Аутофагия человека. Выбор между жизнью и смертью: апоптоз или аутофагия? Аутофагия и рак

Аутофагия - это процесс, с помощью которого эукариотические клетки утилизируют свои внутренние компоненты, «переваривая» их ферментами лизосом. Это непрерывный процесс, поддерживающий баланс между синтезом и деградацией и обеспечивающий необходимые условия для нормального клеточного роста, развития и смерти. В этой статье мы обобщаем понятие аутофагии до общего принципа работы живых систем и предлагаем термин протофагия для обозначения прокариотических процессов, подобных аутофагии.

Аутофагия (от греч. αυτος - «само» и φαγειν - «есть» : самопоедание ) является клеточным механизмом утилизации избыточных или поврежденных белков, белковых комплексов и клеточных органелл, осуществляемый лизосомами той же клетки. Такая утилизация выполняет несколько важных функций, в том числе - получение питательных веществ при голодании, поддержку клеточного гомеостаза и клеточного иммунитета, осуществление апоптоза и т.п. .

Как правило, термин аутофагия применяется для описания внутриклеточных процессов. Однако в определенном смысле ее можно рассматривать и как общий принцип, работающий не только на уровне клеток эукариот, но и в биосистемах других уровней, таких как организм, популяция или даже биосфера в целом. И на всех уровнях организации живого с принципом аутофагии можно соотнести многие известные процессы, - в частности, регуляцию жизнедеятельности бактериальных колоний. Здесь же мы рассмотрим аутофагию в более широком смысле - как процесс поглощения биологической системой своей части для поддержания собственной структуры и жизнедеятельности. Действительно: процессы, аналогичные аутофагии, появляются на разных «этажах» живой материи (см. примеры в таблице 1):

• в эукариотических клетках (как сообществах органелл);
• в организмах (как сообществах клеток и тканей);
• в экосистемах (как сообществах живых организмов), и наконец;
• во всей биосфере (как совокупности экосистем).

Например, на уровне организма одним из проявлений аутофагии является метаболизм подкожного жира, когда организм при голодании потребляет свою часть (жировую ткань) с перераспределением высвобожденной энергии. Другим примером служит апоптоз - регулируемое «самоубийство» клеток, необходимое для правильного развития любого растительного или животного организма .

Аутофагия присутствует и на уровне экосистем. Так же, как эукариотическая клетка постоянно утилизирует старые или дефектные органеллы, в экосистемах одни организмы «поглощаются» и служат источником энергии для других. Такой круговорот энергии и вещества в биосфере известен под термином «трофические цепи», которые можно определить как постоянное перераспределение биологического материала внутри экосистем.

Приведенные выше примеры аналогичны аутофагии в том, что в них для поддержания стабильности целого в жертву приносится часть системы. Так же, как аутофагия требуется эукариотической клетке для поддержания жизнедеятельности во время нехватки питательных веществ, сжигание жира организмом и экосистемные трофические цепи необходимы для адаптации к периодической нехватке энергии и стабилизации энергетического обмена.

Еще одна принципиальная функция процессов, подобных аутофагии, - обновление частей системы с целью поддержания ее стабильности как целого (гомеостаза). Время существования любого дифференцированного сообщества намного больше, нежели время жизни отдельных его частей, - вот тут-то и требуется механизм поддержания стабильности. Стабильность биосистем достигается путем постоянного обновления компонентов через аутофагию. Непрерывная утилизация старых компонентов обновляет биосистему, а также позволяет пополнить энергетические запасы. Этот же принцип используется и на других уровнях: в эукариотической клетке отработавшие свой ресурс органеллы перевариваются лизосомами, уступая место новым. На уровне организма поврежденные клетки элиминируются апоптозом или иммунной системой. В экосистемах отношения хищник–жертва не только поддерживают численность хищных видов, но и регулируют гомеостаз всей экосистемы, очищая ее от слабых и больных животных и предохраняя виды от вырождения.

