III. fejezet - Autofágia

Tartalom

6. A lizoszómák
A lizoszómák feladatai
A lizoszómák felépítése
A lizoszómák felfedezése, a lizoszóma-koncepció felállítása
A lizoszómák morfológiai azonosítása
A lizoszomális enzimek útja a lizoszómába
A lebontandó anyagok útja a lizoszómákba
A lebontandó anyagok útja a lizoszómákba - az endoszomális útvonal
Lizoszóma-szerű sejtorganellumok
Lizoszomális tárolási betegségek
Lizoszomotróp ágensek
Ellenőrző kérdések
Irodalom
7. Az autofág gének felfedezése és működése
Az autofágia fő útvonalai
Az autofág (Atg) gének azonosítása élesztőben
Az Atg fehérjék működése
Ellenőrző kérdések
Irodalom
8. Az autofágia mechanizmusa, jelentősége és TOR kináz-dependens szabályozása gerinctelen modellállatokban
Talajlakó fonalférgek (példa: Caenorhabditis elegans)
Rovarok (példa: Drosophila melanogaster)
Az autofág fehérjekomplexek működése állati sejtekben
Ellenőrző kérdések
Irodalom
9. Az autofágia kutatás során jelenleg leggyakrabban alkalmazott módszerek élesztő, gerinctelen és emlős rendszerekben
Az Atg fehérjék hierarchiája
Fluoreszcens és konfokális mikroszkópia
Transzmissziós elektronmikroszkópia
Western blot
Genetikai analízis
Gátlószerek alkalmazása
Autofág fluxus vizsgálata
Ellenőrző kérdések
Irodalom
10. Az autofágia élettani és patológiás szerepe emlősökben
Az éhezés túlélése
A megfelelő egyensúly (homeosztázis/homeodinamika) fenntartása az eukarióta sejtekben és élőlényekben
Autofágia és öregedés
Az autofágia és a sejthalál
Adaptív immunválasz és gyulladás
Az autofágia szerepe az egyéb betegségekben
Ellenőrző kérdések
Irodalom
11. Szelektív autofág lebontás
Chaperone-mediált autofágia
Mikroautofágia
(Makro)autofágia
Ellenőrző kérdések
Irodalom
12. Az autofágia szerepe a sejtnövekedés és a rák kialakulása során
Az autofágia és a sejtnövekedés rendszerint fordított arányban állnak
Az Atg gének szerepe a tumor szuppresszióban
A p62/Keap1/Nrf2 útvonal
Metabolikus stressz
Warburg effektus
Onkogén és non-onkogén addikciós útvonalak
Az autofágia pro-tumor és tumor szuppresszor hatásai
Ellenőrző kérdések
Irodalom
13. Az autofágia szerepe az idegsejtek pusztulásával járó betegségekben
A neurodegeneratív betegségek meghatározása
A fehérje homeosztázis fenntartásának eszközei
A citoprotektív mechanizmusok egymásra épülése
Mitől is pusztulnak a neuronok?
Ellenőrző kérdések
Felhasznált és ajánlott irodalom

6. A lizoszómák

A lizoszómák feladatai

A lizoszómák sejtbiológiai szerepe az extracelluláris térből felvett anyagok, valamint az intracelluláris térben lévő, de a sejt számára már nem szükséges molekulák és sejtalkotók lebontása. Ezek a következő kategóriákba sorolhatók:

  • heterofágiával felvett anyagok lebontása

    • a táplálékként szolgáló molekulák feldolgozása

    • más pusztuló sejtek maradványainak emésztése

    • idegen anyagok eltávolítása, védekezés kórokozók ellen

  • autofágiával elkülönített anyagok lebontása

    • a sejt saját komponenseinek lebontása, állandó kicserélése, megújítása

    • a sejt átépítése (esetleg lebomlása) a növekedés, a fejlődés, a differenciáció során

A lizoszómák felépítése

  • a lizoszómák egyszeres membránnal körülölelt vezikulumok (6.1. ábra)

  • a lizoszómák feladatait a bennük található, savas pH-n működő, hidrolitikus enzimek sokasága látja el

  • a belsejükben uralkodó savas (pH 5) kémhatást egy ATP függő protonpumpa, a vakuoláris ATPáz (V-ATPáz) tartja fenn (6.2. ábra)

  • a lizoszóma membránja védi a sejtet az önemésztéstől (az esetleg kikerülő lizoszomális enzimek aktivitása semleges pH-n töredéke a savas pH-n mutatott aktivitásnak)

Emlős limfocita fekete-fehér elektronmikroszkópos képe.

6.1. ábra Lizoszómák emlős limfocitában. A nyilak a lizoszómákra mutatnak. A kettős nyíl a sejtközpontot jelöli. Méretvonal: 1μm (László Lajos felvétele)

A lizoszóma működését mutató színes ábra, melyen a lizoszóma sárga kör, az enzimeket sárga foltok, az ATP-t és ADT-t színes ellipszisek ábrázolják.

6.2. ábra A lizoszóma ATP függő protonpumpája, a vakuoláris ATPáz (V-ATPáz)

A lizoszómák 0,05-1,5 μm átmérőjű, egyszeres lipidmembránnal körülvett vezikulumok. Morfológiai megjelenésük rendkívül változatos. A lizoszómákban több mint 40 nem specifikus, savas hidrolázt azonosítottak. Ezekről kiderült, hogy képesek valamennyi fontosabb szerves vegyületcsoportot (szénhidrátok, lipidek, fehérjék, nukleinsavak) lebontani. Működésük gyakran sorba kapcsolt, és legtöbbször a molekula teljes, monomerekig történő degradációjáig tart. A keletkező végtermékek átjutnak az autolizoszóma membránján és újra felhasználható építőkövekként jelennek meg a citoplazmában (6.3. ábra).

A lizoszóma működését mutató színes ábra, melyen a lizoszóma sárga kör, falában a pumpákat és csatornákat színes ellipszisek ábrázolják.

6.3. ábra A lizoszóma enzimei és az általuk lebontott anyagok

A savas hidrolázok közös jellemzője, hogy hidrolitikus reakciókat katalizálnak és csak savas (pH=5) környezetben működnek megfelelően. Ezt az alacsony intravezikuláris pH-t a lizoszómák membránjában levő vakuoláris ATPáz biztosítja, mely az elektrokémiai potenciálgrádienssel szemben protonokat juttat a lumenbe az ATP hidrolízisének energiáját felhasználva (Nishi és Forgac, 2002). A savas közeg azért is fontos, mert hozzájárul a bekerült fehérjék denaturációjához, így megkönnyíti a lebontásukat. A sejt citoplazmájában levő anyagok védettek az önemésztődéstől, egyrészt mert a lizoszóma membránja meggátolja az enzimek kijutását, másrészt a citoplazmába esetleg kikerülő enzimek a közel semleges pH-n (pH=7,2) gyakorlatilag nem aktívak. Maguk a lizoszomális fehérjék védettek a savas pH és az enzimek hatásaival szemben nagymértékű glikozilációjuknak köszönhetően, a lizoszomális membrán pedig speciális lipideket is tartalmaz.

A lizoszómák felfedezése, a lizoszóma-koncepció felállítása

A májból készített vizes mitokondrium frakció nem specifikus foszfatáz aktivitásnak csak töredéke mérhető vissza a 0,25 M szukrózt tartalmazó frakcióban. Viszont hipotóniás sokkal, detergensekkel, fagyasztással-olvasztással, foszfolipid emésztéssel az enzimatikus aktivitás előhívható, azaz a frakcionálás során csak látens marad, de nem szűnik meg. Ebből az következik, hogy az enzimek a cukrot is tartalmazó frakcionálási eljárás során valamilyen, membránnal határolt részecskékben vannak. Ha ezeknek a membránjait elroncsolják, felszabadul az addig nem mérhető enzimaktivitás.

A frakcióban ezután számos enzimet azonosítottak (katepszin D, β-glükuronidáz, ribonukleáz, dezoxiribonukleáz). A mitokondrium frakciótól sejtfrakcionálási eljárásokkal megtisztítottak egy olyan viszonylag nagy tisztaságú frakciót, amely nagyrészt csak vezikulumokat és a látens aktivitású enzimeket tartalmazta. Az ezeket a savas hidrolázokat tartalmazó, membránnal határolt vezikulumokat nevezték el lizoszómának.

A lizoszómák 1955-ben történt felfedezéséért Christian de Duve belga biokémikus és sejtbiológus, Albert Claude-dal és George E. Palade-val megosztva, 1974-ben megkapta az orvosi Nobel-díjat. A közös indoklás szerint „a sejt szerkezeti és működési szerveződését érintő felfedezéseikért” kapták a legnagyobb tudományos elismerést.

