Autofagie

Autofagie. (A) Schéma klasické autofagie, při níž se membrána vznikajícího autofagozómu obklopí degradovanou strukturu a následně se spojí (fúzuje) s lysozómem. (B) Mikrofotografie řezu buňky na elektronovém mikroskopu, AP = autofagozómy, AL = autolysozómy. (C) Fluorescenčně značené autofagozómy v myších jaterních buňkách.

Autofagie (z řec. αὐτόφαγος („autóphagos“) – sám sebe jíst[1]) je buněčný proces, při kterém jsou vnitrobuněčné makromolekulární struktury nebo celé organely rozkládány (degradovány) pomocí lysozómu, či u rostlin pomocí vakuoly.[1][2][3] V určité formě se pravděpodobně vyskytuje u většiny eukaryotických organizmů s možnou výjimkou některých primitivních prvoků.[1] Je to jeden z mechanizmů udržení buněčné homeostázy (stálost vnitřního prostředí). Umožňuje buňce recyklovat staré buněčné komponenty či nefunkční proteiny a představuje nouzový zdroj energie ve stresových podmínkách. V imunitním systému se dále autofagie podílí na boji proti patogenním mikroorganismům vstupujícím do buněk a prezentaci antigenů na buněčném povrchu.[2]

Názvosloví

Pojmenování různých druhů autofagie je převážně historické a kromě „klasické autofagie“, též makroautofagie[2], bylo v minulosti popsáno několik dalších podtypů tohoto procesu:[1]

  • mikroautofagie, při níž dochází k lysozomální degradaci cytosolu, inkluzí a organel, a to přímou invaginací lysozomální membrány.
  • autofagie zprostředkovaná chaperony, při níž dochází k výjimečnému výběrovému rozkladu cytoplazmatických proteinů, které obsahují určitý pentapeptidový motiv KFERQ (Lys-Phe-Glu-Arg-Gln). Tyto proteiny jsou transportovány přes lysozomální membránu, kde se vážou na specifický protein LAMP2a. Po vazbě proteinu na LAMP2a dochází k jeho rozpoznání řadou molekulárních chaperonů, zejména hsp73. Proteiny interagující s hsp73 jsou do lysozomů transportovány přednostně, a tím také přednostně odbourávány.[zdroj?]

Dále je možné rozlišovat druhy autofagie podle struktury, která je degradována. Například autofagie buněčných jader se nazývá nukleofagie[4], zatímco autofagie peroxizómů se označuje jako pexofagie[1]. Selektivní autofagie cizorodého, obvykle infekčního nitrobuněčného materiálu (virů, bakterií) se nazývá xenofagie.[5]

Molekulární mechanismus

Autofagie je poměrně složitý proces, který u savců koordinuje nejméně 32 různých proteinů[6] a další jsou neustále popisovány. Klíčové poznatky, které umožnily pochopení celého procesu, přišly ze studia kvasinek. Identifikované geny, které se autofagie účastní, bývají pojmenovány zkratkou Atg (čili autophagy-related gene) následovanou číslem.[6] Nejprve musí vzniknout autofagozóm, tedy váček, který do sebe uzavře vnitrobuněčný materiál, jenž má být degradován. Následně autofagozóm dozrává a splývá s lysozómem za vzniku tzv. autolysozómu, který už obsahuje enzymy schopné degradovat uzavřený materiál.

