AUTOFAGIA NOWA BRON DO ZWALCZANIA CHORÓB
Komórki sprzątające własne podwórko
Odkrycie mechanizmów autofagii z cała pewnością może być wykorzystane w leczeniu wielu chorób, w tym nowotworów.
Niezwykłe jest również to, że autofagia może odgrywać znaczącą rolę w procesach determinujących długość ludzkiego życia.
Autofagosomy jak maleńkie miotełki usuwają z wnętrza komórek zużyte białka,
nieprawidłowo funkcjonujące organelle i agresywne drobnoustroje. Dzięki temu utrzymują organizm w dobrej formie, chronią go przed chorobami,
a nawet mogą opóźnić starzenie
nieprawidłowo funkcjonujące organelle i agresywne drobnoustroje. Dzięki temu utrzymują organizm w dobrej formie, chronią go przed chorobami,
a nawet mogą opóźnić starzenie
Apoptoza - Czesc wiekszego mechanizmu
W Skrócie
■ Organelle wewnątrzkomórkowe zwane autofagosomami nieustannie pochłaniają niewielkie ilości cytoplazmy, a razem z nią uszkodzone składniki komórek, bakterie i wirusy. Wszystkie te „śmieci" zmiatane są do organelli odpowiedzialnych za ich trawienie i ponowne wykorzystanie. Proces ten określany jest mianem autofagii („samo zjadania").
■ Biolodzy komórkowi poznają szczegóły tego zjawiska, badając sygnały indukujące je i regulujące.
■ Dokładne zrozumienie i opisanie mechanizmów zarządzających autofagią otwiera nowe perspektywy w dziedzinie leczenia nowotworów, chorób zakaźnych, zaburzeń immunologicznych oraz demencji, a w przyszłości być może pozwoli na opóźnienie
Od czasu do czasu naukowcy uświadamiają sobie, że jakiś dawno odkryty element lub proces, słabo poznany i bagatelizowany, odgrywa niezwykle ważną rolę w życiu komórek. Jest nie tylko wszechobecny, lecz także, właśnie dzięki temu, bierze znaczący udział w wielu prawidłowych i patologicznych zjawiskach. Tak było z tlenkiem azotu i odkryciem jego roli w regulacji krążenia, za co po wielu latach przyznano Nagrodę Nobla. Ostatnio inne zagadkowe zjawisko, zwane autofagią, skupiło na sobie nagle uwagę wielu badaczy.
Istota autofagii jest nieskomplikowana. Dobrze oddaje ją nazwa, która pochodzi z języka greckiego i oznacza samo zjadanie. W każdej komórce znajduje się jądro oraz otaczająca je cytoplazma, rodzaj bezpostaciowej galaretki podtrzymywanej przez rusztowanie składające się z tzw. cytoszkieletu. W galaretce tej zawieszone są rozmaite makrocząsteczki oraz większe, wieloskładnikowe struktury, czyli organelle, świetnie wyspecjalizowane do wykonywania określonych zadań. Procesy biologiczne przebiegające na terenie cytoplazmy są co najmniej tak złożone, jak operacje w systemach komputerowych. Pewnie dlatego co jakiś czas „zawieszają się" z powodu nadmiernego nagromadzenia pozostałości po bieżących i zakończonych procesach. Autofagią to - przynajmniej w pewnym zakresie - sprzątanie tych resztek. „Wywóz śmieci" oczyszcza cytoplazmę ze zużytych białek i innych niechcianych odpadów niczym restart komputera kasujący zawartość pamięci i rejestrów.
Renowacja cytoplazmy to zatem tchnienie nowego życia w komórkę, co jest szczególnie ważne w przypadku takiej, która jest długowieczna i nie może być zastąpiona. Do tej kategorii należą neurony, które powinny funkcjonować przez całe życie organizmu. Biolodzy spostrzegli, że autofagią jest również wykorzystywana do obrony przed wirusami i niektórymi bakteriami, które żyją w cytoplazmie. Każde ciało obce, każdy drobnoustrój, który przechytrzy układ odpornościowy i schowa się we wnętrzu komórek, staje się potencjalnym celem autofagii.
Jednak jest i druga strona medalu. Opieszała lub nadgorliwa, a także wypaczona autofagią może mieć groźne następstwa. Nieprawidłowego jej przebiegu, a w konsekwencji utraty kontroli nad naturalną mikroflorą jelitową należy się spodziewać u wielu spośród milionów ludzi cierpiących na chorobę Leśniowskiego-Crohna, formę zapalenia jelita. Natomiast zaburzenia tego procesu w neuronach mózgu przyczyniają się do rozwoju choroby Alzheimera, a poza tym powodują starzenie się. Nawet prawidłowo działająca autofagią bywa przekleństwem - na przykład ułatwia komórkom nowotworowym usuwanie szkód spowodowanych radio- lub chemioterapią, przyczyniając się do niepowodzeń leczenia. Co prawda czasami pomaga wyeliminować chore lub niesprawne komórki dla dobra całego osobnika, ale ten sam mechanizm, jeśli jest nadmiernie aktywny, niekiedy prowadzi do śmierci komórki, nawet jeśli byłoby to wbrew interesom organizmu.
W ciągu ostatniej dekady naukowcom udało się poznać wiele szczegółów dotyczących przebiegu i regulacji autofagii. Ta wiedza nie tylko zwiększa nasze rozumienie funkcjonowania komórek, lecz także daje nadzieję na opracowanie w niedalekiej przyszłości nowych metod terapeutycznych, polegających na nasilaniu lub hamowaniu autofagii w miarę potrzeb. Precyzyjna kontrola tempa tego procesu, a także selekcja celów, których ma dotyczyć, mogą przynieść ogromne korzyści terapeutyczne, w tym nawet usprawnić niektóre, pogarszające się z wiekiem, funkcje naszego mózgu.
Ratownik przekwalifikowany
Termin autofagia jest używany przez biologów w odniesieniu do kilku podobnych i związanych ze sobą procesów, ale my skupimy się na najlepiej poznanym, określanym jako makroautofagia, a służącym właśnie do „sprzątania" i „wywożenia śmieci" z komórki. Rozpoczyna się on od ułożenia niektórych cytoplazmatycznych białek i lipidów (tłuszczów) w dwuwarstwową błonę [ramka na następnych stronach]. Powstaje struktura o kształcie miseczki, zwana fagoforem, która swoim otworem jak ryjkiem obejmuje fragment cytoplazmy ze wszystkim, co się w nim znajduje. Następnie ujście miseczki zamyka się, wykształcając kapsułkowaty autofagosom. Transportuje on swoją zawartość najczęściej do znajdującego się w innym miejscu komórki lizosomu - organelli, którą można porównać do przetwórni odpadków. Jest ona także otoczona błoną i zawiera różnorodne enzymy trawienne. Dochodzi do połączenia obu tworów i enzymy lizosomu rozkładają zawartość autofagosomu. Powstające prostsze cząsteczki trafiają do cytoplazmy i nadają się do ponownego wykorzystania przez komórkę.
Zjawisko zostało po raz pierwszy ogólnikowo opisane w latach sześćdziesiątych przez Christiana de Duve'a i jego współpracowników z Rockefeller University, którzy dostrzegli je pod mikroskopem elektronowym. Dziesięć lat temu jeden z nas (Klionsky) oraz inni naukowcy (szczególnie Yoshinori Ohsumi i jego koledzy z Narodowego Instytutu Biologii Podstawowej w Okazaki w Japonii) rozpoczęli badanie molekularnych mechanizmów autofagii u drożdży, co jest znacznie prostsze niż wykonywanie tego samego na zwierzętach. Pozwoliło to ustalić wiele szczegółów zjawiska, trudnych do uchwycenia w bardziej złożonych organizmach, a warto dodać, że wiele odkrytych wówczas białek ma niemal identyczne odpowiedniki u ludzi, gdyż w toku ewolucji nie ulegały one istotnym zmianom.