A lizoszómák morfológiai azonosítása

A lizoszómák ultrastrukturális és enzimcitokémiai azonosítása Alex Novikoff és munkatársai nevéhez fűződik, akik 1952-56 között végezték ilyen irányú kísérleteiket. Fénymikroszkópban legkönnyebben a savas kémhatásukon alapuló vitális festéssel mutathatjuk ki a lizoszómák jelenlétét a sejtekben. Ilyen festékek a neutrálvörös (6.4. ábra), az akridinoranzs (6.5. ábra), vagy a Lysotracker-Red (6.6. ábra). Ez utóbbiak megfelelő hullámhosszú ultraibolya fénnyel gerjesztve fluoreszcens mikroszkópban vizsgálhatók.

Rovar zsírtest fénymikroszkópos képe pirosra festett pöttyökkel.

6.4. ábra Neutrálvörössel megfestett rovar zsírtest preparátum. A nyilak a lizoszómákra mutatnak. A kép közepén egy Malpighi-edény húzódik. Méretvonal: 20μm (Dr. Sass Miklós felvétele)

Rovar zsírtest fluoreszcensmikroszkópos képe fekete háttéren zöldessárgára festett pöttyökkel.

6.5. ábra Akridinoranzs festett rovar zsírtest preparátum fluoreszcens fénymikroszkópos képe. A nyilak a lizoszómákra mutatnak. A minden sejtben látható nagyobb zöld folt a sejtmagvacska, ami magas RNS tartalma miatt savas és ugyancsak megfestődik. Méretvonal: 20μm (Varga Ágnes felvétele)

Rovar zsírtest fluoreszcensmikroszkópos képe fekete háttéren pirosra festett pöttyökkel és kékre festett sejtmagokkal.

6.6. ábra LysoTracker Red-del festett rovar zsírtest preparátum fluoreszcens fénymikroszkópos képe. A sejtmagok kékszínben tűnnek elő a DAPI festés miatt. A nyilak a lizoszómákra mutatnak. Méretvonal: 20μm (Lőw Péter felvétele)

Jól használhatók az egyszerű festésnél kicsit összetettebb enzimhisztokémiai reakciók is, pl.: Gömöri-féle savas foszfatáz, nem specifikus észteráz, arilszulfatáz kimutatás. Ilyenkor a mesterséges szubsztrátról lehasított PO4- csoport a hozzáadott ólomsókkal csapadékot képez. Ez aztán fekete színben látszik a fénymikroszkópban, de a nehézfém elektrondenz volta miatt az elektronmikroszkópban is jól detektálható (6.7. és 6.8. ábra).

Emlős limfocita fekete-fehér elektronmikroszkópos képe.

6.7. ábra Savas foszfatáz elektronmikroszkópos szintű enzimcitokémiai kimutatása emlős limfocitában. A nyilak a primer lizoszómákra mutatnak, melyekben a savas foszfatáz enzimaktivitás elektrondenz csapadékot hozott létre. Méretvonal: 1 μm (László Lajos felvétele)

Emlős limfocita fekete-fehér elektronmikroszkópos képe.

6.8. ábra Savas foszfatáz elektronmikroszkópos szintű enzimcitokémiai kimutatása emlős hasnyálmirigysejtben. A nyilak a szekunder lizoszómákra mutatnak. Méretvonal: 2 μm (László Lajos felvétele)

A primer lizoszómák azok, amelyek még nem vettek részt emésztési folyamatokban, nem tartalmaznak emésztendő anyagokat. Elektronmikroszkópos felvételen homogén belső szerkezetű, szabályos gömb alakú sejtszervecskék (6.9. ábra).

Emlős májsejt fekete-fehér elektronmikroszkópos képe.

6.9. ábra Primer lizoszómák (nyilak) emlős májsejtben. Méretvonal: 1 μm (Kovács Attila Lajos felvétele)

A szekunder lizoszómák azok az organellumok, amelyek együtt tartalmazzák a savas hidrolázokat és a lebontandó anyagokat. Alakjuk rendkívül változatos, egységes morfológiájukat nem lehet megadni. belsejükben gyakran felismerhetők nagyobb sejtalkotók is. Ezeket az organellumokat nevezik az autofágia kutatásban autolizoszómának (6.10. ábra).

Emlős májsejt fekete-fehér elektronmikroszkópos képe.

6.10. ábra Szekunder lizoszómák (nyílhegyek között) emlős májsejtben. Méretvonal: 1 μm (Kovács Attila Lajos felvétele)

A tercier lizoszóma, vagy residualis test az a sejtszervecske, amelyben minden emészthető anyag lebomlott már és csak emészthetetlen maradékot tartalmaz. Ezek felhalmozódhatnak a különféle sejtekben (ilyen például az öregségi pigmentnek is nevezett lipofuszcin), vagy exocitózissal kiürülhetnek belőle.

A lizoszomális enzimek útja a lizoszómába

Az állati sejt több sejtkompartmentuma is a membrán egységeik felhasználásával illetve megosztásával újul meg. Az endocitózis során például a sejtmembrán egy részlete fűződik le, hogy vezikulumot képezzen, ami majd a sejtben egy másik sejtszervecskével egyesül. Aktív újratermelés nélkül a plazmamembrán mérete folyamatosan csökkenne. A lizoszómák részt vesznek ebben a dinamikus membrán kicserélődési rendszerben, és fokozatos éréssel a megfelelő hidrolázokat szállító, Golgi eredetű vezikulumok késői endoszómákkal való fúziója során keletkeznek.

A lizoszomális fehérjék termelődése a lizoszómák fenntartásának egy módját valószínűsítik. A lizoszomális fehérjék génjei a sejtmagban íródnak át. Az mRNS átiratok kijutnak a magból a citoplazmába, ahol a durvafelszínű endoplazmatikus retikulum (dER) felszínén lévő riboszómákon fordítódnak át fehérjére. A frissen szintetizált polipeptidek a dER lumenébe jutnak, ahol poszttranszlációs módosításokon esnek át. A dER-ből vezikuláris transzporttal a Golgi-komplexumba kerülnek. A cisz-Golgi-hálózatban lizoszóma specifikus jelet kapnak: egy kétlépéses enzimatikus reakció során a lizoszomális fehérjék mannóz oldalláncai foszforilálódnak, így mannóz-6-foszfát keletkezik a peptideken (6.11. ábra). Ez a jel teszi lehetővé, hogy a transz-Golgi-hálózatban (TGN) hozzákötődjenek a mannóz-6-foszfát receptorokhoz, ami elengedhetetlen a lizoszomális rendszerbe jutó vezikulumokba csomagolódásukhoz. A Golgi-membrán-lizoszomális enzim-mannóz-6-foszfát-receptor komplexet egy klatrinburok veszi körül majd, mint egy vezikulum, lefűződik a TGN-ről. Ez a definíció szerinti primer lizoszóma.

A savas hidrolázok szelektív transzportját mutató egyszerűsített színes sejttani folyamatábra.

6.11. ábra A savas hidrolázok szelektív transzportja a lizoszómába. Az egyes kompartmentek pH csökkenésének mértékét az egyre mélyülő zöld szín jelzi.

A Golgi-apparátust elhagyva a lizoszomális enzimekkel töltött vezikulum késői endoszómákkal egyesül, ami viszonylag savas sejtszervecske hozzávetőlegesen 5,5 pH értékkel. Ez a savas közeg okozza a lizoszomális enzimek disszociációját a mannóz-6-foszfát receptorokról. Ezt követően a mannóz-6-foszfát defoszforilálódik és ezáltal az enzim aktívvá válik. A mannóz-6-foszfát receptor a membránhoz kötve marad és reciklizál a TGN-be (6.11. ábra).

Az enzimek további vezikulumokba csomagolódnak a végleges lizoszómákba szállítódásukhoz. A primer lizoszómából így vezikuláris transzport révén létrejön a szekunder, már emésztő lizoszóma. A folyamat során természetesen elveszíti a klatrin burkát. A késői endoszómák maguk is érett lizoszómává válnak, mint azt az endoszomális membránösszetevők lizoszómákból az endoszómákba történő visszaszállítása is bizonyítja (von Figura, 1991).

Érdemes megemlíteni, hogy bizonyos enzimek nem ezen az úton jutnak el a lizoszómába (mannóz-6-foszfát independens útvonalak) (Saftig és Klumperman, 2009). A folyamatos szekréciós úton keresztül bizonyos lizoszomális fehérjék a Golgi-apparátusból kilépve a sejtfelszínre kerülnek, majd innen endocitózissal újra felveszi őket a sejt. Korai és késői endoszómákon keresztül végül eljutnak a lizoszómákba (6.12. ábra).

A lizoszomális fehérjék szelektív transzportját mutató egyszerűsített színes sejttani folyamatábra.

6.12. ábra A frissen szintetizált lizoszomális fehérjék kétféle úton juthatnak el a lizoszómába. A kék nyilak mutatják a folyamatos szekréciós utat, melyen keresztül bizonyos lizoszomális fehérjék a Golgi-apparátusból kilépve a sejtfelszínre kerülnek és innen endocitózissal újra felveszi őket a sejt. Korai és késői endoszómákon keresztül végül eljutnak a lizoszómákba. A zöld nyilak a Golgi-apparátusból származó burkolt vezikulumok útján történő célbajuttatást mutatják. A Golgi-vezikulumok itt a korai vagy a késői endoszomális kompartmenttel fuzionálnak és így jutnak el a fehérjék a lizoszómákba. Az egyes kompartmentek pH csökkenésének mértékét az egyre mélyülő zöld szín jelzi.

