Mechanizm autofagii - czyli odkrycie prof. Ohsumi i zasłużona nagroda Nobla - Daria Łukowska

Yoshinori Ohsumi otrzymał w 2016 roku nagrodę Nobla w dziedzinie fizjologii i medycyny za odkrycie mechanizmu autofagii. Wyjaśnił on mechanizmy leżące u podstaw autofagii – fundamentalnego procesu „degradacji i recyklingu” komponentów komórkowych.

Słowo autofagia pochodzi od greckich słów auto-, co oznacza „ja” i fagin, czyli „jeść”. Autofagia oznacza więc „samozjadanie” (ang. self-eating). Koncepcja ta pojawiła się w latach sześćdziesiątych, kiedy naukowcy po raz pierwszy zauważyli, że komórka może zniszczyć własną zawartość poprzez zamknięcie jej w błonach, tworząc pęcherzyki podobne do worków, które zostały przetransportowane do komory recyklingu, zwanej lizosomem, w celu degradacji. Trudności w badaniu tego zjawiska sprawiły, że niewiele było wiadomo, dopóki w serii znakomitych eksperymentów na początku lat 90. Yoshinori Ohsumi nie użył drożdży piekarskich do zidentyfikowania genów niezbędnych do autofagii. Następnie udał się do wyjaśnienia mechanizmów leżących u podstaw autofagii w drożdżach i wykazał, że podobne zaawansowane mechanizmy zachodzą również w naszych komórkach.

Odkrycia dokonane przez Ohsumiego doprowadziły do ​​nowego paradygmatu w naszym zrozumieniu, w jaki sposób komórka przetwarza swoją zawartość. Jego odkrycia otworzyły drogę do zrozumienia podstawowego znaczenia autofagii w wielu procesach fizjologicznych, takich jak adaptacja do głodu lub reakcji na infekcję. Mutacje w genach autofagii mogą powodować choroby, a procesy autofagii mają znaczenie innymi przy nowotworach czy chorobach neurologicznych.

  • Degradacja – centralna funkcja we wszystkich żywych komórkach 

W połowie lat pięćdziesiątych naukowcy zaobserwowali nowy wyspecjalizowany fragment komórkowy, tzw. organellum, zawierający enzymy trawiące białka, węglowodany i lipidy. Ten wyspecjalizowany przedział określany jest jako „lizosom” i działa jako stacja robocza do degradacji składników komórkowych. Belgijski naukowiec Christian de Duve otrzymał Nagrodę Nobla w dziedzinie fizjologii i medycyny w 1974 r. za odkrycie lizosomu. Nowe obserwacje w latach sześćdziesiątych wykazały, że wewnątrz lizosomów można czasem znaleźć duże ilości treści komórkowych, a nawet całych organelli. Komórka wydawała się więc mieć strategię dostarczania dużego ładunku do lizosomu. Dalsza analiza biochemiczna i mikroskopowa ujawniła nowy typ pęcherzyków transportujących ładunek komórkowy do lizosomu w celu jego degradacji (ryc. 1). Christian de Duve, stojący za odkryciem lizosomu, wymyślił termin „autofagia”, aby opisać proces „samozjadania się” komótki. Nowe pęcherzyki nazwano autofagosomami.

Ryc. 1: Lizosomy są jednym z organelli komórkowych wytwarzanych przez aparat Golgiego i zawierają enzymy do trawienia treści komórkowych. W komórce zaobserwowano nowy rodzaj pęcherzyka zwany autofagosomem – który to pochłania zawartość komórkową, taką jak uszkodzone białka i organelle. Na koniec łączy się z lizosomem, gdzie zawartość ulega rozkładowi na mniejsze składniki. Proces ten dostarcza komórce składników odżywczych i cegiełek do odnowienia.

 

W latach 1970 i 1980 naukowcy skupili się na wyjaśnieniu innego systemu stosowanego do degradacji białek, a mianowicie „proteasomu”. W ramach tego pola badawczego Aaron Ciechanover, Avram Hershko i Irwin Rose zostali nagrodzeni w 2004 roku Nagrodą Nobla w dziedzinie chemii za odkrycia procesu degradacji białek z udziałem ubikwityny w komórkach. Proteasom wydajnie degraduje białka jeden po drugim, ale mechanizm ten nie wyjaśniał, w jaki sposób komórka pozbyła się większych kompleksów białkowych i zużytych organelli. Czy proces autofagii może być odpowiedzią, a jeśli tak, to jaki to mechanizm?

  • Przełomowy eksperyment

Yoshinori Ohsumi był aktywny w różnych dziedzinach badań, ale po rozpoczęciu pracy w swoim własnym laboratorium w 1988 roku skupił swoje wysiłki na degradacji białek w wakuoli – organellum, które odpowiada lizosomowi w ludzkich komórkach. Komórki drożdży są względnie łatwe do zbadania i w konsekwencji często są wykorzystywane jako model dla ludzkich komórek. Są one szczególnie przydatne do identyfikacji genów ważnych w złożonych szlakach komórkowych. Ale Ohsumi stanął przed wielkim wyzwaniem: komórki drożdży są małe, a ich wewnętrzne struktury nie są łatwe do odróżnienia pod mikroskopem, a zatem nie był pewien, czy autofagia istniała nawet w tym organizmie. Ohsumi wnioskował, że gdyby mógł zakłócić proces degradacji w wodniczce, podczas gdy proces autofagii byłby aktywny, to autofagosomy powinny się gromadzić w wodniczce i stać się widoczne pod mikroskopem. Dlatego hodował zmutowane drożdże pozbawione enzymów degradacji wakuolarnej i jednocześnie stymulował autofagię przez głodzenie komórek. Rezultaty były zdumiewające! W ciągu kilku godzin wakuole zostały wypełnione niewielkimi pęcherzykami, które nie uległy rozkładowi (Ryc. 2). Pęcherzyki były autofagosomami, a doświadczenie Ohsumiego dowiodło, że w komórkach drożdży występuje autofagia. Ale co ważniejsze, miał teraz metodę identyfikacji i scharakteryzowania kluczowych genów zaangażowanych w ten proces. To był przełom i Ohsumi opublikował wyniki w 1992 roku.

