Šta je autofagija i koja je njena uloga u organizmu?

Autofagija je prirodno regulisan proces tokom koga se razgrađuju nepotrebne, odnosno nefunkcionalne ćelijske komponente, u cilju produkcije energije i dobijanja prekursora makromolekula. Predstavlja vid adaptacije ćelije na metabolički stres. Ovaj termin prvi put upotrebljen pre više od pola veka, kada se autofagija zapravo smatrala „sistemom za odlaganje izumrlih ćelija”. Jošinuri Osumi, japanski biolog, dobio je Nobelovu nagradu 2016. godine za otkriće značajne uloge ovog metaboličkog procesa. Rođen je 1945. godine u gradu Fukoka u Japanu. Doktorirao je 1974. godine na Univerzitetu u Tokiju. 

Njegova otkrića otvorila su put razumevanju fundamentalne važnosti mnogih fizioloških procesa. Tokom 50-ih godina XX veka, istraživači su prepoznali da neke životinjske ćelije koriste mehanizam autofagije za recikliranje proteina. Bilo im je poznato i da je proces aktivan kada je ćelija pod stresom, ali ne i kako je zapravo funkcionisao. 

Autofagiju često nazivaju i ćelijskom smrću tipa 2, jer se razlikuje od apoptoze (ćelijske smrti tipa 1), koja podrazumeva „samoubistvo’’ (programirana ćelijska smrt) ćelije, što sa autofagijom nije slučaj.

Jošinori Osumi prezentuje izgled vakuola 

Izvor: https://www.science.org/do/10.1126/science.aah7373/full/cc_ap16277359370760_hires_16x9.jpg 

Tok istraživanja

Osumi i njegove kolege pokrenuli su ispitivanje, sa ciljem da provere da li kvasac, jednoćelijski organizam, koji se odlikuje mnogim biohemijskim procesima zajedničkim i sa životinjskom ćelijom, može pomoći u odgovoru na neka od otvorenih pitanja. 

Razvijao je sojeve kvasca, kojima su nedostajali ključni enzimi, za koje se sumnjalo da igraju ulogu u autofagiji. Nadao se da će uvideti šta se dešava sa ćelijama, kada proces ne funkcioniše kako bi trebalo.

Nedostatak bilo kog esencijalnog sastojka može dovesti do autofagije, međutim, u slučaju kvasca, to je bio nedostatak azota. Nakon sakupljanja autofagocitovanih organela u procesu izgladnjivanja kvasca, naučnici su otkrili da su ćelije razvile neobično velike vakuole. Pošto je vakuola kiseli odeljak, koji sadrži niz litičkih enzima, pretpostavio je da će ova organela igrati ulogu sličnu lizozomu sisara. Segregacija potencijalno opasnog procesa razgradnje unutar membranskog odeljka ima biološki smisao. U to vreme, znao je da materijal namenjen razgradnji mora biti isporučen preko membrane vakuole.

Obično su vakuole kvasca bile premale da bi se videle pod svetlosnim mikroskopom, ali u mutantnom kvascu su postale toliko velike, da ih je bilo lako uočiti. Unutrašnjost vakuole je nešto poput rastvora soli, sa veoma niskom koncentracijom proteina, tako da je zaključio da će biti lako otkriti strukture unutar vakuole, zbog razlike u indeksu prelamanja, u odnosu na preostali deo ćelije. Pošto je azot ključni sastojak proteina, zaključio je da je razgradnja proteina u ćeliji neophodna, kako bi ćelija došla do azota.

Osim prilike da potvrdi postojanje ovog mehanizma kod gljiva, ovaj eksperiment je doveo do znatnih pomaka i kada je u pitanju istraživanje, odnosno omogućena je identifikacija samih gena odgovornih za odigravanje autofagije.

Osumi je zatim koristio hemikalije da izazove više mutacija, tražeći ćelije koje nisu uspele da formiraju vidljive vakuole, čak i kada su gladovale. 

Vakuole ćelije kvasca nakon izgladnjivanja – nakon sakupljanja autofagocitovanih organela u procesu izgladnjivanja kvasca, razvile su se neobično velike vakuole, koje su omogućile lako otkriće struktura

Izvor: https://onlinelibrary.wiley.com/cms/asset/74582e2b-c1f5-4710-9896-356c564552c5/tra12460-fig-0001-m.jpg

Otkriće ključnih gena

U ključnom radu objavljenom u časopisu „FEBS Letters’” 1993. godine, Osumi i njegov tim identifikovali su 15 esencijalnih gena uključenih u proces. Bavio se i izučavanjem uloge proteina, za čiju sintezu su odgovorni upravo ovi geni, što je olakšalo utvrđivanje faktora koji pokreću proces autofagije. Dalja istraživanja su pokazala da veoma slični geni kontrolišu proces u životinjskim i ljudskim ćelijama. Ustanovljeno je i kako ovi geni koordinišu u ekspresiji i na koji način utiču jedni na druge. Na primer, FIP200 (član ULK1 kinaznog kompleksa) stupa u interakciju sa ATG16L1, kako bi ga pravilno usmerio na izolacionu membranu autofagozoma. Slično, ATG13 (komponenta kompleksa ATG1/ULK1 kinaze kvasca) stupa u interakciju sa ATG9, kako bi regrutovao ATG9 vezikule u pre-autofagozomalnu strukturu. Mutacije u genima koji regulišu kiselost lizozoma, kao što su ATP6AP2 i presenilin 1 su povezane sa X-vezanim parkinsonizmom i Alchajmerovom bolešću. Takođe, brojni ATG geni se koriste, ne samo za transport intracelularnog tereta do lizozom radi razgradnje, već i za puteve koji uključuju transport intracelularnog tereta na plazma membranu ili u vanćelijsku sredinu. 

Višestruka korist autofagije 

Osumi i saradnici pokazali su da autofagija igra ključnu ulogu u razvoju embriona, diferencijaciji ćelija i imunskom sistemu. Nestanak autofagije može dovesti do širokog spektra bolesti, uključujući rak, dijabetes i Hantingtonovu bolest. Autofagija može brzo da obezbedi gorivo i gradivne blokove za obnavljanje ćelijskih komponenti. Stoga, neophodna je za ćelijski odgovor na gladovanje i druge vrste stresa. Zdrav sistem autofagije je u korelaciji sa dugovečnošću, a neispravan može ubrzati simptome starenja. Takođe je uočeno da nakon infekcija, ovaj proces ima ulogu u „čišćenju” organizma, uklanjajući zaostale unutarćelijske bakterije i viruse.

Problemi koji nastaju usled nestanka procesa autofagije

Izvor: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0092867416315951

Izvori:

• Mizushima, N., Noda, T., Yoshimori, T., Tanaka, Y., Ishii, T., George, M.D., Klionsky, D.J., Ohsumi, M. and Ohsumi, Y. (1998). A protein conjugation system essential for autophagy. Nature 395, 395-398
• Takeshige, K., Baba, M., Tsuboi, S., Noda, T. and Ohsumi, Y. (1992). Autophagy in yeast demonstrated with proteinase-deficient mutants and conditions for its induction. Journal of Cell Biology 119, 301-311
• https://www.science.org/content/article/nobel-honors-discoveries-how-cells-eat-themselves