12. Az autofágia szerepe a sejtnövekedés és a rák kialakulása során

Az autofágia és a sejtnövekedés rendszerint fordított arányban állnak

Mint az már korábban részletes kifejtésre került, a növekedési jelátviteli utak (mint például az AKT/PI3K és TOR rendszerek) a sejtnövekedést és ebből kifolyólag a sejtosztódást is serkentik, és az autofágiát gátolják. Ez biztosítja, hogy a sejt igényeinek megfelelően koordinálódjék az anabolikus és katabolikus folyamatok egyensúlya (12.1. ábra).

A rajz fekete-fehér, egy stilizált mérleg karjain az autofágia és a sejtnövekedés látható.

12.1. ábra A lebontó és felépítő folyamatok egyensúlya. A növekedési jelátviteli utak serkentik a sejtnövekedést és gátolják az autofágiát. A két folyamat egyensúlyban van egymással.

Egy intenzíven növekvő és osztódó sejtnek rendszerint nincs akkora szüksége az autofág lebontó útvonalra, mint egy nyugvó, akár terminálisan differenciálódott sejtnek. A sejtnövekedés egyik fő regulátora, a TOR kináz az Atg1-et (ULK1/2-t) közvetlenül foszforilálja és gátolja. Az Atg1/ULK kinázok aktiválódása viszont képes a TOR-t foszforilálva gátolni, tehát így felerősíteni az autofág indukció és sejtnövekedés gátlásának mértékét (12.2. ábra).

A rajz fekete-fehér. A TOR és az ATG1/ULK kölcsönös gátló viszonyát ábrázolja, és hatásukat az autofágiára és a sejtnövekedésre.

12.2. ábra A lebontó és felépítő folyamatokat szabályozó jelátviteli események. A TOR kináz serkenti a sejtnövekedést és az ATG1/ULK foszforilálásán keresztül gátolja az autofágiát. Az aktív ATG1/ULK kináz viszont képes a TOR-t foszforilálva gátolni azt, így felerősíti az autofág indukciót és a sejtnövekedés gátlást .

Természetesen emellett rengeteg egyéb, pozitív és negatív visszacsatolási lépés vesz részt ezen folyamatok finomszabályozásában (Alers és mtsai, 2012).

Az Atg gének szerepe a tumor szuppresszióban

Az élesztő Atg6 homológjáról, a Beclin-1 génről kiderült, hogy haploinszufficiens tumor szuppresszor. Ez azt jelenti, hogy a gén egyik alléljének elveszése megnöveli a rák kialakulásának valószínűségét. Ez nem feltétlenül az autofág aktivitás csökkenése miatt van, hiszen ne feledjük hogy ez a fehérje többek között az endocitózisban is szerepel. A későbbi vizsgálatok viszont kiderítették, hogy az Atg7 gén májspecifikus deléciója jóindulatú tumorok kialakulását eredményezi (Takamura és mtsai, 2011). Érdemes kiemelni, hogy a központi autofág gének elveszése nem feltétlenül jár együtt az autofág lebontás teljes hiányával. Mind élesztő, mind Drosophila, mind pedig humán adatok arra utalnak, hogy az Atg mutáns élőlényekben az autofág aktivitás drasztikusan lecsökken a vad típus 10-25 százalékára, de ez a szám nem nulla! Ezzel együtt az Atg7 hiánya természetesen együtt jár a szelektív autofág receptor p62 (ami egyben szubsztrát, azaz szállítmány is) felhalmozódásával. Az Atg7 p62 kettős mutáns hepatociták azonban nem voltak képesek tumorokat képezni, vagyis a p62 valamiképpen szükséges az autofágia hiányában meginduló tumorigenezishez. A p62 fehérjéről érdemes tudni, hogy rengeteg folyamatban szerepel a szelektív autofágia mellett. Ilyenek a csontképződés, a zsírszövet megfelelő kialakulása, valamint az antioxidáns válasz. Ez utóbbit tárgyaljuk részletesebben!