W swych początkach autofagia służyła zapewne do obrony komórek przed głodem albo była prymitywnym mechanizmem odpornościowym (lub jednym i drugim). Aby docenić wagę reakcji na niedobór pożywienia, wystarczy wyobrazić sobie, jakie są jego skutki. Nie powoduje przecież nagłej blokady funkcjonowania organizmu i gwałtownej śmierci. Najpierw wykorzystywane są rezerwy zgromadzone w naszym ciele. Na pierwszy ogień idą komórki tłuszczowe, ale w ostateczności nawet i mięśnie mogą zostać zużyte, aby dostarczyć energii narządom absolutnie niezbędnym do przetrwania.
Podobne zjawiska zachodzą w takiej sytuacji w pojedynczych komórkach. Z braku pożywienia zaczynają one najpierw wykorzystywać te swoje części, które nie są niezbędne do przeżycia. Autofagosomy są zresztą aktywne na okrągło, nawet jeśli komórka nie głoduje. Pochłaniają losowo maleńkie kawałeczki cytoplazmy, co w połączeniu z nieustannym procesem odbudowy zapewnia komórce stopniową, lecz systematyczną odnowę. Jednak pod wpływem różnorodnych czynników stresowych, takich jak właśnie głód, brak tlenu czy obecność związków toksycznych, komórka przyśpiesza formowanie autofagosomów. Przeczesują one następnie cytoplazmę w poszukiwaniu białek, tłuszczów lub nawet całych organelli, które, bez względu na ich sprawność i znaczenie, dałoby się przetworzyć w energię.
Nawet jeśli pierwotnie taka właśnie była rola autofagii, to od czasu swego powstania proces ten znalazł inne, równie istotne zastosowania. Pozwala on komórce na pozbycie się wielu niepożądanych lokatorów. Białka realizujące większość funkcji komórki mogą na przykład mieć wady produkcyjne albo po prostu się zużyć. Przestają wtedy działać, lub, co gorsza, ich funkcjonowanie zostaje zakłócone i trzeba je usunąć, zanim wyrządzą szkody. Do tego właśnie służy autofagia, utrzymująca ich stężenie na niskim poziomie.
Autofagosomy pochłaniają nie tylko uszkodzone białka, lecz także znacznie większe od nich, nieprawidłowo funkcjonujące organelle, na przykład mitochondria. Mitochondria odpowiadają za wytwarzanie wysokoenergetycznych związków chemicznych na potrzeby komórki. Mogą także wysyłać sygnały, kaskadowo przekazywane do innych jej rejonów i indukujące jej samobójstwo, czyli apoptozę. Składa się ona z wielu etapów, ściśle skoordynowanych i precyzyjnie regulowanych przez liczne białka sygnałowe, dlatego mówi się o niej też jako o programowanej śmierci komórki.
Przyczyny apoptozy bywają różne, ale sensem jest zazwyczaj poświęcenie poszczególnych komórek dla dobra całego organizmu. Na przykład nasze ciało zazwyczaj wytwarza więcej komórek, niż potrzebuje - nadmiar musi więc być eliminowany. Starzejąca się komórka, która zaczyna funkcjonować nieprawidłowo, zabija się, aby ustąpić miejsca młodszej i sprawniejszej. Komórki, w których pojawiają się uszkodzenia DNA zagrażające transformacją nowotworową, również mogą popełnić samobójstwo. To jeden z najważniejszych, wrodzonych mechanizmów obrony przed nowotworem. Niemniej jego uruchomienie w nieodpowiednim momencie może spowodować spustoszenie. Niestety, mitochondria mogą się do lego przyczynić.
Podczas przemian energetycznych jako produkt uboczny powstają reaktywne formy tlenu (RFT), m.in. anionorodnik ponadtlenkowy (02~). Praca z takimi niebezpiecznymi substancjami musi być bardzo precyzyjna. Niekiedy wymykają się one spod kontroli i uszkadzają mitochondrium - wtedy do cytoplazmy przesącza się jego zawartość, w tym białka inicjujące apoptozę. Tak więc nawet niewielki defekt małego składnika komórki może doprowadzić do jej śmierci. Jeśli zdarzy się to w skórze, nie ma tragedii, ale utrata neuronów pamięciowych, które nie odnawiają się ani nie regenerują, stworzy poważny problem.
Autofagia odgrywa w takich przypadkach rolę zaworu bezpieczeństwa. Autofagosomy mogą usuwać uszkodzone mitochondria oraz inne organelle komórkowe i doprowadzić do ich destrukcji przez lizosomy, zanim w niestosownym momencie dojdzie do inicjacji apoptozy albo, co gorsza, obumarcia komórki w niekontrolowanym procesie nekrozy.
Z mitochondrium do cytoplazmy mogą również wyciec RFT. Jak wskazuje nazwa, łatwo wchodzą one w reakcje chemiczne z wieloma cząsteczkami obecnymi w komórce. W prawidłowej sytuacji stężenie RFT jest na szczęście utrzymywane na dość niskim poziomie przez tzw. antyoksydanty lub wymiatacze wolnych rodników. Shengkan V. Jin z University of Medicine and Dentistry of New Jersey w Piscataway w USA zaobserwował, że w wyniku uszkodzenia mitochondriów RFT dosłownie zalewają komórkę, a ich poziom wzrasta nawet 10-krotnie. To przekracza wydolność komórkowych układów detoksykacyjnych i wiąże się 7. ryzykiem transformacji nowotworowej, ponieważ niezneutralizowane RFT mogą reagować z DNA i powodować uszkodzenia genów sprzyjające rozwojowi raka. Kolejny raz z pomocą może przyjść autofagia, usuwając wadliwe mitochondria. Jak uważa Eileen Whi-te z Rutgers University, jej korzystne działanie rozciąga się nawet na złośliwiejące komórki, które chroni przed kolejnymi uszkodzeniami DNA i dalszymi etapami transformacji.
JAK TO DZIAŁA
Autofagia krok po kroku
Usuwaniem i rozkładaniem materiału wewnątrzkomórkowego zajmują się wyspecjalizowane pęcherzyki, autofagosomy, które powstają w cytoplazmie-galaretowatej masie wypełniającej komórkę. Schemat przedstawia eliminację uszkodzonego mitochondrium, organelli odpowiedzialnej za wytwarzanie wysokoenergetycznych związków chemicznych niezbędnych do napędzania procesów metabolicznych. Jest ono pochłaniane przez autofagosom, który dostarcza je do innej organelli - lizosomu. Tam zostaje rozłożone przez enzymy. Śledząc drogi przemieszczania się białek w komórce, zdobywamy wiedzę o molekularnych szczegółach autofagii.
Obosieczny miecz
Wkrótce po wyjaśnieniu podstawowych mechanizmów apoptozy naukowcy zorientowali się, że komórka dysponuje również innymi metodami popełnienia samobójstwa. Pierwszym podejrzanym stała się autofagia. Znajduje to odzwierciedlenie w nazewnictwie cytologicznym: apoptoza określana jest jako typ I programowanej śmierci komórek, natomiast autofagię czasami nazywa się typem II, choć część badaczy uważa taką klasyfikację za kontrowersyjną.
Autofagia może prowadzić do śmierci komórek na dwa sposoby. Pierwszy to po prostu niepowstrzymane „zjadanie" komórki po kawałku aż do momentu zużycia wszystkich jej składników. Drugi zaś to inicjacja apoptozy. Ale w jakim celu proces, który miał pierwotnie chronić przed śmiercią (np. z głodu lub nie-wczesnego samobójstwa), stawałby się jej przyczyną? Ta zagadka może mieć fascynujące rozwiązanie. Apoptozą i autofagia mogą być blisko ze sobą związane i precyzyjnie zrównoważone. Na przykład, jeśli uszkodzenie organelli jest zbyt rozległe i autofagia nie wystarcza, aby uporać się z. problemem, dla dobra organizmu komórka musi popełnić samobójstwo. Ma wtedy do dyspozycji dwa równie dobre mechanizmy: może zezwolić autofagii na kontynuowanie niszczycielskiego dzieła do końca albo zainicjować apoptozę, zachowując autofagię w odwodzie na wypadek, gdyby okazało się, że apoptozą z jakichś powodów jest niesprawna. Dwa najintensywniej badane i najbardziej kontrowersyjne aspekty tego zjawiska to wzajemne powiązanie apoptozy i autofagii oraz zasadność uznawania apoptozy za odmianę programowanej śmierci komórek.
