 связывает BECN1 и предотвращает его взаимодействие с PIK3C3; таким образом, подавляя макроаутофагию (32, 88, 116). Другой BECN1-связывающий белок, KIAA0226 / Rubicon, ингибирует активность PIK3C3 в UVRAG-ассоциированных комплексах PtdIns3K (96, 163).Двумя положительными регуляторами комплекса PtdIns3K являются AMBRA1 (который напрямую связывает BECN1) и Sh4GLB1 / Bif-1 (который взаимодействует с BECN1 через UVRAG и может участвовать в создании кривизны мембраны) (29, 133, 135). Однако очень мало известно о вышестоящих событиях, регулирующих составные части различных комплексов PtdIns3K.

В дрожжах есть несколько белков, которые связываются с PtdIns3P, генерируемым комплексом Vps34. Из них Atg18 и Atg21 играют роль в макроаутофагии и локализуются в PAS (78).Клетки млекопитающих экспрессируют два ортолога Atg18, WIPI1 и WIPI2, которые также участвуют в макроаутофагии и связываются с фагофорами во время аминокислотного голодания путем связывания с PtdIns3P (60, 118, 119). Другой PtdIns3P-связывающий белок в клетках млекопитающих — это цинковый палец, домен FYVE, содержащий 1 (ZFYVE1 / DFCP1), который ассоциируется с омегасомами, обогащенными PtdIns3P (7). Точные функции WIPI1 / 2 и ZFYVE1 в макроаутофагии до сих пор неизвестны.

Elongation

И у дрожжей, и у млекопитающих существуют две системы конъюгации, включающие убиквитин-подобные (UBL) белки, которые вносят вклад в экспансию фагофоров (145).Первая система включает образование комплекса Atg12 – Atg5-Atg16. В дрожжах белок UBL Atg12 ковалентно конъюгирован с Atg5 способом, зависящим от активирующего E1 фермента Atg7 и E2-конъюгирующего фермента Atg10 (70, 113, 129). Этот процесс отличается от убиквитинирования тем, что конъюгация Atg12 с Atg5 необратима и не требует фермента E3-лигазы (34). После конъюгации Atg12-Atg5, Atg16 нековалентно связывается с Atg5 и димеризуется с образованием более крупного комплекса (79). Ортологи этой системы млекопитающих, ATG5, ATG12 и ATG16L1, были идентифицированы и функционируют как у дрожжей (105, 113).Комплекс млекопитающих ATG12-ATG5-ATG16L1 ассоциирует с мембраной фагофоров, но диссоциирует после завершения аутофагосомы (105, 106). Одним из способов регуляции этого комплекса является белок Гольджи RAB33A, который может связываться с ATG16L1 и ингибировать его (58). Кроме того, ATG5, ATG7 и ATG12 ингибируются за счет ацетилирования ацетилтрансферазой KAT2B / p300 (82).

Комплекс конъюгации ATG12 – ATG5-ATG16L1. Убиквитин-подобный белок ATG12 необратимо конъюгирован с ATG5 ATG7- и ATG10-зависимым образом.ATG7 и ATG10 действуют как активирующие E1 и конъюгирующие с E2 ферменты, соответственно. Конъюгат ATG12 – ATG5 связывает ATG16L1 через ATG5. ATG16L1 димеризуется и позволяет связываться с фагофором, способствуя расширению мембраны. Чтобы увидеть эту иллюстрацию в цвете, читателя отсылают к веб-версии этой статьи по адресу www.liebertpub.com/ars

Вторая система UBL, участвующая в экспансии фагофоров, — это система Atg8 / LC3. Этот путь конъюгации у дрожжей начинается с процессинга Atg8 цистеиновой протеазой Atg4 для экспонирования остатка глицина на С-конце Atg8 (73).E1-подобный фермент Atg7 активирует процессированный Atg8 и передает его E2-подобному ферменту Atg3 (52). Наконец, C-концевой глицин Atg8 ковалентно конъюгирован с липидным фосфатидилэтаноламином (PE). Конъюгат Atg12-Atg5, который может действовать как лигаза E3, облегчает этот заключительный этап (30, 37, 52). Atg8-PE связан с мембраной, но может высвобождаться из мембран в результате второго Atg4-опосредованного расщепления (73). Механизм регуляции второго Atg4-зависимого события обработки, называемого деконъюгацией, неизвестен; однако это, по-видимому, является важным шагом в макроаутофагии, потому что дефекты расщепления приводят к частичной аутофагической дисфункции (111).

Гомологи млекопитающих системы Atg8 / LC3 функционируют так же, как их дрожжевые аналоги () (34). В отличие от дрожжей, у которых есть только один Atg4 и один Atg8, у млекопитающих есть четыре изоформы ATG4 и несколько Atg8-подобных белков, последние из которых делятся на подсемейства LC3 и GABARAP (44, 91, 146). В то время как оба подсемейства могут локализоваться с помощью аутофагосом (64), было предположено, что они функционируют на разных стадиях удлинения и завершения фагофоров, при этом подсемейство LC3 действует раньше подсемейства GABARAP (146).Среди Atg8-подобных белков у млекопитающих лучше всего охарактеризован LC3. Форма LC3, обработанная ATG4, обозначается как LC3-I, а форма, конъюгированная с PE, называется LC3-II (34). Липидизация LC3 в клетках млекопитающих ускоряется в условиях дефицита питательных веществ или других типов стресса (63). Хотя механизм системы конъюгации Atg8 / LC3 хорошо изучен, точная роль Atg8 / LC3 в макроаутофагии все еще неясна. Atg8 и в некоторой степени LC3 (92, 138) демонстрируют существенное усиление синтеза во время индукции макроаутофагии (72), а у дрожжей это является определяющим фактором в размере аутофагосом (149).

Система конъюгации LC3. LC3 обрабатывается ATG4 для выявления C-концевого глицина (LC3-I). ATG7, E1-подобный фермент, активирует LC3-I и передает его E2-подобному ферменту ATG3. Комплекс ATG12-ATG5-ATG16L1 может участвовать в качестве лигазы E3 в конъюгации PE с LC3-I с образованием LC3-II, который может связываться с фагофором. LC3-II впоследствии может быть расщеплен ATG4 с высвобождением LC3 (деконъюгация). ПЭ, фосфатидилэтаноламин. Чтобы увидеть эту иллюстрацию в цвете, читателю предлагается перейти к веб-версии этой статьи по адресу www.liebertpub.com/ars

Другой белок, который, как считается, участвует в удлинении фагофора, — это трансмембранный белок ATG9. У дрожжей Atg9 может циклически перемещаться между PAS и периферическими сайтами (122). Эти периферические участки называются резервуарами Atg9 или тубуловезикулярными кластерами (TVC). TVC могут быть прямыми мембранными предшественниками PAS и, следовательно, фагофоров (90, 110). Движение Atg9 зависит от комплекса Atg1-киназы, а также от мультимеризации Atg9 (42, 122). Способность Atg9 к перемещению и мультимеризации необходима для образования аутофагосом, предполагая, что эти свойства Atg9 вносят вклад в роль этого белка в рекрутировании мембраны на расширяющийся фагофор (42, 122).

У млекопитающих гомолог Atg9 (ATG9), как видно, сдвигает локализацию внутри клетки и, как предполагается, играет аналогичную роль в рекрутинге мембран (159). В условиях, богатых питательными веществами, ATG9 локализуется в сети trans -Гольджи и в поздних эндосомах (159). Однако, когда клетки испытывают недостаток питательных веществ, ATG9 колокализуется с аутофагосомными маркерами (159). Этот цикл к аутофагосомам зависит как от активности ULK1, так и от PtdIns3K и негативно регулируется MAPK14 / p38α (144, 159).Точные функции ATG9 в клетке и то, как комплекс ULK1 регулирует движение ATG9, плохо изучены.