Proces je nyní prostudován do poměrně značných molekulárních detailů. V úvodní fázi autofagie dochází na membráně endoplazmatického retikula (ale možná také jinde) ke vzniku malého zárodku budoucího autofagozómu (tzv. omegazóm), který je bohatý na fosfatidylinositol-3-fosfát (PI3P).[7] PI3P je na tomto místě produkován zejména díky fosfatidylinositol-3-kináze III. třídy (VPS34) v komplexu s Beclinem 1 (Atg6) a několika dalšími regulačními proteiny.[6] Právě na PI3P se následně váže několik významných proteinů účastnících se autofagie, a to zejména WIPI2 a DFCP1. Přes ně je na membránu rekrutován komplex proteinů Atg12–Atg5–Atg16L1[7] a následně Atg3[8]. Poslední zmiňovaný protein reguluje možná nejzásadnější krok celé úvodní fáze autofagie, kterým je kovalentní vazba cytosolického proteinu LC3 (v tomto stavu označovaného jako LC3-I) na membránu autofagozómu.[7] Takto lipidovaná forma LC3 se označuje jako LC3-II a její množství je často používáno pro stanovení míry autofagie v buňkách.[9][10] LC3 je také nejběžnějším markerem autofagozómů a na rozdíl od ostatních autofagických proteinů, které se po splnění své role pouští, se LC3 na membráně drží v podstatě v průběhu celého procesu.[11] Vzniká fagofor, membránový útvar, který se postupně výrazně prodlužuje a může dosáhnout délky až 1 μm[11]. Prostřednictvím LC3-II se navíc mohou dovnitř takto vznikajícího autofagozómu vyvazovat různé proteiny i větší struktury, což umožňuje určitou selektivitu celého procesu. Uzavřením fagoforu a splynutím jeho konců vzniká váček obklopený dvěma fosfolipidovými membránami, čili hotový autofagozóm.[7] V druhé fázi dochází ke splynutí vnější membrány autofagozómu s lysozómem za vzniku autolysozómu; tento proces zprostředkovávají SNARE proteiny syntaxin 17, SNAP29 a VAMP8 a dále také komplex HOPS.[7][12] Lysozómy jsou velmi kyselé kvůli aktivní V-ATPáze v jejich membráně; tato vlastnost se tak přenáší i na autolysozómy a dochází k rychlé enzymatické degradaci vnitřní autolysozomální membrány a také materiálu, který se nacházel uvnitř autolysozómu.[13] Aminokyseliny a další stavební bloky vzniklé odbouráním makromolekulárních látek se z autolysozómu dostávají přenosem přes jeho membránu pomocí různých transportérů. Následně jsou i různé stavební komponenty autolysozómů, včetně jejich membrány, recyklovány, čímž proces končí.[14][15]

Regulace

Celý proces autofagie je v buňce pečlivě kontrolován, v opačném případě by mohla nadměrná buněčná autofagie v krajním případě vést až k programované buněčné smrti.[16] K mohutné aktivaci autofagie dochází zejména při nedostatku živin, jako jsou aminokyseliny, a také při nedostatku ATP v buňce.[17] Vnímání nedostatku živin zajišťuje v buňce především kináza mTOR (mammalian target of rapamycin), která svou aktivitou drží autofagii na uzdě v případě, že buňka má dostatek růstových faktorů, glukózy a aminokyselin. Pokud kináza mTOR vycítí nedostatek zmíněných živin, zablokuje se a dochází k indukci autofagie. Experimentálně je možné tento stav v buňce navodit pomocí rapamycinu (chemické látky, která inhibuje mTOR).[17] Ať už je stav vyvolán přirozeně či uměle, deaktivace mTOR způsobí aktivaci proteinového komplexu ULK, který je důležitý pro spuštění autofagie. Na aktivaci ULK komplexu se kromě mTOR podílí i důležitá kináza AMPK.[18] Dalším důležitým hráčem v iniciaci autofagie je PI3K komplex, který zajišťuje vytvoření dostatečného množství fosfatidylinositol-3-fosfátu pro vznik prvotního omegazómu. Komplex PI3K se skládá z Beclinu 1, Atg14 a zejména Vps34, tedy významné fosfatidylinositol-3-kinázy. Funkční koordinace mezi ULK komplexem a PI3K komplexem následně spouští první fázi autofagie.[18]

Funkce

Autofagie je pro většinu organizmů včetně člověka naprosto nezbytný buněčný proces. Pro pochopení její funkce je třeba rozlišovat autofagii, která probíhá za stavů nepatologických, od autofagie patologické. Za nepatologických stavů funguje autofagie jako adaptační mechanizmus nutný k přežívání za nepříznivých podmínek, a to jak extracelulárních (nedostatek živin, hypoxie, vysoká teplota), tak vnitrobuněčných (nahromadění poškozených nebo nadbytečných buněčných organel).

V podmínkách hladovění dochází k degradaci proteinů, nukleových kyselin a organel, např. peroxizomů, mitochondrií a endoplazmatického retikula. U mnohobuněčných organizmů má autofagie zvláštní význam při regulaci embryonálního a postnatálního vývoje. Studium významu autofagie během patologických stavů nabývá v poslední době na významu. S autofagozomálními procesy se pojí etiopatogeneze řady nervových, myodegenerativních a infekčních chorob. Velký význam má vztah autofagie a karcinogeneze (vznik nádorů).