Аутофагия является распространенным механизмом, используемым на различных уровнях биосферы. Почти любая живая система использует процессы, аналогичные аутофагии, для выживания и саморегуляции. Здесь мы использовали слово «почти» , так как аутофагия до сих пор не была описана у прокариот . Принимая во внимание роль аутофагии во всех других биосистемах, отсутствие ее у прокариот выглядит, по меньшей мере, странным. В этой статье мы попытаемся показать, что прокариоты не являются исключением, и аналог аутофагии у них также присутствует, - но обнаружить его можно лишь, если рассматривать прокариотические сообщества не как единичные клетки, а как мультиклеточные «организмы».

Прокариоты как многоклеточные организмы

На сегодня собрано достаточно данных о том, что в природе прокариоты существуют не в виде изолированных клеток, а в виде сложных микробных сообществ . Впервые эта смелая идея была выдвинуты в 80-х годах ХХ века, а сегодня она подкреплена солидной экспериментальной базой. Природные колонии прокариот имеют аналог эндокринной сигнализации внутри сообщества (например, чувство кворума ), дифференциацию клеток на специализированные подвиды, а также сложные паттерны коллективного поведения (совместная охота, коллективное переваривание добычи, коллективная устойчивость к антибиотикам и т.п.). Аутофагия как характеристика дифференцированных сообществ вполне может стать еще одним пунктом в этом списке.

Если бактериальная колония - это единая биосистема, то элементом ее будет служить единичная бактерия. Аналогично эукариотической органелле, прокариотическая клетка может рассматриваться как простейший элемент бактериального сообщества, окаймленный мембраной (и клеточной стенкой). Такое предположение ведет к интересному выводу: аутофагию нужно искать не внутри бактериальной клетки, а внутри бактериальной колонии. Действительно, «аутофагические» процессы хорошо известны у прокариотических колоний, правда под другими названиями - бактериальный каннибализм, бактериальный альтруизм, аутолиз или запрограммированная клеточная смерть . Бактериальный каннибализм впервые был описан как ответ бактериальной колонии на нехватку питательных веществ (см. врезку). Биологический механизм, запускающий аутофагию в этом случае, обнаружен у многих видов бактерий - это так называемая токсин-антитоксиновая система . Суть ее состоит в том, что при голодании колония лизирует («переваривает») часть своих клеток для того, чтобы остальные бактерии получили достаточно пищи для выживания. Таким образом колония переживает нехватку ресурсов или внешние неблагоприятные условия.

«Аутофагия» у бактерий

Типичные аутофагические модели описаны на молекулярном уровне у многих бактерий. Например, при нехватке пищи часть бактерий в колонии выделяет в окружающую среду токсин. При этом только некоторые из них способны производить молекулу антитоксина - белка, который обезвреживает токсин при его попадании в клетку. Такие клетки выживают и поглощают остальные, погибшие и лизированные под действием токсина. Это дает оставшимся в живых энергию, необходимую для споруляции , . Подобные процессы обнаружены у многих видов бактерий.

Для простоты описания мы введем термин протофагия как собирательный синоним процессов бактериального каннибализма, альтруизма, аутолиза и запрограммированной клеточной смерти . Прокариотическое сообщество представляет собой целостную биосистему, которая в случае необходимости перерабатывает часть себя для поддержания стабильности. При протофагии аутофагосомой (мембранной везикулы с продуктами деградации) служит сама прокариотическая клетка. Протофагия во многом схожа с аутофагией у эукариот (рис. 1):

• оба процесса оперируют «везикулами» аналогичного размера (размер бактерии примерно равен размеру митохондрии или пероксисомы);
• и про-, и аутофагия активируются подобными сигналами (голодание или стресс);
• оба процесса осуществляются по одному и тому же принципу (регулируемое потребление биосистемой своей части);
• оба процесса служат общей цели (выживание биосистемы в условиях стресса и поддержание ее гомеостаза).

Рисунок 1. Принципиальная похожесть протофагии и аутофагии.