A lebontandó anyagok útja a lizoszómákba

A lizoszómákba egyrészt az extracelluláris térből felvett anyagok juthatnak. Ebben az esetben a fagocitózissal, pinocitózissal vagy a receptor mediált endocitózissal létrejött vezikulum fuzionál egy primer vagy szekunder lizoszómával, majd tartalma megemésztődik a lizoszóma belsejében. A fagocitózis során keletkező endoszómát fagoszómának, az ennek a lizoszómával történő fúziójával létrejövő sejtszervecskét pedig fagolizoszómának nevezzük (6.13. ábra).

A lebontandó anyagok útját mutató egyszerűsített színes sejttani folyamatábra.

6.13. ábra A lebontandó anyagok útja a lizoszómákba

A lizoszómákban másrészt a sejt már elhasználódott alkotórészei bontódhatnak le. Ezt hívjuk makroautofágiának, ilyenkor a lebontandó citoplazma részletet egy kettős membrán veszi körül és az így formálódó autofagoszóma olvad össze primer lizoszómákkal. A keletkező autolizoszómában bomlanak le a megújításra szánt vagy felesleges anyagok (6.13. ábra). A citoplazmatikus anyagok mikroautofágia vagy a chaperon-mediált autofágia (CMA) révén is bejuthatnak a lizoszóma belsejébe. Ezekre a folyamatokra később térünk ki (lásd autofágia fejezetek).

A lebontandó anyagok útja a lizoszómákba - az endoszomális útvonal

Az endoszómák membrán „buborékok”, melyek akkor keletkeznek, mikor a sejt lefűz egy membrán vezikulumot, hogy valamit felvegyen a külső környezetéből (Mellman, 1996). Korai endoszómának nevezzük a vezikulumot közvetlenül a lefűződése után. A korai endoszómák csak enyhén savasak, így nincs bennük lebontás. Ahogy a korai endoszóma mélyebbre vándorol a sejtben, egyre savasabbá válik és késői endoszómává alakul, ami végül lizoszómát képez. Ez pedig teljesen lebontja azt, ami benne van (Cuervo és Dice, 1998).

Az endoszómák válogatási környezetet biztosítanak a felvett anyagok számára, mielőtt a lebontó lizoszómákba kerülnek. Az LDL-t például a sejt a sejtfelszíni LDL receptorokon megkötve veszi fel. Ahogy a korai endoszómába jut, az LDL leválik a receptorról és a receptor visszakerül a sejtfelszínre. Az LDL az endoszómában marad és a lizoszómákhoz szállítódik további feldolgozásra. Az LDL a korai endoszómában uralkodó enyhén savas közeg miatt disszociál a receptorról, ezt a vakuoláris membrán proton pumpa V-ATPáz hozza létre (6.14. ábra).

Az endocitózissal felvett lebontandó anyagok útját mutató egyszerűsített színes sejttani folyamatábra.

6.14. ábra A sejt endoszomális-lizoszomális kompartmentuma. Egy sejtfelszínről receptor mediált endocitózissal felvett fehérje (piros pötty, például az LDL) útja a lizoszómába. Az egyes kompartmentek pH csökkenésének mértékét az egyre mélyülő zöld szín jelzi.

Más esetben, az EGF és az EGF receptor pH rezisztens kapcsolatban van, ami fennmarad, amíg a lebontását végző lizoszómába nem kerül. A mannóz-6-foszfát receptor is hasonló módon szállít ligandumokat (melyek ez esetben lizoszomális enzimek) a Golgi-készülékből a lizoszómákba.

Az endoszómák három alkompartmentumra bonthatók: korai endoszómák, késői endoszómák és reciklizáló endoszómák. A megkülönböztetés egyrészt azon alapszik, hogy az endocitózissal bekerült anyag milyen hamar éri el az adott alkompartmentumot, másrészt marker fehérjék, mint például a RAB fehérjék, alapján történik (Stenmark, 2009). A morfológiájuk is különböző. Amint az endocitotikus vezikulumok levetik klatrin burkukat, részévé válnak a korai endoszómák rendszerének. A korai endoszómák késői endoszómákká érnek, mielőtt a lizoszómákkal egyesülnének (Henne és mtsai., 2011).

A korai endoszómák különböző módon érhetnek késői endoszómákká. A folyamat során egyre savasabbakká válnak a V-ATPáz működése következtében. A korai endoszómák dinamikus tubuláris hálózatot képeznek (vezikulumok 1 µm átmérőig, melyek összeköttetésben állhatnak kb. 50 nm átmérőjű csövecskék révén). Markereik többek között a RAB5 és RAB4, a transzferrin és receptora valamint az EEA1 (6.15. ábra). Sok visszaforgatott molekulát a korai endoszómák tubuláris részében uralkodó savas kémhatás távolít el. Ezek a tubulusok eltűnnek a reciklizáló útvonalak irányába, ennek következtében a késő endoszómáknak nincsenek tubuláris részei.

Az endocitózissal felvett lebontandó anyagok útját mutató egyszerűsített színes sejttani folyamatábra.

6.15. ábra Az endocitózis útvonala állati sejtekben. Az endocitózissal felvett molekulák a sejt felszínről korai endoszómákba kerülnek. Ezek késői endoszómákká (multivezikuláris testekké) érnek: a pH-juk csökken, a reciklizáló molekulák kikerülnek belőlük, üregükben újabb vezikulumok formálódnak, a RAB5 helyettesítődik RAB7-tel. Mindezek alkalmassá teszik őket a lizoszómákkal történő összeolvadásra. A fúzió során keletkező hibrid kompartmentumból lizoszóma is újra alakulhat. Fehérjék szállítódnak a Golgi-komplexumból az endoszómákba és visszafelé is. A transzferrin és receptora a plazma membrán és a korai endoszómák között reciklizál. A transzferrin az általa szállított Fe2+ iont az endoszóma savas közegében adja le. Az EGF (epidermal growth factor) receptorok az EGF kötődésétől aktiválódnak és inaktiválásuk a lizoszómában lebontással történik. Az EGF kötődése elősegíti az EGF receptor ubiquitinilálódását és ez a lizoszómákba irányítja őket. A mannóz-6-foszfát receptorok a Golgi-komplexum és az endoszómák között recirkulálnak, az általuk szállított fehérjéket ezek a receptorok is az alacsony pH miatt engedik el.

A késői endoszómák főként gömbszerűek, nincsenek tubulusaik, és sok szorosan elhelyezkedő vezikulum lehet az üregükben. Markereik a RAB7, RAB9, és a mannóz-6-foszfát receptor (6.15. ábra). Méretben is megnövekednek más korai endoszómákkal nagyobb vezikulumokká történő homotipikus fúzió következtében. A molekulák kisebb vezikulumokba is kerülhetnek, melyek a nagyobbak külső membránjáról fűződnek le az endoszóma üregébe luminális vezikulumokat képezve. Ez multivezikuláris megjelenést kölcsönöz a késői endoszómáknak, ezért ezeket multivezikuláris testeknek (MVB) is nevezik. A reciklizáló molekulák eltávolítása (pl. transzferrin receptor, mannóz-6-foszfát receptor) folytatódik ebben a szakaszban, valószínűleg az endoszómákból lefűződő vezikulumok által. Végül az endoszómák elvesztik a RAB5 és megkapják a RAB7 markerüket és így alkalmassá válnak a lizoszómákkal való fúzióra.

A késői endoszómák lizoszómákkal történő fúziójával hibrid kompartmentum keletkezik, a két kiindulási kompartmentum közti átmeneti tulajdonságokkal. A lizoszómák például sokkal denzebbek, mint a késői endoszómák, míg a hibridek denzitása köztes értéket mutat. A lizoszómák kialakulásuk közben a rájuk jellemző, magasabb denzitásúra kondenzálódnak. Mielőtt ez megtörténik további késői endoszómák kapcsolódhatnak a hibrid kompartmentumhoz.

Egyes anyagok közvetlenül a korai endoszómákból kerülnek vissza a plazma membránba, de a fő szállítási útvonal a reciklizáló endoszómákon keresztül vezet. A reciklizáló endoszómák főleg a mikrotubulus organizátor központ (MTOC) közelében csoportosulnak és főleg hálózatos tubulusokat tartalmaznak. Markerük a RAB 11. Specializált sejtekben, mint a polarizált sejtek és makrofágok, további altípusok is azonosíthatók (6.14. ábra).