Завершение и слияние аутофагосом

На том, что, возможно, является наименее понятным этапом макроаутофагии, расширяющийся фагофор должен в конечном итоге созреть и приблизиться к формированию завершенной аутофагосомы, которая перемещается и сливается с эндосомой и / или лизосомой, становясь автолизосомой. Движение аутофагосом к лизосомам зависит от микротрубочек (108). В слияние аутофагосом с эндосомами участвует белок VTIlB (5).UVRAG, который может связываться с комплексом PtdIns3K, может активировать GTPase RAB7, которая способствует слиянию с лизосомами (59, 86). Также было высказано предположение, что компоненты механизма SNARE, такие как VAM7 и VAM9, играют роль в слиянии (28, 31). Недавняя работа идентифицировала другой SNARE, синтаксин 17, который локализуется в завершенных аутофагосомах и необходим для слияния с эндосомой / лизосомой посредством взаимодействия с SNAP29 и эндосомным / лизосомным SNARE VAMP8 (56).

Регулирование макроаутофагии

Макроаутофагия помогает клеткам реагировать на широкий спектр внеклеточных и внутриклеточных стрессов, включая недостаток питательных веществ, присутствие / отсутствие инсулина и других факторов роста, гипоксию и стресс ER () (43).Два пути, участвующие в голодании по питательным веществам, регулируются цАМФ-зависимой протеинкиназой A (PKA) и путями TOR, которые воспринимают в первую очередь углерод и азот соответственно (130). У дрожжей PKA является ингибитором макроаутофагии в условиях, богатых питательными веществами (12). У млекопитающих это ингибирование происходит, по крайней мере, частично за счет фосфорилирования LC3 с помощью PKA (15). За свою роль в чувствительности к азоту MTORC1 положительно регулируется присутствием аминокислот. Аминокислоты регулируют белки RAG, связанные с RAS небольшие GTPases, которые активируют MTORC1 (68, 124).Предполагается, что существует некоторая перекрестная связь между путями восприятия углерода и азота, основанная на исследованиях, которые продемонстрировали, что PKA млекопитающих может фосфорилировать и, таким образом, активировать MTORC1 (11, 97). PKA также может косвенно активировать MTORC1 посредством инактивации AMP-активируемой протеинкиназы (AMPK) (26).

Регуляция макроаутофагии. Три из основных киназ, регулирующих макроаутофагию, — это PKA, AMPK и MTORC1. Эти киназы, наряду с белками, такими как TSC1 / 2 и CAMKK2 / CaMKKβ, отвечают на различные внутриклеточные и внеклеточные сигналы, регулируя макроаутофагию. Зеленые стрелки указывают на активацию цели, а красных полос указывают на ингибирование цели. См текст для деталей. Этот рисунок был изменен из работы Чена и Клионского (14). ПКА, цАМФ-зависимая протеинкиназа А; AMPK, AMP-активированная протеинкиназа; CAMKK2 / CaMKKβ, кальций / кальмодулин-зависимая протеинкиназа киназа 2, бета. Чтобы увидеть эту иллюстрацию в цвете, читатель может обратиться к веб-версии этой статьи по адресу www.liebertpub.com/ars

AMPK — это не просто основа PKA.Это основная чувствительная к энергии киназа в клетке, которая реагирует на внутриклеточные уровни АМФ / АТФ, регулируя различные клеточные процессы, включая макроаутофагию (2, 99). AMP и ATP оказывают противоположное влияние на активность AMPK, при этом связывание AMP активирует киназную активность AMPK (40). При активации низкими уровнями энергии AMPK может фосфорилировать и активировать комплекс TSC1 / 2, который косвенно ингибирует активность MTORC1 (53). Альтернативно AMPK может напрямую ингибировать MTORC1 (35, 154).В нескольких исследованиях также сообщается, что AMPK может фосфорилировать и активировать ULK1, вызывая макроаутофагию (27, 71, 84, 128). Модуляция макроаутофагии за счет восприятия энергии сохраняется у дрожжей, где Snf1, дрожжевой ортолог AMPK, служит положительным регулятором (50, 143).

Также было замечено, что увеличение цитозольных концентраций Ca ²⁺ в результате стресса ER заставляет кальций / кальмодулин-зависимую протеинкиназу 2, бета (CAMKK2 / CaMKKβ) активировать AMPK и вызывать макроаутофагию (49).Другой способ, которым стресс ER может вызывать макроаутофагию, — это передача сигналов развернутого белкового ответа (UPR). Накопление развернутых белков в ER может быть вызвано множеством клеточных стрессоров и индуцирует макроаутофагию как у дрожжей, так и у млекопитающих. Однако роль макроаутофагии в ответ на стресс ER, по-видимому, различна: некоторые исследования сообщают, что она увеличивает выживаемость клеток, в то время как другие предполагают, что она может приводить к гибели аутофагических клеток (25, 43).

Дополнительные сигналы, вызывающие индукцию макроаутофагии, включают гипоксию и отсутствие факторов роста.Даже при наличии достаточного количества питательных веществ отсутствие факторов роста приводит к индукции макроаутофагии (89). И концентрации факторов роста, и гипоксия регулируют макроаутофагию, по крайней мере частично, через MTORC1, а гипоксия может ингибировать MTORC1 даже в присутствии адекватных питательных веществ и факторов роста (2, 4). Учитывая его сложную регуляцию множеством клеточных сигнальных путей, участие MTORC1 в регуляции макроаутофагии является очень интригующей и активной областью исследований и обсуждается более подробно в другом обзоре в этой серии форумов.

Избирательная макроаутофагия и поддержание клеток

В то время как неспецифическая макроаутофагия может быть индуцирована в ответ на недостаток питательных веществ или энергии для обеспечения выживания клеток, макроаутофагия также может быть высокоспецифичной, и в этом режиме она больше влияет на поддержание клеток и гомеостаз (14, 54) . Конкретные аутофагические грузы могут включать, но не ограничиваются ими, пероксисомы, митохондрии и убиквитинированные белки (83, 139, 145).

Избирательная макроаутофагическая деградация пероксисом, называемая пексофагией, важна для большей части оборота пероксисом в нормальных условиях роста (51).Например, в печени мышей макроаутофагия ответственна за деградацию 70–80% пероксисомальной массы (156). Пероксисомы также могут разлагаться в условиях голодания, во время которого они могут быть специфически распознаваться аутофагосомами за счет связывания LC3-II с PEX14, компонентом комплекса пероксисомального транслокона, обнаруженного на пероксисомальной мембране (39). Учитывая роль пероксисом в различных метаболических функциях и негативное влияние пероксисомальной дисфункции на здоровье человека, пексофагия играет важную роль в поддержании надлежащей клеточной физиологии (139).

Митофагия — это еще один тип селективной макроаутофагии, который включает избирательную деградацию митохондрий и, как было показано, важен у млекопитающих не только для устойчивого обмена этих органелл (137), но также для развития определенных типов клеток и очистка поврежденных митохондрий (69, 80, 126). Например, для созревания эритроцитов млекопитающих митофагия используется для удаления митохондрий из незрелых клеток (80, 109, 161). Считается, что во время этого процесса белок наружной мембраны митохондрий, называемый BNIP3L / NIX, взаимодействует через WXXL-подобный мотив (также называемый взаимодействующей областью LC3) с LC3 и GABARAP на расширяющемся фагофоре, что позволяет распознавать () (158) .

