10. Az autofágia élettani és patológiás szerepe emlősökben

Az éhezés túlélése

Már a legelső ismert élesztő autofág mutáns vizsgálata kapcsán kiderült, hogy a tápanyaghiányos időszak túlélésének biztosítása az autofágia valószínűleg legősibb funkciója(10.1. ábra).

Élesztő sejtek sematikus rajza. Fent: kontroll sejtek. Lent: ATG mutáns sejtek.

10.1. ábra Éhező élesztő sejtek. Éhezés hatására az élesztő sejtekben indukálódik az autofágia, ami segíti a túlélésüket. ATG mutáns sejtek gyakorlatilag nem képesek autofág lebontást végezni, így éhezés hatására elpusztulnak. Varga Ágnes ábrája.

Ez természetesen nem csak az egysejtűekre, hanem a növényekre és az állatokra is igaz. Érdemes tudni, hogy a normális egyedfejlődés során vannak olyan időszakok amikor az állat nem táplálkozik. Erre kitűnő példa a fonalférgek dauer lárvája, vagy az ecetmuslica metamorfózisa. Még az emlősök esetén is megfigyelhetőek ilyen, fejlődéstanilag beprogramozott „éhezési” időszakok. A születés során megszűnik az addig az anyai szervezetből a köldökzsinóron keresztül tápanyagokat szállító összeköttetés, és még ha a születést követően rögtön el is kezd szopni az újszülött, akkor is több óra telik el mire a bélrendszer és a máj feldolgozza az elfogyasztott anyatejet. Az egerek embrionális fejlődése Atg5 hiányában is végbemegy, azonban a (császármetszéssel) türténő születést követően 12 órán belül elpusztulnak(10.2. ábra).

Vemhes egér és újszülött sematikus rajza. Fent: kontroll állat. Lent: ATG mutáns állat.

10.2. ábra A születés utáni első éhezési időszak. Minden emlős újszülött, így az egerek is a születés utáni időszakban tápanyaghiányos állapotnak vannak kitéve. A placentális táplálás és az anyatej feldolgozása közötti időszakban a túlélést az autofágia segíti. ATG mutáns egerek a születés után nem sokkal elpusztulnak. Varga Ágnes ábrája.

Mesterséges táplálás esetén túlélik ezt a kritikus korai időszakot, de két nappal később egyelőre ismeretlen okból elpusztulnak (Kuma és mtsai, 2004). Nem ez a legkorábbi éhezési stressz viszont az emlősök életében. A petesejt megtermékenyítését követően a létrejövő zigóta ugyanis a saját tápanyagraktáraira van utalva egészen a beágyazódásig, sőt bizonyos mértékig azt követően is, hiszen a méhlepény csak ezután alakul ki és biztosít utánpótlást. Ezzel összhangban a korai embriogenezisre jellemző igen gyors osztódások során az embrió mérete nem növekszik, hanem a zigótáéval megegyező marad, tehát egyre több de egyre kisebb sejt építi fel. A zigótában nagymérvű autofág indukció figyelhető meg, ami már a megtermékenyítés hatására kezdetét veszi (Tsukamoto és mtsai, 2008) (10.3. ábra).

A megtermékenyítés sematikus rajza: petesejt, hímivarsejt és a kialakuló zigóta. Fent: kontroll állat. Lent: ATG mutáns állat.

10.3. ábra Autofágia a megtermékenyítés során. A megtermékenyítéstől a beágyazódásig az emlősök zigótája saját anyagait használja fel, részben autofágia révén. Az autofág géntermékek hiánya a korai embrionális fejlődés során osztódási rendellenességekhez vezet. Varga Ágnes ábrája.

Ebben az időszakban nehézkes funkcióvesztéses vizsgálatokat végezni az anyai géntermékek (mRNS és fehérje) jelenléte miatt. Maternális és zigotikus Atg5 null mutáns egér embriók vizsgálatakor azt tapasztalták, hogy az autofágia hiánya a szedercsíra állapot során osztódási rendellenességeket és késést okoz. A Noboru Mizushima laborjában végzett fenti kísérletek bizonyították az autofágia szerepét a korai embriogenezisre jellemző és a perinatális éhezési periódusban.