Fagoszómák, pinocitotikus vezikulumok és autofagoszómák az endoszómákhoz hasonló módon érnek, és az érésük során összeolvadnak az endoszómákkal (Fader és Colombo, 2009). Némely sejten belüli kórokozó visszaveti ezt a folyamatot, például megakadályozza a RAB7 felvételét (Körner és mtsai., 2006). A késői endoszómákat (MVB-ket) egyes esetekben endocitotikus szállító vezikulumoknak is nevezik. Amikor egy endoszóma lefűződik, fontos membrán receptorokat is magával visz, amelyeket gyakran kár lenne lebontani. A bezárult receptor reciklizáló endoszómák útján visszatérhet a sejtfelszíni membránba ahová eredetileg tartozik, így elkerülve a késői endoszómában vagy lizoszómában történő lebontást (6.15. ábra).

Lizoszóma-szerű sejtorganellumok

Számos speciális, csak adott sejttípusra jellemző lizoszóma-szerű sejtorganellumot (LRO - lysosome related organelle) ismerünk, amelyek igen fontos élettani szerepet látnak el. Közös jellemzőjük, hogy a lizoszómákhoz hasonló útvonalon jönnek létre. Az ilyen organellumokra a legfontosabb példák a melanocitákban található melanoszómák, a citotoxikus T-sejtek és természetes ölősejtek lítikus granulumai, a spermiumokban található akroszómák, és a vérlemezkék denz granulumai. Ezek a speciális sejtszervecskék alapvető funkciókat látnak el életünkben, a fent említett példák alapján a bőr normális pigmentációjának biztosításában, a kórokozók elleni védekezésben, a megtermékenyítésben vagy a véralvadás során (Saftig és Klumperman, 2009). Említésre érdemes, hogy az ecetmuslica szem pigmentjei is a lizoszóma-szerű organellumok közé tartoznak, és a különféle muslica szemszínt megváltoztató mutációk tanulmányozása révén izoláltak olyan géneket, amelyek ezen organellumok biogeneziséhez szükségesek. Erre egy jól ismert példa az élesztő Vps18 gén Drosophila homológja, melyet a génmutáció okozta szem fenotípus alapján deep orange névre kereszteltek (Lloyd és mtsai., 1998).

Lizoszomális tárolási betegségek

Nagyon sok olyan betegség van, melyeknek valamilyen lizoszomális rendellenesség áll a hátterében. A tünetek azért alakulnak ki, mert a lizoszomális fehérjéket kódoló génekben mutációk történtek és a létrejött vagy öröklött genetikai hiba miatt nem alakul ki, vagy hibás egy, vagy több, vagy az összes lizoszomális enzim illetve membrán fehérje. Ennek következtében az enzimek által lebontandó anyagok felhalmozódnak a tercier lizoszómákban és zárványokat (inclusio) hoznak létre a sejtekben (pl. makrofágokban, neuronokban). Emiatt lizoszomálistárolási betegségeknek (lysosomal storage disease - LSD) nevezték el őket (Neufeld, 1991, Parkinson-Lawrence és mtsai., 2010). Ezek legtöbbször már fiatalkorban halálos kimenetelű, jelenleg gyógyíthatatlan betegségek (Parenti és mtsai., 2013). Recesszív módon öröklődnek, és rendszerint autoszomális öröklésmenet jellemző rájuk, így nőket, férfiakat egyaránt érintenek.

Bár egyes lipidózisok és mukopoliszacharidózisok (MPS) voltak az elsőként leírt lizoszomális tárolási betegségek, a lizoszómák létezésének és hibás működésüknek elképzelése a Pompe-kór vizsgálatából származik (6.1. táblázat). Ennek ellenére a lipidek biológiájával és a glükózaminoglükánok lebontásával foglalkozó kutatások elindulásának természetesen a lipidózisok és mukopoliszacharidózisok felfedezése volt a kiváltó oka. Az enzim működési hibákról és a lizoszomális tárolási betegségekben elérhető kereszt-javításokról egyre bővülő ismeretek alapvetően fontosak voltak az endocitotikus folyamatok megértéséhez és az ezt követő enzimhelyettesítési terápiák (ERT) kifejlesztéséhez (6.2. táblázat).

Év

Felfedezés

A felfedezés hatása

1881

Tay-Sachs kór

a lipidózisok felfedezése elindította a lipid biológiai kutatásokat

1882

Gaucher-kór

1898

Anderson-Fabry angiokeratoma

1914

Niemann-Pick kór

1910

Hurler-szindróma

az első mukopoliszacharidózisok felfedezése a glükózaminoglükánok biológiájának elindulását jelentette

1917

Hunter-szindróma

1932

Pompe-kór

ez a felfedezés elősegítette a lizoszómák felfedezését

1952

a mukopoliszacharidózis alapjelenségének leírása

a glükózaminoglükánok lebontásának vizsgálata elkezdődik

1955

a lizoszóma felfedezése

1963

Pompe-kórt ismerik fel először, mint lizoszomális tárolási betegséget (LSD)

1964

a mukopoliszacharidózisok kereszt-javítása

az enzimhelyettesítő kezelések kezdete (ERT)

1967

I-sejtes betegség

a lizoszomális célba juttatás is szerepet játszhat a betegségek kialakulásában

6.1. táblázat A tárolási betegségek felfedezésének időbeli sorrendje és a sejtbiológiára kifejtett hatásuk

A Pompe-kór esetében egy lizoszomális hidroláz hibája nem teszi lehetővé a vezikulumba autofagocitózissal felvett glikogén lebontását (6.16. ábra). A mukopoliszacharidózisoknál (MPS) különböző hibák fordulnak elő a glikozidáz vagy szulfatáz enzimekben, és ez gátolja a glükózaminoglükánok lebontását a lizoszómákban. A lipidózisok (szfingolipidózisok) különböző hidrolázok hibájából alakulnak ki, ezek gátolják meg a lipidek lizoszomális katabolizmusát. Az I-sejtes betegség a Golgi-apparátus egyik enzimét érinti, megakadályozva ezzel a lizoszomális hidrolázok lizoszómába juttatását, így ezek az enzimek szekretálódnak. Mivel az endoszóma-lizoszóma rendszerben nagyon sok a keresztkapcsolat, a fenti elsődleges hibák további lizoszomális funkciók másodlagos kiesését okozhatják.

A lizoszomális tárolási betegségek által befolyásolt sejttani folyamatokat mutató egyszerűsített színes sejttani folyamatábra.

6.16. ábra A lizoszomális tárolási betegségek által befolyásolt sejttani folyamatok egyszerűsített vázlata. MPS - mukopoliszacharidózis

A tárolási betegségek gyakorisága változó, egyes elszigetelt populációkat jobban érint, átlagosan 1:7-8.000 születésre. A betegek várható életkora igen alacsony. Jelenleg 49 ilyen betegség ismert (Platt és mtsai., 2012). A kórképek biztos diagnózisa csak az enzimdefektusok kimutatása után állítható fel. A célzott terápiák tárháza sajnos ma még elég szűkös. A legtöbb tárolási betegség kezelése egyelőre csak tüneti terápiára szorítkozik, nincs lehetőség magának a kiváltó tényezőnek a kiiktatására, noha ígéretes kutatások vannak folyamatban. Vannak már olyan kórformák, ahol enzimpótlással szép eredményeket értek el (6.2. táblázat). A korán elvégzett csontvelő/őssejt átültetéssel is vannak már próbálkozások, de ezek megítélése nem egységes. Amíg nincs biztonságos és egyértelműen hatékony kezelés, addig csak az életminőség javítása lehet a cél, melyhez elengedhetetlen a fertőzések kivédése illetve kezelése, a csont deformitások lehetőség szerinti korrigálása, a merev ízületek lazítása fizioterápia segítségével.

Betegség

Hibás enzim

ERT státus

Anderson-Fabry angiokeratoma

α-galaktozidáz A

gyógyászati forgalomban (agalsidase)

Gaucher-kór, I típus

β-glükocerebrozidáz

gyógyászati forgalomban (alglucerase, imiglucerase, velaglucerase)

MPS I típus

α-L-iduronidáz

kísérleti kipróbálás alatt

MPS II típus

iduronsav-2-szulfatáz

gyógyászati forgalomban (idursulfase)

MPS VI típus

N-acetilgalaktózamin-4-szulfatáz

gyógyászati forgalomban (galsulfase)

Pompe-kór

α-glükozidáz

gyógyászati forgalomban (myozyme)

6.2. táblázat Enzimhelyettesítési lehetőségek (ERT - enzyme replacement therapy) egyes lizoszomális tárolási betegségek esetében

Az egyik lehetséges lizoszomális enzimpótlás a „kereszt-javítás” technikája, melyet a következőkben röviden összefoglalunk. A frissen szintetizált lizoszomális enzimek az endoplazmatikus retikulumban glükozilálódnak (6.17. ábra, zöld körök) a normális és genetikailag módosított sejtekben egyaránt.

Az enzimhiányos sejtek kijavításának lehetőségét mutató egyszerűsített színes sejttani folyamatábra.