A p62/Keap1/Nrf2 útvonal

A p62 fehérjében az LC3 kötőhely (LIR) mellett található egy másik peptidszakasz, amelyet KIR-nek neveznek (Keap1 interacting region). Ebből már kitalálható, hogy a p62 ennek révén képes kötni a Keap1 (Kelch-like ECH-associated protein 1) fehérjét. No de mi az a Keap1, és mi a szerepe?

A Keap1 gyakorlatilag egy intracelluláris oxidációs stressz szenzor. Két Keap1 molekula közvetítésével képes a Cullin 3 fehérje (ami egy ubiquitin ligáz) az Nrf2-höz (Nuclear factor erythroid-derived 2-like 2) kötni. A Keap1 a citoplazmában tartja és a Cullin 3 segítségével ubiqutinilálja az Nrf2-t, így annak féléletideje normál körülmények közepette igen rövid (kb. 20 perc) a folyamatos proteaszómális degradációnak köszönhetően. Oxidációs vagy elektrofil stressz hatására, azaz amikor például a reaktív oxigéngyökök koncentrációja megnő, a Keap1 megfelelő cisztein oldalláncai révén ezt érzékeli, és a folyamat eredményeképpen disszociál az Nrf2-től. Az Nrf2 ennek hatására egyrészt stabilizálódik, szintje megnő, másrészt szabadon képes bejutni a sejtmagba, ahol a megfelelő célgének transzkripcióját aktiválja. Az Nrf2 célgénjeire jellemző, hogy úgynevezett ARE (antioxidant response element) szekvenciákat hordoznak a promóterükben. Ezek a gének jellemzően antioxidáns funkciókat ellátó enzimeket (mint például a glutation S-transzferáz) kódolnak, és így csökkentik a Keap1 által érzékelt stressz hatását (12.3. ábra).

A rajzon szürkével a Cul3 fehérje van feltüntetve. Ez kapcsolódik egy világoskék színű Keap1 fehérjékből álló dimerhez, ami pedig a pirossal jelölt Nrf2-höz. Az ábra jobb oldalára mutató nyíl a normál körülményeket mutatja, ekkor az Nrf2 fehérjéhez zölddel jelölt Ub molekulák kapcsolódnak. A lefelé mutató nyíl az oxidációs stressz utáni állapotot mutatja, a Cul3 leválik, a Keap1 elengedi az Nrf2-t ami bejut az ábra jobb alsó sarkán látható sejtmagba.

12.3. ábra A Keap1/Nrf2 rendszer. Alapesetben a Keap1 köti az Nrf2 transzkripciós faktort, ennek eredményeképpen a Cullin 3 ubiquitin ligáz közreműködésével az Nrf2 proteaszómális úton lebomlik. Elektrofil vagy oxidációs stressz hatására a Keap1 disszociál az Nrf2-től, ami így stabilizálódik és a sejtmagba jutva célgénjeinek átíródását serkenti. Az így szintetizálódó antioxidáns enzimek szerepe az oxidációs stressz csökkentése.

A sejttenyészeti és egér vizsgálatok kiderítették, hogy az autofágia gátlásakor felhalmozódó p62 képes a Keap1-et kötni, így megszüntetve a Keap1-Nrf2 kölcsönhatást (Inami és mtsai, 2011). Ezt a p62-ben megtalálható KIR motívum (Keap1 interacting region) teszi lehetővé, ami megszünteti a Keap1-Nrf2 interakciót (12.4. ábra).

Az ábrán felül a humán p62, alatta pedig a Drosophila p62 KIR-motívumának aminosavsorrendje, és azok fehérjében betöltött pozíciója van feltüntetve. Piros színnel a kritikus, konzervált GEL szekvenciarészlet van kiemelve.

12.4. ábra A p62 KIR motívuma. A képen a humán és muslica p62 Keap1-kötő régiójának aminosavsorrendje látható. Pirossal a kritikus, központi szekvenciarészlet van kiemelve. Forrás: Int J Cell Biol. 2012; 146767.

