Autofágia „sebamrzačenie“ ako stratégia prežitia
Lenzen-Schulte, Martina; Zylka-Menhorn, Vera
Nobelova cena za medicínu vyznamenáva výskum kontroly autofágie. Chyby v tomto samočistiacom procese môžu mať za následok neurodegeneratívne choroby, rakovinu alebo zvýšenú náchylnosť na infekcie.
V prírode nie je nič stratené: procesy sú charakteristické pre živé bytosti aj pre celú biosféru, v ktorej sa regeneruje veľká časť východiskových materiálov. Jedným z takýchto regulátorov ľudskej bunky je autofágia - recyklačný program, ktorý jej umožňuje štiepiť poškodené alebo nesprávne zložené proteíny na celé organely a potom ich znova použiť.
Fenomén autofágie bol prvýkrát popísaný v 60. rokoch; Tejto oblasti sa dlho venovala iba malá komunita výskumníkov. To sa za posledné roky zmenilo. Dôležitosť tohto dôležitého bunkového procesu sa teraz odráža v uznaní Výborom pre Nobelovu cenu: Japoncovi Yoshinori Ohsumi (71) sa cení za objavy mechanizmov autofágie. Jeho práca „dramaticky zmenila chápanie tohto dôležitého procesu,“ uvádza sa vo vyhlásení Výboru pre Nobelovu cenu.
Ohsumi začal rozhodujúce experimenty na začiatku 90. rokov na kvasinkových bunkách (Saccharomyces cerevisae). V tom čase sa už vedelo, že určité organely, lyzozómy, rozkladajú bunkové zložky. Belgický Christian de Duve za to už v roku 1974 dostal Nobelovu cenu. Bol to tiež on, kto vytvoril pojem autofágia.
Ale až vďaka práci Ohsumiho bolo zrejmé, ktoré procesy presne prebiehajú a aké dôležité sú pre ľudské zdravie. Sériou sofistikovaných experimentov ukázal, že na autofágii sa v podstate podieľa 15 génov. Na základe svojho výskumu opísal sieť signálov a proteínov, ktoré riadia proces v jeho rôznych fázach.
Bunková recyklácia: veľmi zložitý proces
Recyklácia je pre bunky samozrejmosťou - molekulárny odpad je presne zabalený membránou a odoslaný do lyzozómov na recykláciu. V tomto veľmi zložitom (grafickom) procese sú bunkové komponenty, ktoré už neplnia svoju úlohu správne, smerované do vnútra autofagozómov. Sú to vezikuly s dvojitou membránou, ktoré vo vnútri obklopujú proteíny, lipidy, komponenty membrány a celé organely (mitochondrie) z bunkovej plazmy. Autofagozómy potom fúzujú s lyzozómami za vzniku autofagolyzozómov, kde sa častice štiepia kyslými hydrolázami a ich základné stavebné prvky sa dajú k dispozícii na recykláciu. Nakoniec tento mechanizmus pomáha udržiavať rovnováhu medzi rozpadom starých a produkciou nových bunkových komponentov (bunková homeostáza).
Autofágia je nepretržite aktívna na bazálnej úrovni, ale špecificky sa aktivuje v stresových situáciách. V extrémnych situáciách, napríklad v prípade vážneho poškodenia buniek, možno iniciovať buď apoptózu, alebo to, čo je známe ako autofagozomálna bunková smrť - neapoptická, programovaná bunková smrť. Autofágia je teda mechanizmus na zabezpečenie prežitia jednotlivej bunky, ale zároveň aj samovražedný program pre poškodené bunky na zabezpečenie prežitia mnohobunkového organizmu. „Je preto ľahké pochopiť, že dysregulovaná alebo znížená autofagická aktivita, ktorú pravdepodobne nachádzame v starobe, nevyhnutne vedie k bunkovej katastrofe, ktorá sa prejavuje celým radom chorôb,“ hovorí profesor Dr. rer. nat. Tassula Proikas-Cezanne z Interfakultúrneho ústavu pre bunkovú biológiu na univerzite v Tübingene (1). Tie obsahujú:
- Rakovina (nedostatočná supresia nádoru, dysregulovaná smrť buniek, nedostatočná eliminácia poškodených organel),
- Akumulácia neurodegeneratívnych plátov pri chorobách demencie (narušený rozklad intracelulárnych proteínov),
- Ochorenia svalov (neuromuskulárne syndrómy, myopatie),
- Infekčné choroby (narušená autofagozomálna eliminácia intracelulárnych patogénov),
- funkčná pečeňová nedostatočnosť.
