Автофагия „саморазправа“ като стратегия за оцеляване

Ленцен-Шулте, Мартина; Жилка-Менхорн, Вера

Нобеловата награда за медицина почита изследванията за контрол на автофагията. Грешките в този процес на самопочистване могат да доведат до невродегенеративни заболявания, рак или повишена податливост към инфекции.

В природата нищо не се губи: процесите са характерни за живите същества, както и за цялата биосфера, в които се възстановява голяма част от изходните материали. Един такъв регулатор на човешката клетка е автофагията - програма за рециклиране, която й позволява да разгражда повредени или неправилно сгънати протеини до цели органели и след това да ги използва повторно.

Феноменът на автофагията е описан за първи път през 60-те години; Дълго време само малка общност от изследователи се посвети на тази област. Това се промени през последните години. Сега важността на този важен клетъчен процес е отразена в признаването от страна на Комитета за Нобелова награда: Японецът Йошинори Осуми (71) е отличен за своите открития на механизмите за автофагия. Неговата работа "е променила драстично разбирането за този жизненоважен процес", се казва в изявлението на Комитета за Нобелова награда.

Ohsumi започва с решителните експерименти в началото на 90-те години върху дрождни клетки (Saccharomyces cerevisae). По това време вече беше известно, че някои органели, лизозомите, разграждат клетъчните компоненти. Белгиецът Кристиан де Дюв вече е получил Нобелова награда за това през 1974 г. Той също така е измислил термина автофагия.

Но само чрез работата на Осуми стана ясно кои процеси точно протичат и колко важни са те за човешкото здраве. С поредица от сложни експерименти той показа, че 15 гена по същество участват в автофагията. Въз основа на своите изследвания той описва мрежата от сигнали и протеини, които контролират процеса в различните му етапи.

Клетъчно рециклиране: изключително сложен процес

Рециклирането е нещо естествено за клетките - молекулярният боклук е прецизно опакован от мембрана и изпратен в лизозомите за рециклиране. В този изключително сложен процес (графичен) клетъчните компоненти, които вече не изпълняват правилно задачата си, се насочват във вътрешността на автофагозомите. Това са везикули с двойна мембрана, които затварят протеини, липиди, мембранни компоненти и цели органели (митохондрии) от клетъчната плазма вътре. След това автофагозомите се сливат с лизозомите, за да образуват автофаголизозоми, където частиците се разграждат от киселинни хидролази и техните основни градивни елементи се предоставят за рециклиране. В крайна сметка този механизъм помага да се поддържа разпадането на старите и производството на нови клетъчни компоненти в баланс (клетъчна хомеостаза).

Автофагията е непрекъснато активна на базално ниво, но се активира специално в стресови ситуации. В екстремни ситуации, например с тежки клетъчни увреждания, може да се започне или апоптоза, или това, което е известно като автофагозомна клетъчна смърт - неапоптотична, програмирана клетъчна смърт. Следователно автофагията е механизъм за осигуряване на оцеляването на отделната клетка, но в същото време и програма за самоубийство за увредени клетки, за да се осигури оцеляването на многоклетъчен организъм. „Следователно е лесно да се разбере, че една нерегулирана или намалена автофагична активност, каквато вероятно сме открили в напреднала възраст, неизбежно води до клетъчно бедствие, което се проявява в цял набор от заболявания“, казва проф. Д-р. обратно нат. Tassula Proikas-Cezanne от Интеркултурния институт за клетъчна биология към университета в Тюбинген (1). Те включват:

Рак (липса на туморна супресия, нарушена клетъчна смърт, липса на елиминиране на увредените органели),
Натрупване на невродегенеративни плаки при заболявания на деменция (нарушено вътреклетъчно разграждане на протеини),
Мускулни заболявания (нервно-мускулни синдроми, миопатии),
Инфекциозни заболявания (нарушено автофагозомно елиминиране на вътреклетъчни патогени),
функционална чернодробна недостатъчност.

Инхибирането на автофагията като терапия на рака

Изследователите на рака от години смятат, че автофагията е важна за техния обект. Това важи преди всичко по отношение на туморогенезата. Дълго време автофогията се смяташе за туморно-супресивен принцип в организма, тъй като развитието на тумора беше свързано със загубата на способността на клетките да автофагизират. Мишките с дефицит на автофагия например развиват спонтанно повече тумори (2).