Два механизма митофагии. Митохондрии очищаются от созревающих эритроцитов посредством механизма, включающего аутофагическое распознавание митохондрий посредством взаимодействия BNIP3L-LC3. Во время удаления поврежденных митохондрий PARK2 связывается с PINK1 на поверхности митохондрий и убиквитинирует белки внешней мембраны митохондрий, которые затем могут связывать SQSTM1, рецептор, который взаимодействует с LC3. В любом случае взаимодействие с LC3 приводит к секвестрации фагофором и, в конечном итоге, к деградации.Эта цифра была изменена из работы Юле и Нарендры (158). Чтобы увидеть эту иллюстрацию в цвете, читатель может обратиться к веб-версии этой статьи по адресу www.liebertpub.com/ars

Однако считается, что очистка поврежденных митохондрий происходит несколько иначе. В этом случае цитозольная E3-убиквитинлигаза PARK2 / Parkin рекрутируется в поврежденные митохондрии с помощью киназы внешней мембраны митохондрий PINK1, после чего PARK2 убиквитинирует митохондриальные субстраты, что приводит к митофагии (158).В здоровых митохондриях PINK1 импортируется во внутреннюю мембрану митохондрий, и последующее расщепление митохондриальной процессинговой пептидазой (PMPCB) и связанной с пресенилином ромбовидной протеазой (PARL) приводит к его возможной деградации. Это предотвращает накопление PINK1 на внешней мембране митохондрий, что в противном случае привело бы к митофагии здоровых митохондрий (61, 98). Гены, кодирующие PINK1 и PARK2, мутированы при аутосомно-рецессивной болезни Паркинсона (77, 142), что подчеркивает важность митофагической очистки поврежденных митохондрий для поддержания здоровья клеток и, следовательно, здоровья организма.

Другой механизм, используемый клеткой для идентификации груза для селективной деградации макроаутофагией, включает убиквитинирование. Убиквитин-связывающий белок SQSTM1 / p62 нацелен на внутриклеточные бактерии для деградации с помощью определенного типа макроаутофагии, называемого ксенофагией (162). SQSTM1 также важен для клиренса убиквитинированных белковых агрегатов, действуя как адаптерный белок, который взаимодействует с LC3-II, чтобы нацелить агрегаты для макроаутофагической деградации в процессе, называемом агрефагией (10, 115, 141).NBR1 и OPTN — это другие рецепторы, которые действуют в направлении убиквитинированных белков или патогенов к аутофагосомам (75, 147).

Выводы

Учитывая широкий спектр внеклеточных и внутриклеточных сигналов, которые могут регулировать аутофагию и диапазон возможных грузов, неудивительно узнать, что аутофагия участвует в различных аспектах здоровья человека и патофизиологии. Некоторые из этих тем будут подробно рассмотрены в других обзорах этой серии форумов. Одна из областей, которая особенно требует дальнейшего изучения, — это регуляторная сеть, контролирующая макроаутофагию.Хотя были идентифицированы несколько ключевых регуляторов макроаутофагии, вероятно, что многие регуляторные факторы еще не определены. Даже в случае относительно хорошо охарактеризованных регуляторов, таких как MTORC1, соответствующие нижестоящие мишени не полностью известны, как это верно для большинства киназ, контролирующих макроаутофагию, и очень мало информации доступно в отношении комплементарных фосфатаз. Точно так же перекрестные помехи между различными регуляторными путями не выяснены.Идентификация и характеристика таких факторов будут важны при разработке терапевтических средств, направленных на регуляторные белки; без более глубокого понимания того, как клетка интегрирует различные внеклеточные и внутриклеточные сигналы в единый макроаутофагический ответ, трудно предсказать, как регуляторная сеть будет функционировать при воздействии терапевтических средств.

Наряду с этим к потенциально интересным мишеням для терапевтического применения относятся ULK1 / 2, ATG3, ATG4, ATG7, ATG10 и PIK3C3 / VPS34.Кристаллические структуры большинства этих белков были определены у различных организмов (45, 46, 103, 112, 125, 131, 150), и, что важно, они имеют четко определенные функции и функциональные мотивы, что делает их интересными мишенями для рациональных лекарственных препаратов. дизайн. Дальнейшее разъяснение отдельных этапов макроаутофагии, дополнительные структурные исследования и более полное знание роли этого процесса в различных болезненных состояниях обеспечат лучшее понимание этого целостного клеточного процесса и могут направить разработку улучшенных методов и / или препараты для лечения дефектов аутофагии, связанных с заболеванием человека.

Используемые сокращения

Ссылки

Механизм и медицинские последствия аутофагии млекопитающих

Обзор аутофагии | Abcam

Аутофагия — это сложный процесс, при котором дисфункциональные клеточные компоненты разрушаются внутри клетки под действием лизосом. Здесь мы рассмотрим ключевые этапы и процессы, участвующие в этом пути, а также роль аутофагии при различных заболеваниях.

Загрузите наш интерактивный плакат о пути аутофагии

Компоненты цитоплазмы разбиваются на основные компоненты и возвращаются в цитозоль для повторного использования. Аутофагия — это динамический процесс, присутствующий во всех клетках на низком уровне в базовых условиях, но такие стимулы, как недостаток питательных веществ или гипоксия, могут привести к его усилению.

Аутофагия — это строго регулируемый путь, который играет важную роль в домашнем хозяйстве, позволяя клеткам устранять поврежденные или вредные компоненты посредством катаболизма и перерабатывать их для поддержания гомеостаза питательных веществ и энергии. Аутофагия также является основным защитным механизмом, который позволяет клеткам выжить в ответ на многочисленные стрессовые условия, такие как лишение питательных веществ или факторов роста, гипоксия, активные формы кислорода (АФК), повреждение ДНК или внутриклеточные патогены1.

См. Полное руководство по аутофагии здесь.

Интерактивный путь аутофагии помогает исследовать белковые взаимодействия, участвующие в различных стадиях, таких как инициация, зарождение, экспансия, созревание, слияние и деградация. Это также поможет вам легко найти лучшие продукты для вашей цели, читая всплывающие окна и таблицы продуктов, которые включают полное предложение продуктов Abcam.

Загрузите наш интерактивный путь аутофагии.

Рисунок 1 . Обзор процесса аутофагии. Расширяющаяся мембранная структура (фагофор) охватывает части цитоплазмы с последующим образованием двойной мембраны, изолирующей везикулу (аутофагосома).Аутофагосома сливается с лизосомой и высвобождает свой внутренний отсек в просвет лизосомы. Внутренняя мембранная часть аутофагосомы разрушается вместе с заключенным в ней грузом. Образовавшиеся макромолекулы попадают в цитозоль и рециркулируют через пермеазы лизосомальной мембраны2.

Инициирование и образование фагофоров

Молекулярный механизм аутофагии включает несколько консервативных белков Atg ( a u t opha g y-связанных) белков.Различные стимулы, такие как голодание по питательным веществам, приводят к образованию фагофоров, этапу, который включает два белковых комплекса:

• Комплекс Vps34, содержащий Vps34 (класс III PI3K), Beclin1 (Atg6 у дрожжей), Atg14 и Vps15 (p150).
• Комплекс ULK1, который включает серин / треонинкиназу ULK1 (Atg1 у дрожжей), важный положительный регулятор образования аутофагосом.

Удлинение фагофора и образование аутофагосом

Удлинение фагофора приводит к образованию характерной двойной мембранной аутофагосомы.Этот шаг требует двух убиквитиноподобных путей конъюгации, оба катализируемых Atg7.

• Первая убиквитиноподобная система приводит к конъюгации Atg5-Atg12, который затем образует мультимерный комплекс с Atg16L. Комплекс Atg5-Atg12-Atg16L ассоциируется с внешней мембраной расширяющегося фагофора3,4.
• Вторая система приводит к процессингу LC3, кодируемого млекопитающим гомологом дрожжевого Atg8. После индукции аутофагии LC3B протеолитически расщепляется Atg4 с образованием LC3-I.LC3-I активируется с помощью Atg7, а затем конъюгируется с фосфатидилэтаноламином (PE) в мембране с образованием обработанного LC3-II.

Обработанный LC3-II рекрутируется на растущий фагофор, и его интеграция зависит от Atg5-Atg12. В отличие от Atg5-Atg12-Atg16L, LC3-II обнаруживается как на внутренней, так и на внешней поверхности аутофагосомы, где он необходим для расширения и завершения аутофагической мембраны. После закрытия аутофагосомной мембраны комплекс Atg16-Atg5-Atg12 отделяется от пузырька, тогда как часть LC3-II остается ковалентно связанной с мембраной (Рис. 1).Следовательно, LC3-II можно использовать в качестве маркера для мониторинга уровня аутофагии в клетках.