Rozstrzygnięcie, czy autofagia pomaga komórce przetrwać, czy też czasem działa zupełnie odwrotnie, wymaga zejścia na poziom molekularny. Najnowsze badania przeprowadzone przez Beth Levine z Univcrsity of Texas Southwestern Medical Center w Dallas oraz Guido Kroemera z Centrę National de la Re-cherche Scientifiąue (CNRS) pokazują, jak te dwa procesy mogą być koordynowane. Jedno z białek indukujących autofagię, Beklina 1 (Beclin 1), wiąże się z Bcl-2, białkiem hamującym apoptozę. Decyzja o życiu lub śmierci zapada w zależności od tego, czy połączenie to jest umacniane, czy rozrywane. To odkrycie Levine uzupełniły kolejne badania. Zaobserwowano, że fragment białka Atg5, odgrywającego ważną rolę w formowaniu autofagosomów, może przemieścić się do mitochondrium. Tam blokuje aktywność całej rodziny białek Bel, które hamują apoptozę, i tym samym przełącza sygnał inicjujący autofagię na ścieżkę prowadzącą do apoptozy.
Nie ma jednak róży bez kolców. Autofagia nie stanowi tu wyjątku. Wcześniej zauważyliśmy, że mogą jej użyć komórki nowotworowe, by ratować się przed skutkami chemio- i radioterapii. Te metody lecznicze opierają się na indukowaniu apoptozy. Autofagia pozwala uprzątnąć uszkodzone mitochondria, zanim zainicjują ten samobójczy proces. Rzeczywiście, zaobserwowano, że napromienienie lub podanie chemioterapeutyków skutkuje podwyższeniem aktywności autofagosomów w komórkach.
Komórki nowotworowe mogą również angażować autofagię, aby chronić się przed śmiercią głodową. Do wnętrza rosnącego guza prze-dostaje się niewiele składników odżywczych i tlenu. Jak wspomnieliśmy wcześniej, takie niedobory aktywują autofagię. Spożytkowanie mniej potrzebnych cząsteczek i struktur jako źródła energii lub budulca zwiększa szanse komórek nowotworowych na przeżycie.
Uzasadnione byłoby zatem hamowanie autofagii podczas radio- lub chemioterapii. Trwają już badania kliniczne pierwszych leków działających w ten właśnie sposób. Niestety, jak ostrzega White, taka terapia może również doprowadzić do zwiększenia liczby uszkodzeń DNA w komórkach nowotworowych, co zwiększa ryzyko wznowy choroby. Uzyskanie właściwego efektu będzie wymagać zapewne żmudnego wyważenia proporcji poszczególnych elementów leczenia.
PRZETRWAĆ GŁODZENIE
Autofagosomy stale „podgryzają" komórkę od środka, ale niedobór składników odżywczych zwiększa ich liczebność i aktywność. To powoduje przyśpieszenie autokatalitycznego rozkładu składników komórki, w tym także prawidłowych białek i organelli, do prostych biochemicznych materiałów budulcowych lub energetycznych. Trafiają one następnie do cytoplazmy jako pożywka. Ponadto głodująca komórka kurczy się. Gdyby nie to „samozjadanie się", podstawowe procesy życiowe zatrzymałyby się i komórka by umarła.
Ochrana neuronów
Skoro autofagia pełni tak istotną funkcję w utrzymywaniu porządku w cytoplazmie, nie powinno dziwić, jak ważna jest dla prawidłowego działania długo żyjących komórek, takich jak neurony. Niewydolna autofagia odgrywa kluczową rolę w rozwoju schorzeń neurodegeneracyjnych: choroby Alzheimera, Parkinsona czy Huntingtona (pląsawicy). Wszystkie one prowadzą do powolnych, lecz nieuniknionych zmian w mózgu. Na najczęstszą, chorobę Alzheimera, w samych USA cierpi 4.5 min osób w podeszłym wieku.
Jednym z najbardziej typowych objawów zwykłego starzenia się komórek nerwowych jest nagromadzenie w nich pigmentowanej mieszaniny tłuszczów (lipidów) i białek, znanej pod nazwą lipofuscyny. (Zjawisko to można porównać do powstawania tzw. plam wątrobowych na po-wierzchni starzejącej się skóry.) Zdaniem Ralpha A. Nixona z Nathan S. Kline Institute for Psychiatrie Research w Orangeburgu w USA odkładanie się lipofuscyny oznacza, że komórki przestają nadążać z usuwaniem zbierających się w nich nieprawidłowo zmienionych lub zniszczonych białek. W aksonach (wypustkach neuronów) osób cierpiących na chorobę Alzheimera gromadzą się zaś żółtawe lub brązowe złogi ceroidu, czemu towarzyszy odcinkowy obrzęk, wokół którego zaś odkładają się złogi krótkiego peptydu, amyloidu beta.
Naukowcom nie udało się dotychczas z pewnością ustalić, w jaki sposób te złogi lub ich prekursory szkodzą neuronom. Ostatnie obserwacje są dość znamienne: enzymy, które odpowiadają za gromadzenie się złogów w pewnych wrodzonych wariantach choroby Alzheimera, są rozmieszczone na zewnętrznej błonie autofagosomów. Nixon uważa, że złogi powstają w wyniku niekompletnej autofagii związków, które w prawidłowej sytuacji są „wymiatane" z cytoplazmy neuronów, rozkładane w lizosomach i ponownie wykorzystane [ramka obok]. Jakby na potwierdzenie hipotezy Nixona, na zdjęciach spod mikroskopu elektronowego przedstawiających regiony mózgu
ZYJ LUB POZWÓL UMRZEĆ
DECYZJA OSTATECZNA
Poważnie uszkodzone komórki mogą dla dobra całego organizmu zainicjować proces samobójstwa. Jedną jego formę, apoptozę lub programowaną śmierć komórek typu I, inicjują mitochondria, z których uwalniane są pewne białka sygnalizujące uszkodzenie. Niektórzy badacze uważają, że autofagia może uchronić komórkę przed zbędną apoptozą, ale także, paradoksalnie, stać się inną formą samobójczej śmierci, w przypadku gdy byłaby ona pożądana, a apoptozą by zawodziła. Niektóra 7 białek regulujących oba procesy są identyczne, co oznacza, ze apoptoza i autofagia mogą się wzajemnie kontrolować i tworzą jeden, bardziej złożony system Immunologiczny.
Mikroby precz
Skoro autofagosom może przechwycić i zniszczyć uszkodzone, zagrażające komórce mitochondrium, to czy nie mógłby zrobić tego samego z niepożądanymi gośćmi - wirusami, bakteriami i pierwotniakami, które potrafią przenikać przez błony komórkowe do cytoplazmy? To hipoteza ostatnio potwierdzona doświadczalnie przez jednego z nas (Deretica) i, niemal w tym samym czasie, przez dwie inne grupy naukowców, którymi kierowali: Tamot-su Yoshimori z Uniwersytetu w Osace i Chihiro Sasakawa z Uniwersytetu w Tokio. Podsumowaniem tych badań jest długa lista drobnoustrojów usuwanych z komórki dzięki autofagii. Są na niej prątki gruźlicy Mycobacterium tuberculosis, powodujące na świecie 2 min zgonów rocznie, patogeny jelitowe, takie jak Shigella i Salmonella, paciorkowce grupy A, histeria, znajdowana w serach przygotowanych z surowego mleka, Francisella tularensis, którą według Centrum Kontroli i Zapobiegania Chorobom (CDC) bioterroryści mogą wykorzystać do stworzenia broni biologicznej, oraz takie pasożyty, jak Toxoplasma gondii, częsta przyczyna zakażeń chorych na AIDS.
■ Organelle wewnątrzkomórkowe zwane autofagosomami nieustannie pochłaniają niewielkie ilości cytoplazmy, a razem z nią uszkodzone składniki komórek, bakterie i wirusy. Wszystkie te „śmieci" zmiatane są do organelli odpowiedzialnych za ich trawienie i ponowne wykorzystanie. Proces ten określany jest mianem autofagii („samo zjadania").
