Autofagia za pośrednictwem opiekunów

Autofagia za pośrednictwem opiekunów ( CMA ) odnosi się do zależnej od chaperonów selekcji rozpuszczalnych białek cytozolowych , które są następnie kierowane do lizosomów i bezpośrednio przemieszczane przez błonę lizosomu w celu degradacji. Unikalnymi cechami tego typu autofagii są selektywność w stosunku do białek, które są degradowane przez ten szlak i bezpośrednie przemieszczanie tych białek przez błonę lizosomalną bez wymogu tworzenia dodatkowych pęcherzyków ( ryc. 1 ).

Składniki i etapy molekularne

Białka, które są degradowane przez CMA, to białka cytozolowe lub białka z innych przedziałów po dotarciu do cytozolu. Dlatego niektóre składniki biorące udział w CMA są obecne w cytozolu, podczas gdy inne znajdują się na błonie lizosomalnej ( Tabela I ).

Specyficzny wybór białek do degradacji we wszystkich formach autofagii stał się bardziej zrozumiały, gdy w badaniach odkryto rolę białek opiekuńczych, takich jak hsc70. Chociaż hsc70 kieruje białko cytozolowe do CMA w oparciu o rozpoznawanie specyficznej sekwencji aminokwasowej, działa inaczej, gdy kieruje białka do makro lub mikroautofagii.

W jednym mechanizmie, aby białko było substratem CMA, musi mieć w swojej sekwencji aminokwasowej motyw pentapeptydowy biochemicznie spokrewniony z KFERQ. Ten motyw ukierunkowany na CMA jest rozpoznawany przez białko opiekuńcze cytozolu, pokrewne białko szoku cieplnego o masie cząsteczkowej 70 kDa (hsc70), które kieruje substrat do powierzchni lizosomu. Ten kompleks białkowy substrat-białko opiekuńcze wiąże się z białkiem błonowym związanym z lizosomem typu 2A (LAMP-2A), które działa jako receptor dla tego szlaku. LAMP-2A, białko błonowe o pojedynczej rozpiętości, jest jednym z trzech splicingowych wariantów pojedynczej lampy genowej2 . Pozostałe dwie izoformy LAMP-2B i LAMP-2C biorą udział odpowiednio w makroautofagii i transporcie pęcherzykowym. Białka substratu ulegają rozwinięciu po związaniu z LAMP-2A w procesie, w którym prawdopodobnie pośredniczy związany z błoną hsc70 i jego współopiekuńcze Bag1, hip, hop i hsp40, również wykrywane na błonie lizosomalnej. To wiązanie substratów z monomerami LAMP-2A wyzwala składanie multimerów LAMP-2A, które działają jako aktywny kompleks translokacji, przez który substraty mogą przechodzić po rozwinięciu. Tutaj kompleks translokacyjny wybiera tylko białka substratowe, które mogą się rozwijać w celu internalizacji przez lizosomy. Na przykład badania ze sztucznym substratem CMA wykazały, że wiązanie białka opiekuńczego hsc70 z substratem lub wiązanie lizosomalne niekoniecznie wymaga zdolności białka substratu do rozwijania się, jednak translokacja lizosomalna sprawia, że ​​rozwijanie jest niezbędnym kryterium do jego internalizacji. Translokacja substratu wymaga obecności hsc70 w świetle lizosomu, co może działać poprzez wciąganie substratów do lizosomów lub zapobieganie ich powrotowi do cytozolu. Po translokacji białka substratu są szybko rozkładane przez proteazy lizosomalne. Rysunek 1 przedstawia różne etapy CMA.

Ograniczającym etapem dla CMA jest wiązanie białek substratu z LAMP-2A iw konsekwencji poziomy LAMP-2A na błonie lizosomalnej korelują bezpośrednio z aktywnością CMA. Dlatego, aby modulować aktywność tego szlaku autofagicznego, komórka ściśle reguluje poziomy receptora CMA na błonie lizosomalnej, kontrolując tempo degradacji monomerów LAMP-2A w lizosomach i syntezę de novo cząsteczek LAMP-2A. Ponadto transport substratów zależy również od wydajności składania LAMP-2A w kompleks translokacyjny.

W składaniu i rozkładaniu kompleksu translokacyjnego CMA pośredniczą odpowiednio białka opiekuńcze hsp90 i hsc70. Degradacja monomerów LAMP-2A na błonie lizosomalnej zachodzi w odrębnych, bogatych w cholesterol mikrodomenach lipidowych błony lizosomalnej, a pośredniczy w niej katepsyna A i niezidentyfikowana metaloproteaza lizosomalna. Dlatego składanie, rozkładanie LAMP-2A do aktywnego kompleksu translokacyjnego i jego degradacja w regionach mikrodomeny podkreśla dynamiczny charakter tego procesu i znaczenie bocznej ruchliwości receptora CMA na błonie lizosomalnej.