Как и эукариотическая аутофагия, протофагия используется не только для получения пищи. Например, протофагия служит патогенным бактериям для инвазии организма-хозяина (рис. 2). Известно, что микрофлора хозяина (симбионты) может эффективно сдерживать рост патогенных микроорганизмов. С целью подавления конкуренции некоторые патогенные бактерии с помощью протофагии активируют антибактериальный иммунный ответ организма-хозяина. Для этого часть патогенной популяции индуцированно самолизируется, высвобождая токсины, что вызывает локальное воспаление. В итоге иммунная система организма уничтожает большу ю часть бактерий-симбионтов, в то время как патогенные бактерии избегают обнаружения и после окончания воспалительной реакции беспрепятственно размножаются в тканях хозяина . Интересно, что в отсутствие симбионтной микрофлоры (например, при экспериментальном заражении специальных линий стерильных мышей) такие патогенные бактерии заселяют кишечник без индукции воспаления. Это говорит о том, что протофагия тут является специфическим механизмом выживания патогенных организмов, который активируется только при неблагоприятных условиях.

Рисунок 2. Аналогичная роль протофагии и аутофагии в активации иммунного ответа.

Что дает нам концепция протофагии

Введенное понятие протофагии интересно не только как голая теория, но может быть полезно и на практике. Например, в биотехнологии сегодня широко используют бактерии, и манипуляция процессами протофагии может подсказать способ поддержания стабильности бактериальной культуры в промышленных масштабах. Так, активаторы протофагии должны повысить качество культур путем активации естественных механизмов устранения ослабленных и поврежденных микроорганизмов.

Другой важной областью применения протофагии может стать медицина. На сегодняшний день резистентность бактерий к антибиотикам является одной из ключевых фармакологических проблем. Вместо того, чтобы убивать отдельные бактериальные клетки (как это делают сегодня с помощью антибиотиков), можно сконцентрироваться на дезорганизации бактериальных сообществ как единого целого. Такие методы уже разрабатываются - это, например, блокаторы бактериального «чувства кворума», которые нацелены именно на нарушение межклеточной сигнализации в бактериальных колониях, чтобы сделать их уязвимыми для иммунной системы человека , . И хотя эта тема только развивается, и вопросов пока больше чем ответов, общий вектор работ показывает, что нарушение коммуникации между отдельными бактериями имеет все шансы стать терапией завтрашнего дня. В этом контексте активаторы протофагии помогут разрушить защитные барьеры бактериальной колонии и сделать ее уязвимой для иммунной системы организма хозяина.

Послесловие

Главный вопрос, который может возникнуть после прочтения этой статьи - а так ли необходимо введение нового термина - протофагия - для описания хорошо известных фактов? На наш взгляд, расширение понятия аутофагии и введение термина «протофагия» необходимо и полезно.

Биосфера в определенном смысле напоминает фрактал, где каждый последующий уровень повторяет предыдущий. Аналогичные процессы похожи между собой не только внешне - все они имеют сходные причины и принципы регуляции. Понятие протофагии, объединяющее разрозненные процессы прокариот вместе, позволяет обобщить и лучше понять глубинные механизмы, регулирующие жизнь прокариотических колоний. Это дает несомненные выгоды для биотехнологии и медицины завтрашнего дня.

Приживется ли термин «протофагия» и найдут ли его полезным другие ученые - покажет время. То, что нам показалось важным, мы изложили в статье, вышедшей в журнале Autophagy . Если микробиологи воспримут эти обобщения и найдут их полезными для себя - нам будет очень приятно. Если же цитируемость нашей статьи не будет бить рекордов - значит, мы ударились в средневековую схоластику и переоценили значимость собственных измышлений. В любом случае, представить данную работу на суд почтенной публике стоило - ведь протофагия является частным случаем аутофагии в бактериальном мире и следует тем же законам, что и остальные ее проявления - будь то аутофагия в эукариотической клетке, трофические цепи в биосфере или голодание по модной методике перед пляжным сезоном, который, кстати, уже на носу.

Написано по материалам оригинального эссе в Autophagy .