■ Biolodzy komórkowi poznają szczegóły tego zjawiska, badając sygnały indukujące je i regulujące.
■ Dokładne zrozumienie i opisanie mechanizmów zarządzających autofagią otwiera nowe perspektywy w dziedzinie leczenia nowotworów, chorób zakaźnych, zaburzeń immunologicznych oraz demencji, a w przyszłości być może pozwoli na opóźnienie
Od czasu do czasu naukowcy uświadamiają sobie, że jakiś dawno odkryty element lub proces, słabo poznany i bagatelizowany, odgrywa niezwykle ważną rolę w życiu komórek. Jest nie tylko wszechobecny, lecz także, właśnie dzięki temu, bierze znaczący udział w wielu prawidłowych i patologicznych zjawiskach. Tak było z tlenkiem azotu i odkryciem jego roli w regulacji krążenia, za co po wielu latach przyznano Nagrodę Nobla. Ostatnio inne zagadkowe zjawisko, zwane autofagią, skupiło na sobie nagle uwagę wielu badaczy.
Istota autofagii jest nieskomplikowana. Dobrze oddaje ją nazwa, która pochodzi z języka greckiego i oznacza samo zjadanie. W każdej komórce znajduje się jądro oraz otaczająca je cytoplazma, rodzaj bezpostaciowej galaretki podtrzymywanej przez rusztowanie składające się z tzw. cytoszkieletu. W galaretce tej zawieszone są rozmaite makrocząsteczki oraz większe, wieloskładnikowe struktury, czyli organelle, świetnie wyspecjalizowane do wykonywania określonych zadań. Procesy biologiczne przebiegające na terenie cytoplazmy są co najmniej tak złożone, jak operacje w systemach komputerowych. Pewnie dlatego co jakiś czas „zawieszają się" z powodu nadmiernego nagromadzenia pozostałości po bieżących i zakończonych procesach. Autofagią to - przynajmniej w pewnym zakresie - sprzątanie tych resztek. „Wywóz śmieci" oczyszcza cytoplazmę ze zużytych białek i innych niechcianych odpadów niczym restart komputera kasujący zawartość pamięci i rejestrów.
Renowacja cytoplazmy to zatem tchnienie nowego życia w komórkę, co jest szczególnie ważne w przypadku takiej, która jest długowieczna i nie może być zastąpiona. Do tej kategorii należą neurony, które powinny funkcjonować przez całe życie organizmu. Biolodzy spostrzegli, że autofagią jest również wykorzystywana do obrony przed wirusami i niektórymi bakteriami, które żyją w cytoplazmie. Każde ciało obce, każdy drobnoustrój, który przechytrzy układ odpornościowy i schowa się we wnętrzu komórek, staje się potencjalnym celem autofagii.
Jednak jest i druga strona medalu. Opieszała lub nadgorliwa, a także wypaczona autofagią może mieć groźne następstwa. Nieprawidłowego jej przebiegu, a w konsekwencji utraty kontroli nad naturalną mikroflorą jelitową należy się spodziewać u wielu spośród milionów ludzi cierpiących na chorobę Leśniowskiego-Crohna, formę zapalenia jelita. Natomiast zaburzenia tego procesu w neuronach mózgu przyczyniają się do rozwoju choroby Alzheimera, a poza tym powodują starzenie się. Nawet prawidłowo działająca autofagią bywa przekleństwem - na przykład ułatwia komórkom nowotworowym usuwanie szkód spowodowanych radio- lub chemioterapią, przyczyniając się do niepowodzeń leczenia. Co prawda czasami pomaga wyeliminować chore lub niesprawne komórki dla dobra całego osobnika, ale ten sam mechanizm, jeśli jest nadmiernie aktywny, niekiedy prowadzi do śmierci komórki, nawet jeśli byłoby to wbrew interesom organizmu.
W ciągu ostatniej dekady naukowcom udało się poznać wiele szczegółów dotyczących przebiegu i regulacji autofagii. Ta wiedza nie tylko zwiększa nasze rozumienie funkcjonowania komórek, lecz także daje nadzieję na opracowanie w niedalekiej przyszłości nowych metod terapeutycznych, polegających na nasilaniu lub hamowaniu autofagii w miarę potrzeb. Precyzyjna kontrola tempa tego procesu, a także selekcja celów, których ma dotyczyć, mogą przynieść ogromne korzyści terapeutyczne, w tym nawet usprawnić niektóre, pogarszające się z wiekiem, funkcje naszego mózgu.
Ratownik przekwalifikowany
Termin autofagia jest używany przez biologów w odniesieniu do kilku podobnych i związanych ze sobą procesów, ale my skupimy się na najlepiej poznanym, określanym jako makroautofagia, a służącym właśnie do „sprzątania" i „wywożenia śmieci" z komórki. Rozpoczyna się on od ułożenia niektórych cytoplazmatycznych białek i lipidów (tłuszczów) w dwuwarstwową błonę [ramka na następnych stronach]. Powstaje struktura o kształcie miseczki, zwana fagoforem, która swoim otworem jak ryjkiem obejmuje fragment cytoplazmy ze wszystkim, co się w nim znajduje. Następnie ujście miseczki zamyka się, wykształcając kapsułkowaty autofagosom. Transportuje on swoją zawartość najczęściej do znajdującego się w innym miejscu komórki lizosomu - organelli, którą można porównać do przetwórni odpadków. Jest ona także otoczona błoną i zawiera różnorodne enzymy trawienne. Dochodzi do połączenia obu tworów i enzymy lizosomu rozkładają zawartość autofagosomu. Powstające prostsze cząsteczki trafiają do cytoplazmy i nadają się do ponownego wykorzystania przez komórkę.
Zjawisko zostało po raz pierwszy ogólnikowo opisane w latach sześćdziesiątych przez Christiana de Duve'a i jego współpracowników z Rockefeller University, którzy dostrzegli je pod mikroskopem elektronowym. Dziesięć lat temu jeden z nas (Klionsky) oraz inni naukowcy (szczególnie Yoshinori Ohsumi i jego koledzy z Narodowego Instytutu Biologii Podstawowej w Okazaki w Japonii) rozpoczęli badanie molekularnych mechanizmów autofagii u drożdży, co jest znacznie prostsze niż wykonywanie tego samego na zwierzętach. Pozwoliło to ustalić wiele szczegółów zjawiska, trudnych do uchwycenia w bardziej złożonych organizmach, a warto dodać, że wiele odkrytych wówczas białek ma niemal identyczne odpowiedniki u ludzi, gdyż w toku ewolucji nie ulegały one istotnym zmianom.
W swych początkach autofagia służyła zapewne do obrony komórek przed głodem albo była prymitywnym mechanizmem odpornościowym (lub jednym i drugim). Aby docenić wagę reakcji na niedobór pożywienia, wystarczy wyobrazić sobie, jakie są jego skutki. Nie powoduje przecież nagłej blokady funkcjonowania organizmu i gwałtownej śmierci. Najpierw wykorzystywane są rezerwy zgromadzone w naszym ciele. Na pierwszy ogień idą komórki tłuszczowe, ale w ostateczności nawet i mięśnie mogą zostać zużyte, aby dostarczyć energii narządom absolutnie niezbędnym do przetrwania.
Podobne zjawiska zachodzą w takiej sytuacji w pojedynczych komórkach. Z braku pożywienia zaczynają one najpierw wykorzystywać te swoje części, które nie są niezbędne do przeżycia. Autofagosomy są zresztą aktywne na okrągło, nawet jeśli komórka nie głoduje. Pochłaniają losowo maleńkie kawałeczki cytoplazmy, co w połączeniu z nieustannym procesem odbudowy zapewnia komórce stopniową, lecz systematyczną odnowę. Jednak pod wpływem różnorodnych czynników stresowych, takich jak właśnie głód, brak tlenu czy obecność związków toksycznych, komórka przyśpiesza formowanie autofagosomów. Przeczesują one następnie cytoplazmę w poszukiwaniu białek, tłuszczów lub nawet całych organelli, które, bez względu na ich sprawność i znaczenie, dałoby się przetworzyć w energię.