A kötés eredménye pedig a megnövekedő antioxidáns sejtválasz, ami még nem ismert módon serkenti a tumorigenezist. Vannak arra vonatkozó adatok, hogy autofágia hiányában nem csak kóros fehérjeaggregátumok, hanem károsodott sejtorganellumok is felhalmozódnak. Amennyiben ez a jelenség a mitokondriumokra is érvényes, akkor gondolhatunk arra, hogy a hibás mitokondrium reaktív oxigén gyököket hoz létre és ezzel „szennyezi” az intracelluláris teret. Ez különösen igaz lehet a szétkapcsolt elektron transzport lánccal rendelkező mitokondriumokra. Ne feledjük, hogy ezek a vegyületek képesek károsítani nem csak a fehérjéket, hanem a sejtmagba diffundálva a DNS-t is. Emiatt megnő a mutációs ráta, ami közismerten melegágya a rák kialakulásának (12.5. ábra).

A rajz fekete-fehér, és az autofágia gátlásakor bekövetkező folyamatokat ábrázolja. A felső nyíl a folyamat során felhalmozódott p62-höz, majd az Nrf2 fehérjéhez, majd az antioxidáns válaszhoz vezet. Az alsó nyíl egy nem megfelelően működő mitokdriumhoz, majd szabad oxigéngyökhöz és emiatt kialakuló DNS-mutációhoz vezet. Az antioxidáns válasz gátolja a szabad oxigéngyökök felhalmozódását.

12.5. ábra Az autofágia és a mutációs ráta lehetséges kapcsolata. Autofágia gátlásakor megnő a hibás, nem megfelelően működő organellumok, így a mitkondriumok száma is. A feltételezések szerint ezek a mitokondriumok sok reaktív oxigén gyököt termelnek, ami mutagén hatású. Ezt a hatást csökkentheti az autofágia hibája miatt felhalmozódó p62, ami az Nrf2 jelátvitelt serkentve antioxidáns válaszhoz vezet.

Metabolikus stressz

Az elégtelen mennyiségű táplálék alapvetően befolyásolja a sejtek működését, és mint láttuk, autofágiát indukál. Az autofágia révén a sejtek képesek átvészelni ezt a kedvezőtlen időszakot, mivel a nélkülözhető anyagok lebontása és újrahasznosítása révén előállított alapanyagok mind a fehérjeszintézis, mind pedig a mitokondriális energiatermelő folyamatok igényeit képesek ellátni. Kedvezőtlen körülmények a már kialakultszolid tumorokban is megfigyelhetők, hiszen gyakran jellemző rájuk az elégtelen keringés miatt létrejövő oxigén- és tápanyaghiányos állapot, különösen a tumor belső részein. A hosszas éhezés apoptózishoz vezet, ami az autofágia hiányában sokkal hamarabb megtörténik. Sejttenyészeti kísérletek azonban azt mutatják, hogy nem minden sejt pusztul el ilyen metabolikus stressz hatására. Bizonyos sejtek különböző okokból csökkent mértékű autofág választ produkálnak ugyan, de mégis túlélnek. A feltételezések szerint ezekben a sejtekben megnő a károsodott sejtorganellumok száma és az oxidációs stressz mértéke, felhalmozódik a p62, antioxidáns válasz indukálódik, és megnő a mutációs ráta. Bizonyos rák kialakulást modellező kísérletek (például egerek alacsony dózisú karcinogénnel való kezelése) alapján elmondható, hogy a tumorigenezis kezdetén is megfigyelhető az autofágia szintjének csökkenése (de nem teljes hiánya!). A fenti folyamatok hatására létrejövő ráksejtek azonban, talán meglepő módon, de az eredeti szövethez képest megnövekedett autofág aktivitást mutatnak (12.6. ábra).

A diagram fekete-fehér. Az x tengelyen a tumorprogresszió, az y tengelyen az autofágia szintje jelenik meg. Az alap autofágia szinthez képest tumor iníciáció esetén a folyamat lecsökken, míg malignáns ráksejt esetén az autofágia megnő.

12.6. ábra Az autofág aktivitás változása a tumor progresszió során. A feltételezések szerint az autofág aktivitás csökkenése a rák kialakulásának kezdeti lépéseihez hozzájárulhat, azonban a tumor progresszió későbbi szakaszában szintje az eredeti szövetnél magasabb, így segítheti a ráksejtek növekedését, túlélését és malignáns fenotípusának fenntartását.