Было высказано предположение, что различные органеллы, включая митохондрии, комплекс Гольджи и эндоплазматический ретикулум (ER), могут быть источником аутофагосомной мембраны5. Недавние исследования демонстрируют, что само-мультимеризация Atg9 может способствовать закреплению мембран и / или слиянию6.

Слияние, деградация и рециклинг

Когда формирование аутофагосомы завершено, LC3-II, прикрепленный к внешней мембране, отщепляется от PE посредством Atg4 и высвобождается обратно в цитозоль.Считается, что для слияния аутофагосомы и лизосомы требуется лизосомальный мембранный белок LAMP-1 и малая GTPase Rab7.

После слияния ряд кислотных гидролаз участвует в деградации изолированного цитоплазматического груза. Небольшие молекулы, образующиеся в результате разложения, особенно аминокислоты, транспортируются обратно в цитозоль для синтеза белка и поддержания клеточных функций в условиях голодания. Идентификация Atg22 вместе с др. Вакуолярными пермеазами (такими как Avt3 и Avt4) в качестве оттока вакуолярных аминокислот во время аутофагии дрожжей помогла в понимании механизмов рециркуляции питательных веществ7.Эти пермеасы представляют собой последний этап процесса разложения и рециркуляции7.

В настоящее время существует три типа аутофагии в клетках млекопитающих ³ :

Макроаутофагия является основным аутофагическим путем и характеризуется доставкой цитоплазматического груза к лизосоме через промежуточную двойную мембрану. связанная везикула, известная как аутофагосома, которая сливается с лизосомой с образованием автолизосомы.

Микроаутофагия включает прямое поглощение цитоплазматического груза лизосомой через инвагинацию лизосомальной мембраны.Микроаутофагия важна для поддержания размера органелл, мембранного гомеостаза и выживания клеток при ограничении азота ⁸ .

• Шаперон-опосредованная аутофагия (CMA)

Шаперон-опосредованная аутофагия (CMA) включает прямую транслокацию цитоплазматических белков через лизосомную мембрану в комплексе с шаперонными белками, которые распознаются рецептором лизосомальной мембраны LAMP-2A (ассоциированный с лизосомами мембранный белок 2A), что приводит к их разворачиванию и деградации.

Аутофагия широко вовлечена во многие патофизиологические процессы, включая рак, метаболические и нейродегенеративные нарушения, сердечно-сосудистые и легочные заболевания. Он также играет важную роль в старении и физических упражнениях ⁹ .

Аутофагия при раке

Аутофагия впервые была связана с раком благодаря роли Беклина 1, который важен для пути аутофагии и был сопоставлен с восприимчивостью к опухоли ¹⁰ .С тех пор было идентифицировано множество белков-супрессоров опухолей, которые участвуют в контроле пути аутофагии (например, p53, Bcl2, PTEN и т. Д.).

Опухолевые клетки используют аутофагический механизм, чтобы помочь им преодолеть условия ограничения питательных веществ и способствовать росту опухоли. Исследования показывают, что аутофагия может модулировать микросреду опухоли, способствуя ангиогенезу, снабжая питательными веществами и модулируя воспалительную реакцию ¹¹ .

Аутофагия при нейродегенеративных заболеваниях

Нейродегенеративные заболевания характеризуются накоплением мутантных или токсичных белков ^12,13 .Было показано, что аутофагический путь помогает выживанию клеток, удаляя нежелательные клеточные органеллы и белковые агрегаты. Нарушение специфических для аутофагии генов в нервных клетках приводит к нейродегенерации ^14,15 .

Аутофагия при сердечно-сосудистых заболеваниях

Аутофагия важна для нормального поддержания, восстановления и адаптации сердечной ткани. Поэтому неудивительно, что аутофагическая недостаточность была связана с множеством сердечных патологий ¹⁶ .

Ознакомьтесь с нашим разделом «Аутофагия при сердечных заболеваниях».

Аутофагия при инфекционных заболеваниях

Аутофагия играет ключевую роль в иммунной защите от вторжения бактерий и патогенов. При инфицировании аутофагия регулирует воспаление, презентацию антигена, захват и деградацию микроорганизмов ¹⁷ .

1. Левин Б. и Кремер Г. Аутофагия в патогенезе болезни. Cell , 11 , 27-42 (2008).
2. Мидзусима, Н. Аутофагия: процесс и функция. Genes Dev , 21 , 2861-2873 (2007).
3. Глик, Д., Барт, С., Маклауд, К.Ф. Аутофагия: клеточные и молекулярные механизмы. J. Pathol. 221 , 3-12 (2010).
4. Каур Дж. И Дебнат Дж. Аутофагия на перекрестке катаболизма и анаболизма. Нат. Rev. Mol. Cell Biol. 16 , 461-472 (2015).
5. Wei, Y., Liu, M., Li, X., Liu, J., Li, H. Происхождение мембраны аутофагосомы у млекопитающих. Biomed Res Int. 2018 : 1012789 (2018).
6. He, C., Baba, M., Cao, Y., Klionsky, D.J. Самовзаимодействие является критическим для транспорта Atg9 и его функции в сайте сборки фагофора во время аутофагии. Мол. Биол. Клетка. 19 , 5506-5516 (2008).
7. Янг, З., Хуанг, Дж., Гэн, Дж., Наир, У., Клионски, Д.Дж. Atg22 перерабатывает аминокислоты, чтобы связать функции разложения и рециклинга аутофагии. Mol Biol Cell. 17 , 5094-5104 (2006).
8. Li, W.W., Li, J, Bao, J.K. Микроаутофагия: малоизвестное самопоедание. Cell Mol. Life Sci ., 69 , 1125-1136 (2012).
9. Чой, А.М., Райтер, С.В., Левин, Б. Аутофагия в здоровье и болезнях человека. N. Engl. J. Med. , 368 , 1845-1846 (2013).
10. Liang, X.H., et al. Индукция аутофагии и ингибирование онкогенеза с помощью Беклина 1. Nature , 402 , 672-676 (1999).
11. Yang, X., et al. Роль аутофагии, индуцированной микросредой опухоли в различных клетках и стадиях рака. Cell Biosci. , 5 : 14 (2015).
12. Ravikumar, B., Duden, R., Rubinsztein, D.C. Склонные к агрегации белки с полиглутаминовыми и полиаланиновыми расширениями разрушаются за счет аутофагии. Hum. Мол. Genet ., 11, , 1107-1117 (2002).
13. Ravikumar, B., et al. Ингибирование mTOR вызывает аутофагию и снижает токсичность разложения полиглутамина на моделях болезни Хантингтона у мышей и мышей. Нат. Genet ., 36, , 585-595 (2004).
14. Komatsu, M., et al. Потеря аутофагии в центральной нервной системе вызывает нейродегенерацию у мышей. Nature, 441 , 880-884 (2006).
15. Hara, T., et al. Подавление базовой аутофагии в нервных клетках вызывает нейродегенеративное заболевание у мышей. Nature, 441 , 885-889 (2006).
16. Cuervo, A.M. Аутофагия: в болезни и в здоровье. Trends Cell Bio ., 14 , 70-77 (2004).
17. Левин, Б., Мидзусима, Н., Девственница, Х.В. Аутофагия при иммунитете и воспалении. Nature , 469 , 323-335 (2011).

границ | Транскрипционная регуляция аутофагии: механизмы и болезни

Введение

Аутофагия — это эволюционно законсервированный катаболический процесс, связанный с деградацией внутриклеточных компонентов.На сегодняшний день описаны три основных типа аутофагии: макроаутофагия, микроаутофагия и аутофагия, опосредованная шаперонами. Макроаутофагия включает образование везикулы с двойной мембраной, аутофагосомы, которая захватывает цитоплазматическое содержимое, а затем сливается с лизосомами с образованием аутофаголизосом, структур, в которых грузовые субстраты расщепляются лизосомальными ферментами (Mizushima et al., 2008; He and Klionsky, 2009). ; Hurley, Schulman, 2014). При микроаутофагии компоненты цитоплазмы напрямую импортируются в лизосому и разрушаются (Ahlberg et al., 1982; Mijaljica et al., 2011; Sahu et al., 2011), тогда как шаперон-опосредованная аутофагия характеризуется транслокацией цитозольных белков, несущих последовательность пентапептида KFERQ, через лизосомную мембрану для деградации (Kaushik and Cuervo, 2012). Таким образом, три типа аутофагии полагаются на функциональные лизосомы для переваривания внутриклеточных грузов.