Inhibícia autofágie ako liečba rakoviny
Vedci zaoberajúci sa rakovinou roky považovali autofágiu za dôležitú pre svoj predmet. Najskôr to platí pre tumorigenézu. Autofágia bola dlho považovaná za supresívny princíp v tele, pretože vývoj nádoru súvisel so stratou schopnosti autofágie. Napríklad u myší s nedostatkom autofágie sa spontánne vyvinie viac nádorov (2).
Zdá sa, že to platí najmä pre počiatočné štádiá vývoja nádoru. V prípade rozvinutejších zhubných nádorov umožňuje fungujúca autofágia vyššiu pravdepodobnosť prežitia samotných rakovinových buniek. (3). Preto vedci nedávno skúmali, ako je možné autofagické procesy využiť na zlepšenie liečby rakoviny, najmä na prekonanie rezistencie na liečbu.
Autofágia pomáha najmä za nepriaznivých podmienok, napríklad v prostredí, kde je znížený prísun živín alebo nepriaznivé podmienky vystavujú nádorové bunky stresu. Jeden dokonca hovorí o „programovanom prežití“ alebo „programovanom prežití“ prostredníctvom autofágie. Poškodené organely sa odstránia z cytoplazmy a potom sú opäť k dispozícii základné komponenty pre nové molekuly. To pomáha rakovinovým bunkám vydržať aj agresívne ošetrenie.
Autofágia je dnes jedným z najdôležitejších mechanizmov, ktoré často umožňujú zotavenie niekoľkých nádorových buniek po dlhej chemoterapii alebo ožarovaní. Práve tie tvoria rezervoár spätných tokov. Existujú náznaky, že práve autofagocytotické procesy podporujú rezistenciu na imatinib mezylát pri liečbe chronickej myeloidnej leukémie (CML). Rezistencia buniek HER2-pozitívneho karcinómu prsníka na trastuzumab je tiež čiastočne spôsobená autofagocytózou (4,5). A zjavne je klesajúci účinok cisplatiny na rakovinu vaječníkov tiež spôsobený účinkami autofágie.
Atraktívne pre vývoj onkologických liekov
Ale ak autofágia chráni nádorové bunky pred stresom, potom by sa látky, ktoré autofágiu inhibujú alebo im bránia, mohli stať cennými spojencami v liečbe rakoviny. V skutočnosti bolo nedávno zahájených veľké množstvo štúdií, v ktorých sa testujú antifagocytárne látky ako doplnok k chemoterapii (6). Jedným z najznámejších inhibítorov autofágie je hydroxychlorochín, ktorý blokuje fúziu autofagozómu s lyzozómom. Inak sa používa na profylaxiu malárie, ako antiprotozoálny prostriedok alebo ako protireumatický prostriedok.
Potenciál inhibície autofágie sa v súčasnosti skúma v mnohých klinických terapeutických štúdiách pre solídne nádory, ako je rakovina hrubého čreva, karcinóm bronchiálnych buniek, melanóm a rakovina prsníka. Štúdie in vitro už preukázali, že hydroxychlorochín v kombinácii s temsirolimom môže účinnejšie ničiť bunky melanómu. Princíp autofágie (7) podporuje aj chemoterapia duktálnych adenokarcinómov pankreasu, ktoré sú stále ťažko dostupné. Pravdepodobne to platí aj pre nádory ústnej dutiny (8).