Литература

1. Daniel J. Klionsky, Fabio C. Abdalla, Hagai Abeliovich, Robert T. Abraham, Abraham Acevedo-Arozena, et. al.. (2012). Guidelines for the use and interpretation of assays for monitoring autophagy . »;
2. K. Lewis. (2000). Programmed Death in Bacteria . Microbiology and Molecular Biology Reviews . 64 , 503-514;
3. Bärbel Stecher, Riccardo Robbiani, Alan W Walker, Astrid M Westendorf, Manja Barthel, et. al.. (2007). Salmonella enterica Serovar Typhimurium Exploits Inflammation to Compete with the Intestinal Microbiota . PLoS Biol . 5 , e244;
4. Morten Hentzer, Michael Givskov. (2003). Pharmacological inhibition of quorum sensing for the treatment of chronic bacterial infections . J. Clin. Invest. . 112 , 1300-1307;
5. Маркина Н. (2010). «Биологи научились командовать бактериями ». INFOX.ru ;
6. Petro Starokadomskyy, Kostyantyn V. Dmytruk. (2013). A bird’s-eye view of autophagy . Autophagy . 9 , 1121-1126.

Хотя есть много различных способов, чтобы помочь вашему организму избавиться от накопленных токсинов, начиная от продуктов, способствующих детоксикации, и химических и/или натуральных детокс-агентов для саун, биологический процесс, известный как аутофагия играет ключевую роль. Термин аутофагия означает “самопоедание” и относится к процессам, с помощью которых ваше тело очищается от различного мусора, в том числе от токсинов и регенерирует поврежденные клеточные компоненты.

Если попробовать объяснить на понятном для неспециалистов языке: “Ваши клетки создают оболочки, которые охотятся за кусочками мертвых, больных или изношенных клеток; пожирают их; зачищают их; и используют полученные молекулы для своей энергии или производства новых клеточных частей .”

Доктор Колин Чемпион, радиационный онколог и помощник профессора в Университете Питтсбурга объясняет это таким образом: “Подумать только, наши тела обладают врожденной программой утилизации. Аутофагия делает нас более эффективными машинами, чтобы избавиться от дефектных частей, остановить раковые новообразования и остановить метаболические нарушения такие, как ожирение и диабет .”

За счет усиления в вашем организме процесса аутофагии, вы ослабляете воспаление, замедляете процесс старения и оптимизируете биологические функции. “Больше аутофагии, происходящей в тканях, должно означать меньшее количество поврежденных и ослабленных клеток в любой момент времени, что в свою очередь должно привести к более продолжительной жизни организма ».

СХЕМАТИЧНАЯ МОДЕЛЬ АУТОФАГИИ

Стимулирование аутофагии с помощью физических упражнений
Аутофагия возникает в ответ на стресс . И, на самом деле, физические упражнения – это один из способов, с помощью которого вы повысите уровень аутофагии. Как вы, наверное, знаете, физическая нагрузка создает мягкое повреждение мышц и тканей, что заставляет ваш организм потом заняться ремонтом, и тем самым делая ваше тело сильнее. Физические упражнения также помогают избавиться от токсинов путем потоотделения, что полезно для любой программы детоксикации. На самом деле, многие исследователи считают физическую нагрузку основополагающим аспектом эффективной детоксикации.

Доктор Джордж U., например, который принимал участие в клинических испытаниях, чтобы помочь организму бывших военнослужащих армии США выйти из состояния пост-военного синдрома войны в Персидском заливе, рекомендует использовать сочетание упражнений, сауны и добавок с ниацином, чтобы увеличить выведение токсинов через кожу .

Физические упражнения являются важным компонентом, поскольку они также вызывают расширение кровеносных сосудов и усиление кровотока. Помимо этого, как отмечается в одной статье: “Группа ученых изучала autophagosomes, структуры, которые образуются вокруг кусочков клеток, которые организм решил утилизировать. После исследования специально выращенных мышей, которые имели светящиеся зеленые autophagosomes ... ученые обнаружили, что скорость, с которой мыши были способны разрушать свои собственные клетки, резко возросла после того, как они побегали более 30 минут на беговой дорожке. И эта эффективность разрушения продолжала расти до тех пор, пока они бегали примерно 80 минут ”.

Сколько физических упражнений нужно делать для оптимизации аутофагии?
Количество упражнений, необходимых для стимуляции аутофагии в организме человека до сих пор неизвестно, однако считается, что интенсивные упражнения более эффективны, чем легкие упражнения, которые, безусловно, также полезны.