Макроаутофагия (здесь именуемая аутофагией) конститутивно активна, хотя и на низких уровнях, в большинстве клеток нашего тела как часть конститутивного круговорота цитозольных компонентов (Mizushima and Komatsu, 2011).Обычно это называют «базальной аутофагией». Кроме того, различные клеточные стимулы, в частности голодание по питательным веществам, могут мощно стимулировать аутофагию, усиливая деградацию цитозольных компонентов для выработки энергии (Kaur and Debnath, 2015). Две чувствительные к питательным веществам киназы, mTORC1 и AMPK, быстро реагируют на колебания питательных веществ и фосфорилируют важные регуляторы биогенеза и созревания аутофагосом (например, слияние с лизосомами) (Egan et al., 2011). В частности, в присутствии питательных веществ mTORC1 фосфорилирует два основных белка инициации аутофагии, unc-51-подобную киназу, активирующую аутофагию (ULK) 1 и ATG13, ингибируя их проаутофагическую активность (Hosokawa et al., 2009). Напротив, истощение питательных веществ инактивирует mTORC1 и одновременно активирует AMPK, который фосфорилирует ULK1 и ATG13 по специфическим аминокислотным остаткам, способствуя активности комплекса ULK1 / ATG13 и инициации аутофагии (Shang et al., 2011). Кроме того, несколько других механизмов посттрансляционной регуляции аутофагии в ответ на колебания питательных веществ были описаны и рассмотрены в других источниках [см., Например, обзоры (He and Klionsky, 2009; Kuma and Mizushima, 2010; Rabinowitz and White, 2010; Mizushima et al.). al., 2011)].

Модуляция аутофагии в поддержании клеточного гомеостаза выходит далеко за рамки реакции на колебания питательных веществ, поскольку клетки используют аутофагию для устранения поврежденных органелл, неправильно свернутых белков и вторгшихся организмов (Deretic et al., 2006; Mizushima et al., 2008) . Нарушение регуляции этих зависимых от аутофагии цитопротекторных функций было связано с различными патологиями, включая иммунные нарушения, нейродегенеративные заболевания, рак и старение (Deretic et al., 2006; Hara et al., 2006; Komatsu et al., 2006; Харрис и Рубинштейн, 2011; Мидзусима и Комацу, 2011 г .; Белый, 2015).

Долгое время аутофагия рассматривалась как путь, регулируемый исключительно цитозольными процессами. Эта концепция была подтверждена наблюдением, что энуклеированные клетки все еще образуют аутофагосомы (Morselli et al., 2011). Однако растущее количество доказательств, собранных за последнее десятилетие, ясно указывает на то, что ядерные транскрипционные и эпигенетические события играют важную роль в регуляции аутофагии.Этот обзор призван обобщить «ядерный» контроль аутофагии, уделяя особое внимание совместной регуляции аутофагии и биогенеза лизосом с помощью фактора транскрипции EB (TFEB).

Регуляция транскрипции аутофагии

Первое наблюдение, что аутофагия может быть индуцирована на уровне транскрипции, было сделано на дрожжах Kirisako et al. (1999), которые сообщили, что азотное голодание индуцирует активацию важного гена аутофагии Apg8p, гомолога LC3 млекопитающих.За последние 10 лет несколько лабораторий продемонстрировали, что факторы транскрипции, которые усиливают экспрессию генов аутофагии (даже некоторые из них), увеличивают аутофагию и деградацию нежелательных субстратов [см. Ниже и (Lapierre et al., 2015; Füllgrabe et al., 2016). )]. Эти наблюдения открыли новый, неожиданный сценарий, указывающий на то, что активность аутофагии на самом деле может модулироваться из ядра.

Коэффициенты TFEB и MiT

Фактор транскрипции EB является членом семейства факторов транскрипции (TF) микрофтальмии / фактора транскрипции E (MiT / TFE), которое также включает белки MITF, TFE3 и TFEC (Hemesath et al., 1994). Они принадлежат к большему семейству факторов транскрипции основной спирали-петли-спирали лейциновой молнии (bHLH-Zip), таких как MYC, MAD и MAX, и имеют общий ДНК-связывающий домен и важный домен HLH плюс лейциновую молнию. для димеризации (Beckmann et al., 1990; Sato et al., 1997; Steingrimsson et al., 2002). Гомо- или гетеродимеризация необходима для активации транскрипции. Члены MiT / TFE могут образовывать гетеродимеры только друг с другом из-за структурных ограничений в их домене лейциновой молнии (Hemesath et al., 1994; Погенберг и др., 2012). Связывание с ДНК опосредуется узнаванием общей гексануклеотидной последовательности ДНК (CACGTG), известной как E-box (Hemesath et al., 1994). Эта последовательность соответствует каноническому мотиву CANNTG, распознаваемому другими факторами транскрипции bHLH-Zip, однако специфические нуклеотидные остатки, фланкирующие этот мотив, характеризуют мотив скоординированной лизосомной экспрессии и регуляции (CLEAR) (GTCACGTGAC), который предпочтительно распознается членами MiT / TFE. (Sardiello et al., 2009; Palmieri et al., 2011; Мартина и др., 2014). Биоинформатический анализ идентифицировал один или несколько мотивов CLEAR в промоторной области многих лизосомных генов. Примечательно, что эти гены принадлежат к разным функциональным категориям лизосом (ионные каналы, гидролазы, трансмембранные белки и т. Д.), Так что активация TFEB ведет к глобальному усилению катаболической эффективности лизосом (Sardiello et al., 2009).

Кроме того, TFEB также регулирует экспрессию генов, участвующих в различных этапах процесса аутофагии, таких как гены, важные для инициации аутофагии ( BECN1, WIPI1, ATG9B и NRBF2 ), удлинение мембраны аутофагосомы ( GABARAP, MAP1LC3B и ATG5 ), но также гены, важные для захвата субстрата ( SQSTM1 ) и для транспортировки аутофагосом и слияния с лизосомами ( UVRAG, RAB7 ) (Palmieri et al., 2011; Settembre et al., 2011). В результате активация TFEB вызывает резкое увеличение потока аутофагии. Сходным образом TFE3 и MITF были последовательно идентифицированы как регуляторы аутофагии и лизосомного биогенеза (Martina et al., 2014; Ploper et al., 2015).

Активность фактора транскрипции EB в значительной степени контролируется его субклеточной локализацией, которая в основном регулируется фосфорилированием (Puertollano et al., 2018). Фосфорилированный TFEB блокируется в цитозоле, следовательно, индукция транскрипции его генов-мишеней ингибируется.Напротив, при недостатке питательных веществ TFEB дефосфорилируется и быстро перемещается в ядро, где он связывается с промотором генов-мишеней (Settembre et al., 2011). На сегодняшний день идентифицированы различные киназы, фосфорилирующие TFEB. mTOR, как часть белкового комплекса mTORC1, представляет собой основную киназу, отвечающую за фосфорилирование TFEB в присутствии аминокислот (Peña-Llopis et al., 2011; Martina et al., 2012; Roczniak-Ferguson et al., 2012; Settembre и др., 2012). Ингибирование активности TFEB посредством фосфорилирования консервативных аминокислотных остатков (Ser 142, Ser 211, Ser122 и Ser138) является частью более крупного метаболического ответа, опосредованного mTORC1, направленного на отключение катаболических путей при включении анаболических при наличии питательных веществ ( Мартина и др., 2012; Рочняк-Фергюсон и др., 2012; Settembre et al., 2012; Вега-Рубин-де-Селис и др., 2017; Наполитано Г. и др., 2018). Сходным образом mTORC1 также регулирует ядерную локализацию TFE3 и некоторых изоформ MITF, таким образом эффективно ингибируя индукцию транскрипции биогенеза лизосом и аутофагии (Martina et al., 2014).