Nawet jeśli pierwotnie taka właśnie była rola autofagii, to od czasu swego powstania proces ten znalazł inne, równie istotne zastosowania. Pozwala on komórce na pozbycie się wielu niepożądanych lokatorów. Białka realizujące większość funkcji komórki mogą na przykład mieć wady produkcyjne albo po prostu się zużyć. Przestają wtedy działać, lub, co gorsza, ich funkcjonowanie zostaje zakłócone i trzeba je usunąć, zanim wyrządzą szkody. Do tego właśnie służy autofagia, utrzymująca ich stężenie na niskim poziomie.
Autofagosomy pochłaniają nie tylko uszkodzone białka, lecz także znacznie większe od nich, nieprawidłowo funkcjonujące organelle, na przykład mitochondria. Mitochondria odpowiadają za wytwarzanie wysokoenergetycznych związków chemicznych na potrzeby komórki. Mogą także wysyłać sygnały, kaskadowo przekazywane do innych jej rejonów i indukujące jej samobójstwo, czyli apoptozę. Składa się ona z wielu etapów, ściśle skoordynowanych i precyzyjnie regulowanych przez liczne białka sygnałowe, dlatego mówi się o niej też jako o programowanej śmierci komórki.
Przyczyny apoptozy bywają różne, ale sensem jest zazwyczaj poświęcenie poszczególnych komórek dla dobra całego organizmu. Na przykład nasze ciało zazwyczaj wytwarza więcej komórek, niż potrzebuje - nadmiar musi więc być eliminowany. Starzejąca się komórka, która zaczyna funkcjonować nieprawidłowo, zabija się, aby ustąpić miejsca młodszej i sprawniejszej. Komórki, w których pojawiają się uszkodzenia DNA zagrażające transformacją nowotworową, również mogą popełnić samobójstwo. To jeden z najważniejszych, wrodzonych mechanizmów obrony przed nowotworem. Niemniej jego uruchomienie w nieodpowiednim momencie może spowodować spustoszenie. Niestety, mitochondria mogą się do lego przyczynić.
Podczas przemian energetycznych jako produkt uboczny powstają reaktywne formy tlenu (RFT), m.in. anionorodnik ponadtlenkowy (02~). Praca z takimi niebezpiecznymi substancjami musi być bardzo precyzyjna. Niekiedy wymykają się one spod kontroli i uszkadzają mitochondrium - wtedy do cytoplazmy przesącza się jego zawartość, w tym białka inicjujące apoptozę. Tak więc nawet niewielki defekt małego składnika komórki może doprowadzić do jej śmierci. Jeśli zdarzy się to w skórze, nie ma tragedii, ale utrata neuronów pamięciowych, które nie odnawiają się ani nie regenerują, stworzy poważny problem.
Autofagia odgrywa w takich przypadkach rolę zaworu bezpieczeństwa. Autofagosomy mogą usuwać uszkodzone mitochondria oraz inne organelle komórkowe i doprowadzić do ich destrukcji przez lizosomy, zanim w niestosownym momencie dojdzie do inicjacji apoptozy albo, co gorsza, obumarcia komórki w niekontrolowanym procesie nekrozy.
Z mitochondrium do cytoplazmy mogą również wyciec RFT. Jak wskazuje nazwa, łatwo wchodzą one w reakcje chemiczne z wieloma cząsteczkami obecnymi w komórce. W prawidłowej sytuacji stężenie RFT jest na szczęście utrzymywane na dość niskim poziomie przez tzw. antyoksydanty lub wymiatacze wolnych rodników. Shengkan V. Jin z University of Medicine and Dentistry of New Jersey w Piscataway w USA zaobserwował, że w wyniku uszkodzenia mitochondriów RFT dosłownie zalewają komórkę, a ich poziom wzrasta nawet 10-krotnie. To przekracza wydolność komórkowych układów detoksykacyjnych i wiąże się 7. ryzykiem transformacji nowotworowej, ponieważ niezneutralizowane RFT mogą reagować z DNA i powodować uszkodzenia genów sprzyjające rozwojowi raka. Kolejny raz z pomocą może przyjść autofagia, usuwając wadliwe mitochondria. Jak uważa Eileen Whi-te z Rutgers University, jej korzystne działanie rozciąga się nawet na złośliwiejące komórki, które chroni przed kolejnymi uszkodzeniami DNA i dalszymi etapami transformacji.
JAK TO DZIAŁA
Autofagia krok po kroku
Usuwaniem i rozkładaniem materiału wewnątrzkomórkowego zajmują się wyspecjalizowane pęcherzyki, autofagosomy, które powstają w cytoplazmie-galaretowatej masie wypełniającej komórkę. Schemat przedstawia eliminację uszkodzonego mitochondrium, organelli odpowiedzialnej za wytwarzanie wysokoenergetycznych związków chemicznych niezbędnych do napędzania procesów metabolicznych. Jest ono pochłaniane przez autofagosom, który dostarcza je do innej organelli - lizosomu. Tam zostaje rozłożone przez enzymy. Śledząc drogi przemieszczania się białek w komórce, zdobywamy wiedzę o molekularnych szczegółach autofagii.
Obosieczny miecz
Wkrótce po wyjaśnieniu podstawowych mechanizmów apoptozy naukowcy zorientowali się, że komórka dysponuje również innymi metodami popełnienia samobójstwa. Pierwszym podejrzanym stała się autofagia. Znajduje to odzwierciedlenie w nazewnictwie cytologicznym: apoptoza określana jest jako typ I programowanej śmierci komórek, natomiast autofagię czasami nazywa się typem II, choć część badaczy uważa taką klasyfikację za kontrowersyjną.
Autofagia może prowadzić do śmierci komórek na dwa sposoby. Pierwszy to po prostu niepowstrzymane „zjadanie" komórki po kawałku aż do momentu zużycia wszystkich jej składników. Drugi zaś to inicjacja apoptozy. Ale w jakim celu proces, który miał pierwotnie chronić przed śmiercią (np. z głodu lub nie-wczesnego samobójstwa), stawałby się jej przyczyną? Ta zagadka może mieć fascynujące rozwiązanie. Apoptozą i autofagia mogą być blisko ze sobą związane i precyzyjnie zrównoważone. Na przykład, jeśli uszkodzenie organelli jest zbyt rozległe i autofagia nie wystarcza, aby uporać się z. problemem, dla dobra organizmu komórka musi popełnić samobójstwo. Ma wtedy do dyspozycji dwa równie dobre mechanizmy: może zezwolić autofagii na kontynuowanie niszczycielskiego dzieła do końca albo zainicjować apoptozę, zachowując autofagię w odwodzie na wypadek, gdyby okazało się, że apoptozą z jakichś powodów jest niesprawna. Dwa najintensywniej badane i najbardziej kontrowersyjne aspekty tego zjawiska to wzajemne powiązanie apoptozy i autofagii oraz zasadność uznawania apoptozy za odmianę programowanej śmierci komórek.
Rozstrzygnięcie, czy autofagia pomaga komórce przetrwać, czy też czasem działa zupełnie odwrotnie, wymaga zejścia na poziom molekularny. Najnowsze badania przeprowadzone przez Beth Levine z Univcrsity of Texas Southwestern Medical Center w Dallas oraz Guido Kroemera z Centrę National de la Re-cherche Scientifiąue (CNRS) pokazują, jak te dwa procesy mogą być koordynowane. Jedno z białek indukujących autofagię, Beklina 1 (Beclin 1), wiąże się z Bcl-2, białkiem hamującym apoptozę. Decyzja o życiu lub śmierci zapada w zależności od tego, czy połączenie to jest umacniane, czy rozrywane. To odkrycie Levine uzupełniły kolejne badania. Zaobserwowano, że fragment białka Atg5, odgrywającego ważną rolę w formowaniu autofagosomów, może przemieścić się do mitochondrium. Tam blokuje aktywność całej rodziny białek Bel, które hamują apoptozę, i tym samym przełącza sygnał inicjujący autofagię na ścieżkę prowadzącą do apoptozy.
