Бет Левин

център за изследване на автофагия, Катедра по вътрешни болести, Югозападен медицински център на Тексаския университет, Далас, Тексас, 75390;

b Катедра по микробиология, Югозападен медицински център на Тексаския университет, Далас, Тексас, 75390;

c Медицински институт на Хауърд Хюз, Югозападен медицински център на Тексаския университет, Далас, Тексас, 75390;

Даниел Дж. Клионски

d Институт по науки за живота, Университет на Мичиган, Ан Арбър, Мичиган, 48109

Принос на автора: B.L. и Д.Й.К. написа вестника.

Резюме

На 3 октомври 2016 г. Нобеловата награда за физиология или медицина бе присъдена на Йошинори Осуми за „открития на механизмите за автофагия“. Само няколко седмици по-рано по време на приемаща реч за наградата „Пол Янсен“ през 2016 г. Йошинори Осуми заяви, че въпреки че извършва изследвания в прост организъм - хлебни дрожди - той винаги се е надявал изследванията му да окажат влияние върху човешкото здраве. Всъщност откритията на Осуми, заедно с тези на други, работещи едновременно по пътищата, свързани с автофагията в дрождите, осигуриха мощен набор от молекулярни инструменти, който хиляди учени използват по целия свят, за да дешифрират ролята на автофагията в здравето и болестта на бозайниците. Историята на тазгодишната Нобелова награда представлява по-добър от учебника пример за това защо необузданото откритие във фундаменталната фундаментална наука е от решаващо значение за отварянето на нови граници в медицината.

Автофагията вероятно се е развила преди милиарди години

Произведен от гръцки и означаващ да се яде („фага“) („автоматично“), терминът автофагия се отнася до лизозомна деградация по пътя на саморазграждането (фиг. 1) (1). Този процес включва динамични пренареждания на мембраната на секвестиращия товар за доставка до лизозомата, където изолираният материал се разгражда и рециклира. Сега знаем, че автофагията може да бъде неселективна (например по време на лишаване от хранителни вещества) или изящно селективна (като например, когато увредените органели или вътреклетъчните патогени се разграждат). Молекулярната машина на автофагията (открита за първи път в дрожди, както е описано по-долу) присъства в генома на всеки еукариотен организъм, който е секвениран до момента, но не и в този на който и да е прокариот. По този начин произходът на автофагията е неразривно свързан със съволюционните събития, необходими за възникването на еукариотния живот.

печели

Ултраструктура на автофагия в клетки на дрожди и бозайници. (Вляво) Електронна микрофотография на клетка от дрожди (S. cerevisiae) с автофагични тела във вакуолата по време на азотен глад. Възпроизведено с разрешение от ref. 54. (Вдясно) Електронна микрофотография на образуваща се автофагозома в аминокиселинен беклин 1-дефицитен човешки рак на гърдата, експресиращ екзогенен Беклин 1. С любезното съдействие на X. H. Liang, N. Furuya, Y. Wei и B. Levine. (Мащабни ленти, 1 μm.)

Автофагията е описана за първи път в клетките на бозайници през 50-те години на миналия век

Тези ключови ранни открития установяват съществуването на автофагия в клетките на бозайници; регулирането му от хранителен статус, чувствителни към хранителни вещества хормони, кинази и фосфатази; потенциалът му за селективно влошаване на товара; и увеличаването му при определени стрес и условия за развитие. Забележително е, че рецензионна статия на Дю Две и Ватио през 1966 г. (16) предвещава голяма част от това, което знаем днес за функциите на автофагията. Те включват роля в „храненето при неблагоприятни условия на снабдяване с храна чрез парче саморазграждане“, „клетъчна диференциация и метаморфоза“, „вътреклетъчно изчистване като част от самовъзстановяването на дълголетни клетки“ и „самоочистване мъртви клетки. " Имаше обаче един основен проблем - как тази (или друга) функционалност на автофагията може да бъде доказана чрез морфологични наблюдения? Тук се крие основата за важността на описването на запазената генетична машина на автофагията в дрождите.

Въведете Ohsumi и други изследователи на дрожди: Зората на генетичната ера на изследванията на автофагията

В началото на 90-те години няколко лаборатории започват да изучават неселективна и селективна автофагия при дрожди. През 1992 г. Ohsumi и колеги (17) описват наличието на „автофагични тела“ във вакуолата (аналога на лизозомата) на протеазно-дефицитни Saccharomyces cerevisiae, лишени от хранителни вещества - първата морфологична характеристика на неселективната автофагия в дрождите. В същия брой на Journal of Cell Biology, Klionsky et al. (18) описва вноса на аминопептидаза I във вакуолата на Saccharomyces cerevisaie - първата характеристика на селективната автофагия в дрождите. Малко след това Дън и колеги (19) описват форма на селективна автофагия в метилотрофните дрожди, Pichia pastoris и Hansenula polymorpha, включваща селективно разграждане на пероксизомите във вакуолата.