Nobelova cena

V roce 2016 dostal Jošinori Ósumi Nobelovu cenu za fyziologii a lékařství za výzkum mechanismů autofagie – za přínos v pochopení mechanismu autofagie“. Tedy mechanismu, pomocí kterého buňky rozkládají samy sebe a který je důležitý pro život stejně jako pro jeho konec.[19]

Odkazy

Reference

  1. ↑ a b c d e HUGHES, Timothy; RUSTEN, Tor Erik. Origin and Evolution of Self-Consumption: Autophagy. [s.l.]: Landes Bioscience Dostupné online. (anglicky) 
  2. ↑ a b c FENG, Yuchen; HE, Ding; YAO, Zhiyuan. The machinery of macroautophagy. Cell Research. 2014-01, roč. 24, čís. 1, s. 24–41. Dostupné online [cit. 2020-12-09]. ISSN 1001-0602. DOI 10.1038/cr.2013.168. PMID 24366339. (anglicky) 
  3. ↑ YANG, Zhifen; KLIONSKY, Daniel J. An Overview of the Molecular Mechanism of Autophagy. Příprava vydání Beth Levine, Tamotsu Yoshimori, Vojo Deretic. Svazek 335. Berlin, Heidelberg: Springer Berlin Heidelberg Dostupné online. ISBN 978-3-642-00301-1, ISBN 978-3-642-00302-8. DOI 10.1007/978-3-642-00302-8_1. S. 1–32. DOI: 10.1007/978-3-642-00302-8_1. 
  4. ↑ PAPANDREOU, Margarita-Elena; TAVERNARAKIS, Nektarios. Nucleophagy: from homeostasis to disease. Cell Death & Differentiation. 2019-04, roč. 26, čís. 4, s. 630–639. Dostupné online [cit. 2020-12-09]. ISSN 1350-9047. DOI 10.1038/s41418-018-0266-5. PMID 30647432. (anglicky) 
  5. ↑ Xenofagie. In: Velký lékařský slovník [online]. 1998–2018 [cit. 21. 10. 2018]. Dostupné z: http://lekarske.slovniky.cz/lexikon-pojem/xenofagie
  6. ↑ a b c PYO, Jong-Ok; NAH, Jihoon; JUNG, Yong-Keun. Molecules and their functions in autophagy. Experimental & Molecular Medicine. 2012, roč. 44, čís. 2, s. 73. Dostupné online [cit. 2020-12-09]. ISSN 1226-3613. DOI 10.3858/emm.2012.44.2.029. PMID 22257882. (anglicky) 
  7. ↑ a b c d e DIKIC, Ivan; ELAZAR, Zvulun. Mechanism and medical implications of mammalian autophagy. Nature Reviews Molecular Cell Biology. 2018-06, roč. 19, čís. 6, s. 349–364. Dostupné online [cit. 2020-12-09]. ISSN 1471-0080. DOI 10.1038/s41580-018-0003-4. (anglicky) 
  8. ↑ METLAGEL, Zoltan; OTOMO, Chinatsu; TAKAESU, Giichi. Structural basis of ATG3 recognition by the autophagic ubiquitin-like protein ATG12. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 2013-11-19, roč. 110, čís. 47, s. 18844–18849. PMID 24191030 PMCID: PMC3839761. Dostupné online [cit. 2020-12-09]. ISSN 1091-6490. DOI 10.1073/pnas.1314755110. PMID 24191030. 
  9. ↑ MAUTHE, Mario; ORHON, Idil; ROCCHI, Cecilia. Chloroquine inhibits autophagic flux by decreasing autophagosome-lysosome fusion. Autophagy. 2018-08-03, roč. 14, čís. 8, s. 1435–1455. Dostupné online [cit. 2020-12-09]. ISSN 1554-8627. DOI 10.1080/15548627.2018.1474314. PMID 29940786. (anglicky) 
  10. ↑ MIZUSHIMA, Noboru; YOSHIMORI, Tamotsu. How to Interpret LC3 Immunoblotting. Autophagy. 2007-11-26, roč. 3, čís. 6, s. 542–545. Dostupné online [cit. 2020-12-09]. ISSN 1554-8627. DOI 10.4161/auto.4600. (anglicky) 