A megfelelő egyensúly (homeosztázis/homeodinamika) fenntartása az eukarióta sejtekben és élőlényekben

Minden élő rendszer képes fenntartani belső folyamatainak egyensúlyát, melyre gyakran a görög eredetű homeosztázis kifejezést használják. Sajnos ez, bár széles körben elterjedt, de mégsem teljesen jó elnevezés, hiszen a sejt vagy élőlény nem statikus rendszer: a sejteket alkotó makromolekulák nagy része, a sejtorganellumok, sőt az élőlényt alkotó legtöbb sejttípus is folyamatosan cserélődik. Ezért talán helyesebb homeodinamikáról beszélni, mert ez a kifejezés jobban megragadja az élet során fejlődő, érő, a külső behatásokra megfelelően reagáló, majd megöregedő sejtek és szervezetek működését.

A sejtek és a szervezet szintjén is érvényes az a megállapítás, hogy normális körülmények között az anabolikus (felépítő) és katabolikus (lebontó) folyamatok nagyjából egyensúlyban vannak egymással. Az elöregedő, funkcióképtelen vagy feleslegessé váló sejtorganellumok lebontása mellett az autofágia a fehérjék turnover-ében, állandó cserélődésében is kulcsszerepet játszik. Hosszú idő óta tartja magát az a hipotézis, hogy az ubiquitin-proteaszóma rendszer elsősorban a rövid féléletidejű, míg az autofág-lizoszómális útvonal a hosszú féléletidejű fehérjék lebontásában játszik szerepet. Az autofágia ilyetén szerepéről kialakult korábbi nézeteket alátámasztották az Atg génekre szövetspecifikus knock-out (génkiütött) egerek vizsgálatával született eredmények. Az Atg5 vagy Atg7 neuronspecifikus deléciója ubiquitinilált fehérjeaggregátumok felhalmozódásához vezet (Hara és mtsai, 2006; Komatsu és mtsai, 2006). Ennek hatására progresszív neurodegeneráció, az idegsejtek apoptotikus pusztulása, és az egerek mozgási rendellenességei jelennek meg. Ezek, és az ecetmuslicákban tett, korábban említett hasonló megfigyelések bizonyították minden kétséget kizáróan azt, hogy az autofágia alapszintű működése során (amelyre gyakran a bazális autofágia kifejezést használják) kulcsszerepet játszik a megfelelő protein turnover fenntartásában (10.4. ábra).

Fent: ubiquitinilált fehérje. Lent: ubiqitinilált fehérjeaggregátum. Az ubiquitint zöld körök jelölik.

10.4. ábra Protein turnover. Az ubiquitinilált fehérjék lebontásáért az ubiquitin-proteaszóma rendszer felelős, míg a nagyobb méretű ubiqitinilált fehérjeaggregátumok autofágia útján degradálódnak. Varga Ágnes ábrája.

Ennek hiányában különösen az idegsejtekhez hasonlóan hosszú életidejű, terminálisan differenciálódott sejtek károsodást szenvednek.

Autofágia és öregedés

A gerincteleneken végzett genetikai vizsgálatokhoz hasonlóan emlősök esetén is feltételezik, hogy az autofágia megfelelő szintje késlelteti az öregedés folyamatát. Ez igen nagy jelentőségű lehet, hiszen a sok embert érintő problémák (rák vagy neurodegenerációs betegségek) is jellemzően idős korban alakulnak ki (Vellai és mtsai, 2009). Patkány kísérletek alapján ismert hogy az autofágia szintje, a lebontó kapacitás egyre csökken az élet során. Az autofágiát indukáló kalorikus restrikció, azaz csökkent mértékű táplálkozás (a korlátozás nélküli evéssel járó kalóriabevitel 60%-a) megnöveli az élethosszt mind gerinctelen, mind pedig rágcsáló modellekben. Fontos, hogy ezekben a kísérletekben az állatok jóval tovább egészségesek is maradtak. Ezt humán epidemiológiai adatok is alátámasztják: a nem éhező, de szerényen táplálkozó és sok egészégesnek tartott növényi táplálékot fogyasztó embercsoportok (mint például az Okinawa szigetén élő japánok) különösen hosszú várható élettartammal rendelkeznek (10.5. ábra).

102 éves Okinawa szigetén élő hölgy fotója.

10.5. ábra A hosszú élet egyik titka? A szerény, egészségesnek tartott növényi táplálékban gazdag diéta lehet a hosszú és egészséges élet egyik kulcsa, mint azt a képen látható 102 éves, aktív életet élő Okinawa szigetén élő hölgy példája mutatja.