Кроме того, mTORC1 может ингибировать транскрипционную активность TFEB путем модуляции факторов транскрипции цинковых пальцев, несущих активность Kruppel-ассоциированного бокса (KRAB) и домена SCAN (ZKSCAN3) (Chauhan et al., 2013). ZKSCAN3 репрессирует большую группу лизосомальных генов и генов аутофагии, когда в клетке присутствуют питательные вещества, в частности аминокислоты. Напротив, обработка ингибитором mTOR Torin1 индуцировала исключение ядра ZKSCAN3. Подавление ZKSCAN3 усиливает TFEB-опосредованную лизосомную и аутофагическую активацию, предполагая, что эти два фактора транскрипции действуют противоположным образом, регулируя аутофагию в ответ на колебания питательных веществ (Рисунок 1A). Хотя этот механизм, по-видимому, имеет отношение к экспериментам на клеточных культурах, его значение in vivo неясно (Pan et al., 2017).

Рисунок 1. Типичная модель ядерного контроля пути лизосома-аутофагия. (A) Противодействие регулированию ZKSCAN3 и TFEB. В присутствии питательных веществ TFEB является цитозольным, а фактор транскрипции ZKSCAN3 локализуется в ядре, подавляя экспрессию генов лизосом. Во время голодания ZKSCAN3 перемещается в цитозоль, а TFEB перемещается в ядро, где активирует экспрессию гена лизосомы-аутофагии. (B) Ядерная транслокация и активация факторов транскрипции FOXO индуцируются В условиях нехватки сыворотки. (C) NFKB связывается с промотором и подавляет экспрессию Bnip3 в условиях кормления, в то время как во время голодания экспрессия Bnip3 стимулируется E2F1. (D) В присутствии питательных веществ FXR ингибирует аутофагию, предотвращая связывание PPARα с ДНК и ингибируя взаимодействие CREB с его коактиватором CRTC2. Напротив, во время голодания активность FXR ингибируется, и формируется комплекс CREB-CRTC2, который связывается с промоторами генов лизосомной аутофагии и TFEB; аналогично, опосредованное голоданием ингибирование FXR позволяет PPARα связываться с элементами DR1 в промоторах генов аутофагии. (E) Эпигенетическая регуляция аутофагии: в состоянии питания CARM1 неактивен, а BRD4 подавляет экспрессию аутофагических и лизосомных генов, регулирующих метилирование лизина 9 гистона 3. В быстром состоянии BRD4 неактивен, а CARM1 перемещается в ядро, способствуя экспрессии гена лизосомальной аутофагии посредством положительного метилирования гистона 3-аргинина 17 и индуцируя транскрипционную активность TFEB.

Помимо mTORC1, другие регулирующие рост киназы контролируют ядерную локализацию TFEB.ERK2 была первой киназой, которая была связана с фосфорилированием TFEB в ответ на доступность питательных веществ (Settembre et al., 2011). В частности, ERK2-опосредованное фосфорилирование TFEB по Ser142 ингибирует ядерную транслокацию TFEB, тем самым ограничивая активацию транскрипции его нижележащих генов-мишеней (Settembre et al., 2011; Li et al., 2018, 2019). Впоследствии киназа гликогенсинтазы 3 бета (GSK3B) была идентифицирована как киназа, ответственная за фосфорилирование TFEB по Ser134 и 138 (Li et al., 2016). Это событие, связанное с фосфорилированием по Ser142 с помощью ERK2 и mTORC1, демаскирует сигнал ядерной локализации экспорта, необходимый для цитозольного накопления TFEB (Li et al., 2018). Более того, киназы Akt и PKCβ фосфорилируют TFEB по c-концевым критическим серинам, но это фосфорилирование, по-видимому, контролирует стабильность TFEB, а не его ядерную локализацию (Ferron et al., 2013; Palmieri et al., 2017).

Транскрипционный фактор EB ядерная транслокация также может запускаться активацией кальциневрина кальциневрина и кальмодулин-зависимой серин / треонинфосфатазы (Medina et al., 2015). Примечательно, что отток кальция через лизосомный катионный канал Mucolipin1 запускает опосредованное кальциневрином дефосфорилирование и активацию TFEB, тем самым обеспечивая механистическое объяснение регуляции аутофагии с помощью передачи сигналов кальция.

Недавно было показано, что протеинфосфатаза 2A (PP2A) дефосфорилирует TFEB при индукции острого окислительного стресса арсенитом натрия (Martina and Puertollano, 2018).

На сегодняшний день механизмы, контролирующие ядерный экспорт TFEB, менее изучены, но, по-видимому, зависят от экспорта CRM1 и от наличия последовательности ядерного экспорта TFEB (Napolitano G.и др., 2018). Интересно, что mTOR-зависимое повторное фосфорилирование TFEB в ядре, по-видимому, играет важную роль в ядерном экспорте TFEB.

Эти исследования показывают, что несколько сигнальных событий регулируют субклеточную локализацию TFEB, таким образом, расценивая активацию транскрипции лизосомно-аутофагического пути как общий ответ на борьбу с различными типами клеточных стрессов.

Факторы FOXO

Класс O семейства факторов транскрипции forkhead box (FOXO) играет установленную роль в регуляции аутофагии (Webb and Brunet, 2014).У млекопитающих это семейство включает четыре члена: FOXO1, FOXO3, FOXO4 и FOXO6. Активность трех из четырех членов (FOXO1, FOXO3 и FOXO4) в основном регулируется фосфорилированием AKT в ответ на факторы роста и стимуляцию инсулином. FOXO3 был первым членом FOXO, идентифицированным как регулятор транскрипции нескольких генов аутофагии ( ATG4, ATG12, BECN1, BNIP3, LC3, ULK1, ULK2 и VPS34 ) в мышцах (Mammucari et al., 2007; Zhao et al. ., 2007; Санчес и др., 2012).Подобно тому, что сообщалось для семейства транскрипционных факторов MiT / TFE, транскрипционная активность FOXO3 в основном регулируется ядерным / цитозольным перемещением. После активации факторами роста AKT фосфорилирует FOXO3, что приводит к его задержке в цитоплазме, таким образом подавляя активацию транскрипции его генов-мишеней. Позже другой член этого семейства, FOXO1, был также описан как регулятор транскрипции различных генов аутофагии (Liu et al., 2009; Xu et al., 2011; Xiong et al., 2012). Однако FOXO1 также индуцирует аутофагию независимым от транскрипции образом: в ответ на окислительный стресс или сывороточное голодание FOXO1 ацетилируется в цитозоле и связывается с Atg7, что способствует индукции аутофагии за счет прямого взаимодействия с ключевыми регуляторами биогенеза аутофагосом (Zhao et al. , 2010; Рисунок 1Б). Совсем недавно было показано, что факторы транскрипции FOXO совместно контролируют аутофагию в хрящах и защищают от остеоартрита (Matsuzaki et al., 2018).

В частности, исследование с использованием Caenorhabditis elegans продемонстрировало, что DAF16 (FOXO у млекопитающих) физически и функционально взаимодействует с HLh40 (TFEB у млекопитающих), чтобы гарантировать соответствующую экспрессию генов-мишеней во время реакции организма на стрессоры (Lin et al., 2018). Будет важно понять, происходит ли сотрудничество FOXO-TFEB также у млекопитающих.