Тези морфологични и биохимични характеристики поставят началото на почти паралелни усилия в три лаборатории за изолиране на мутанти в S. cerevisiae и клониране на гените, кодиращи машината за автофагия на дрождите, сега наричана гени, свързани с автофагията (ATG) (20); подобни усилия бяха предприети в няколко лаборатории, работещи с метилотрофните дрожди (21). Групата на Ошуми (22) извърши генетичен скрининг за изолиране на мутанти, които натрупват автофагични тела във вакуолата и показват намалена жизнеспособност по време на азотен глад (първоначално известни като apg мутанти); Thumm et al. (23) извърши генетичен скрининг за изолиране на дрожди с дефицит в усвояването на протеини за разграждане във вакуолата (първоначално известни като автомутанти); и групата на Klionsky (24) направиха скрининг за мутанти с недостатъчно доставяне на резидентна вакуоларна хидролаза от цитоплазмата до вакуолата (първоначално известна като cvt мутанти).

През октомври 1996 г. първият ген за аутофагия на дрожди, APG5 (сега известен като ATG5), е докладван от Ohsumi и колеги (25). Малко след това, през февруари 1997 г., групата на Thumm (26) съобщава за клонирането на AUT1 (сега известен като ATG3), който кодира Е2-конюгиращ ензим, участващ в модификацията на убиквитин-подобния протеин Atg8. През 1998 г. Mizushima et al. (27) описва система за конюгиране на протеини в дрождите, системата Atg12 – Atg5, която изисква убиквитин активиращ Е1-подобен ензим, Atg7, а през 1999 г. три допълнителни групи (28–30) съобщават в клониращите статии за клонирането и характеризиране на дрожди ATG7. През 2000 г. Ichimura et al. (31) съобщават, че Atg7 E1-подобният ензим конюгира Atg8 с фосфатидилетаноламин, установявайки роля за липидирането на протеини в мембранната динамика по време на автофагия.

Взети заедно, между 1996 и 2000 г., различните лаборатории, работещи с клонирани гени на дрожди, кодиращи компоненти, които функционират на различни етапи на автофагия, включително иницииране (включващо Atg1 серин/треонин киназен комплекс и Vps34 липид киназен комплекс), както и разширяване на фагофора и автофагозома съзряване (с участието на двете подобни на убиквитин протеинови конюгационни системи). От този период до настоящия момент обширни проучвания (особено при S. cerevisiae), използващи молекулярно-генетични, биохимични и структурни подходи, продължават да ни учат за работата на основната машина за автофагия и идентифицират допълнителни компоненти, критични за различни видове селективна автофагия.

Зората на генетичната ера на автофагичните изследвания на бозайници

Изследванията върху дрожди са от решаващо значение за изясняване на молекулярните механизми на образуването на автофагозоми. Ранните генетични скрининг на дрожди също установяват, че автофагията е от съществено значение за оцеляването по време на глад и за процеса на диференциация на дрождите при спороношение. Тъй като дрождите са едноклетъчни организми, откриването на молекулярния механизъм на автофагията при по-сложни еукариоти (особено бозайници) е от решаващо значение за определяне на функциите на автофагията в здравето и болестите.

През 90-те години на миналия век са клонирани няколко гена на гръбначни животни, които споделят висока степен на хомология на последователността с основни гени за аутофагия на дрожди, включително говеда PIK3C3/VPS34 (32), плъх MAP1LC3/LC3 (33), мишка и човек Ulk1/ULK1 (34, 35 ), човешки ATG5 (36, 37), човешки ATG12 (37) и човешки VPS30/ATG6 (беклин 1) (38). През 1999 г. групата на Levine’s (39) представи първата демонстрация на автофагична функция на протеин на бозайник; Beclin 1, човешкият ортолог на дрожди Vps30/Atg6, спасява автофагия в VPS30/ATG6 дефицитни дрожди и в дефицитни на автофагия клетки на рак на гърдата без едно копие на беклин 1. През следващите няколко години беше доказано, че на практика всички гените за аутофагия на дрождите са функционално запазени по време на еволюцията на метазоите.