Ez az agresszív, intenzíven növekvő ráksejtek megváltozott anyagcseréjével állhat összefüggésben (White, 2012).

Warburg effektus

Otto Warburg német biokémikus már egy évszázaddal ezelőtt felfigyelt arra, hogy az intenzíven növekvő ráksejtek a normálisnál jóval több cukrot (és mint később kiderült glutamint) fogyasztanak, amelyet meglepően alacsony oxigénigény kísér. Az ő kutatásai alapján nevezték el ezt a jelenséget Warburg hatásnak, ami gyakorlatilag egy aerob aerob körülmények között is intenzíven folyó glikolízisnek felel meg. Eredményei nyomán Nobel-díjat is kapott. Az elmúlt évtized kutatásai alapján elmondható, hogy ez a fajta anyagcsere nem csak a ráksejtekre, hanem általában az intenzíven növekvő szövetekre, vagy akár egysejtűekre is jellemző. A klasszikus, biokémia kurzusokan tanított anyagcsere leginkább nyugvó sejtekre jellemző. Ennek során egy glukózmolekulából oxigén felhasználásával a glikolízis és oxidatív foszforiláció során 36 ATP molekula jöhet létre, és az „elégetett” cukor széndioxid formájában távozik. Oxigén hiányában csak anaerob glikolízisre van lehetőség, ami 2 ATP molekulát képes produkálni, és például tejsav lesz a végtermék. Ezzel szemben az aerob glikolízis (Warburg effektus) során nagyjából 4 ATP keletkezik, valamennyi széndioxid és viszonylag sok tejsav mellett (12.7. ábra).

A rajz fekete-fehér. A kiindulási sejtcsoport a bal oldalon növekedési jel hatására osztódni kezd. Ez a csoport a glükózt aerob glikolízissel használja fel, ami végeredményben 4 ATP molekulát eredményez. A kiindulási sejtcsoport a jobb oldalon növekedési jel hiányában nem változik, nyugvó sejtek alkotják. Ezek a sejtek a sokkal hatékonyabb oxidatív foszforiláció során használják fel a glükózt, amiből így 36 ATP keletkezik.

12.7. ábra A Warburg effektus. Intenzíven osztódó sejtek glukózmolekulánként csak kb. 4 ATP-t szintetizálnak aerob glikolízis révén (ezt a jelenséget hívjuk Warburg hatásnak), szemben a nyugvó sejtekre jellemző oxidatív foszforiláció során keletkező 36 ATP molekulával.

Első ránézésre ez talán ellentmondás lehet, hiszen úgy tűnik hogy az intenzíven osztódó és növekvő sejtek pazarolnak. Azonban érdemes tudni azt, hogy az egysejtűekre ez akkor jellemző, ha a környezetben jelen levő tápanyagok mennyisége nem limitáló tényező. Állatok esetén rendszerint a tápanyagok szintje viszonylag állandó a vérben. Itt a növekedési faktorok jelenléte dönti el, hogy milyen útvonalat fog követni az adott sejt. Ugyan energiát ez a fajta proliferatív anyagcsere kevesebbet termel, viszont jóval több biomasszát állít elő. Ez részben van mert a citromsav ciklusba bejutni nem képes köztes termék, a piruvát felhalmozódása miatt a glikolitikus intermedierek szintje is megnő. Ezek így elterelődnek olyan bioszintetikus útvonalak felé, mint például a nukleotid bioszintézis. A pontos metabolikus utak tárgyalása nem tartozik a kurzus anyagába, de érdemes megemlíteni, hogy a ráksejtek gyakran hordoznak olyan mutációkat, amelyek közrejátszanak az anyagcsere átprogramozásában, és a metabolitok bioszintetikus utak felé terelésében. Van olyan elmélet, amely szerint az autofágia az intenzíven növekvő ráksejtek megfelelő energiaszintjének fenntartásához szükséges.