  11. ↑ a b BIAZIK, Joanna; YLÄ-ANTTILA, Päivi; VIHINEN, Helena. Ultrastructural relationship of the phagophore with surrounding organelles. Autophagy. 2015-03-04, roč. 11, čís. 3, s. 439–451. PMID 25714487. Dostupné online [cit. 2020-12-09]. ISSN 1554-8627. DOI 10.1080/15548627.2015.1017178. PMID 25714487. 
  12. ↑ NODA, T.; FUJITA, N.; YOSHIMORI, T. The late stages of autophagy: how does the end begin?. Cell Death & Differentiation. 2009-07, roč. 16, čís. 7, s. 984–990. Dostupné online [cit. 2020-12-09]. ISSN 1476-5403. DOI 10.1038/cdd.2009.54. (anglicky) 
  13. ↑ TSUBOYAMA, Kotaro; KOYAMA-HONDA, Ikuko; SAKAMAKI, Yuriko. The ATG conjugation systems are important for degradation of the inner autophagosomal membrane. Science. 2016-11-25, roč. 354, čís. 6315, s. 1036–1041. Dostupné online [cit. 2020-12-09]. ISSN 0036-8075. DOI 10.1126/science.aaf6136. (anglicky) 
  14. ↑ TONG, Jingjing; YAN, Xianghua; YU, Li. The late stage of autophagy: cellular events and molecular regulation. Protein & Cell. 2010-10, roč. 1, čís. 10, s. 907–915. Dostupné online [cit. 2020-12-09]. ISSN 1674-800X. DOI 10.1007/s13238-010-0121-z. PMID 21204017. (anglicky) 
  15. ↑ RONG, Yueguang; ZHOU, Chuchu; WU, Zhe. Recycling of autophagosomal components from autolysosomes by recycler complex. [s.l.]: [s.n.] Dostupné online. DOI 10.21203/rs.3.rs-55868/v1. DOI: 10.21203/rs.3.rs-55868/v1. 
  16. ↑ CHEN, Y.; KLIONSKY, D. J. The regulation of autophagy - unanswered questions. Journal of Cell Science. 2011-01-15, roč. 124, čís. 2, s. 161–170. Dostupné online [cit. 2020-12-20]. ISSN 0021-9533. DOI 10.1242/jcs.064576. PMID 21187343. (anglicky) 
  17. ↑ a b HE, Congcong; KLIONSKY, Daniel J. Regulation Mechanisms and Signaling Pathways of Autophagy. Annual review of genetics. 2009, roč. 43, s. 67–93. PMID 19653858 PMCID: PMC2831538. Dostupné online [cit. 2020-12-20]. ISSN 0066-4197. DOI 10.1146/annurev-genet-102808-114910. PMID 19653858. 
  18. ↑ a b MEHRPOUR, M; BOTTI, J; CODOGNO, P. Mechanisms and regulation of autophagy in mammalian cells. Atlas of Genetics and Cytogenetics in Oncology and Haematology. 2012-03, čís. 2. Dostupné online [cit. 2020-12-20]. ISSN 1768-3262. DOI 10.4267/2042/46951.  Archivováno 18. 5. 2021 na Wayback Machine.
  19. ↑ SELINGER, Eliška. Autofagie: Když se buňka sama požírá. In: E15.cz [online]. 4. listopadu 2016 10:00 [cit. 21. 10. 2018]. Dostupné z: https://www.e15.cz/the-student-times/autofagie-kdyz-se-bunka-sama-pozira-1324767

Literatura

Externí odkazy

Média použitá na této stránce

Autophagy diagram PLoS Biology.jpg
Autor: Juhasz G, Neufeld TP. Original images by Ryan Scott (B) and Dr. Noboru Mizushima (C)., Licence: CC BY 2.5
Diagram and images of autophagy from a 2006 PLoS Biology review. (A) Diagram of autophagy; (B) Electron micrograph of autophagic structures in the fatbody of a fruit fly larva; (C) Fluorescently labeled autophagosomes in liver cells of starved mice.