Ryc. 2: W drożdżach (lewy panel) duży przedział zwany wakuolą odpowiada lizosomowi w komórkach ssaków. Ohsumi generował drożdże pozbawione enzymów degradacji wakuolarnej. Kiedy te komórki drożdży były głodzone, autofagosomy szybko gromadziły się w wakuoli (środkowy panel). Jego eksperyment wykazał, że autofagia występuje w drożdżach. W kolejnym kroku Ohsumi zbadał tysiące mutantów drożdży (prawy panel) i zidentyfikował 15 genów niezbędnych do autofagii.

 

 

  • Odkrycie genów autofagii

Ohsumi wykorzystał swoje inżynierskie szczepy drożdży, w których autofagosomy gromadziły się podczas głodu. Ta akumulacja nie powinna wystąpić, jeśli geny ważne dla autofagii były inaktywowane. Ohsumi eksponował komórki drożdży na substancję chemiczną, która losowo wprowadziła mutacje w wielu genach, a następnie wywołała autofagię. Jego strategia zadziałała! W ciągu roku od odkrycia autofagii u drożdży, Ohsumi zidentyfikował pierwsze geny niezbędne do autofagii. W kolejnych seriach badań zostały scharakteryzowane białka kodowane przez te geny. Wyniki pokazały, że autofagia jest kontrolowana przez kaskadę białek i kompleksów białkowych, z których każdy reguluje odrębny etap autofagosomowej inicjacji i tworzenia (Ryc. 3).

Ryc. 3: Ohsumi badał funkcję białek kodowanych przez kluczowe geny autofagii. Wyjaśnił, w jaki sposób sygnały stresu inicjują autofagię i mechanizm, dzięki któremu białka i kompleksy białkowe sprzyjają odrębnym etapom tworzenia się autofagosomu.

 

 

  • Autofagia – niezbędny mechanizm w naszych komórkach

Po identyfikacji machnerii autofagii w drożdżach pozostało kluczowe pytanie – czy istnieje odpowiedni mechanizm kontrolujący ten proces w innych organizmach? Wkrótce stało się jasne, że praktycznie identyczne mechanizmy działają w naszych własnych komórkach. Narzędzia badawcze potrzebne do zbadania znaczenia autofagii u ludzi były już dostępne.

Dzięki prof. Ohsumi i innym, którzy podążają jego śladami, wiemy teraz, że autofagia kontroluje ważne funkcje fizjologiczne, w których składniki komórkowe muszą zostać zdegradowane i poddane recyklingowi. Autofagia może szybko dostarczać paliwo do energii i bloków budulcowych w celu odnowienia komponentów komórkowych, a zatem jest niezbędna do komórkowej odpowiedzi na głód i inne rodzaje stresu. Po zakażeniu autofagia może wyeliminować atakujące bakterie wewnątrzkomórkowe i wirusy. Autofagia przyczynia się do rozwoju zarodka i różnicowania komórek. Komórki wykorzystują również autofagię, aby wyeliminować uszkodzone białka i organelle – to taki mechanizm kontroli jakości, który jest krytyczny dla przeciwdziałania negatywnym konsekwencjom starzenia.

Zaburzona autofagia została powiązana z chorobą Parkinsona, cukrzycą typu 2 i innymi zaburzeniami występującymi u osób starszych. Mutacje w genach autofagii mogą powodować choroby genetyczne. Zakłócenia w automatyce autofagicznej zostały również powiązane z nowotworami. Intensywne badania trwają obecnie nad opracowaniem leków, które mogą celować w autofagię w różnych chorobach.

Autofagia znana jest od ponad 50 lat, ale jej fundamentalne znaczenie w fizjologii i medycynie uznano dopiero po zmianach paradygmatu Yoshinori Ohsumi w latach 90-tych. Za swe odkrycia otrzymał Nagrodę Nobla w 2016 r. w dziedzinie fizjologii lub/i medycyny.

 

* * *

Źródła:

  1. Takeshige, K., Baba, M., Tsuboi, S., Noda, T. and Ohsumi, Y. (1992). Autophagy in yeast demonstrated with proteinase-deficient mutants and conditions for its induction. Journal of Cell Biology 119, 301-311
  2. Tsukada, M. and Ohsumi, Y. (1993). Isolation and characterization of autophagy-defective mutants of Saccharomyces cervisiae. FEBS Letters 333, 169-174
  3. Mizushima, N., Noda, T., Yoshimori, T., Tanaka, Y., Ishii, T., George, M.D., Klionsky, D.J., Ohsumi, M. and Ohsumi, Y. (1998). A protein conjugation system essential for autophagy. Nature 395, 395-398
  4. Ichimura, Y., Kirisako T., Takao, T., Satomi, Y., Shimonishi, Y., Ishihara, N., Mizushima, N., Tanida, I., Kominami, E., Ohsumi, M., Noda, T. and Ohsumi, Y. (2000). A ubiquitin-like system mediates protein lipidation. Nature, 408, 488-492
  • Na podstawie artykułu: https://www.nobelprize.org/nobel_prizes/medicine/laureates/2016/press.html