Nie ma jednak róży bez kolców. Autofagia nie stanowi tu wyjątku. Wcześniej zauważyliśmy, że mogą jej użyć komórki nowotworowe, by ratować się przed skutkami chemio- i radioterapii. Te metody lecznicze opierają się na indukowaniu apoptozy. Autofagia pozwala uprzątnąć uszkodzone mitochondria, zanim zainicjują ten samobójczy proces. Rzeczywiście, zaobserwowano, że napromienienie lub podanie chemioterapeutyków skutkuje podwyższeniem aktywności autofagosomów w komórkach.
Komórki nowotworowe mogą również angażować autofagię, aby chronić się przed śmiercią głodową. Do wnętrza rosnącego guza prze-dostaje się niewiele składników odżywczych i tlenu. Jak wspomnieliśmy wcześniej, takie niedobory aktywują autofagię. Spożytkowanie mniej potrzebnych cząsteczek i struktur jako źródła energii lub budulca zwiększa szanse komórek nowotworowych na przeżycie.
Uzasadnione byłoby zatem hamowanie autofagii podczas radio- lub chemioterapii. Trwają już badania kliniczne pierwszych leków działających w ten właśnie sposób. Niestety, jak ostrzega White, taka terapia może również doprowadzić do zwiększenia liczby uszkodzeń DNA w komórkach nowotworowych, co zwiększa ryzyko wznowy choroby. Uzyskanie właściwego efektu będzie wymagać zapewne żmudnego wyważenia proporcji poszczególnych elementów leczenia.
PRZETRWAĆ GŁODZENIE
Autofagosomy stale „podgryzają" komórkę od środka, ale niedobór składników odżywczych zwiększa ich liczebność i aktywność. To powoduje przyśpieszenie autokatalitycznego rozkładu składników komórki, w tym także prawidłowych białek i organelli, do prostych biochemicznych materiałów budulcowych lub energetycznych. Trafiają one następnie do cytoplazmy jako pożywka. Ponadto głodująca komórka kurczy się. Gdyby nie to „samozjadanie się", podstawowe procesy życiowe zatrzymałyby się i komórka by umarła.
Ochrana neuronów
Skoro autofagia pełni tak istotną funkcję w utrzymywaniu porządku w cytoplazmie, nie powinno dziwić, jak ważna jest dla prawidłowego działania długo żyjących komórek, takich jak neurony. Niewydolna autofagia odgrywa kluczową rolę w rozwoju schorzeń neurodegeneracyjnych: choroby Alzheimera, Parkinsona czy Huntingtona (pląsawicy). Wszystkie one prowadzą do powolnych, lecz nieuniknionych zmian w mózgu. Na najczęstszą, chorobę Alzheimera, w samych USA cierpi 4.5 min osób w podeszłym wieku.
Jednym z najbardziej typowych objawów zwykłego starzenia się komórek nerwowych jest nagromadzenie w nich pigmentowanej mieszaniny tłuszczów (lipidów) i białek, znanej pod nazwą lipofuscyny. (Zjawisko to można porównać do powstawania tzw. plam wątrobowych na po-wierzchni starzejącej się skóry.) Zdaniem Ralpha A. Nixona z Nathan S. Kline Institute for Psychiatrie Research w Orangeburgu w USA odkładanie się lipofuscyny oznacza, że komórki przestają nadążać z usuwaniem zbierających się w nich nieprawidłowo zmienionych lub zniszczonych białek. W aksonach (wypustkach neuronów) osób cierpiących na chorobę Alzheimera gromadzą się zaś żółtawe lub brązowe złogi ceroidu, czemu towarzyszy odcinkowy obrzęk, wokół którego zaś odkładają się złogi krótkiego peptydu, amyloidu beta.
Naukowcom nie udało się dotychczas z pewnością ustalić, w jaki sposób te złogi lub ich prekursory szkodzą neuronom. Ostatnie obserwacje są dość znamienne: enzymy, które odpowiadają za gromadzenie się złogów w pewnych wrodzonych wariantach choroby Alzheimera, są rozmieszczone na zewnętrznej błonie autofagosomów. Nixon uważa, że złogi powstają w wyniku niekompletnej autofagii związków, które w prawidłowej sytuacji są „wymiatane" z cytoplazmy neuronów, rozkładane w lizosomach i ponownie wykorzystane [ramka obok]. Jakby na potwierdzenie hipotezy Nixona, na zdjęciach spod mikroskopu elektronowego przedstawiających regiony mózgu
ZYJ LUB POZWÓL UMRZEĆ
DECYZJA OSTATECZNA
Poważnie uszkodzone komórki mogą dla dobra całego organizmu zainicjować proces samobójstwa. Jedną jego formę, apoptozę lub programowaną śmierć komórek typu I, inicjują mitochondria, z których uwalniane są pewne białka sygnalizujące uszkodzenie. Niektórzy badacze uważają, że autofagia może uchronić komórkę przed zbędną apoptozą, ale także, paradoksalnie, stać się inną formą samobójczej śmierci, w przypadku gdy byłaby ona pożądana, a apoptozą by zawodziła. Niektóra 7 białek regulujących oba procesy są identyczne, co oznacza, ze apoptoza i autofagia mogą się wzajemnie kontrolować i tworzą jeden, bardziej złożony system Immunologiczny.
Mikroby precz
Skoro autofagosom może przechwycić i zniszczyć uszkodzone, zagrażające komórce mitochondrium, to czy nie mógłby zrobić tego samego z niepożądanymi gośćmi - wirusami, bakteriami i pierwotniakami, które potrafią przenikać przez błony komórkowe do cytoplazmy? To hipoteza ostatnio potwierdzona doświadczalnie przez jednego z nas (Deretica) i, niemal w tym samym czasie, przez dwie inne grupy naukowców, którymi kierowali: Tamot-su Yoshimori z Uniwersytetu w Osace i Chihiro Sasakawa z Uniwersytetu w Tokio. Podsumowaniem tych badań jest długa lista drobnoustrojów usuwanych z komórki dzięki autofagii. Są na niej prątki gruźlicy Mycobacterium tuberculosis, powodujące na świecie 2 min zgonów rocznie, patogeny jelitowe, takie jak Shigella i Salmonella, paciorkowce grupy A, histeria, znajdowana w serach przygotowanych z surowego mleka, Francisella tularensis, którą według Centrum Kontroli i Zapobiegania Chorobom (CDC) bioterroryści mogą wykorzystać do stworzenia broni biologicznej, oraz takie pasożyty, jak Toxoplasma gondii, częsta przyczyna zakażeń chorych na AIDS.
Niestety, niektóre drobnoustroje nauczyły się, podobnie jak komórki
nowotworowe, wykorzystywać autofagię do własnych celów. Legionella pneumophila,
przyczyna choroby legionistów, z łatwością przenika do wnętrza komórki. Jeśli
tam zostanie otoczona błoną autofagosomu, opóźnia lub uniemożliwia jego
połączenie z lizosomem. Zatem autofagosom, zamiast służyć za kuriera
dostarczającego bakterię do lizosomu, staje się dla niej przytulnym gniazdkiem,
w którym doskonale ona się namnaża, wykorzystując materiały pochłaniane przez
autofagosom z cytoplazmy.
Samo istnienie taktyk tak sprytnych, jak rozwinięta przez legionellę, dowodzi, że autofagia stanowi ważną barierę ograniczającą inwazyjność patogenów, której pokonanie jest dla nich warunkiem istnienia. Kolejnym przykładem drobnoustroju zawłaszczającego autofagię do swoich celów jest HIV. Naukowcy pod kierownictwem Martine Biard-Piechaczyk w Centrę d'etudes des Agents Pathogenes et Biotechnologies pour la Sante w Montpellier i Patrice Codogno z INSERM w Chatenay-Ma-labty wspólnie wykazali, że wirus zakażający komórki odpornościowe pewnego typu (limfocyty T CD4+) może indukować śmierć ich zdrowych sąsiadów tego samego typu. Podczas przenikania przez błonę komórkową HIV zrzuca swoją zewnętrzną powłokę, a jedno z białek ją tworzących wnika do sąsiednich komórek i ogromnie nasila w nich autofagię, co po pewnym czasie je zabija. W ten sposób wirus zwiększa swoje pole rażenia, przyśpieszając niszczenie limfocytów T w organizmie, wskutek czego dochodzi do rozwoju pełnoobjawowego AIDS.
