AVTOFAGIJA: ZNAČILNOSTI, VRSTE, FUNKCIJE, ŠTUDIJE - BIOLOGIJA - 2025

Avtofagija je intracelularni degradacija sistem pride tako ohranjena v lizosomih vseh evkariontskih celicah (in votlinic kvasovk). Beseda se na splošno uporablja za razgradnjo komponent citosola ali "delov" celice, ki so "zastareli" ali so prenehali delovati pravilno.

Izraz avtofagija je leta 1963 uvedel de Duve na univerzi Rockefeller, ki je tudi opazoval in opisoval procese celične endocitoze. Dobesedno beseda avtofagija pomeni "porabiti sebe", čeprav jo nekateri avtorji opisujejo kot "samokanibalizem".

Grafična predstavitev makroavtofagije in mikroavtofagije (vir: Cheung in Ip prek Wikimedia Commons)

Ta sistem se od proteasomske razgradnje razlikuje po tem, da avtofagija lahko neselektivno odstrani celotne znotrajcelične organele in velike beljakovinske komplekse ali agregate.

Kljub tej neselektivni fagocitozi so različne preiskave pokazale, da ima avtofagija številne fiziološke in patološke posledice. Ker se aktivira v obdobjih prilagajanja na stradanje, med razvojem, za izločanje invazivnih mikroorganizmov, med programirano celično smrtjo, za odpravo tumorjev, predstavitev antigenov itd.

značilnosti

Avtofagija, kot je razpravljeno, je postopek, ki ga posreduje citoplazemski organela, znan kot lizosom.

Proces "avtofagije" se začne z enkapsulacijo organele, ki jo bo razgradila dvojna membrana, ki tvori membrano telo, znano kot avtofagosom. Avtofagosomska membrana se nato zlije z lizosomsko membrano ali s poznim endosomom.

Vsak od teh korakov med zaseganjem, razgradnjo in sproščanjem aminokislin ali drugih komponent za recikliranje izvaja različne funkcije v različnih celičnih okoliščinah, zaradi česar je avtofagija zelo večnamenski sistem.

Avtofagija je dokaj nadzorovan postopek, saj so le označene celične komponente usmerjene v to pot razgradnje in označevanje se običajno dogaja med postopki celičnega remodeliranja.

Na primer, ko jetrna celica vzpostavi detoksikacijski odziv kot odgovor na maščobe, topna v zdravilu, se njen gladki endoplazemski retikulum znatno razmnoži, in ko se dražljaj, ki ga ustvari zdravilo, zmanjša, se presežek gladkega endoplazmatskega retikuluma odvzame iz citosolnega prostora z avtofagijo.

Indukcija avtofagije

Eden od dogodkov, ki najpogosteje sproži avtofagične procese, je stradanje.

Ta sistem "recikliranja" lahko sproži različne vrste esencialnih hranil, odvisno od obravnavanega organizma. Na primer v kvasovkah, čeprav lahko pomanjkanje ogljika nekaterih aminokislin in nukleinskih kislin povzroči avtofagijo, je pomanjkanje dušika najučinkovitejši dražljaj, kar velja tudi za rastlinske celice.

Čeprav še ni povsem razjasnjeno, imajo celice posebne "senzorje", s katerimi lahko ugotovijo, kdaj je hranilna ali esencialna aminokislina v zelo nizkem stanju, in s tem sprožijo celoten postopek recikliranja skozi lizosome.

Pri sesalcih nekateri hormoni sodelujejo pri uravnavanju (pozitivni ali negativni) avtofagije v celicah, ki pripadajo določenim organom, kot so inzulin, nekateri rastni dejavniki ali interlevkini itd.

Vrste

Med evkarionti obstajajo tri glavne vrste avtofagije: makroavtofagija, mikroavtofagija in avtopegija, posredovana s kaperanom. Če ni določeno, se izraz avtofagija nanaša na makroavtofijo.

Čeprav so tri vrste avtofagije morfološko različne, se vse končajo pri transportu snovi v lizosome za razgradnjo in recikliranje.

Makroavtofagija

To je vrsta avtofagije, ki je odvisna od de novo tvorbe fagocitnih veziklov, znanih kot avtofagosomi. Tvorba teh veziklov ni odvisna od nastanka membranskih "brstov", saj nastanejo z razširitvijo.

V kvasovkah se tvorba avtofagosomov začne na določenem mestu, znanem kot PAS, medtem ko se pri sesalcih v citosolu pojavlja veliko različnih mest, verjetno povezanih z endoplazmatskim retikulumom skozi strukture, znane kot "omegasomi".

Velikost avtofagosomov je zelo spremenljiva in je odvisna od organizma in vrste molekule ali organele, ki se fagocitozira. V kvasovkah lahko znaša od 0,4-0,9 µm v premeru do 0,5-1,5 µm pri sesalcih.

Ko se membrane avtofagosome in lizosoma zlijejo, se vsebnost le-teh meša, in takrat se začne prebava ciljnih substratov avtofagije. Ta organela je takrat znana kot avtolizom.

Nekateri avtorji lahko makroavtofagijo razvrstijo v inducirano avtofagijo in osnovno avtofagijo. Inducirana makroavtofagija se uporablja za proizvodnjo aminokislin po daljšem obdobju stradanja.

Bazalna makroavtofagija se nanaša na konstitutivni mehanizem (ki je vedno aktiven), ki je bistven za obtok različnih citosolnih komponent in znotrajceličnih organelov.