Onkogén és non-onkogén addikciós útvonalak

Rengeteg akadémiai és gyógyszeripari kutatás arra irányul hogy a ráksejtekben hiperaktív jelátviteli utak gátlásával hatékony gyógyszert állítsanak elő. Ez azon a megfigyelésen alapul, hogy az aktiválódott onkogén gátlása a tumor regressziójához vezet, mert a sejt csak az aktív onkogén jelenlétében mutatja a rákra jellemző tulajdonságokat, mint hiperproliferáció vagy apoptózis rezisztencia. Ez az onkogén addikció jelensége. Ilyen gátlószereket jellemzően meghatározott aktív centrummal rendelkező enzimek ellen lehet viszonylag könnyen létrehozni. Az eddigi próbálkozások alapján a más fehérjéket kötő jelátvivők (mint például a kis GTP-áz Ras) vagy transzkripciós faktorok (ilyen a Myc, a ráksejtekben leggyakrabban deregulációra kerülő celluláris onkogén) ellen jóval nehezebb potenciális hatóanyagot fejleszteni. Egy viszonylag új megközelítés szerint az onkogének hatására jellemzően megváltozó anyagcsere is egyfajta függőséghez vezethet. Ez azt jelenti, hogy egy adott folyamat elengedhetetlenné válik az ilyen ráksejtek számára, holott normál szövetben nélkülözhető. Tehát ha ezt a folyamatot specifikus hatóanyaggal gátolni tudjuk, akkor a ráksejtek az aktív onkogén jelenlétében sem tudnak osztódni vagy túlélni.

Egér és muslica kísérletek alapján is azt tapasztalták hogy a Myc overexpressziója a drasztikusan megnövekvő transzlációs aktivitás következtében nem megfelelő térszerkezetű fehérjék felhalmozódásához vezet (unfolded protein response). Ez aktiválja a PERK nevezetű kinázt, aminek eredményeképpen megnő az autofágia szintje. Autofágia hiányában a Myc overexpresszió hatására bekövetkező intenzív sejtnövekedés és tumor progresszió gátolt (Hart és mtsai, 2012; Nagy és mtsai, 2013) (12.8. ábra).

A rajz fekete-fehér.

12.8. ábra Az autofágia szerepe onkogén Myc-indukálta tumorigenezisben. A transzkripciós faktor Myc overexpressziója olyan mértékben megnöveli a transzláció mértékét, hogy nem megfelelő térszerkezetű fehérjék felhalmozódnak (UPR, unfolded protein response). Ennek következtében aktiválódik a PERK kináz, ami autofágiát indukálva feltehetően hozzájárul a Myc okozta stressz kivédéséhez. PERK vagy autofágia hiányában a Myc overexpresszió nem képes sejtnövekedést és proliferációt indukálni egér és muslica modellekben. Nagy Péter ábrája.

Következésképpen, az autofágia egy potenciális non-onkogén addikciós útvonal lehet. Ezzel összhangban vannak azok a megfigyelések, hogy a klorokvin kezelés képes bizonyos tumorok regresszióját kiváltani egér modellekben. Amint azt már említettük, a klorokvin egy lizoszómális pH-t neutralizáló szer, eredetileg a malária kezelésére engedélyezte használatát az FDA (Federal Drug Agency, az amerikai gyógyszerfelügyeleti hatóság). A malária parazita ugyanis egy speciális, savas vakuólum segítségével szabadul meg a felesleges anyagcseretermékektől, és a klorokvin képes volt a fertőzést gyógyítani. Sajnos a nyakló nélküli klorokvin használat rezisztens malária változatok elterjedéséhez vezetett. Így erre a betegségre ma már nem használható,. Jelenleg viszont újabban klinikai kísérletekben alkalmazzák rákbetegeknél egyéb kezelések kiegészítésére. Természetesen a klorokvin nem szelektív az autofágiára nézve, és számos mellékhatása lehet. A gőzerővel zajló specifikus autofágia gátlószerek (mint például Atg7-et gátló drog) kifejlesztése a jelenlegieknél sokkal hatékonyabb szerek alkalmazását is remélhetőleg lehetővé teszi majd (Cheong és mtsai, 2012).