Funkcje fizjologiczne

CMA przyczynia się do utrzymania homeostazy komórkowej, ułatwiając recykling aminokwasów zdegradowanych białek (wkład w równowagę energetyczną komórki ) oraz eliminując nieprawidłowe lub uszkodzone białka (wkład w kontrolę jakości komórkowej ).

CMA jest aktywny przez cały czas w różnych tkankach (wątroba, nerki, mózg) i prawie we wszystkich badanych typach komórek. Jednak maksymalnie aktywuje się w odpowiedzi na stresory i zmiany w stanie odżywienia komórki. Kiedy podaż składników odżywczych jest ograniczona, komórki reagują aktywacją autofagii, aby zdegradować składniki wewnątrzkomórkowe w celu dostarczenia energii i elementów budulcowych, które komórka może wykorzystać w tym tragicznym stanie. Makroautofagia jest aktywowana już po 30 minutach głodu i pozostaje wysoka przez co najmniej 4-8 godzin do głodu. Jeśli stan głodu utrzymuje się dłużej niż 10 godzin, komórki przełączają się na selektywną formę autofagii, a mianowicie CMA, o której wiadomo, że osiąga plateau maksymalnej aktywacji ~ 36 godzin po poście i utrzymuje się na tym poziomie do ~ 3 dni. Selektywność CMA dla poszczególnych białek cytozolowych pozwala komórkom na degradację tylko tych białek, które mogą nie być potrzebne w tych warunkach głodu w celu wytworzenia aminokwasów do syntezy niezbędnych białek. Na przykład, niektóre z najlepiej scharakteryzowanych substratów CMA to enzymy biorące udział w glikolizie, szlaku, o którym wiadomo, że jest mniej aktywny w warunkach na czczo.

CMA jest ważny w regulacji metabolizmu komórkowego . Specyficzne wyczerpanie CMA w wątrobie skutkuje silnym zużyciem glikogenu w wątrobie, któremu towarzyszy gromadzenie się tłuszczu w wątrobie, wraz ze zmienioną homeostazą glukozy, zwiększonym wydatkiem energetycznym i zmniejszoną otyłością obwodową. Analizy proteomiczne zidentyfikowały kilka enzymów szlaków metabolizmu węglowodanów i lipidów jako substraty CMA oraz ich zmienioną degradację u myszy z nokautem, co wyjaśnia nieprawidłowy fenotyp metaboliczny myszy z niedoborem CMA. Zdolność CMA do selektywnej degradacji enzymów zaangażowanych w metabolizm wolnych kwasów tłuszczowych (tj. szlaku linolowego i linolowego) okazała się kluczem do aktywacji hematopoetycznych komórek macierzystych , wspierając w ten sposób rolę CMA w funkcjonowaniu komórek macierzystych. Aktywność CMA jest regulowana w górę podczas różnicowania embrionalnych komórek macierzystych i przyczynia się do degradacji IDH1 i Plin2.

Wykazano, że aktywność CMA jest modulowana przez sygnalizację alfa receptora kwasu retinowego i jest specyficznie aktywowana przez zaprojektowane all-trans pochodne kwasu retinowego w hodowanych komórkach.

CMA odpowiada również za selektywne usuwanie uszkodzonych i niefunkcjonalnych białek. Ta funkcja ma kluczowe znaczenie, gdy komórki są narażone na czynniki powodujące uszkodzenie białek, ponieważ selektywność CMA zapewnia, że ​​tylko uszkodzone białka są kierowane do lizosomów w celu degradacji. Na przykład stres oksydacyjny i narażenie na toksyczne związki są bodźcami, które zwiększają CMA. W konsekwencji komórki z defektem CMA są bardziej podatne na te urazy niż komórki kontrolne.

CMA pełni również różne wyspecjalizowane funkcje , w zależności od konkretnego białka ulegającego degradacji na tym szlaku i typu zaangażowanej komórki. Na przykład znane substraty CMA obejmują MEF2D, czynnik neuronalny ważny dla przeżycia; Pax2, czynnik transkrypcyjny, ważny dla regulacji wzrostu komórek kanalików nerkowych; IκBα, znany inhibitor NFκB. Sugerowano również, że CMA przyczynia się do prezentacji antygenu w komórkach dendrytycznych.

CMA jest aktywowany podczas aktywacji komórek T z powodu zwiększonej ekspresji receptora CMA LAMP-2A. CMA jest niezbędny do aktywacji komórek T poprzez degradację negatywnych regulatorów aktywacji komórek T (Itch, RCAN1). W konsekwencji specyficzne wyczerpanie CMA w limfocytach T skutkuje niedoborem odpowiedzi immunologicznej po immunizacji lub zakażeniu.

CMA wzrasta po stresie genotoksycznym . I odwrotnie, zmniejszona aktywność CMA wiąże się ze zwiększoną niestabilnością genomu i zmniejszoną przeżywalnością komórek. CMA bierze udział w usuwaniu Chk1, białka kluczowego dla progresji cyklu komórkowego, a komórki z upośledzoną CMA mają wadliwą naprawę DNA.