P53

Различные исследования показывают, что P53, наиболее изученный белок-супрессор опухолей, является индуктором пути аутофагии. Первоначально было описано, что P53 способствует аутофагии путем ингибирования пути mTORC1 посредством индукции транскрипции белков сестрина, которые активируют AMPK, ингибируя рекрутирование лизосом mTORC1 (Буданов и Карин, 2008; Chantranupong et al., 2014), и путем индукции экспрессии Damaged-Regulated-Modulator DRAM, лизосомного белка, который индуцирует аутофагию посредством еще не идентифицированного механизма (Crighton et al., 2006). Впоследствии комбинированный анализ CHIP-SEQ и RNA-SEQ, проведенный на эмбриональных фибробластах мыши (MEF) после повреждения ДНК, показал, что P53 контролирует экспрессию нескольких генов, необходимых для индукции аутофагии ( LKB1, ULK1 / 2 ) и аутофагосомы. созревание ( ATG4, ATG7 и ATG10 ) (Kenzelmann Broz et al., 2013). Более того, P53 регулирует как экспрессию, так и активность FOXO3a (You et al., 2004; Fu et al., 2009; Miyaguchi et al., 2009; Renault et al., 2011) и способствует ядерной транслокации TFEB / TFE3 при повреждении ДНК ( Jeong et al., 2018), тем самым контролируя ключевые модуляторы пути аутофагии выше по течению.

Однако цитоплазматический P53 может также действовать как негативный регулятор аутофагии, хотя механизмы, лежащие в основе этой ингибирующей регуляции, все еще неуловимы (Green and Kroemer, 2009; Comel et al., 2014). Необходимы дальнейшие исследования, чтобы полностью определить роль P53 в регуляции пути аутофагии.

E2F1 / NF-kB Ось

Факторы транскрипции E2F1 и NF-kB регулируют аутофагию посредством регуляции экспрессии BNIP3 (Tracy et al., 2007; Gang et al., 2011). BNIP3 является индуцированным гипоксией активатором аутофагии, который нарушает ингибирующее связывание B-клеточной лимфомы 2 (BCL-2) с Beclin1, компонентом комплекса фосфатидилинозитол-3-OH киназы класса III (PI3K), который способствует биогенезу аутофагосомы.Во время нормоксии NF-kB конститутивно связывается с промотором BNIP3, подавляя его экспрессию (Shaw et al., 2008). Гипоксия снижает занятость NF-kB на промоторе BNIP3, тем самым позволяя E2F1 индуцировать его экспрессию и активировать аутофагию (рис. 1C). Кроме того, E2F1 может также способствовать экспрессии других генов аутофагии, таких как ULK1, LC3 и ATG5 (Polager et al., 2008).

Цепи CREB-FXR и PPARα-FXR

Фарнезоидный рецептор X (FXR) подавляет аутофагию печени во время кормления (Thomas et al., 2008; Калкин и Тонтоноз, 2012). FXR активируется повышением уровня желчных кислот после кормления и репрессирует транскрипцию нескольких генов аутофагии посредством двух очевидно независимых механизмов. Seok et al. (2014) предположили, что FXR ингибирует транскрипционную активность активируемого натощак белка, связывающего элемент ответа цАМФ (CREB), препятствуя взаимодействию между CREB и его коактиватором CRTC2. При голодании подавление FXR снимается, что позволяет комплексу CREB-CRTC2 формировать и индуцировать экспрессию многих генов аутофагии, включая ATG7, ULK1 и TFEB (рис. 1D).Интересно, что TFEB также регулирует экспрессию генов, важных для метаболизма липидов в печени, подтверждая, что его роль в оси FXR-CREB может не ограничиваться регуляцией аутофагии (Settembre et al., 2013). Кроме того, Ли и др. (2014) идентифицировали ядерный рецептор Peroxisome Proliferator Activated Receptor alpha (PPARα) как активатор транскрипции, который противостоит FXR в ответ на доступность питательных веществ. FXR и PPARα обладают общей способностью связываться со специфическими участками ДНК (элементами DR1) в промоторных областях многих генов, связанных с аутофагией, так что эти два ядерных рецептора конкурируют за связывание с одними и теми же генами-мишенями.Голодание активирует PPARα, ингибируя FXR, тем самым вызывая активацию транскрипции генов аутофагии в печени (рис. 1D). Примечательно, что TFEB транскрипционно усиливает экспрессию PPARα и его коактиватора пероксисомного пролифератора, активирующего рецептор гамма-1α ( PGC1α ) (Settembre et al., 2013), что позволяет предположить, что индукция экспрессии TFEB с помощью CREB может, в свою очередь, потенцировать PPARα активность. Таким образом, возможно, что цепи FXR-CREB и FXR-PPARα сосуществуют и участвуют в координации аутофагии с другими метаболическими процессами (например,g., деградация липидов), происходящая в печени.

Эпигенетическая регуляция аутофагии

Посттрансляционные модификации гистонов, такие как метилирование, ацетилирование и деацетилирование, влияют на общую структуру хроматина, тем самым влияя на доступность факторов транскрипции для хроматина (Lawrence et al., 2016). К настоящему времени описано несколько примеров эпигенетической регуляции пути аутофагии.

Метилирование гистонов

Эпигенетический ридер Бромодомен-содержащий белок 4 (BRD4) был идентифицирован как репрессор транскрипционной программы, которая способствует аутофагии и биогенезу лизосом (Sakamaki et al., 2017). В присутствии питательных веществ BRD4 подавляет экспрессию нескольких аутофагических и лизосомных генов за счет рекрутирования гистон-лизинметилтрансферазы G9a, которая откладывает репрессивный h4K9diMe в промоторах лизосомных и аутофагических генов. Напротив, истощение питательных веществ способствует AMPK-опосредованному ингибированию BRD4 и экспрессии лизосомных и аутофагических генов через еще не охарактеризованный регулятор транскрипции.

Коактиватор-ассоциированная аргинин-метилтрансфераза 1 (CARM1) была недавно идентифицирована как ключевой регулятор аутофагии (Shin et al., 2016). Глюкозное (но также и аминокислотное) голодание ведет к CARM1-зависимому увеличению уровней диметилирования гистона h4 Arg17 на промоторах аутофагии и лизосомных генах, и это критично для правильной активации аутофагии. Механически при голодании CARM1 перемещается в ядро, где связывает TFEB и способствует активации транскрипции его генов-мишеней. CARM1, по-видимому, важен для TFEB-опосредованной активации аутофагии, поскольку избыточная экспрессия TFEB не в состоянии увеличить аутофагию в клетках, лишенных CARM1 (Figure 1E).

Ацетилирование гистонов

Недавно было описано глобальное снижение уровней ацетилирования h5K16 при недостатке питательных веществ и / или ингибировании mTOR (Füllgrabe et al., 2013). Это подавление трансформируется в репрессию транскрипции ключевых генов аутофагии, чтобы предотвратить индукцию хронической аутофагии, которая может быть летальной. Эти ответы зависят от гистонацетилтрансферазы hMOF / KAT8 / MYST1.

НАД + -зависимая деацетилаза Sirt1 регулирует аутофагию посредством своей деацетилазной активности на негистоновых цитозольных мишенях (Lee et al., 2008; Бао и Сак, 2010). Sirt1 может вызывать аутофагию непосредственно путем деацетилирования белков аутофагии, таких как ATG5, ATG7 и LC3. Sirt1 также может контролировать стабильность мРНК, кодирующих лизосомальные ферменты (Latifkar et al., 2019). Более того, Sirt1 деацетилирует регуляторы транскрипции аутофагии FOXO1 и FOXO3, усиливая их транскрипционную активность (Brunet et al., 2004). Наконец, Sirt1 способствует аутофагии, активируя AMPK посредством деацетилирования LKB1 (Lan et al., 2008), при этом подавляя передачу сигналов mTORC1, способствуя его взаимодействию с комплексом TSC1 / TSC2 (Ghosh et al., 2010).

Дополнительными эпигенетическими модификациями, связанными с индукцией аутофагии, являются метилирование h4K9 (Artal-Martinez de Narvajas et al., 2013), ацетилирование h4K56 (Chen et al., 2012) и метилирование h5K20 (Kourmouli et al., 2004). Они связаны с подавлением аутофагии, даже если необходимы дальнейшие исследования для уточнения их регуляции.

