Нобелевская премия по физиологии и медицине 2016 года была присуждена профессору Центра передовых исследований Токийского технологического института и почетному профессору Токийского университета Ёсинори Осуми, объяснившему механизм клеточной аутофагии. Основные работы Осуми, посвященные этой проблеме, были опубликованы в 1990-х годах. В XXI веке ученый уже получил несколько научных премий, включая премию Киото за достижения в науках о жизни (2015).
Аутофагия в клетках была обнаружена еще в 1960-е, когда ученые увидели, как клетка переваривает часть собственного содержимого, окружив ее мембранной оболочкой. Получившийся пузырек доставлялся в лизосомы – клеточные органы, служащие для переваривания. Внутри лизосом выделяются гидролитические ферменты, способные расщеплять макромолекулы. В растительных клетках и клетках дрожжей роль лизосом выполняют вакуоли. Бельгийский ученый Кристиан де Дюв (Christian René de Duve) был удостоен Нобелевской премии по физиологии и медицине в 1974 году за открытие лизосом. Он же ввел термин «аутофагия» и назвал пузырьки-везикулы, доставляемые для уничтожения в лизосомы, аутофагосомами.
Принцип клеточной аутофагии
Долгое время было известно лишь, что аутофагосома формируется вокруг подлежащего “разборке” материала, например, поврежденных клеточных органелл, затем путешествует к лизосоме, сливается с ней, и содержимое расщепляется лизосомными ферментами. Лизосому в таком случае часто называют аутолизосомой.
Аутофагосомы (AP) и аутолизосомы (AL) в клетках мухи дрозофилы
В 70-х и 80-х годах основные успехи были достигнуты в изучении другого механизма расщепления белков в клетке – протеолитической деградации (протеолизма). Он возникает благодаря крупным молекулам ферментов – протеасомам. Сначала небольшой белок убиквитин присоединяется к белку, подлежащему расщеплению. На это реагирует протеасома, присоединяется в свою очередь к убиквитину и начинает свою работу. Этот механизм обеспечивает деградацию 80 – 90 % белков в клетке. За открытие убиквитин-опосредованной деградации белка в 2004 году Нобелевскую премию по химии получили Аарон Чехановер, Аврам Гершко и Ирвин Роуз.
Хоть протеасомы и выполняют большую часть работы по уничтожению белков, меньшая по объему, но не меньшая по важности работа приходится на механизм лизосомной аутофагии. Именно он позволяет клетке избавляться от крупных белковых комплексов и изношенных органелл. В своей лаборатории Ёсинори Осуми провел ряд экспериментов с обычными пекарскими дрожжами (Saccharomyces cerevisiae), благодаря которым выяснил, какие гены ответственны за аутофагию.
Правда, в начале ученому пришлось решить одну проблему. Клетки дрожжей малы, и в то время они не были достаточно изучены, так что у биологов даже не было уверенность, что в вакуолях дрожжевых клеток происходит тот же процесс аутофагии, что и в лизосомах животных. Разглядеть этот процесс под микроскопом не удавалось. Осуми рассудил, что доказательством послужит накопление аутофагосом в вакуолях дрожжевых клеткок, лишенных расщепляющих белки ферментов. Он получил мутантные клетки без этих ферментов, и действительно их вакуоли стали довольно быстро наполняться множеством мелких пузырьков.
Экспериментируя с геномом дрожжевых клеток, вызывая в нем различные мутации, Осуми сумел установить 15 генов, связанных с механизмом аутофагии. Затем он перешел к исследованию контролируемых этими клетками белков. Результаты показали, что весь процесс аутофагии управляется каскадом белков и белковых комплексов, каждый из которых регулирует отдельную стадию формирования аутофагосом. Работы Осуми не только выявили механизм аутофагии у дрожжевых клеток, но и дали ученым исследовательские методы, позволившие изучать аутофагию уже и в клетках человека. Благодаря его открытию, стала ясной фундаментальная роль аутофагии в жизни организма.
“Сферы применения” аутофагии
Сейчас ученым уже известно, что аутофагия выполняет целый ряд функций. Она помогает быстро обеспечить клетку питательными веществами, поэтому включается в механизм клеточного ответа на голод и другие виды стресса. Эксперименты на дрожжах показали, что при голодании уровень аутофагии повышается. Это позволяет организму, расщепив ненужные белки на аминокислоты, использовать эти аминокислоты для синтеза белков, необходимых для выживания в первую очередь. Такое же явление обнаружено и на лабораторных мышах. Обнаружено, что у млекопитающих аутофагия активизируется сразу после рождения, когда организм перестает снабжаться питанием через плаценту.
Помеченные флуоресцентной меткой аутофагосомы в клетках печени голодающей мыши
Механизм аутофагии участвует и в уничтожении проникших в клетку инфекционных частиц (в данном случае это уже не ауто-, а ксенофагия), поэтому она важна для нормального функционирования врожденного иммунитета. Например, Mycobacterium tuberculosis, вызывающие туберкулез, уничтожаются в клетках точно так же, как отработавшие свой срок митохондрии (кстати, ученые считают этот факт еще одним доказательством, что митохондрии до того, как превратиться в клеточный орган, были самостоятельными бактериями). Некоторые болезнетворные бактерии приобретают способность блокировать процесс своего переваривания, поэтому стимуляция аутофагии может стать в этих случаях методом лечения.
Аутофагия позволяет клетке распознавать вирус везикулярного стоматита (Indiana vesiculovirus) и запускать противовирусный иммунный ответ. Вирус захватывается аутофагосомой и доставляется в эндосому, где его распознает толл-подобный рецептор 7. Рецептор реагирует на одноцепочечную молекулу РНК вируса. После детекции вируса рецептор запускает сигнальный каскады, который приводит к выработке интерферона и других противовирусных цитокинов.
Поскольку именно аутофагия нужна для избавления от поврежденных органелл, клеточных мембран и белков, нарушение ее механизма оказывается одной из главных причин накопления повреждений, а значит и старения клетки. Вероятно, с аутофагией связан и один из механизмов программируемой клеточной смерти. Однако аутофагическая активность в отмирающих клетках может быть как причиной их смерти, так и попыткой выжить. Исследования в данной области продолжаются. Их проводят, например, на насекомых, у которых в процессе превращения из личинки в куколку и во взрослую особь задействованы механизмы программируемой клеточной смерти. Некоторые результаты показывают, что тип регуляции аутофагии, направленной на выживания и на гибель клетки, отличаются.
Аутофагия задействована также на стадии эмбриогенеза при дифференциации разных типов клеток. Нарушения механизма аутофагии связаны с возникновением рака и некоторых других заболеваний, например, они отмечаются при болезни Паркинсона. Сейчас ученые активно работают над созданием лекарств, которые регулировали бы именно процесс аутофагии.
