Ролята на автофагичните гени в регулирането на смъртта на невронните клетки, размера на клетките и процеса на стареене
Ролята на автофагичните гени в регулирането на невроналната смърт, размера на клетките и процеса на стареене при Caenorhabditis elegans Докторска дисертация Márton Lóránt Tóth Eötvös Loránd University Докторска школа по биология Докторска школа по класическа и молекулярна генетика Докторска програма Докторска програма Докторска програма Ана Ердей Ръководител на академичната програма: д-р. László Orosz Академичен ръководител: д-р. Tibor Vellai Доцент Eötvös Loránd University Факултет по наука Департамент по генетика Будапеща 2008
Съдържание СЪДЪРЖАНИЕ 2 СПИСЪК НА СЪКРАЩЕНИЯТА 5 1. ВЪВЕДЕНИЕ 6 2. ПРЕГЛЕД НА ЛИТЕРАТУРАТА 7 2.1. Автофагия 7 2.1.1. Първоначални стъпки в регулирането на макроавтофагията 9 2.1.2. Ролята на автофагията в клетъчната функция 11 2.2. C. elegans модел на организма 13 2.3. Невродегенеративни заболявания 15 2.3.1. Класификация на невродегенеративни заболявания 15 2.3.2. Модели на животни, използвани за изследване на невродегенеративни заболявания 17 2.3.2.1. Модели, базирани на агрегиране 17 2.3.2.2. Екзитотоксични модели 17 2.4. Регулиране на размера на клетките 21 2.5. Биология на процеса на стареене 24 2.5.1. Общества за остаряване 24 2.5.2. Теории за стареенето 25 2.5.3. Процесът на стареене 26 2.5.4. Основни генетични и екологични фактори, влияещи върху стареенето 27 2.5.4.1. Сигнализиращ път за инсулин/IGF-1 27 2.5.4.2. TOR киназа 28 2.5.4.3. Ограничение на калориите 28 2.5.4.4. Митохондриална дихателна верига 28 2.5.4.5. Ефект на автофагичните гени върху продължителността на живота 29 2.5.5. Изследване на процеса на стареене 29 3. ЦЕЛИ 31 3.1. Изследване на ролята на автофагичните гени в невродегенерацията 31 3.2. Изследване на ролята на автофагичните гени в регулирането на размера на клетките 31 3.3. Изследване на ролята на автофагичните гени в регулирането на процеса на стареене 31 4. МАТЕРИАЛИ И МЕТОДИ 33 4.1. Изследваните автофагични гени 33 4.2. Поддържане на запасите 34 4.3. РНК интерференция 34 2
6.2. Гените за автофаги bec-1 и unc-51 са необходими за нормалната функция на автофагията при C. elegans 70 6.3. Необходими са автофагични гени за индуцирани от дегенерин и 6-OHDA невродегенеративни процеси 71 6.4. За образуване на нормален размер на клетки при C. elegans 75 6.5 са необходими автофагични гени. Автофагичните гени влияят върху процеса на стареене 76 7. РЕЗЮМЕ 81 8. РЕЗЮМЕ 82 9. БИБЛИОГРАФИЯ 83 10. ПРИЗНАНИЯ 95 4
Фигура 1. Основни видове автофагия. О: по време на макроавтофагия някои цитоплазмени компоненти са затворени от получената изолационна мембрана (секвестрация). Външната мембрана на (първичната) автофагозома или автофагична вакуола, заобиколена от двойната изолационна мембрана, се слива с лизозомата (сливане). Лизозомните протонни помпи подкисляват вътрешността на вторичната лизозома или автофаголизозома, като по този начин активират лизозомните хидролази и разграждат съдържанието (разграждане). Б: по време на микроавтофагия цитоплазмените компоненти, заобикалящи лизозомата, навлизат в лизозомната вътрешност заедно с лизозомната мембрана (инвагинация), където се разграждат (разграждат). С: по време на автоматизирана от шаперон автофагия (CMA), протеините, носещи мотива KFERQ, се разпознават от цитоплазмени шаперони (разпознаване). Шаперон-субстратният протеинов комплекс се транспортира до мембранните рецептори на лизозомата. Чрез рецептора протеинът навлиза във вътрешността на лизозомата (транслокация) и след това се разгражда (разграждане). Структурите, показани на снимката, са схематични. 8
Фигура 2. Начални стъпки в регулирането на макроавтофагията. Активността на Atg1 комплекса, необходима за иницииране чрез TOR комплекса, се определя от сигналния път на инсулин/igf-1 и AMPK. Инициирането също изисква нуклеусиране на везикули, подробностите за които са неизвестни. 2.1.2. Ролята на автофагията в клетъчната функция Автофагията е механизъм за разграждане на клетъчните материали. В допълнение към протеазомата, автофагията е най-значимата количествено значима система за разграждане на протеини [2]. Активирането му може да бъде причинено от липса на енергия, причинена от глад, или от липсата на аминокиселини и азотни съединения, необходими за изграждане на метаболитните процеси, или от натрупването на повредени макромолекули. Автофагията играе важна роля в регулацията на много отделни процеси на развитие и цитология. Например, ларвното тяло на ларвите на Drosophila melanogaster се разгражда от автофагия [6] или ендоплазмен ретикулум и митохондрии при бозайници след образуване на еритроцити след изхвърляне на ядрото [7, 8]. По време на имунната функция на бозайниците се изисква автофагия за представяне на антиген от MHCII [9, 10]. Той играе роля за защита срещу патогени и убиване на вътреклетъчни паразити (напр. Mycobacterium, вируси) [11, 12]. 11.