Autofagia, co oznacza samozjadanie, jest wewnątrzkomórkowym systemem degradacji, w którym niechciane ładunki, takie jak stare lub uszkodzone organelle, niepotrzebne białka, jak również czynniki patogenne, są trawione, a wielkocząsteczkowa zawartość z trawienia jest uwalniana z powrotem do cytozolu. Po raz pierwszy opisana w 1963 roku przez Christiana de Duve, autofagia polega na sekwestracji organelli komórkowych i materiału cytoplazmatycznego w dwumembranowych pęcherzykach zwanych autofagosomami, a następnie dostarczeniu ich do lizosomów w celu degradacji przez hydrolazy lizosomalne.
Mechanizm autofagii
Autofagia u eukariontów obejmuje trzy różne szlaki, mianowicie makroautofagię, mikroautofagię i autofagię indukowaną przez chaperony. Chociaż wszystkie te trzy mechanistycznie różne ścieżki kończą się lizosomalną degradacją ładunku komórkowego, makroautofagia jest najszerzej badana i została tutaj krótko omówiona.
Schemat przedstawiający mechanizm autofagii
Mechanizm makroautofagii jest zachowany wśród eukariontów i charakteryzuje się zamykaniem ładunku komórkowego w dwumembranowych pęcherzykach zwanych autofagosomami. U drożdży w formowaniu autofagosomów wokół docelowego ładunku bior± udział białka zwi±zane z autofagii (Atg), które s± rekrutowane hierarchicznie do miejsca gromadzenia się fagoforu lub struktury preautofagosomalnej (PAS). W PAS kompleksy białek inicjujących ułatwiają syntezę de novo podwójnej struktury błonowej zwanej fagoforem lub błoną izolacyjną, której składniki lipidowe pochodzą z systemu golgiego-endosomu. U ssaków, gdzie nie zidentyfikowano odrębnej struktury PAS-podobnej, znane są liczne organelle komórkowe, w tym błona plazmatyczna, które służą jako miejsca powstawania fagoforu. Po rekrutacji innych białek Atg, błona izolacyjna wydłuża się w fagofor, który ostatecznie łączy się na wolnych końcach, tworząc autofagosom, który otacza i sekwestruje ładunek. Po uformowaniu, autofagosomy przechodzą proces dojrzewania podczas transportu wzdłuż szlaku endocytarnego, zanim połączą się z lizosomami, tworząc autofagolizosomy. Ładunki komórkowe dostarczane przez autofagosomy są następnie degradowane przez enzymy hydrolityczne lizosomów, a produkty degradacji są uwalniane z powrotem do cytoplazmy do wykorzystania przez komórki.
Dwie pozostałe ścieżki autofagii nie wymagają tworzenia autofagosomów. W mikroautofagii lizosom bezpośrednio pochłania fragmenty cytoplazmy, natomiast w autofagii z udziałem chaperonów specyficzne białka chaperonowe wiążą się z ładunkiem i transportują go przez błonę lizosomalną w celu degradacji .
Physiological relevance of Autophagy
Autofagia jest zarówno systemem zarządzania stresem, jak i środkiem kontroli homeostatycznej w komórkach, dlatego jest regulowana w różny sposób w różnych warunkach komórkowych. Na przykład, w komórkach funkcjonujących normalnie w warunkach bezstresowych, podstawowy poziom autofagii zapewnia, że stare, uszkodzone organelle i białka są szybko trawione, a zawartość po trawieniu jest zawracana z powrotem do cytozolu, dzięki czemu dostępność składników komórkowych jest regulowana dla różnych funkcji komórkowych. Jednak w odpowiedzi na różnego rodzaju stresy komórkowe, takie jak głód odżywczy, stres oksydacyjny, promieniowanie lub terapia przeciwnowotworowa, mechanizm autofagii jest pobudzany w celu szybkiej detoksykacji komórek, jak również w celu zwiększenia recyklingu składników komórkowych, aby nadążyć za wzmożoną funkcją komórek. Ponadto, zarówno w normalnej fizjologii, jak i w warunkach patologicznych, autofagia odgrywa bezpośrednią rolę w hamowaniu apoptozy poprzez regulację interakcji pomiędzy białkiem autofagii Beclin-1 a regulatorem apoptozy Bcl-2. Jednakże, w przypadku braku ścisłej regulacji przestrzenno-czasowej, nadmierna autofagia może funkcjonować jako alternatywny szlak śmierci komórki. Dlatego też dysregulacja autofagii jest związana z początkiem i progresją chorób takich jak nowotwory, zaburzenia neurodegeneracyjne i autoimmunologiczne oraz wiele innych.
Stres mechaniczny a autofagia
Gdy autofagia działa jako mechanizm pro-survival głównie indukowany przez stres, może być naturalnie regulowana przez stres mechaniczny, taki jak ściskanie, rozciąganie lub naprężenia ścinające spowodowane przepływem płynów. Wiele badań wskazuje na to, że komórki reagują na stres mechaniczny poprzez regulację poziomu autofagii i że może to mieć znaczenie zarówno w warunkach fizjologicznych, jak i patofizjologicznych. Na przykład, w odpowiedzi na bodziec mechaniczny, taki jak wysiłek fizyczny, stymulowana jest zdolność mineralizacji osteoblastów wrażliwych na bodźce mechaniczne, co prowadzi do zwiększonego tworzenia i przebudowy kości. W związku z tym, ostatnie badania na linii komórkowej osteoblastów szczura UMR-106 wykazały wzrost autofagii podczas mineralizacji i zasugerowały związek pomiędzy niską gęstością kości a niedoborem białka autofagii Atg5 . Badania te wskazują na rolę autofagii w regulacji przebudowy kości w odpowiedzi na bodźce mechaniczne.
Inne najnowsze badania wykazały, że komórki indukują autofagię w odpowiedzi na naprężenia ściskające. Po zastosowaniu sił ściskających do 1kPa, co mieści się w zakresie normalnych sił fizjologicznych doświadczanych przez komórki, nastąpił przejściowy wzrost szybkości tworzenia autofagosomów. Sugerowano, że ten przejściowy wzrost funkcjonuje jako komórkowy system zarządzania stresem do czasu, gdy komórka jest w stanie przystosować się do fizycznych zmian w swoim środowisku. Z drugiej strony, nadmierne stresy mechaniczne mogą mieć odwrotny efekt, prowadząc do supresji autofagii. W najnowszych badaniach Carames i wsp. eksplantaty ludzkiej i mysiej chrząstki poddane urazom mechanicznym o dużej sile uderzenia ulegały śmierci komórkowej, co wiązało się ze znacznym spadkiem ekspresji markerów autofagii. Co ciekawe, farmakologiczna stymulacja autofagii przez rapamycynę chroniła przed śmiercią komórek, podkreślając interakcję pomiędzy autofagią i stresem mechanicznym w utrzymaniu zdrowych komórek .