CMA rozkłada białka kropelek lipidów ( perilipina 2 i perilipina 3 ). Usunięcie tych białek płaszcza kropelek lipidów przez CMA poprzedza lipolizę i lipofagię. W konsekwencji wadliwa aktywność CMA prowadzi do masywnego gromadzenia się kropelek lipidów i stłuszczenia.

Patologia

Aktywność CMA zmniejsza się wraz z wiekiem w wielu typach komórek starych gryzoni oraz w komórkach starszych ludzi. To upośledzenie CMA w starzeniu jest głównie spowodowane spadkiem poziomów LAMP-2A w błonie lizosomalnej, z powodu zmniejszonej stabilności receptora CMA, a nie z powodu zmniejszonej syntezy de novo. Badania na transgenicznym modelu myszy, w którym normalny poziom LAMP-2A utrzymuje się przez całe życie, wykazały, że te zwierzęta miały "czystsze" komórki, lepszą reakcję na stres - i ogólnie lepszą żywotność. Badania te potwierdzają możliwy wkład zmniejszonej aktywności CMA w słabą homeostazę komórkową i nieefektywną reakcję na stres charakterystyczną dla starych organizmów. Dieta wysokotłuszczowa hamuje CMA. Wynika to ze zmniejszenia stabilności receptora CMA na powierzchni lizosomu. Niedawno CMA została zaangażowana w zdolność regeneracji nowych komórek krwi poprzez podtrzymywanie hematopoetycznych komórek macierzystych .

Pierwotny defekt aktywności CMA opisano również w chorobach neurodegeneracyjnych , takich jak choroba Parkinsona i niektóre tauopatie. W tych przypadkach defekt polega na „ciasnym” wiązaniu z błoną lizosomalną patogennych białek, o których wiadomo, że gromadzą się w tych zaburzeniach (α-synukleina, UCHL1 w chorobie Parkinsona i zmutowane Tau w tauopatiach). Te toksyczne białka często wiążą się z LAMP-2A z nieprawidłowym powinowactwem, wywierając „efekt zatykania” błony lizosomalnej, a tym samym hamują degradację innych cytozolowych białek substratowych, w których pośredniczy CMA.

Ustalono również powiązania między CMA a rakiem . CMA jest regulowany w górę w wielu różnych typach ludzkich komórek nowotworowych, a blokowanie CMA w tych komórkach zmniejsza ich zdolności proliferacyjne, rakotwórcze i przerzutowe. W rzeczywistości ingerencja w ekspresję LAMP-2A w już utworzonych nowotworach eksperymentalnych u myszy spowodowała ich regresję.

Dalsza lektura

1.    Mizushima, N; Levine, B.; Cuervo, AM; Klionsky, DJ (28 lutego 2008). „Autofagia zwalcza choroby poprzez samotrawienie komórkowe” . Natura . 451 (7182): 1069–75. Bibcode : 2008Natur.451.1069M . doi : 10.1038/natura06639 . PMC 2670399 . PMID 18305538 .
2.    Kaushik, S; Cuervo, AM (sierpień 2012). „Autofagia za pośrednictwem opiekuna: wyjątkowy sposób na wejście do świata lizosomów” . Trendy w biologii komórki . 22 (8): 407–17. doi : 10.1016/j.tcb.2012.05.006 . PMC 3408550 . PMID 22748206 .
3.    Arias, E; Cuervo, AM (kwiecień 2011). „Autofagia za pośrednictwem opiekunów w kontroli jakości białek” . Aktualna opinia w biologii komórki . 23 (2): 184-9. doi : 10.1016/j.ceb.2010.10.009 . PMC 3078170 . PMID 21094035 .
4.    Cuervo, AM; Wong, E (styczeń 2014). „Autofagia za pośrednictwem opiekuna: role w chorobie i starzeniu się” . Badania komórek . 24 (1): 92–104. doi : 10.1038/cr.2013.153 . PMC 3879702 . PMID 24281265 .
5.    Kaushik, S; Bandyopadhyay, U; Sridhar, S; Kiffin, R; Martinez-Vicente, M; Kon, M; Orenstein, SJ; Wong, E; Cuervo, AM (15 lutego 2011). „Autofagia za pośrednictwem opiekuna w skrócie” . Journal of Cell Science . 124 (cz. 4): 495–9. doi : 10.1242/jcs.073874 . PMC 3031365 . PMID 21282471 .
6.    Cuervo, AM (13 lipca 2011). „Autofagia za pośrednictwem opiekuna:„ dziki ”pomysł Dice'a na temat selektywności lizosomalnej”. Nature Recenzje Biologia komórki molekularnej . 12 (8): 535–41. doi : 10.1038/nrm3150 . PMID 21750569 . S2CID 23128629 .
7.     Kaushik, S; Cuervo, AM (2009). Metody monitorowania autofagii za pośrednictwem opiekunów . Metody w enzymologii . Tom. 452. s. 297–324. doi : 10.1016/s0076-6879(08)03619-7 . ISBN 9780123745477 . PMC 4300957 . PMID 19200890 .