Очевидно това важи особено за ранните фази на развитие на тумора. В случай на по-развити злокачествени заболявания, функциониращата автофагия позволява на самите ракови клетки да имат по-голям шанс за оцеляване. (3). Ето защо наскоро учените изследват как автофагичните процеси могат да се използват за подобряване на терапията на рака, особено за преодоляване на резистентността към терапия.

Автофагията помага особено при неблагоприятни условия, например в среда, в която доставката на хранителни вещества е намалена или неблагоприятните условия поставят туморните клетки в стрес. Дори се говори за „програмирано оцеляване“ или „програмирано оцеляване“ чрез автофагия. Повредените органели се отстраняват от цитоплазмата, след това отново се предлагат основни компоненти за нови молекули. Това помага на раковите клетки да издържат дори на агресивно лечение.

Понастоящем автофагията се счита за един от най-важните механизми, който често позволява на малко туморни клетки да се възстановят след продължителна химиотерапия или лъчение. Именно те образуват резервоара за обратен поток. Има индикации, че автофагоцитотичните процеси стимулират резистентността към иматиниб мезилат при лечението на хронична миелоидна левкемия (ХМЛ). Резистентността на HER2-положителните клетки на рака на гърдата към трастузумаб също се казва, че отчасти се дължи на автофагоцитоза (4,5). И очевидно намаляващият ефект на цисплатина при рак на яйчниците също се дължи на ефектите на автофагията.

Атрактивен за онкологичното разработване на лекарства

Но ако автофагията предпазва туморната клетка от стрес, тогава веществата, които инхибират или предотвратяват автофагията, могат да станат ценни съюзници в терапията на рака. Всъщност наскоро бяха стартирани голям брой проучвания, в които антифагоцитните вещества се тестват като допълнение към химиотерапията (6). Един от най-известните инхибитори на автофагия е хидроксихлорохинът, който блокира сливането на автофагозомата с лизозомата. В противен случай се използва в профилактика на малария, като антипротозоен агент или като антиревматичен агент.

Понастоящем потенциалът на инхибиране на автофагията се изследва в многобройни клинични терапевтични проучвания за солидни тумори като рак на дебелото черво, карцином на бронхите, меланом и рак на гърдата. Проучванията in vitro вече показват, че хидроксихлорохинът в комбинация с темсиролимус убива меланомните клетки по-ефективно. Химиотерапията на дуктални аденокарциноми на панкреаса, към която все още е трудно да се подходи, също получава тласък от принципа на автофагия (7). Това вероятно се отнася и за тумори на устната кухина (8).

Други вещества, които се намесват в процесите на автофагия, са например инхибиторите на киназите Vps34 и ULK1, два ензима, които катализират решаващи етапи на автофагия. Изненадващо е също така, че много различни терапевтични средства показват потенциал като инхибитори на автофагия. Това включва и трицикличния антидепресант кломипрамин или вертепорфин, лекарство, използвано за лечение на дегенерация на макулата. Междувременно целенасоченото разработване на нови инхибитори на автофагия се превърна в привлекателна област в онкологичната фармакология (6).

Процесите на самопочистване играят изключителна роля за поддържането на мозъка здрав. Тъй като нервните клетки, които не са в състояние да разграждат натрупаните протеини или дефектните митохондрии, се дегенерират. „Клетъчните стресови ситуации, които се случват например по време на възпалителни процеси или по време на стареенето, играят важна роля тук. В резултат на това протеините могат да възникнат, да се променят и да се появяват все повече в неразтворима форма “, казва проф. Д-р. обратно нат. Кристиана Рихтер-Ландсберг, Институт за биология и науки за околната среда към Университета в Олденбург (9). При редица заболявания генетичните дефекти също водят до неправилна и повишена поява на протеини, които след това се отлагат.

Последицата: Влошаващите системи са претоварени, те вече нямат достатъчен капацитет. Но може да се окаже, че самият автофагичен процес е отслабен или нарушен. "Неправилният контрол на качеството в мозъчните клетки и увреждането на системите за разграждане на протеините могат да допринесат за болестните процеси."

Също така невродегенеративни заболявания в полезрението

Подобно на изследванията на рака, човек изследва дали може да окаже положително влияние върху процеса на клетъчно прочистване, за да предотврати избухването на невродегенеративни заболявания. И тук има положителни резултати. Тези изследвания се провеждат главно върху моделни системи на клетъчни култури и върху трансгенни мишки, на които е прехвърлен чужд генетичен материал или в които са изключени гени, свързани с автофагията. „При тези животни например се наблюдава засилено появяване на тези типични протеинови бучки, които могат да бъдат премахнати отново чрез активиране на автофагия с помощта на определени вещества. В същото време тези животни показаха подобрени способности за учене и памет ”, каза Рихтер-Ландсберг.