Beth Levine kutatócsoportjának egyik legújabb, a napilapok hasábjaira is felkerült eredményei alapján a testmozgás (a vizsgált egerek esetében a mókuskerékben futás) autofágiát indukál (He és mtsai, 2012). Azt tapasztalták, hogy a testedzés hatására a Bcl-2 fehérje 3 aminosav oldalláncán foszforilálódik, és ez a kölcsönhatás destabilizálja a Bcl-2 Beclin-1-gyel (az Atg6 emlős homológjával) alkotott komplexét. Így a Beclin-1 felszabadul a Bcl-2 gátlás alól, ami hozzájárul a testedzés során megnövekvő autofágiához. Létrehoztak egy mutáns egértörzset ennek a vizsgálatára olyan genetikai módosítással (knock-in), hogy az endogén Bcl2 fehérje normálisan az edzés hatására foszforilációdó 3 aminosavát alaninra cserélték. Így az egerek minden vizsgált tekintetben (például éhezéssel indukált autofágia) vad típusra jellemző fenotípust mutattak, de testedzés során kevesebb autofagoszóma keletkezett a váz- és szívizomszövetben. Ezek az egerek cukorbetegségre és elhízásra hajlamosak, és a rendszeres testedzés nem javítja állapotukat. Természetesen túlzás lenne minden életmódbeli változás öregedésre vagy egészségre gyakorolt jótékony hatását az autofágiára visszavezetni, de az talán már bizton állítható hogy a folyamat jelentős szerepet játszik az életünkben (10.6. ábra).

Kenenisa Bekele hosszútávfutó fotója.

10.6. ábra A hosszú élet másik titka? A rendszeres futás (vagy más hasznos testmozgás) igen jótékony hatású a különféle betegségek kialakulása ellen, mint például az elhízás, cukorbetegség vagy magas vérnyomás. Ezt a képen látható hosszútávfutó testalkata kiválóan illusztrálja.

Az autofágia és a sejthalál

Pusztuló sejtekben gyakran megfigyelték a különféle autofág vezikulák felhalmozódását, ennek hatására alkották meg a II. típusú, autofág sejthalál kifejezést, így különböztetve meg ezeket a klasszikus apoptotikus morfológiát mutató sejtpusztulástól (10.7., 10.8. ábra).

Az elektronmikroszkópos kép fekete-fehér.

10.7. ábra Apoptotikus sejthalál. A képen egy muslica lárva agyaának elektron mikroszkópos felvétele látható. A proapoptotikus Hid gén túltermelése a neuronok jó részében sejthalált indukál. A kép közepén található pusztuló sejtek sötét citoplazmájuk és zsugorodott morfológiájuk alapján egyértelműen felismerhetőek. Juhász Gábor felvétele.

Az elektronmikroszkópos kép fekete-fehér.

10.8. ábra Autofágiával kísért sejthalál. A lárvális muslica zsírtestben a metamorfózist megelőzően rendkívül sok, erősen elektrondenz, a képen sötétnek tűnő autolizoszóma megjelenése látható. A sejtek csak több nap múlva pusztulnak el azonban, és nem feltétlenül az autofágia ilyen magas szintje a sejthalál kiváltó oka. Juhász Gábor felvétele.

Általában igaz az a megállapítás, hogy az egyedileg pusztuló sejtekre inkább jellemző az apoptotikus morfológia, míg a teljes szövetek visszafejlődése (regressziója) során igen nagymérvű autofágia indukció történik. A kezdeti megfigyelések természetesen leíró jellegűek voltak, hiszen csak az autofágia központi mechanizmusában szereplő gének felfedezését követően vált lehetővé annak tesztelése, hogy az autofágia milyen szerepet játszik a folyamat során. Sokak meglepetésére az esetek döntő többségében azt találták, hogy az autofágia genetikai (esetleg farmakológiai) gátlása nem akadályozza meg, sőt gyakran éppen hogy serkenti a sejtek pusztulását (10.9. ábra). Általában ugyanis az autofágia a sejtek túlélését szolgálja, és elképzelhető hogy ez a halál előtti indukció is egy túlélési kísérlet a sejt részéről. Vannak persze kivételek, ilyen lehet például a muslica lárvális szövetek (bél, nyálmirigy) metamorfózis során történő hisztolízise (Ryoo és Baehrecke, 2010). Ennek egyik magyarázata lehet talán az hogy ezek a szövetek egyszerűen túl tömegesek, és nincs elég fagocita kapacitás pusztulásuk esetén a keletkező sejttörmelék eltakarítására, így „előemésztik” magukat. Felvetették annak a lehetőségét is, hogy a pusztuló sejtekben indukálódó autofágia a sejtfragmentek eltakarítását segítheti elő. A kísérletek során azt találták, hogy az apoptózis autofágia hiányos sejtekben is lezajlott, azonban a megfelelő, makrofágok odacsalogatását kiváltó jeleket a sejtek nem képesek produkálni (Qu és mtsai, 2007). Ezekre gyakran „eat me” és „come get me” szignálként utalnak a szakirodalomban. Hipotézisük szerint ezen pusztuló sejtekben az autofágia energiatermelő szerepe miatt sérülnek a sejtpusztulás ezen végső lépései.