Ďalšími látkami, ktoré zasahujú do procesov autofágie, sú napríklad inhibítory kináz Vps34 a ULK1, dvoch enzýmov, ktoré katalyzujú rozhodujúce kroky autofágie. Je tiež prekvapujúce, že veľmi odlišné terapeutické látky vykazujú potenciál ako inhibítory autofágie. Patrí sem aj tricyklické antidepresívum klomipramín alebo verteporfín, liek používaný na liečbu makulárnej degenerácie. Cielený vývoj nových inhibítorov autofágie sa medzičasom stal atraktívnou oblasťou v onkologickej farmakológii (6).
Procesy samočistenia hrajú významnú úlohu pri udržiavaní zdravého mozgu. Pretože nervové bunky, ktoré nie sú schopné rozkladať zhlukované proteíny alebo poškodené mitochondrie, degenerujú. „Dôležitú úlohu tu zohrávajú bunkové stresové situácie, ku ktorým dochádza napríklad pri zápalových procesoch alebo počas starnutia. Vďaka tomu môžu bielkoviny vznikať, meniť sa a čoraz častejšie sa objavujú v nerozpustnej forme, “hovorí profesor Dr. rer. nat. Christiane Richter-Landsberg, Inštitút pre biológiu a vedy o životnom prostredí na univerzite v Oldenburgu (9). Pri mnohých chorobách vedú genetické chyby aj k nesprávnemu a zvýšenému výskytu bielkovín, ktoré sa potom ukladajú.
Dôsledok: Ponižujúce systémy sú preťažené, už nemajú dostatočnú kapacitu. Môže sa však tiež stať, že samotný autofagický proces je oslabený alebo narušený. „Chybná kontrola kvality v mozgových bunkách a porucha systémov degradujúcich bielkoviny môžu prispieť k chorobným procesom.“
Tiež neurodegeneratívne choroby v dohľade
Podobne ako pri výskume rakoviny sa skúma, či je možné pozitívne ovplyvniť bunkový proces čistenia, aby sa zabránilo prepuknutiu neurodegeneratívnych chorôb. Aj tu existujú pozitívne výsledky. Tieto výskumy sa uskutočňovali hlavne na modelových systémoch bunkových kultúr a na transgénnych myšiach, ktorým bol prenesený cudzí genetický materiál alebo v ktorých boli vypnuté gény súvisiace s autofágiou. „Napríklad u týchto zvierat došlo k zvýšenému výskytu týchto typických proteínových zhlukov, ktoré sa dali znova odstrániť aktiváciou autofágie pomocou určitých látok. Tieto zvieratá zároveň vykazovali zlepšené učenie a pamäťové schopnosti, “uviedla Richter-Landsberg.
Zdá sa, že poruchy autofágie sú čiastočne zodpovedné za Parkinsonovu chorobu. Na patogenéze choroby je zapojených veľa génov, mutácií a polymorfizmov. Mutácie v génoch PARK2/Parkin a PARK6/PINK1 vedú k autozomálne recesívnej alebo sporadickej juvenilnej forme ochorenia. Rovnomenné proteíny, ktoré z nich vznikajú, fungujú ako tím. Spoločne označujú poškodené mitochondrie značením kanálu na povrchu mitochondrií malým proteínom ubikvitínom. Toto značenie slúži ako signál pre bunku, aby rozložila poškodené organely. Ak proteíny PINK1 alebo Parkin chýbajú kvôli mutácii, je tento mechanizmus zneškodňovania narušený - a podporuje sa vývoj Parkinsonovej choroby.