Тези ранни проучвания скоро бяха последвани от множество допълнителни генетични анализи в различни метазойни организми, които недвусмислено установиха решаваща роля на машината за автофагия в диференциацията и развитието, хранителната и енергийната хомеостаза, адаптацията на стреса, супресията на тумора, вродения и адаптивния имунитет, метаболизма, регулиране на възпалението и защита срещу сърдечни и скелетни заболявания, невродегенерация и стареене (48-50). Тези роли произтичат от способността на автофагията да разгражда нежелани или вредни субстрати (до голяма степен чрез селективна автофагия), да рециклира цитоплазматичните съставки по време на стрес в околната среда (до голяма степен чрез неселективна автофагия) и от други хомеостатични функции на машината за автофагия. Важното е, че сега е ясно, че мутациите в гени, кодиращи основни компоненти, необходими за образуването на автофагозоми, са свързани с човешки заболявания (51, 52).

Обединяване на изследователите на автофагия за дрожди и бозайници

Първата изследователска конференция по автофагия в Гордън, проведена през 2003 г., събра изследователи от Северна и Южна Америка, Европа, Близкия изток и Азия (фиг. 2). Неговите участници включват почти всички живи изследователи на автофагията, споменати по-горе, както и много други висши лидери и изгряващи звезди в полето. Йошинори Осуми изнесе основната лекция и хвърли първото игрище в игра за софтбол „мая срещу бозайници“, проведена по време на следобедна почивка. Транснационалният и транскингдамски характер на срещата обедини участниците с разнообразен опит, но които споделяха обща страст към автофагията, като по този начин поставиха основите за трайно научно сътрудничество, което значително ускори темпото на открития в тази област. Като един от многото примери, групата на Йошимори (53) беше открила, че GFP-LC3 е полезен маркер на автофагозомите; той щедро споделя своите реактиви и оттогава в цял свят се използват флуоресцентно маркирани версии на ортолози Atg8/LC3, за да се наблюдават автофагозомни числа в широк спектър от видове.

Участници в първата изследователска конференция на Гордън на тема „Автофагия при стрес, развитие и болести“ (Колби Колидж, Мейн, 22–27 юни 2003 г.). На първия ред (позиции 10–12) са Даниел Дж. Клионски, заместник-председател; Бет Левайн, председателят; и Йошинори Осуми, лауреат на Нобелова награда за физиология или медицина за 2016 г.

Високият обяд на изследванията на автофагията

Благодарение на изясняването на генетичните машини и молекулярните механизми за автофагия в дрождите (и на цялата последваща работа в по-сложни еукариоти, изградена върху тази основа), ние навлязохме във вълнуваща нова ера в изследванията на автофагията. Направихме големи намеси в разбирането как се регулира автофагията, как структурно изглежда основната машина за автофагия и как работи, какво прави автофагията, за да ни запази здрави (или в по-редки случаи да ни разболее) и как можем да манипулираме автофагия фармакологично или чрез интервенции в начина на живот за предотвратяване и/или лечение на стареене и много често срещани заболявания Също така научаваме, че генетичната машина на автофагията участва в други пътища за трафик и сигнализация за контрол на физиологията на бозайниците, като по този начин допълнително разширява дългосрочното биомедицинско въздействие на оригиналните генетични екрани на дрождите. Въпреки че не е пряко свързан с дрождените екрани за гени, необходими за образуването на автофагозома, скорошната революция в идентифицирането на гените, необходими за селективна автофагия (много от които са мутирали при човешки заболявания, особено рак и невродегенеративни разстройства), също дава големи обещания за стратегии за увеличаване на автофагията за предпазване от болести.

Със сигурност има много въпроси, на които все още трябва да се отговори относно основните механизми на автофагията (и други процеси, зависими от гените на автофагията), нейните роли в заболяването и потенциала му като път за насочване към наркотици. Въпреки това е напълно възможно през целия ни живот или поне този на нашите деца да станем свидетели на реализацията на надеждата на Йошинори Осуми - красноречивата молекулярна дисекция на по-рано недооценен процес на клетъчна биология в дрождите вероятно в крайна сметка ще подхрани новаторски напредък в човешкия живот здраве.

Благодарности

Авторите са подкрепени от NIH Grants U19 AI199725 и RO1 CA109618 (за B.L.) и RO1 GM053396 (за D.J.K.).

Бележки под линия

Авторите не декларират конфликт на интереси.

Тази статия е PNAS директно подаване.

Тази статия е част от поредица от статии в PNAS, подчертаващи откритията и профилиращи носителите на наградите от Нобеловата награда. Статии за Нобеловите лауреати за физика и химия за 2016 г. могат да бъдат намерени на 10.1073/pnas.1620134114 и 10.1073/pnas.1619330114.