Mikroavtofagija

Ta vrsta avtofagije se nanaša na postopek, pri katerem se vsebnost citoplazme vnese v lizosom s pomočjo vdorov, ki se pojavijo v membrani omenjene organele.

Ko se vnesejo v lizosom, vezikule, ki nastanejo zaradi teh vdorov, prosto plavajo v lumnu, dokler se ne lizirajo, njihova vsebnost pa se sprosti in razgradi s specifičnimi encimi.

Avtofagija, ki jo posreduje chaperon

O tej vrsti avtofagije so poročali le za celice sesalcev. Za razliko od makroavtofije in mikroavtofagije, kjer so nekateri citosolni deli nespecifično fagocitozirani, je avtofagija, ki jo posredujejo kaperoni, precej specifična, saj je odvisna od prisotnosti določenih pentapeptidnih zaporedij v substratih, ki se bodo fagocitozirali.

Nekateri raziskovalci so ugotovili, da je ta motiv pentapeptida povezan z zaporedjem KFERQ in da ga najdemo v več kot 30% citosolnih proteinov.

Imenujemo ga s „chaperone-posredovanim“, ker so proteini chaperona odgovorni za to, da se ta ohranjeni motiv izpostavi, da se olajša njegovo prepoznavanje in prepreči, da bi se beljakovine na njem zlagale.

Beljakovine s to oznako se premestijo v lizosomalni lumen in se tam razgradijo. Mnogi substrati za razgradnjo so glikolitični encimi, transkripcijski faktorji in njihovi inhibitorji, proteini, ki vežejo kalcij ali lipid, proteazomske podenote in nekateri proteini, ki sodelujejo pri vezikularni trgovini.

Tako kot druge dve vrsti avtofagije je tudi avtopedija, posredovana s kaperanom, reguliran postopek na številnih ravneh, od prepoznavanja etiket do transporta in razgradnje substratov znotraj lizosomov.

Lastnosti

Ena glavnih funkcij avtofagičnega procesa je odstranitev staroscentnih ali "ustaljenih" organelov, ki jih različne poti za razgradnjo znotraj lizosomov označujejo.

Zahvaljujoč opazovanju elektronskih mikrografov lizosomov v celicah sesalcev je bila v njih odkrita prisotnost peroksisomov in mitohondrijev.

V jetrnih celicah je na primer povprečna življenjska doba mitohondriona 10 dni, po katerem ta organela fagocitozirajo lizosomi, kjer se razgradijo in njene komponente se reciklirajo za različne presnovne namene.

V pogojih nizke koncentracije hranil lahko celice sprožijo nastanek avtofagosomov, da selektivno "zajamejo" dele citosola, pa tudi prebavljeni presnovki v teh avtofagosomih lahko pomagajo celicam preživeti, ko zunanje razmere omejujejo od točke s prehranskega vidika.

Vloge v zdravju in razvoju

Avtofagija ima pomembne funkcije pri prestrukturiranju celic v procesu diferenciacije, saj sodeluje pri zavrženju citosolnih delov, ki v določenem času niso potrebni.

Pomembno vpliva tudi na celično zdravje, saj je del obrambnih mehanizmov pred napadi virusov in bakterij.

Yoshinori Ohsumi Študije

Yoshinori Ohsumi, dobitnik Nobelove nagrade za fiziologijo in medicino za leto 2016, je opisal molekularne mehanizme avtofagije v kvasovkah, medtem ko je preučeval presnovno usodo mnogih beljakovin in vakuole teh enoceličnih organizmov.

Ohsumi v svojem delu ni samo identificiral beljakovin in poti, ki so vključene v proces, temveč je tudi pokazal, kako je avtofagijska pot urejena zahvaljujoč delovanju beljakovin, ki so sposobne "občutiti" različna metabolična stanja.

Njegovo delo se je začelo z natančnimi mikroskopskimi opazovanji vakuolov med intenzivnimi razgradnimi dogodki. Vakuoli veljajo za skladišče kvasnih "smeti" in celičnih odpadkov.

Z opazovanjem kvasovk z okvarjenimi mutiranimi genotipi za različne gene, povezane ali hipotetično povezane z avtofagijo (znani kot ATG geni), je ta raziskovalec in njegovi sodelavci lahko opisali avtofagični sistem kvasovk na genetski ravni.

Nato je ta skupina raziskovalcev določila glavne genetske značilnosti beljakovin, ki jih ti geni kodirajo, in znatno prispevala k njihovi interakciji in nastanku kompleksov, odgovornih za začetek in izvajanje avtofagije v kvasovkah.

Zahvaljujoč delu Yoshinori Ohsumi danes bolje razumemo molekularne vidike avtofagije, pa tudi njene pomembne posledice pri pravilnem delovanju celic in organov, ki nas sestavljajo.

Reference

1. Alberts, B., Johnson, A., Lewis, J., Morgan, D., Raff, M., Roberts, K., & Walter, P. (2015). Molekularna biologija celice (6. izd.). New York: Garland Science.
2. Klionsky, DJ, & Emr, SD (2000). Avtofagija kot urejena pot celične razgradnje. Znanost, 290, 1717–1721.
3. Mizushima, N. (2007). Avtofagija: postopek in delovanje. Geni in razvoj, 21, 2861–2873.
4. Mizushima, Noboru in Komatsu, M. (2011). Avtofagija: Obnova celic in tkiv. Celica, 147, 728–741.
5. Rabinowitz, JD, & White, E. (2010). Avtofagija in presnova. Znanost, 330, 1344-1348.