Нарушенията в автофагията изглежда са отчасти отговорни за болестта на Паркинсон. В патогенезата на заболяването участват много гени, мутации и полиморфизми. Мутациите в гените PARK2/Parkin и PARK6/PINK1 водят до автозомно-рецесивна или спорадична ювенилна форма на заболяването. Протеините със същото име, които възникват от тях, работят в екип. Заедно те маркират увредени митохондрии, като маркират канал на повърхността на митохондриите с малкия протеин убиквитин. Тази маркировка служи като сигнал за клетката да разгради увредените органели. Ако протеините PINK1 или Parkin липсват поради мутация, този механизъм за изхвърляне се нарушава - и развитието на Паркинсон се насърчава.

Проучване на фаза I с инхибитора на тирозин киназата нилотиниб, което беше представено за първи път през 2015 г. на годишната среща на Американското дружество за неврология в Чикаго, може да бъде от клинично значение. В пилотното проучване лекарството за левкемия е подобрило познанието, двигателните умения и немоторните функции като запек при пациенти с болестта на Паркинсон и деменция с телата на Lewy. В края на проучването изследователите откриха положителни промени в съответните биомаркери α-синуклеин, амилоид-β 40/42 и t-τ и p-τ протеини в цереброспиналната течност. Това може да означава, че токсичните протеини се елиминират от мозъка.

„Правилната“ доза може да бъде решаваща за това: Въпреки че доза до 800 mg дневно е обичайна за лечение на хронична миелоидна левкемия, в пилотното проучване са използвани само 150 до 300 mg. Във високи дози нилотиниб принуждава раковите клетки към автофагия и по този начин причинява клетъчната им смърт. В по-ниска доза обаче активната съставка изглежда стимулира само аутофагията за около осем часа на ден, според д-р. мед. Шарбел Муса от Медицинския център на университета в Джорджтаун. Този период е достатъчен, за да освободи клетките от баласт, без да ги убива (10).

Част от вродената и адаптивна имунна защита

Изследвания на изследователи на инфекции също потвърждават, че автофагията не е просто форма на клетъчно „рециклиране на отпадъци“. Те разглеждат процеса като важна част както от вродената, така и от адаптивната имунна защита. Ксеноавтофагията, подтип на автофагията, е много ефективен защитен механизъм срещу патогенни микроби, който унищожава тези микроби - в идеалния случай. Много патогени обаче не само знаят как да заобиколят този защитен механизъм, но и как да го използват за себе си. „Те използват везикулите, които са свързани с мембраната, за да създадат безопасна среда в клетката, в която могат да се размножават необезпокоявано“, каза д-р. Андреа Скрима, ръководител на младшата изследователска група „Структурна биология на автофагията“ в Центъра за изследване на инфекции „Хелмхолц“ (HZI). Въпреки че понастоящем се извършват интензивни изследвания, подробности за основните механизми на регулация и стратегиите за използване на автофагия от патогени остават необясними (11).

Не на последно място заради тазгодишната Нобелова награда, изследванията на автофагията ще изпитат огромен тласък - в международен и национален мащаб. Изследователската група „Автофагия“ на Обществото по биохимия и молекулярна биология (GBM) съществува в Германия от април 2015 г. Вашите сътрудници биха искали да помогнат да се гарантира, че тази област е здраво закрепена в германския изследователски пейзаж.

Д-р мед. Мартина Ленцен-Шулте,

@ Литература в Интернет:
www.aerzteblatt.de/lit4016
или чрез QR код.

Йошинори Осуми е роден във Фукуока през 1945 година. Той докторат през 1974 г. в Токийския университет, след което работи три години в университета Рокфелер в Ню Йорк. След това се завръща в Токийския университет, където през 1988 г. основава изследователска група. В началото на 90-те години той започва своите пионерски изследвания върху клетките на дрождите. Осуми е професор в Токийския технологичен институт от 2009 г. Тазгодишният победител се смята за отворен, скромен и сърдечен.

Според Фолкер Хауке, директор на Института по молекулярна фармакология на Лайбниц, това е било „отдавна закъсняло“. Японецът изпревари времето си.