6.17. ábra Lizoszomális enzimszállítás és az enzimhiányos sejtek „kereszt-javítása” (vö. 6.12. ábra)

Ezt követően a Golgi apparátusban az enzimek átesnek a mannóz-6-foszfát modifikáción (6.17. ábra, piros körök) és itt a mannóz-6-foszfát receptorhoz (M6PR) kötnek. Többségük (6.17. ábra, vastag nyilak) ezután eljut a lizoszómákba. A lizoszomális enzimek kisebb részét (6.17. ábra, vékony nyilak) szekretálja a sejt. Az extracelluláris foszforilált enzim a plazmamembránhoz kötött M6PR-hoz, a nem foszforilált enzim pedig az ugyancsak membránkötött mannóz receptorhoz (ManR) kapcsolódik. Mindkét receptor közreműködik az endocitózisban és végül a kívülről jövő enzim lizoszómába juttatásában. Ez a folyamat genetikailag módosított vagy enzimhiányos sejtekben is végbemegy. Fontos megjegyezni, hogy az M6PR minden sejtben kifejeződik, míg a ManR csak a retikuloendotéliális rendszer sejtjeiben (rezidens szöveti makrofágok) (Sands és Davidson, 2006).

Az alábbiakban a lebontási zavarok természete szerint csoportosítva összefoglaljuk a legfontosabbakat.

Szfingolipid lebontási zavarok

A 6.18. ábrán tájékoztatásképpen bemutatjuk a szfingolipidek lebontási útvonalait. Az egyes lépéseket katalizáló enzimek mellett pirossal láthatók az enzim aktivitásának hiányában kialakuló szfingolipid lebontási zavarok elnevezései.

A szfingolipidek lebontási útvonalait mutató folyamatábra, az enzimek alá rózsaszínnel az enzim hiányában kialakuló betegségek neve van írva.

6.18. ábra A szfingolipidek lebontási útvonalai. Az egyes enzimek mellett pirossal láthatók az enzim aktivitás hiányában kialakuló betegségek elnevezései.

Tay-Sachs kór (β-hexózaminidáz, α-alegység hiánya)

A 15-ös kromoszómán a HEXA gén mutációi okozzák (sok ilyen van). Az enzim aktivitásának kiesése következtében a gangliozidok nagymértékben felhalmozódnak a neuronokban és azok idő előtti pusztulását okozzák. A retina ganglionsejtjeinek kiterjedt pusztulása vaksághoz vezet és a retinán egy jellegzetes vörös folt jelenik meg, aminek fontos szerepe van a diagnózisban. A legrosszabb, infantilis típusú lefolyású változat esetén gyermekekben már a 6. hónaptól kezdve mutatkoznak az első tünetek (mentális és motoros alulfejlettség, vakság, majd süketség, izomatrófia, majd bénulások) és a betegek 4 éves koruk előtt meghalnak. A betegség később is kialakulhat (juvenilis és felnőttkorban is). Gyakorisága általában 1:300 születésre, de egyes elszigetelt populációkban jóval magasabb. A Kelet-Európából származó amerikai zsidó közösségekben minden 27-30. ember hordozója a betegségnek. A francia-kanadaiak között 1:50 az arány, nagyon hasonló ehhez a Cajun indiánok (Louisiana) között a hibás HEXA gének előfordulási gyakorisága.

Sandhoff-kór (másnéven Sandhoff-Jatzkewitz betegség, a β-hexózaminidáz, β-alegység hiánya)

Az érintett betegekben nem keletkezik működő β-hexózaminidáz a HEXB génben történt mutáció miatt. A klinikai tünetek nem különböztethetők meg a Tay-Sachs-kórétól. A mutáció elszigetelt populációkban, az Argentína északi részén honos kreol népességben, a kanadai Saskatchewanban élő métis indiánok között és a ciprusi keresztény maroniták között gyakori.

Anderson-Fabry angiokeratoma

Az α-galaktozidáz A (α-GALA gén) mutációja okozza. Ez a gén az X kromoszómán található, így a betegség ritka kivételként nemhez kötötten öröklődik, azaz férfiakat érint, a nők csak heterozigótaként hordozzák a mutáns allélt. Az enzim aktivitás hiánya a glikolipidek felhalmozódását okozza, elsősorban a vérerek falában. Tünetei: gyakori, erős fájdalomérzés, egyre súlyosbodó proteinuria, magas vérnyomás, cardiomyopathia (szívizomgyengeség), angiokeratoma (a bőrben levő kapillárisok sérülése, mely számos apró vörös foltot és fokozott szarusodást okoz), anhydrosis (a beteg nem képes izzadni), cornea verticillata (a szaruhártya kétoldali, örvényszerű, fehéres keskeny sávokban történő megvastagodása, 6.19. ábra), az agyvérzésre való hajlam megemelkedése. A beteg várható életkora 30-40 év. A betegség gyakorisága 1:40.000 – 120.000 születésre.

Egy beteg emberi szem színes makrofelvétele.

6.19. ábra Cornea verticillata, a szaruhártya kétoldali, örvényszerű, fehéres keskeny sávokban történő megvastagodása Anderson-Fabry angiokeratomában szenvedő betegnél

Gaucher-kór

A savas β-glükozidáz (EC 3.2.1.45, lizoszomális glükocerebrozidáz) mutációja okozza, mely az 1-es kromoszóma q21 régiójában található. A mutáció következtében a glükocerebrozid felhalmozódik a sejtekben, elsősorban a fehérvérsejtekben. Ezekben a sejtekben a felvett anyagok lipid komponensei nem tudnak lebomlani, granulumok, vagy fibrillumok formájában felhalmozódnak és a sejt Gaucher-sejt állapotba kerül. A sejt ilyenkor szinte olyan, mint egy összegyűrt papírlap. Tünetei: duzzadt has, megnagyobbodott máj, lép és nyirokcsomók, csontsérülések, összenövések az ízületekben, a bőr barnás elszíneződése, vérszegénység, alacsony trombocyta szám, sárga ínhártya (sclera). A hordozók arányában ez a leggyakoribb lizoszomális tárolási betegség, a hordozók aránya az USA-ban 1:100, de a betegek aránya 1:450 születésenként.

Niemann-Pick kór

A savas szfingomielináz (szfingomielin foszfodiészteráz 1, SMPD1) enzim hiánya miatt kialakuló örökletes, a tárolási kórképek csoportjába tartozó betegség. Lényege, hogy a szfingomielin illetve a koleszterin felszaporodnak a sejtek lizoszómáiban, nem képesek lebomlani a szfingomielináz enzim hiánya, vagy csökkent működése következtében. A szfingomielin főleg a makrofág-monocyta sejtvonal (pl. a lép hisztiocitáiban) lizoszómáiban szaporodik fel. Ezek a sejtek feldagadnak, akár 90 µm átmérőjűek lesznek, és citoplazmájuk „habos” megjelenésű lesz (6.20. ábra). Három altípusa ismeretes. Az A és B típus egyaránt a lizoszomális szfingomielináz enzim hiányára vezethető vissza. A hibás SMPD1 gén a 11-es kromoszómán található. Az A típus csecsemőkori kialakulású, erősen érinti az idegrendszert, nagyon rossz a prognózisa, a betegek 18 hónapos koruk előtt meghalnak. A B típus később alakul ki, a belső szervek megnagyobbodásával jár, de nem érinti a központi idegrendszert, és a betegek fiatal felnőtt korukig élnek. A C típus a leggyakoribb altípus a sejtek közötti koleszterin transzport hibája okozza, mely a 18-as kromoszómán található NPC-1 gén hibájához köthető. Gyakorisága 1:250.000 születésre.

Lép rózsaszínű hematoxilin-eozin festésű fénymikroszkópos képe habos citoplazmájú hisztiocitákkal.

6.20. ábra A 200-szoros nagyítású kép Niemann-Pick-kórban szenvedő beteg lépének hisztiocitáit mutatja, melyek citoplazmáját teljesen kitöltik a lebontatlan szfingomielinnel és más lipidekkel telt lizoszómák (hematoxilin-eozin festés).

Krabbe-kór (galaktozilceramid lipidózis)

Halálos kimenetelű, recesszíven öröklődő, autoszomális betegség, amelyben gátolt a központi idegrendszerben és a környékiben is az axonokat borító mielinhüvely kialakulása. A galaktocerebrozidáz enzimet kódoló GALC génben bekövetkező mutációk okozzák. Ennek következtében az idegsejtek axonjait burkoló mielinhüvely nem tud kialakulni, ami súlyos motoros zavarokat okoz első közelítésben. A galaktozilceramid felhalmozódás ún. psychosine akkumulációhoz vezet, ami az axonok degenerációjával jár. A beteg gyerekekben az első tünetek a 3-6. hónapban jelentkeznek. Láz, végtagi merevség, táplálkozási zavarok, hányás, lassú mozgási és mentális fejlődés, gyengülő látás, késleltetett ivari érés jellemzi őket. A legtöbb beteg 2 éves kora előtt meghal. Általában 1:100.000 születésre arányban fordul elő. Az izraeli arab közösségben 1:6.000 az előfordulása, Skandináviában pedig 1:50.000.