Az autofágia pro-tumor és tumor szuppresszor hatásai

A fentiek tükrében jól látszik, hogy az autofágia szerepét a rák során nem lehet egyértelműen meghatározni. Az autofág aktivitás csökkenése elősegítheti a primer tumor kialakulását, tehát tumor szuppresszor folyamatnak tekinthető. Arra is vannak adatok, hogy az onkogén aktiváció által kiváltott szeneszcencia, azaz sejtes öregedés során is fontos szerepet játszik. Ugyanakkor az autofágia szükséges lehet a ráksejtek túléléséhez, és a megváltozott metabolizmus, vagy elégtelen keringés miatt fellépő tápanyaghiányos állapotban (12.9. ábra).

A rajz váza fekete-fehér. Világos zölddel a tumor kialakulása ellen ható szerep, míg pirossal a tumorsejtek túlélését és progresszióját biztosító szerep van feltüntetve.

12.9. ábra Az autofágia kettős szerepe a tumorigenezis során. Az autofágia a primer tumor kialakulása ellen hat (az ábrán zöld felirattal kiemelve) feltehetően a mutációs ráta csökkentése révén, valamint onkogén aktivációt követően a sejtes öregedés serkentésével. Azonban már kialakult tumorsejtek túlélését facilitálja a szolid tumorra jellemző hipoxiás és tápanyaghiányos állapotok során. Elképzelhető, hogy a ráksejtek megváltozott anyagcseréje (Warburg effektus) is igényli az autofág úton keletkező, újra felhasználható bomlástermékeket.

Ez támadáspontot nyújthat megfelelő terápiás eljárások kifejlesztéséhez. Nehéz tehát egyértelműen állást foglalni az autofágia káros vagy hasznos voltát firtató kérdésben. Az egészséges ember esetén talán jobb ha normális vagy kicsit emelkedett az autofág aktivitás, míg egy már rákos beteg kezelésében hatékonynak gyógymódnak bizonyulhat az autofágia gátlása.

Ellenőrző kérdések

  1. Milyen viszonyban áll egymással rendszerint az autofágia és a sejtnövekedés?

  2. Milyen kapcsolat van az autofágia gátlás és az antioxidáns válasz között?

  3. Hogyan segítheti elő az autofágia a ráksejtek túlélését?

  4. Mi az a Warburg hatás?

  5. Miben külnbözik az onkogén addikció a non-onkogén addikciótól?

  6. Milyen tumor szuppresszor és tumor promoter hatásai vannak az autofágiának?

Irodalom

Alers, S., Loffler, A. S., Wesselborg, S. és Stork, B. (2012). The incredible ULKs. Cell Commun Signal10, 7.

Cheong, H., Lu, C., Lindsten, T. és Thompson, C. B. (2012). Therapeutic targets in cancer cell metabolism and autophagy. Nat. Biotechnol. 30, 671-678.

Hart, L. S., Cunningham, J. T., Datta, T., Dey, S., Tameire, F., Lehman, S. L., Qiu, B., Zhang, H., Cerniglia, G., Bi, M. és mtsai (2012). ER stress-mediated autophagy promotes Myc-dependent transformation and tumor growth. The Journal of clinical investigation 122, 4621-4634.

Inami, Y., Waguri, S., Sakamoto, A., Kouno, T., Nakada, K., Hino, O., Watanabe, S., Ando, J., Iwadate, M., Yamamoto, M. és mtsai (2011). Persistent activation of Nrf2 through p62 in hepatocellular carcinoma cells. J. Cell Biol. 193, 275-284.

Nagy, P., Varga, A., Pircs, K., Hegedus, K. és Juhasz, G. (2013). Myc-driven overgrowth requires unfolded protein response-mediated induction of autophagy and antioxidant responses in Drosophila. PLOS Genetics in press.

Takamura, A., Komatsu, M., Hara, T., Sakamoto, A., Kishi, C., Waguri, S., Eishi, Y., Hino, O., Tanaka, K. és Mizushima, N. (2011). Autophagy-deficient mice develop multiple liver tumors. Genes Dev.25, 795-800.

White, E. (2012). Deconvoluting the context-dependent role for autophagy in cancer. Nature Rev Cancer12, 401-410.