Klinická relevantnosť by mohla mať štúdia fázy I s inhibítorom tyrozínkinázy nilotinibom, ktorá bola predstavená prvýkrát v roku 2015 na výročnom stretnutí Americkej spoločnosti pre neurovedy v Chicagu. V pilotnej štúdii liek na leukémiu zlepšil kognitívne funkcie, motorické schopnosti a nemotorické funkcie, ako napríklad zápcha u pacientov s Parkinsonovou chorobou a demenciou s Lewyho telieskami. Na konci štúdie vedci zistili pozitívne zmeny v príslušných biomarkeroch α-synukleín, amyloid-β 40/42 a proteíny t-τ a p-τ v mozgovomiechovom moku. To môže naznačovať elimináciu toxických proteínov v mozgu.
Pre toto môže byť rozhodujúce „správne“ dávkovanie: Zatiaľ čo pri liečbe chronickej myeloidnej leukémie je obvyklá dávka až 800 mg denne, v pilotnej štúdii sa použilo iba 150 až 300 mg. Nilotinib vo vysokých dávkach núti rakovinové bunky k autofágii a tým spôsobuje ich bunkovú smrť. V nižších dávkach sa však zdá, že účinná látka stimuluje autofágiu iba asi osem hodín denne, tvrdí Dr. med. Charbel Moussa z Georgetown University Medical Center. Toto obdobie je dostatočné na to, aby sa bunky zbavili balastu bez toho, aby ste ich zabili (10).
Súčasťou vrodenej a adaptívnej imunitnej obrany
Štúdie výskumníkov infekcie tiež potvrdzujú, že autofágia nie je len formou bunkovej „recyklácie odpadu“. Proces považujú za dôležitú súčasť vrodenej aj adaptívnej imunitnej obrany. Xenoautofágia, podtyp autofágie, je veľmi efektívny obranný mechanizmus proti patogénnym zárodkom, ktorý tieto zárodky ničí - ideálne. Mnoho patogénov však vie nielen to, ako tento obranný mechanizmus obísť, ale aj to, ako ho použiť pre seba. „Používajú vezikuly, ktoré sú viazané membránou, na vytvorenie bezpečného prostredia v bunke, v ktorom sa môžu nerušene množiť,“ uviedol Dr. Andrea Scrima, vedúca juniorskej výskumnej skupiny Structural Biology of Autophagy v Helmholtzovom centre pre výskum infekcií (HZI). Aj keď sa v súčasnosti vykonáva intenzívny výskum, podrobnosti o základných mechanizmoch regulácie a stratégiách využívania autofágie patogénmi zostávajú nevysvetlené (11).
V neposlednom rade vďaka tohtoročnej Nobelovej cene bude mať výskum autofágie obrovskú podporu - medzinárodne i národne. Študijná skupina „Autophagy“ Spoločnosti pre biochémiu a molekulárnu biológiu (GBM) existuje v Nemecku od apríla 2015. Vaši prispievatelia by chceli pomôcť zabezpečiť, aby bola táto oblasť pevne zakotvená v nemeckom výskumnom prostredí.
DR. med. Martina Lenzen-Schulte,
@Literatúra na internete:
www.aerzteblatt.de/lit4016
alebo cez QR kód.
Yoshinori Ohsumi sa narodil vo Fukuoke v roku 1945. Doktorát získal v roku 1974 na Tokijskej univerzite, potom pracoval tri roky na Rockefellerovej univerzite v New Yorku. Potom sa vrátil na Tokijskú univerzitu, kde v roku 1988 založil výskumnú skupinu. Na začiatku 90. rokov začal svoj priekopnícky výskum kvasinkových buniek. Ohsumi je profesorom na Tokijskom technologickom inštitúte od roku 2009. Tohtoročný víťaz sa považuje za otvoreného, pokorného a srdečného.
Podľa Volkera Hauckeho, riaditeľa Leibnizovho ústavu pre molekulárnu farmakológiu, to bolo „už dávno“. Japonci predbehli svoju dobu.