Betegség

Hiányzó fehérje

Felhalmozódó termék

Tay-Sachs-kór

β-hexózaminidáz, α-alegység

GM2 gangliozid

Sandhoff-kór

β-hexózaminidáz, β-alegység

GM2 gangliozid, oligoszacharidok

Anderson-Fabry angiokeratoma

α-galaktozidáz A

glikolipidek

Gaucher-kór

glükocerebrozidáz

glükocerebrozid

Niemann-Pick-kór

szfingomielináz

szfingomielin

Krabbe-kór

galaktozilceramidáz

Gal-ceramid, Gal-szfingozin

6.3. táblázat A szfingolipid lebontási zavarokkal összefüggő tárolási betegségek összefoglaló táblázata

Glükoprotein lebontási zavarok

Aszpartilglükózaminuria (AGU)

A betegséget az N-aszpartil-β-glükózaminidáz (EC 3.5.1.26) enzimaktivitásának hiánya okozza (6.21. ábra). Tünetei már 2-4 éves korban jelentkeznek: pszichomotoros retardáció, torz arcvonások, gyakori légzőszervi fertőzések, hasi sérvek és vázrendszeri rendellenességek. Gyakorisága Finnországban viszonylag magas, 1:17.000 születésre.

Az N-aszpartil-β-glükózamin fekete-fehér szerkezeti képlete.

6.21. ábra Az N-aszpartil-β-glükózamin szerkezeti képlete

α-mannozidózis

Az α-D-mannozidáz (EC 3.2.1.24) enzimaktivitásának hiánya okozza. A diagnózist a fehérvérsejtek α-D-mannozidáz enzimaktivitás mérésével állítják fel. Tünetei: szellemi elmaradás, jellegzetes arcvonások, vázrendszeri rendellenességek, csontritkulás (osteopenia), mozgás koordinációs nehézségek (ataxia), izomgyengeség (myopathia), fokozott érzékenység a fertőzésekre, máj és lép megnagyobbodás (hepatosplenomegalia), halláskárosodás, szemlencse homályosodás (cataracta). Gyakorisága 1:500.000 - 1.000.000 születésre.

Betegség

Hiányzó fehérje

Felhalmozódó termék

Aszpartilglükózaminuria

aszpartilglükózaminidáz

N-kötött oligoszacharidok

α-Mannozidózis

α-mannozidáz

α-mannozidok

6.4. táblázat A glükoprotein lebontási zavarokkal összefüggő tárolási betegségek összefoglaló táblázata

Glükózaminoglikán (GAG) lebontási zavarok, mukopoliszacharidózisok

Az egyes kórképekben különböző lizoszomális enzimek működése hiányzik, de abban mind megegyeznek, hogy a mukopoliszacharidok lebontása károsodik, ami miatt kóros bomlástermékek halmozódnak fel a sejtekben, ez vezet a tünetekhez. Mivel a mukopoliszacharidok a kötőszövet alkotói, kötőszövet pedig gyakorlatilag test szerte, minden szervünkben megtalálható, ezért az egyes betegségekben is azt látjuk, hogy számos szervrendszer károsodik. A károsodás fokozatos, a beteg gyerekek állapota az évek során folyamatosan, és sajnos célzott kezelés hiányában megállíthatatlanul romlik. Van néhány olyan tünet, ami mindegyik kórképre igaz. A lép és a máj megnagyobbodása általában jelentkezik, de e mellett a szív és az erek érintettsége, valamint a csontelváltozások is megfigyelhetőek minden megjelenési formában, bár az érintettség mértéke különböző.

Hurler-szindróma (I-es típusú mukopoliszacharidózis, MPS I)

Az MPS egyes típusa a Hurler szindrómának nevezett betegség, melyet az α-L-iduronidáz enzim (EC 3.2.1.76) aktivitásának hiánya következtében kialakuló glükózaminoglikán (GAG) felhalmozódás okoz. Az enzimet az IDUA gén kódolja, mely a humán 4-es kromoszómán található és 52 mutációja ismert. A betegség tünetei: növekedés nagymértékben elmarad a normálistól (törpeség), nagy fej, rövid törzs, arc deformitás (a gyermek arca széles, az orrgyök lapos, az alsó állkapocs kicsi (micrognathia)), megnagyobbodott nyelv máj, lép és szív megnagyobbodás, szívbillentyű rendellenesség, ízületi merevség, beszűkült mozgás, gerinc deformitás, szellemi elmaradás (mentális retardáció), súlyos halláskárosodás, látászavar (homályos cornea, degenerálódó retina). Gyakorisága 1:100.000 születésre.

Hunter-szindróma (II-es típusú mukopoliszacharidózis, MPS II)

A Hunter szindróma, ami a mukopoliszacharidózis kettes típusa, nem csak tüneteiben, hanem az öröklődés módjában is különbözik a többi MPS-től. Az iduronsav-2-szulfatáz (I2S) enzim hiánya következtében alakul ki és glükózaminoglikán (GAG) felhalmozódással jár. Az enzim génje az X kromoszómán található, így a betegség ritka kivételként nemhez kötötten recesszíven öröklődik. Tünetei már az első év után jelentkeznek: A beteg gyerekek jellemzően kisnövésűek, 120-140 cm-es magasságnál ritkán nőnek tovább. Itt is jellemzők a durva arcvonások, nagy fej, előre ugró homlok, lapos orrnyereg, vastag szemöldök, nagyon dús haj és test szerte dús szőrzet. Ha a betegség enyhébb lefolyású, akkor a gyerek ép intellektusú, ha viszont a súlyosabb formával állunk szemben, akkor gyakran a beszéd megtanulása is lehetetlen.

Gyakori a légúti fertőzés, nátha és mandulagyulladás, és gyakran látunk légzési nehézséget is, aminek oka a mellkas kóros alakja, valamint a megnagyobbodott máj és lép, ami a rekeszizmot felfelé nyomja, így megakadályozva a tüdő normális mozgását. Gyakoriak a sérvek illetve előrehaladottabb betegségben a szívproblémák is (megvastagodott szívbillentyűk, gyengülő szív teljesítmény). Sok gyermek szenved gyakori középfülgyulladástól, de nem ritka az enyhe halláskárosodás sem. A szaruhártya homály viszont, ami a legtöbb MPS-ben jelen van, itt nem feltétlenül jelentkezik.

Az ízületi merevség valamint a gerincferdülés itt is gyakran megfigyelhető, és a kéz alakja is jellegzetes: az ujjak vaskosak és rövidek, a kézfej széles, a végső ujjpercek befelé görbülnek vagy karomszerűek. Ez a jellegzetes kézforma bizonyos mozdulatokat megnehezít, nehézkes pl. a ruha begombolása vagy kisebb tárgyak megfogása. A lábfejeken a kézhez hasonló deformitások láthatók. Ugyanakkor a kéz és a láb gyakran hideg, sőt a súlyosabb kórformákban a teljes test hőszabályozása zavart szenved.

Az életkilátások változóak és természetesen a betegség súlyosságától függenek. Egyes Hunter-szindrómás betegek elérik a felnőtt kort, iskolába járnak, megházasodnak, dolgozni is képesek. Súlyosabb kórforma esetén viszont a halál sajnos 15 éves kor körül bekövetkezik. Gyakorisága 1:130.000 születésre.

Maroteaux–Lamy-szindróma (VI-os típusú mukopoliszacharidózis, MPS VI)

A kórképet az N-acetilgalaktózamin-4-szulfatáz / arilszulfatáz B enzim (EC 3.1.6.12) hiánya következtében kialakuló glükózaminoglikán (GAG) felhalmozódás okozza. Az enzim a szulfát észter hasítását katalizálja a glükózaminoglikánok, kondroitin-4-szulfát és dermatán szulfát láncvégi N-acetilgalaktózamin-4-szulfát egységein.

A betegségben szenvedőkre az alacsony növés valamint a csont deformitások jellemzőek elsősorban. A mentális fejlődés jellemzően ép, vagy csak a betegség későbbi szakaszában válik érintetté. Látás és hallászavar, valamint a szív érintettsége megfigyelhető. A csonteltérések kifejezettek. A szindróma súlyosabb formájában a csont deformitások miatt gyakran kerül sor ortopéd sebészeti beavatkozásra.

A rosszabb prognózisú formában az arc deformitás is igen szembetűnő és a gyerekek gyakran nem érik meg a pubertás kort Jellemzően 10. életévük betöltése előtt meghalnak. A halál oka leggyakrabban a szív károsodásából fakadó szívelégtelenség. A Maroteaux-Lamy szindróma másik típusa kedvezőbb prognózisú. A beteg megjelenése a fentiekhez hasonló, de szembetűnőbb az alacsony termet valamint a homályos cornea.