ALZHEIMER I AUTOFAGIA
Z BRAKU SPRZĄTACZEK
W starzejących się neuronach mózgu proces powstawania autofagosomów może szwankować. Prowadzi to do gromadzenia się w komórkach uszkodzonych białek, a w konsekwencji do powstawania odcinkowych wybrzuszeń aksonów lub dendrytów. W tych miejscach skupiają się niedojrzałe autofagosomy. Na ich powierzchni grupują się pewne enzymy [żółty) uczestniczące w tworzeniu amyloidu p, a złogi amyloidu (3 (pomarańczowy) odkładają się na zewnętrznej powierzchni zgrubienia. Tworzą tam tzw. blaszki lub płytki starcze, bardzo typową zmianę neuropatologiczną w mózgu osób cierpiących na chorobę Alzheimera. Zaburzenie autofagii prawdopodobnie ma wpływ na powstawanie tego schorzenia.
Immunologiczny łącznik
Udział autofagii w eliminacji drobnoustrojów nie ogranicza się do działań bezpośrednich. Zaobserwowano, że odgrywa ona również rolę w indukcji odpowiedzi immunologicznej [ramka poniżej]. Autofagosomy uczestniczą m.in. w dostarczaniu patogenów lub ich cząsteczek do błonowych receptorów Tbll - podobnych (TLR), które regulują tzw. odporność nieswoistą. TLR, które można porównać do antenek przechwytujących drobnoustroje, są tak ustawione, by wiązać się z cząsteczkami patogenów pozakomórkowych lub znajdujących się w tzw. endosomach, będących pęcherzykami powstającymi w wyniku wpuklenia błony komórkowej do środka komórki. Drobnoustroje znajdujące się we wnętrzu komórek są więc niewidoczne dla TLR. Autofagosomy mogą temu zaradzić, pobierając patogeny z cytoplazmy i przekazując je do endosomów, które transportują TLR do błony komórkowej. Wówczas anteny TLR dostrzegają cząsteczki drobnoustrojów i wszczynają alarm w komórce, a ta po otrzymaniu ostrzeżenia rozpoczyna wytwarzanie interferonów, m.in. hamujących replikację patogenów. Ta nieswoista odpowiedź immunologiczna błyskawicznie neutralizuje infekcję, nie trzeba czekać na rozwój wyrafinowanej odpowiedzi swoistej.
Niemniej autofagosomy mogą również pomagać w rozwoju tej drugiej formy reakcji na inwazję. Dzieje się tak na przykład wtedy, gdy do wnętrza komórki wnika wirus i zmusza ją do wytwarzania swoich białek - niektóre spośród nich dostają się do autofagosomów. Po fuzji z lizosomem białka wirusowe zostają pocięte na krótkie fragmenty. Następnie takie lizosomy łączą się ze specjalnymi pęcherzykami wypełnionymi cząsteczkami głównego układu zgodności tkankowej klasy II (MHC klasy II). Pofragmentowane białka wirusa są „ładowane" do rowków cząsteczek MHC i takie kompleksy wędrują na powierzchnię zakażonej komórki. Dopiero teraz cząsteczki wirusa stają się widoczne dla limfocytów T, które po ich rozpoznaniu ulegają aktywacji i niczym dyrygenci zaczynają kierować odpowiedzią immunologiczną tak, aby doszło do wyeliminowania intruzów. Zatem dzięki aktywności autofagosomów uruchamiana jest zarówno natychmiastowa, chociaż mało skuteczna, odpowiedź nieswoista, jak i powoli rozwijająca się, ale za to niezwykle wydajna, odpowiedź swoista.
OBRONA KOMÓRKOWA
ODPIERANIE INWAZJI
Autofagia może uczestniczyć w wielu mechanizmach obrony przeciw chorobotwórczym drobnoustrojom, wnikającym do cytoplazmy komórek.
Długowieczność
Niezwykłe jest również to, że autofagia może odgrywać rolę w procesach determinujących długość ludzkiego życia. Dla wielu z nas starość jest nierozerwalnie związana ze zwiększoną zapadalnością na wiele chorób, takich jak nowotwory czy też schorzenia neurodegeneracyjne. Przynajmniej częściowo odpowiedzialny za to może być stopniowy spadek aktywności autofagii. Zdaniem Any Marii Cuervo z Albert Einstein College of Medicine przyjmuje się obecnie, że z wiekiem wiele procesów komórkowych, w tym właśnie autofagia, stopniowo traci wydolność. Szczególnie wyraźnie zmniejsza się aktywność mechanizmów odpowiedzialnych za usuwanie nieprawidłowych lub źle funkcjonujących białek i organelli. W konsekwencji ich ilość w komórkach narasta, co prowadzi do rozwoju pewnych chorób Cuervo twierdzi, że jeśli za problemy związane ze starzeniem odpowiada niewydolna autofagia, mogłoby to tłumaczyć, dlaczego restrykcje kaloryczne wydłużają życie tak wielu gatunków zwierząt. Im mniej pokarmu, tym wyraźniejszy efekt (pod warunkiem, że nie brakuje pewnych niezbędnych substancji, np. witamin). To samo może dotyczyć ludzi. Przypomnijmy sobie teraz, że niedobór pożywienia indukuje autofagię. Efekt ten mógłby w starzejącym się organizmie kompensować postępujący z wiekiem spadek aktywności tego procesu w komórkach. Ponadto, jak dodaje Cuervo, w ostatnich latach wykazano, że zapobieganie spadkowi aktywności autofagii skutkuje zmniejszeniem gromadzenia się w komórkach białek uszkodzonych przez reaktywne formy tlenu.
Zjawisko, które początkowo wydawało się odgrywać jedynie rolę w ratowaniu komórek przed skutkami głodzenia, w ostatnich latach okazało się ważnym czynnikiem regulującym różnorodne procesy wpływające na nasze zdrowie. Jego badania są intensyfikowane i zaczynają zmierzać w nieprzewidzianych kierunkach. Dzięki nim coraz lepiej rozumiemy, jak przebiegają podstawowe procesy komórkowe mające wpływ na losy całego organizmu. A to dopiero początek. Gdy nauczy my się hamować lub aktywować autofagię na życzenie, uzyskamy nowe narzędzia walki z nieuleczalnymi dotąd chorobami, a zapewne poznamy także metody opóźniania proce sów starzenia się. Zanim jednak trafią one pod strzechy, trzeba jeszcze dokładniej rozszyfrować zawiłe biochemiczne mechanizmy stanowiące podłoże autofagii.
AUTOFAGIA W MEDYCYNIE
NOWA BRON DO ZWALCZANIA CHORÓB
Pobudzanie, hamowanie lub modulowanie aktywności autofagii w określonych rodzajach komórek może zostać wykorzystane w leczeniu wielu chorób człowieka.
Samo istnienie taktyk tak sprytnych, jak rozwinięta przez legionellę, dowodzi, że autofagia stanowi ważną barierę ograniczającą inwazyjność patogenów, której pokonanie jest dla nich warunkiem istnienia. Kolejnym przykładem drobnoustroju zawłaszczającego autofagię do swoich celów jest HIV. Naukowcy pod kierownictwem Martine Biard-Piechaczyk w Centrę d'etudes des Agents Pathogenes et Biotechnologies pour la Sante w Montpellier i Patrice Codogno z INSERM w Chatenay-Ma-labty wspólnie wykazali, że wirus zakażający komórki odpornościowe pewnego typu (limfocyty T CD4+) może indukować śmierć ich zdrowych sąsiadów tego samego typu. Podczas przenikania przez błonę komórkową HIV zrzuca swoją zewnętrzną powłokę, a jedno z białek ją tworzących wnika do sąsiednich komórek i ogromnie nasila w nich autofagię, co po pewnym czasie je zabija. W ten sposób wirus zwiększa swoje pole rażenia, przyśpieszając niszczenie limfocytów T w organizmie, wskutek czego dochodzi do rozwoju pełnoobjawowego AIDS.