Факторы MITF и болезни человека

Путь аутофагии важен для нескольких процессов, необходимых для поддержания клеточного гомеостаза, включая адаптацию к метаболическому стрессу, удаление опасного груза и предотвращение повреждения ДНК.Если какая-либо из этих защитных функций нарушена, начало и прогрессирование нескольких заболеваний, таких как инфекция, рак, нейродегенерация, сердечно-сосудистые заболевания и старение, может быть благоприятным (Mizushima et al., 2008; Harris and Rubinsztein, 2011; Mizushima and Komatsu, 2011; Белый, 2015). Поэтому неудивительно, что длинный список заболеваний связан с мутациями в генах, связанных с аутофагией [недавно рассмотренный в Levine and Kroemer (2019)]. Однако важно отметить, что некоторые белки аутофагии участвуют в других клеточных процессах, таких как везикулярный транспорт, фагоцитоз, экзоцитоз и даже регуляция клеточного цикла и иммунитет, поэтому связь между проявлением болезни и дисфункцией аутофагии может быть трудно установить (Levine и Кремер, 2019).Это особенно верно для факторов транскрипции, которые контролируют экспрессию генов-мишеней, участвующих в ряде разнообразных клеточных функций. Сообщалось, что активность и / или локализация TFEB не регулируется при нескольких нейродегенеративных заболеваниях, таких как Х-сцепленная спинномозговая и бульбарная мышечная атрофия (Cortes et al., 2014), болезнь Паркинсона (Decressac et al., 2013), Болезнь Хантингтона (Tsunemi et al., 2012) и болезнь Альцгеймера (Reddy et al., 2016). Эти нейродегенеративные расстройства характеризуются внутриклеточной агрегацией белков и дисфункцией аутофагии, что, по прогнозам, способствует развитию заболевания (Menzies et al., 2015). Примечательно, что принудительная сверхэкспрессия TFEB в клеточных и мышиных моделях этих нарушений значительно снижает агрегацию белков, ослабляя патологические проявления, что позволяет предположить, что TFEB представляет собой привлекательную мишень для терапии (Sardiello et al., 2009; Dehay et al., 2010; Tsunemi et al. , 2012; Decressac et al., 2013; Polito et al., 2014; Xiao et al., 2014, 2015; Chauhan et al., 2015; Kilpatrick et al., 2015).

Лизосомные нарушения накопления (LSD) — это класс редких заболеваний, вызванных мутациями в генах, кодирующих лизосомные белки (Ballabio and Gieselmann, 2009; Cox and Cachón-González, 2012; Platt et al., 2018). Как следствие, клетки демонстрируют прогрессирующее накопление непереваренного материала в лизосомах и, в конечном итоге, нарушение потока аутофагии. Интересно, что TFEB оказался преимущественно ядерным в нескольких клеточных моделях LSD (Sardiello et al., 2009; Bartolomeo et al., 2017). Повышенная ядерная локализация TFEB может быть интерпретирована как попытка компенсировать снижение потока аутофагии и деградационной функции лизосом. Хотя в этом контексте физиологическая индукция TFEB, по-видимому, не может полностью противодействовать прогрессированию заболевания, избыточная экспрессия TFEB в различных LSD, таких как множественная недостаточность сульфатаз и мукополисахаридоз IIIA (Medina et al., 2011), болезнь Помпе (Spampanato et al., 2013), болезнь Баттена (Palmieri et al., 2017), болезнь Гоше и Тея Сакса (Song et al., 2013) и цистиноз (Rega et al., 2016) привело к эффективному уменьшению лизосомального накопления. Этот эффект, скорее всего, является следствием способности TFEB одновременно индуцировать лизосомный экзоцитоз, аутофагию и биогенез лизосом. Точно так же сверхэкспрессия TFEB в печени оказывала положительное влияние на мышиных моделях дефицита альфа1-антитрипсина и гипераммониемии печени (Pastore et al., 2013; Сориа и др., 2018). Примечательно, что за счет увеличения аутофагической деградации внутриклеточных липидных капель, TFEB также представляет собой потенциальную терапевтическую мишень для борьбы с метаболическим синдромом, связанным с ожирением (Settembre et al., 2013). Несмотря на то, что индукция активности TFEB выглядит многообещающим терапевтическим инструментом при некоторых заболеваниях, необходимо учитывать побочные эффекты его длительной сверхэкспрессии. Чрезмерная активация транскрипционных факторов семейства MiT связана с различными типами рака.Геномная амплификация MITF часто встречается при меланоме, в то время как хромосомные транслокации и перестройки TFE3 и TFEB связаны с детскими почечно-клеточными карциномами и саркомой мягкой альвеолярной части (Argani et al., 2001; Haq and Fisher, 2011; Kauffman et al., 2014). ). Более того, повышенная регуляция членов MiT / TFE также наблюдалась при аденокарциноме протоков поджелудочной железы (Perera et al., 2015).

Не совсем ясно, как чрезмерная активация этих ТФ может способствовать проанцерогенным процессам, но недавние данные показывают, что гиперактивация передачи сигналов mTORC1 является общей чертой злокачественных новообразований, связанных с MiT / TFE (Di Malta et al., 2017). Это нарушение регуляции передачи сигналов зависит от конститутивной индукции основных компонентов механизма восприятия аминокислот mTORC1 RagD и RagC GTPases, прямых нижестоящих мишеней TF MiT / TFE. Интересно, что, по крайней мере, при аденокарциноме протока поджелудочной железы активация факторов MiT / TFE приводит к одновременной гиперактивации mTORC1 и индукции аутофагии, и предположительно оба пути используются опухолевыми клетками для эффективной конкуренции с нетрансформированными клетками (Perera et al., 2015, 2019 ; Ди Мальта и др., 2017). В свете патологических последствий конститутивной активации факторов MiT / TFE, пульсирующий подход, направленный на повышение активности TFEB только в течение определенного периода времени, может представлять терапевтическую стратегию для заболеваний, которые могут принести пользу стимуляции пути лизосом / аутофагии. .

Заключение

В последние годы несколько исследований предоставили убедительные доказательства того, что аутофагия — это процесс, регулируемый транскрипцией. Однако, несмотря на то, что были идентифицированы различные модуляторы транскрипции аутофагии, мы все еще очень мало знаем о физиологическом значении этой ядерной регуляции.Наиболее вероятная гипотеза состоит в том, что регуляция транскрипции аутофагии взаимодействует с посттрансляционной регуляцией для достижения тонкой настройки потока аутофагии, особенно в условиях длительного голодания или хронического стресса. Действительно, деградация белков аутофагии, в частности тех, которые служат в качестве рецепторов груза, усиливается во время аутофагии, и аналогично лизосомы используются во время образования аутолизосом. Следовательно, индукция транскрипции лизосомных генов и генов аутофагии может противодействовать истощению соответствующих белков во время аутофагии.Соответственно, трансляция мРНК, кодирующих белки с катаболической ролью, избавлена ​​от общего ингибирования синтеза белка во время нехватки питательных веществ (Saikia et al., 2016). Кроме того, регуляция транскрипции аутофагии может участвовать в биологических процессах, которые регулируются независимо от статуса питания клеток, таких как клеточная дифференцировка и развитие тканей (Cinque et al., 2015). В следующие годы будет важно понять, регулируют ли различные факторы транскрипции селективные типы аутофагии тканевым и временным образом, и можно ли их модуляцию использовать в терапевтических целях.

Избирательная модуляция аутофагии может быть полезной для лечения нескольких заболеваний, для которых в настоящее время нет доступных методов лечения. Примечательно, что несколько терапевтических преимуществ, связанных с приемом широко используемых лекарств, таких как аспирин и метформин, и пищевых соединений, таких как ресвератрол и куркумин, могут быть связаны с их способностью вызывать ядерную транслокацию TFEB и аутофагию (Bao et al., 2016; Zhang et al., 2016; Wang et al., 2017; Yan et al., 2017; Chandra et al., 2018). В настоящее время практически не изучено, можно ли изменить положение этих молекул для лечения генетических заболеваний. Наконец, использование вычислительных подходов в сочетании с комплексным анализом данных омики представляет собой бесценный инструмент для выявления новых транскрипционных модуляторов аутофагии (Napolitano F. et al., 2018).

Авторские взносы