A betegség oki kezelésében jó eredményeket értek el enzimhelyettesítő terápiával (ERT). A galsulfase a kórképet okozó humán enzim sejttenyészetben, rekombináns DNS technikával előállított formája, mely intravénás injekcióban vagy infúzióban adható a betegeknek és jelentősen csökkenti a tüneteket. A galsulfase egy 56 kDa molekulatömegű glükoprotein. A rekombináns fehérje 495 aminosavból áll és 6 aszparagin-kötésű glikozilálási helyet tartalmaz, melyből 4 bis-mannose-6-phosphate gyököt hordoz a sejtes felismerés érdekében (Hopwood és mtsai., 2006).

Betegség

Hiányzó fehérje

Felhalmozódó termék

Hurler-szindróma (MPS I)

α-L-iduronidáz

dermatán szulfát, heparán szulfát

Hunter-szindróma (MPS II)

L-iduronsav szulfatáz

dermatán szulfát, heparán szulfát

Maroteaux-Lamy-szindróma (MPS VI)

GalNAc 4-szulfatáz / arilszulfatáz B

dermatán szulfát

6.5. táblázat A glükózaminoglikán lebontási zavarokkal összefüggő tárolási betegségek összefoglaló táblázata

Egyéb egyetlen enzim hiányából származó zavarok

Pompe-kór, glycogen storage disease type II

A Pompe-kór esetén ismerték fel először, hogy a lizoszómák működési zavara áll a hátterében, azaz tárolási betegség (LSD). A betegség oka, hogy a lizoszomális savas α-glükozidáz (EC 3.2.1.20, savas maltáz) enzim hiánya miatt glikogén felhalmozódás történik a lizoszómákban. Az enzim génje a 17-es kromoszóma hosszabbik karján helyezkedik el és 197 mutációja ismert. Gyakorisága 1:140.000 születésre. A betegség tünetei korán, már a születés utáni 4-8. hónapban jelentkeznek és főként az izmokat érintik: izomgyengeség a láb-, törzs- és karizmokban (myopathia), szívizom vastagodás és működés zavar, légzőizom elégtelenség. Kezelése enzimhelyettesítő terápiával már lehetséges. A betegnek intravénásan a humán savas α-glükozidáz rekombináns formáját, a myozyme nevű enzimkészítményt adják.

Wolman-kór

A Wolman-kór, más néven családi xanthomatosis vagy Cholesteryl Ester Storage Disease (CESD) kialakulásáért a savas lipáz (lysosomal acid lipase, LAL) hiánya a felelős. Az enzim génje a 10-es kromoszómán található, de nem ismerik a pontos helyét. A betegség elnevezése a xanthos [ξανθος – görögül sárga] szóból ered, mert sárga, koleszterin gazdag anyag rakódása észlelhető az inakban illetve más területeken. Tünetei: magas koleszterin szint, magas triglicerid szint (lipidemia type II), magas transzamináz szint, nagyon alacsony HDL szint, megnövekedett nyirokcsomók és lép, májnagyobbodás (hepatomegalia), zsírmáj, mindezek gyakran vezetnek fibrosishoz, cirrhosishoz, végül a beteg halálát okozva. Gyakorisága 1:40.000 születésre.

Canavan-kór

A Canavan-kórt az aszpartoaciláz vagy aminoaciláz 2 enzim aktivitásának hiánya okozza. A hibás enzim a 17-es kromoszómán található ASPA génben történt mutáció miatt képződik. A betegség a leukodisztrófiák, az agyi fehérállományt érintő, betegségek közé tartozik. Jellemző rá az axonok mielinhüvelyének degenerációja, mely neuron pusztuláshoz vezet. A tünetek kora csecsemőkorban jelentkeznek és gyorsan súlyosbodnak: szellemi visszamaradottság, korábban megszerzett motoros képességek elvesztése, evési nehézségek, rendellenes izomtónus (túl laza vagy túl merev), bénulás, rossz fejtartás, megalocephalia, vakság.

Betegség

Hiányzó fehérje

Felhalmozódó termék

Pompe-kór,

Glycogen storage disease II

α-1,4-glukozidáz

glikogén

Wolman-kór,

családi xanthomatosis

savas lipáz (LAL)

koleszterin észterek,

trigliceridek

Canavan-kór

aszpartoaciláz

aminoaciláz 2

N-acetilaszparaginsav

6.6. táblázat Az egy enzim hiányából adódó lebontási zavarokkal összefüggő tárolási betegségek összefoglaló táblázata

Lizoszóma biogenezis hibák

I-sejtes betegség, mukolipidózis II (ML II)

Ennél a kórképnél a Golgi-készülék hibás foszfotranszferáza minden oldható lizoszomális hidrolitikus enzim hibás szortingját eredményezi (6.22. ábra).

A mannóz foszforilációt bemutató színes ábra, melyen egy-egy aminosavat egy kör, egy-egy cukor egységet egy téglalap jelképez.

6.22. ábra A mannóz foszforiláció

Az enzimek így szekréciós útvonalra jutnak és kikerülnek a sejtből. Ennek következtében a lizoszomális hidrolázok hiányoznak a lizoszómákból és a lizoszómákban a lebontandó anyagok zárványként felszaporodnak. A zárványokat tartalmazó sejtet inclusion cell-nek hívják, innen ered az I-sejtes betegség elnevezés. Egyelőre ez is gyógyíthatatlan betegség.

Hermansky–Pudlak szindróma

Hermansky–Pudlak szindróma (HPS) egy ritka autoszomális recesszív betegség, melynek tünetei okulokután albinizmus (csökkent melanin pigmentáció a bőrben, a szőrzetben és a szemben egyszerre), vérzékenység (vérlemezke hiány miatt), és ceroid-lipofuszcin (sárga, autofluoreszcens, amorf lipoprotein) felhalmozódás a sejtekben (különösen a tüdőben és a vesében). Az albinizmus másodlagosan látási zavarokat is okozhat, mint például fényérzékenység (photophobia), kancsalság (strabismus), vagy akaratlan szemmozgások (nystagmus). Ritka esetekben enyhe lefolyású, általában azonban rossz prognózisú betegség. A betegség lefolyása a tüdő, bélrendszer, vese vagy a szív súlyos működési zavaraihoz vezethet. A fő komplikáció a leggyakrabban a tüdő fibrózis, mely jellemzően 40-50 éves korban alakul ki.

A HPS okozója emberben legalább 9 gén mutációja lehet: HPS1, AP3B1 (HPS2), HPS3, HPS4, HPS5, HPS6, DTNBP1 (dysbindin, HPS7), BLOC1S3 (Biogenesis of lysosome-related organelles complex 1 subunit 3, HPS8), és BLOC1S6 (pallidin, PLDN). Ezek és még hét másik gén ortológjaiban történt mutációk hasonló rendellenességeket okoznak egérben. A rokon gének mutációi Drosophila melanogaster-ben a szem pigment granulumok és Caenorhabditis elegans-ban a bélcső granulumok hibás kialakulását okozzák (6.23. ábra).

A HPS szindróma hátterében álló fehérjekomplexumok ismert alegységeit bemutató színes ábra, melyen egy-egy alegységet egy színes téglalap jelképez.

6.23. ábra A Hermansky–Pudlak szindróma (HPS) hátterében álló fehérjekomplexumok ismert alegységei. Az alegységek neve mellett fel vannak tüntetve az emberi HPS izoformák (h) illetve azok az egér (m), muslica (d) vagy C. elegans (c) törzsek, melyekben ezek az alegységek mutáció következtében hibásak vagy hiányoznak.

A fentiek közül majdnem mindegyik gén általánosan kifejeződő fehérjekomplexumok alegységeit kódolják, melyek a lizoszóma-szerű sejtorganellumok (LRO), mint a vérlemezkék denz granulumai (γ-granulum) és a melanoszómák, képződésében vesznek részt. Egyes komplexumok ismert fehérje válogató lépésekben vesz részt. Például a Rab geranilgeranil transzferáz II (RabGGTáz II) a Rab-GTPázok prenilációját katalizálja, ez a módosítás a Rab-fehérjék membránhoz kötődéséhez szükséges. Hasonlóan, az AP-3 a lizoszomális fehérjeválogatás és a homotipikus fehérjeválogatás (HOPS - homotypic protein sorting) komplexumaiban vesz részt, szabályozza a SNARE-ekkel (soluble N-ethylmaleimide-sensitive factor (NSF) attachment protein receptors) történő kölcsönhatást, mely szükséges a homotipikus vakuólum fúzióhoz élesztőben és az endoszóma dinamikához emlősökben. A BLOC-1 (biogenesis of lysosome-related organelle complex-1), BLOC-2 és BLOC-3 komplexumok alegységeinek, az előzőekkel ellentétben, nem ismerjük a jellemző szerkezeti motívumait vagy hozzájuk hasonló ismert funkciójú fehérjéket. Az AP-3 komplexummal együtt a BLOC-1 is szükséges a membránfehérje szállítmányok a perikarionban összeszerelődő vezikulumokba történő célbajuttatásához, ezek aztán az axonba illetve az idegvégződésekbe szállítódnak tovább. A BLOC-1 komplexum a SNARE fehérjékkel együtt az axon növekedésben is részt vesz.