Muslicákban az Atg1 kináz túltermeltetése nem csak autofágiát, hanem idővel a kaszpázok aktiválódása által kísért sejthalált is indukál (Scott és mtsai, 2007). Összeségében elmondható, hogy az autofág aktivitásnak van egy ideális körüli szintje, hiszen a kísérleti adatok többsége alapján a túl sok és a túl kevés autofágia is megnöveli a sejtpusztulás valószínűségét (10.9. ábra).

A grafikon x tengelyén az autofágia mértéke, az y tengelyén az apoptotikus sejthalál gyakorisága látható. A fordított harang görbén a két piros vonal közötti rész az optimális autofágia szint.

10.9. ábra Az autofágia és az apoptózis. Az autofágia optimális szintje szükséges a túléléshez. Túl kevés és túl sok autofágia egyaránt apoptotikus sejthalálhoz vezethet. Varga Ágnes ábrája.

Adaptív immunválasz és gyulladás

Jól ismert, hogy az MHC I. molekulákon történő antigén prezentáció során az immunproteaszóma hozza létre a megfelelő, általában 8-11 aminosavas peptideket. Ezzel szemben a professzionális antigén prezentáló sejteken (ilyenek például a makrofágok és dendritikus sejtek) található MHC II. molekulákon prezentált 18-22 aminosavas peptidek nem csak a késői endoszómákban történő limitált proteolízis révén, hanem autofág úton (feltehetően amfiszómákban) is keletkezhetnek (10.10. ábra).

A bal oldali sejtben az MHCII az ER, Golgi úton jut a multivezikuláris testbe. Ugyanide az intracelluláris antigén autofagoszómába csomagolva jut el. Az MHCII-peptid komplex a sejtfelszínre kerül. Az ábra jobb oldalán egy T-sejt látható, amely a TCR és CD4 koreceptor segítségével kötődik a másik sejt MHCII-peptid komplexéhez.

10.10. ábra Az antigén prezentáció MHCII útvonala. A sejt által bekebelezett vagy saját fehérjék késői endoszómákban (multivezikuláris testekben) kapcsolódnak a szekréciós útvonalon érkező MHCII molekulákhoz, limitált proteolízist követően. Ezek az antigénként szolgáló oligopeptidek nem csak a sejt által felvett potenciális patogének fehérjéinek endoszómális úton történő degradációja révén, hanem a sejtben található fehérjék autofág lebontása során is keletkezhetnek. Nagy Péter ábrája.

Ennek a folyamatnak igen fontos szerepet tulajdonítanak a sejteket megfertőző patogének elleni adaptív immunválasz során.

A fertőzéseket és szolid tumorokat gyakran kísérő gyulladási reakciók fontos szerepet töltenek be a szervezet védekezésében, bár a túlzott gyulladási reakció igen káros következményekkel járhat. A folyamatban szereplő hormonok, azaz gyulladásos citokinek egy része (például az interleukin-1 béta) nem-konvenciális szekréciós úton jut ki a sejtekből (10.11. ábra).

Bal oldalon a konvencionális, jobb oldalon a nem konvencionális szekréciós útvonal rajza látható. A riboszóma fekete kör. A RER-ben szintetizálódó fehérje fekete háromszög, a szabad riboszómákon szintetizálódó fehérje szürke négyzet.

10.11. ábra Konvencionális és nem konvencionális szekréciós útvonalak. A szekrécióra szánt fehérjék többsége a klasszikus, durva felszínű endoplazmás retikulum – Golgi készülék útvonalon jutnak ki a sejtből. A nem konvenciális úton szekretálódó fehérjék szabad riboszómákon szintetizálódnak, így a kijutás problémáját máshogyan oldják meg. Ezen nem konvenciális utak egyike az autofagoszómák szekréciója. Nagy Péter ábrája.