ALZHEIMER I AUTOFAGIA
Z BRAKU SPRZĄTACZEK
W starzejących się neuronach mózgu proces powstawania autofagosomów może szwankować. Prowadzi to do gromadzenia się w komórkach uszkodzonych białek, a w konsekwencji do powstawania odcinkowych wybrzuszeń aksonów lub dendrytów. W tych miejscach skupiają się niedojrzałe autofagosomy. Na ich powierzchni grupują się pewne enzymy [żółty) uczestniczące w tworzeniu amyloidu p, a złogi amyloidu (3 (pomarańczowy) odkładają się na zewnętrznej powierzchni zgrubienia. Tworzą tam tzw. blaszki lub płytki starcze, bardzo typową zmianę neuropatologiczną w mózgu osób cierpiących na chorobę Alzheimera. Zaburzenie autofagii prawdopodobnie ma wpływ na powstawanie tego schorzenia.
Immunologiczny łącznik
Udział autofagii w eliminacji drobnoustrojów nie ogranicza się do działań bezpośrednich. Zaobserwowano, że odgrywa ona również rolę w indukcji odpowiedzi immunologicznej [ramka poniżej]. Autofagosomy uczestniczą m.in. w dostarczaniu patogenów lub ich cząsteczek do błonowych receptorów Tbll - podobnych (TLR), które regulują tzw. odporność nieswoistą. TLR, które można porównać do antenek przechwytujących drobnoustroje, są tak ustawione, by wiązać się z cząsteczkami patogenów pozakomórkowych lub znajdujących się w tzw. endosomach, będących pęcherzykami powstającymi w wyniku wpuklenia błony komórkowej do środka komórki. Drobnoustroje znajdujące się we wnętrzu komórek są więc niewidoczne dla TLR. Autofagosomy mogą temu zaradzić, pobierając patogeny z cytoplazmy i przekazując je do endosomów, które transportują TLR do błony komórkowej. Wówczas anteny TLR dostrzegają cząsteczki drobnoustrojów i wszczynają alarm w komórce, a ta po otrzymaniu ostrzeżenia rozpoczyna wytwarzanie interferonów, m.in. hamujących replikację patogenów. Ta nieswoista odpowiedź immunologiczna błyskawicznie neutralizuje infekcję, nie trzeba czekać na rozwój wyrafinowanej odpowiedzi swoistej.
Niemniej autofagosomy mogą również pomagać w rozwoju tej drugiej formy reakcji na inwazję. Dzieje się tak na przykład wtedy, gdy do wnętrza komórki wnika wirus i zmusza ją do wytwarzania swoich białek - niektóre spośród nich dostają się do autofagosomów. Po fuzji z lizosomem białka wirusowe zostają pocięte na krótkie fragmenty. Następnie takie lizosomy łączą się ze specjalnymi pęcherzykami wypełnionymi cząsteczkami głównego układu zgodności tkankowej klasy II (MHC klasy II). Pofragmentowane białka wirusa są „ładowane" do rowków cząsteczek MHC i takie kompleksy wędrują na powierzchnię zakażonej komórki. Dopiero teraz cząsteczki wirusa stają się widoczne dla limfocytów T, które po ich rozpoznaniu ulegają aktywacji i niczym dyrygenci zaczynają kierować odpowiedzią immunologiczną tak, aby doszło do wyeliminowania intruzów. Zatem dzięki aktywności autofagosomów uruchamiana jest zarówno natychmiastowa, chociaż mało skuteczna, odpowiedź nieswoista, jak i powoli rozwijająca się, ale za to niezwykle wydajna, odpowiedź swoista.
OBRONA KOMÓRKOWA
ODPIERANIE INWAZJI
Autofagia może uczestniczyć w wielu mechanizmach obrony przeciw chorobotwórczym drobnoustrojom, wnikającym do cytoplazmy komórek.
Długowieczność
Niezwykłe jest również to, że autofagia może odgrywać rolę w procesach determinujących długość ludzkiego życia. Dla wielu z nas starość jest nierozerwalnie związana ze zwiększoną zapadalnością na wiele chorób, takich jak nowotwory czy też schorzenia neurodegeneracyjne. Przynajmniej częściowo odpowiedzialny za to może być stopniowy spadek aktywności autofagii. Zdaniem Any Marii Cuervo z Albert Einstein College of Medicine przyjmuje się obecnie, że z wiekiem wiele procesów komórkowych, w tym właśnie autofagia, stopniowo traci wydolność. Szczególnie wyraźnie zmniejsza się aktywność mechanizmów odpowiedzialnych za usuwanie nieprawidłowych lub źle funkcjonujących białek i organelli. W konsekwencji ich ilość w komórkach narasta, co prowadzi do rozwoju pewnych chorób Cuervo twierdzi, że jeśli za problemy związane ze starzeniem odpowiada niewydolna autofagia, mogłoby to tłumaczyć, dlaczego restrykcje kaloryczne wydłużają życie tak wielu gatunków zwierząt. Im mniej pokarmu, tym wyraźniejszy efekt (pod warunkiem, że nie brakuje pewnych niezbędnych substancji, np. witamin). To samo może dotyczyć ludzi. Przypomnijmy sobie teraz, że niedobór pożywienia indukuje autofagię. Efekt ten mógłby w starzejącym się organizmie kompensować postępujący z wiekiem spadek aktywności tego procesu w komórkach. Ponadto, jak dodaje Cuervo, w ostatnich latach wykazano, że zapobieganie spadkowi aktywności autofagii skutkuje zmniejszeniem gromadzenia się w komórkach białek uszkodzonych przez reaktywne formy tlenu.
Zjawisko, które początkowo wydawało się odgrywać jedynie rolę w ratowaniu komórek przed skutkami głodzenia, w ostatnich latach okazało się ważnym czynnikiem regulującym różnorodne procesy wpływające na nasze zdrowie. Jego badania są intensyfikowane i zaczynają zmierzać w nieprzewidzianych kierunkach. Dzięki nim coraz lepiej rozumiemy, jak przebiegają podstawowe procesy komórkowe mające wpływ na losy całego organizmu. A to dopiero początek. Gdy nauczy my się hamować lub aktywować autofagię na życzenie, uzyskamy nowe narzędzia walki z nieuleczalnymi dotąd chorobami, a zapewne poznamy także metody opóźniania proce sów starzenia się. Zanim jednak trafią one pod strzechy, trzeba jeszcze dokładniej rozszyfrować zawiłe biochemiczne mechanizmy stanowiące podłoże autofagii.
AUTOFAGIA W MEDYCYNIE
NOWA BRON DO ZWALCZANIA CHORÓB
Pobudzanie, hamowanie lub modulowanie aktywności autofagii w określonych rodzajach komórek może zostać wykorzystane w leczeniu wielu chorób człowieka.
przedruk z Świat Nauki - Lipiec 2008
JEŚLI CHCESZ WIEDZIEĆ WIĘCEJ
Śmierć komórki w zdrowiu i chorobie. Richard C. Duke, David M, Ojcius i John Ding-E Young; Świat Nauki, s. 24-32; 11/1997.
Potential Therapeutic Applications of Autophagy. D. C. Rubinsztein, J.E. Gestwicki, LO. Murphy i D.J. Klionsky; Naturę Reviews Drug Discovery, tom 6, s. 304-312; IV/2007.
Autophagy in Immunity and Infection: A Novel Immune Effector. Red. Vojo Deretic; Wiley-VCH, 2006.
Autophagy in Health and Disease: A Double-Edged Sword. T. Shintani i D.J. Klionsky; Science, tom 306, s. 990-995; 5 XI 2004.
Śmierć komórki w zdrowiu i chorobie. Richard C. Duke, David M, Ojcius i John Ding-E Young; Świat Nauki, s. 24-32; 11/1997.
Potential Therapeutic Applications of Autophagy. D. C. Rubinsztein, J.E. Gestwicki, LO. Murphy i D.J. Klionsky; Naturę Reviews Drug Discovery, tom 6, s. 304-312; IV/2007.
Autophagy in Immunity and Infection: A Novel Immune Effector. Red. Vojo Deretic; Wiley-VCH, 2006.
Autophagy in Health and Disease: A Double-Edged Sword. T. Shintani i D.J. Klionsky; Science, tom 306, s. 990-995; 5 XI 2004.
Brak komentarzy:
Prześlij komentarz