A Hermansky–Pudlak szindróma gyakorisága világviszonylatban of 1:500.000 és 1:1.000.000 születésre közötti. A HPS-1 gyakorisága észak-nyugat Puerto Rico -ban igen magas, 1:1.800 születésre, ezért a klinikai kutatások nagy részét itt végzik. A HPS-1 gyakori előfordulását írták még le egy kis elkülönült svájci faluban.

Betegség

Hiányzó fehérje

Felhalmozódó termék

I-sejtes betegség, mukolipidózis II

GlcNAc-1-foszfotranszferáz (GlcNAcPTase)

lebontandó anyagok a lizoszómákban

Hermansky–Pudlak szindróma

a lizoszóma-szerű sejtorganellumok biogenezisének komplexuma-1 (dysbindin, pallidin)

lipofuszcin,

nem képződik LRO

6.7. táblázat A lizoszóma biogenezis hibákból adódó lebontási zavarokkal összefüggő tárolási betegségek összefoglaló táblázata

Lizoszomális membrán hibák

Danon-kór, Glycogen storage disease type IIb (GSD IIb)

A betegség okozója a LAMP2 fehérje génjében történt mutáció, aminek következtében a beteg szervezete nem termel LAMP2-t. Szinte ugyanazokkal a tünetekkel jár, mint a Pompe-kór. Meglepő, hogy fiúkban sokkal súlyosabb tüneteket okoz, mint lányokban. Tünetei a következők: izomgyengeség, a gyerek nem tud járni, szívizom rendellenességek (cardiomyopathia), főleg izompusztulás, tanulási és egyéb mentális zavarok, látási zavarok a pigmenthártya hibái miatt.

Cisztinózis

A cystinosin (CTNS) gén hibája okozza, mely hét transzmembrán doménnel rendelkező lizoszomális cisztein transzport fehérjét kódol. Ennek hiánya a sejteken belüli cisztin kristályok felhalmozódásához vezet (6.24. ábra). Tünetei megegyeznek a Fanconi-szindrómával: magas aminosav és szénhidrát tartalmú vizelet, nagy mennyiségű vizeletképzés, a vér alacsony K+ és PO4- tartalma.

A cisztin fekete-fehér szerkezeti képlete.

6.24. ábra A cisztin szerkezeti képlete

A cisztinózist általában a cysteamine nevű gyógyszerrel kezelik, mely lecsökkenti a sejten belüli cisztin szintet. A cysteamine a lizoszómákban halmozódik fel, reagál a cisztinnel és cisztein és cisztein-cysteamine komplex keletkezik, melyek már el tudják hagyni a lizoszómát. Gyakorisága 1:100.000 – 200.000 születésre.

Betegség

Hiányzó fehérje

Felhalmozódó termék

Danon-kór, Glycogen storage disease IIb (GSD II)

LAMP2

autofagoszómák

Cystinosis

cystinosin (cisztein transzporter)

cisztin

6.8. táblázat A lizoszomális membrán hibákból adódó lebontási zavarokkal összefüggő tárolási betegségek összefoglaló táblázata

Lizoszomotróp ágensek

A lizoszomotróp ágens kifejezést DeDuve és munkatársai vezették be 1974-ben olyan anyagok megjelölésére, melyeket szelektíven a lizoszómák vesznek fel. Ez a meghatározás nem szól a lizoszomotróp anyag kémiai természetéről és a felvétel mechanizmusáról. A lizoszomotróp ágensek bázikus csoporttal is rendelkező lipofil illetve amfifil vegyületek. Majdnem mindegyik lizoszomotróp ágens a gyenge bázisok közé tartozik és inkább a sejthártya permeabilitása miatt, nem pedig endocitózissal jutnak a sejtbe. Tehát a lizoszomotróp anyagok specifikus felvétele a lizoszómákba a kompartmentum savas pH-jának köszönhető. Ha bekerülnek a lizoszóma savas közegébe, a vegyület protonálódik és csapdába esik. Ilyen ioncsapda mechanizmussal kerül a lizoszómákba a klorokvin, a primakvin, a kinin, a DAMP (N-(3-[(2,4-dinitrophenyl)-amino]-propyl)-N-(3-aminopropyl-methylamine)dihydrochloride), és az NH4Cl. A vegyületek a lizoszómákba jutva blokkolják azok működését, mert felemelik az intralizoszomális pH-t.

A klorokvin (chloroquine, 6.25 és 6.26. ábra) kinolin nitrogénjének pKa-ja 8,5, ami azt jelenti, hogy fiziológiás pH-n 10%-a deprotonált állapotban van. Ez hozzávetőlegesen 0,2%-ra csökken a lizoszomális pH=4,6 környezetben. Mivel a deprotonált forma jobban átjut a sejtmembránon, mint a protonált, a molekula csapdába kerül a lizoszómákban. A klorokvin malária ellenes hatása is lizoszomotróp jellege miatt van. A vegyület felszaporodik a parazita savas emésztővakuólumában és meggátolja az emésztést. Sajnos a malária fertőzött afrikai területeken olyan nagy mennyiségben használták a múlt században, hogy mára már széles körben elterjedtek a malária klorokvin rezisztens törzsei, így a gyógyszer hatástalan. A klorokvin lizoszomotróp sajátsága teszi lehetővé, hogy in vitro kísérletekben autofágia gátlására használják.

A klorokvin fekete-fehér szerkezeti képlete.

6.25. ábra A klorokvin szerkezeti képlete

A klorokvin színes térkitöltő modellje.

6.26. ábra A klorokvin térkitöltő modellje

Ellenőrző kérdések

  1. Mi a lizoszómák feladata?

  2. Milyen körülmények szükségesek a lizoszomális enzimek működéséhez és mi állítja ezt elő?

  3. Hogyan jutnak el a lizoszomális hidrolázok a lizoszómákba?

  4. Hogyan kerülnek a lebontandó anyagok a lizoszómákba?

  5. Milyen lizoszomális tárolási betegség típusokat ismer?

  6. Milyen szfingolipid lebontási zavarokat ismer?

  7. Melyik a leggyakoribb lizoszomális tárolási betegség és mi okozza a tüneteit?

  8. Mondjon példákat nem autosomális mutáció miatt kialakuló LSD-kre?

Irodalom

Cuervo, A. M. és Dice, J. F. (1998) Lysosomes, a meeting point of proteins, chaperones, and proteases. J Mol Med (Berlin)76, 6-12.

Fader, C. M. és Colombo, M. I. (2009) Autophagy and multivesicular bodies: two closely related partners. Cell Death Differ16, 70-8.

Hopwood, J. J., Bate, G. és Kirkpatrick, P. (2006) Galsulfase. Nat Rev Drug Discov5, 101-2.

Körner, U., Fuss, V., Steigerwald, J. és Moll, H. (2006) Biogenesis of Leishmania major-harboring vacuoles in murine dendritic cells. Infect Immun74, 1305-12.

Lloyd, V., Ramaswami, M. és Krämer, H. (1998) Not just pretty eyes: Drosophila eye-colour mutations and lysosomal delivery. Trends Cell Biol8, 257-9.

Mellman, I. (1996) Endocytosis and molecular sorting. Annu Rev Cell Dev Biol 12, 575-625.

Neufeld, E. F. (1991) Lysosomal storage diseases. Annu Rev Biochem60, 257-80.

Nishi, T. és Forgac, M. (2002) The vacuolar (H+)-ATPases--nature's most versatile proton pumps. Nat Rev Mol Cell Biol3, 94-103.

Parenti, G., Pignata, C., Vajro, P. és Salerno, M. (2013) New strategies for the treatment of lysosomal storage diseases. Int J Mol Med31, 11-20.

Parkinson-Lawrence, E. J., Shandala, T., Prodoehl, M., Plew, R., Borlace, G. N. és Brooks, D. A. (2010) Lysosomal storage disease: revealing lysosomal function and physiology. Physiology (Bethesda)25, 102-15.

Platt, F. M., Boland, B. és van der Spoel, A. C. (2012) The cell biology of disease: lysosomal storage disorders: the cellular impact of lysosomal dysfunction. J Cell Biol199, 723-34.

Saftig, P. és Klumperman, J. (2009) Lysosome biogenesis and lysosomal membrane proteins: trafficking meets function. Nat Rev Mol Cell Biol 10, 623-35.

Sands, M. S. és Davidson, B. L. (2006) Gene therapy for lysosomal storage diseases. Mol Ther13, 839-49.

Stenmark, H. (2009) Rab GTPases as coordinators of vesicle traffic. Nat Rev Mol Cell Biol10, 513-25.

von Figura, K. (1991) Molecular recognition and targeting of lysosomal proteins. Curr Opin Cell Biol3, 642-6.