Ez azt jelenti, hogy nem az endoplazmás retikulumban szintetizálódik, hanem szabad riboszómákon, így természetesen nem tud a Golgi-készüléken keresztül távozni. Néhány éve fedezték fel, hogy az autofág gének szükségesek élesztő sejtekben az ACBP (acyl-coenzyme A binding protein) szekréciójához. Ez egy citoszólikus fehérje, és nem ismert hogy miért kerül szekrécióra éhezés során, viszont kimutatható volt hogy szelektíven bekerül olyan, speciális autofagoszómák belsejébe, amelyek lizoszómális lebontás helyett kijuttatják a sejtből. Emlős sejttenyészeti vizsgálatok később rámutattak, hogy az autofág géntermékek szintén szükségesek az interleukin-1 béta szekréciójához, tehát a gyulladásos folyamatok szabályozásában részt vesznek az Atg gének. Ugyan nem ez az egyetlen nem-konvenciális szekréciós útvonal, de mivel sok olyan fehérje ismert ami az ER-Golgi rendszertől függetlenül jut ki sejtekből, valószínűleg az elkövetkezendő években az autofág szekréció révén kikerülő fehérjék száma is nőni fog.

Az autofágia szerepe az egyéb betegségekben

Rengeteg további patológiás állapot során vizsgálták és jelenleg is vizsgálják az autofágia szerepét. Néhány példát kiragadva az izomgyengeséggel és akár teljes bénulással járó vakuoláris miopátiákra jellemző, hogy a különféle autofág vezikulák nagy mértékben felhalmozódnak az izomsejtekben, ami nyilvánvalóan a nem megfelelő lebontás miatt állhat elő. A Pompe és Danon betegségekre, továbbá az öregedés során is jellemző szívizom gyengeség egyik okaként tartják számon a csökkent mértékű autofág lebontást. Ugyanakkor a szív kórosan oxigénhiányos állapotát követő (ischemia-reperfúzió) hatalmas autofág indukció már káros is lehet. Vannak adatok az autofágia szerepéről többek között az elhízás, a cukorbetegség kialakulása, a Crohn típusú gyulladásos bélbetegség, a T-sejtek érése és vérképzés során is, de ezek további részletes tárgyalása túlmutatna a jelen tankönyv céljain. Az autofágia szerepét a rák, néhány neurodegenerációs betegség és a patogének sejten belüli lebontása során a későbbi fejezetekben elemezzük.

Ellenőrző kérdések

  1. Mi az autofágia feltételezett legősibb feladata?

  2. Mire utalnak a homeosztázis/homeodinamika kifejezések, és hogyan kapcsolódik ehhez az autofágia?

  3. Elemezze a csökkent kalóriabevitel, testedzés és autofágia jelentőségét az öregedés során!

  4. Létezik-e autofág sejthalál?

  5. Milyen szerepet játszhat az autofágia az immunrendszer működése során?

Irodalom

Hara, T., Nakamura, K., Matsui, M., Yamamoto, A., Nakahara, Y., Suzuki-Migishima, R., Yokoyama, M., Mishima, K., Saito, I., Okano, H. és mtsai (2006). Suppression of basal autophagy in neural cells causes neurodegenerative disease in mice. Nature 441, 885-889.

He, C., Bassik, M. C., Moresi, V., Sun, K., Wei, Y., Zou, Z., An, Z., Loh, J., Fisher, J., Sun, Q. és mtsai (2012). Exercise-induced BCL2-regulated autophagy is required for muscle glucose homeostasis. Nature 481, 511-515.

Komatsu, M., Waguri, S., Chiba, T., Murata, S., Iwata, J., Tanida, I., Ueno, T., Koike, M., Uchiyama, Y., Kominami, E. és mtsai (2006). Loss of autophagy in the central nervous system causes neurodegeneration in mice. Nature 441, 880-884.

Kuma, A., Hatano, M., Matsui, M., Yamamoto, A., Nakaya, H., Yoshimori, T., Ohsumi, Y., Tokuhisa, T. és Mizushima, N. (2004). The role of autophagy during the early neonatal starvation period. Nature 432, 1032-1036.

Qu, X., Zou, Z., Sun, Q., Luby-Phelps, K., Cheng, P., Hogan, R. N., Gilpin, C. és Levine, B. (2007). Autophagy gene-dependent clearance of apoptotic cells during embryonic development. Cell 128, 931-946.

Ryoo, H. D. és Baehrecke, E. H. (2010). Distinct death mechanisms in Drosophila development. Curr. Opin. Cell Biol.22, 889-895.

Scott, R. C., Juhasz, G. és Neufeld, T. P. (2007). Direct induction of autophagy by atg1 inhibits cell growth and induces apoptotic cell death. Curr. Biol.17, 1-11.

Tsukamoto, S., Kuma, A., Murakami, M., Kishi, C., Yamamoto, A. és Mizushima, N. (2008). Autophagy is essential for preimplantation development of mouse embryos. Science 321, 117-120.

Vellai, T., Takacs-Vellai, K., Sass, M. és Klionsky, D. J. (2009). The regulation of aging: does autophagy underlie longevity? Trends Cell Biol 19, 487-494.