Тем не менее, некоторые исследования показали, что идеальной зоной, в которой физические упражнения показывают наибольшую выгоду для увеличения длительности жизни, колеблются от 150 до 450 минут умеренных физических упражнений в неделю , что снижает риск ранней смерти на 31% и 39% соответственно. Включение, как минимум, в 30 % тренировки упражнений с высокой интенсивностью, также показало увеличение продолжительности жизни приблизительно на 13% больше по сравнению с упражнения, которые проводились в стабильно умеренном темпе все время тренировки.

Как можно тормозить аутофагию
Один из самых быстрых способов затормозить аутофагию - съесть большое количество белка. Это будет стимулировать выработку инсулиноподобного фактора роста IGF-1 и активизирует путь mTOR , которые являются сильными ингибиторами аутофагии. Именно поэтому лучше ограничить употребление белка примерно 40-70 граммами в сутки , в зависимости от вашей мышечной массы тела. Лучшая формула - один грамм белка на каждый килограмм мышечной массы тела (не общей массы тела).

Значительное количество белка можно найти в мясе, рыбе, яйца[, молочных продуктах, бобовых, орехах и семенах. Некоторые овощи также содержат большое количество белка, например, брокколи. Сорок граммов белка - это не большое количество пищи, что составляет примерно 170 гр. куриной грудки. Чтобы определить, получаете ли вы слишком много белковых продуктов, просто определите вес мышц в вашем теле (есть напольные весы с такой функцией) и запишите все, что вы едите в течение нескольких дней. Затем рассчитайте количество ежедневного белка, потребляемого из всех источников, по отношению к килограмму вашей мышечной массы.

Следующая таблица коротко показывает сколько белка содержится в различных продуктах питания .

СОДЕРЖАНИЕ БЕЛКА В НЕКОТОРЫХ ПРОДУКТАХ

Важность митохондриального биогенеза
Здоровые митохондрии являются основой сохранения вашего здоровья и профилактики заболеваний. Митохондриальные повреждения могут вызвать генетические мутации, которые способствуют развитию рака , поэтому оптимизация здоровья ваших митохондрий, является ключевым компонентом профилактики рака.

Аутофагия – это один из способов удаления поврежденных митохондрий, а биогенез – это процесс, посредством которого новые здоровые митохондрии могут быть продублированы.
Интересно, что физические упражнения играют двоякую роль, поскольку не только стимулируют процессы аутофагии, но также являются одним из самых мощных стимуляторов биогенеза митохондрий. Это происходит за счет увеличения сигнала в вашем теле, называемого AMPK , который в свою очередь активирует Peroxisome proliferator-activated receptor gamma coactivator 1-alpha (PGC-1α) .

Стимулируя свои митохондрии - органеллы, находящиеся почти в каждой клетке, вырабатывающие АТФ, вы позволяете митохондриям начать создавать активные формы кислорода (АФК), которые действуют как сигнальные молекулы. Одна из функций этого сигнала – стимулировать производство большего числа митохондрий. По сути, ключом к предотвращению болезни, что практически исключает риск развития рака, болезней сердца, диабета, многих других заболеваний и замедление процессов старения, является оптимизация функций митохондрий и увеличение числа этих митохондрий . К счастью, физические упражнения помогают вам сделать эти два полезных дела.

МИТОХОНДРИЯ

Периодическое голодание - еще один способ повысить уровень аутофагии
Ограничение питания - это другой биологический стрессор, который производит много полезных результатов, в том числе усиливает аутофагию. На самом деле, известны некоторые преимущества, связанные с ограничением в питании: снижение риска развития диабета и сердечных заболеваний.

Хотя существует много разных видов графиков голодания, если вы уже имеете инсулинорезистентность (сопротивление клеток инсулину в поглощении сахара), доктор Меркола (США) рекомендует каждый день планировать свой прием пищи в промежутке (окне) времени около 8 часов или менее. Например, вы можете ограничить свое питание с 11 утра и до 7 вечера. Это составляет примерно 16 часов нахождения без пищи.

Питание между 8-ми часами утра и 4-мя часами вечера может быть гораздо лучшим графиком для некоторых людей, и этот график имеет дополнительное преимущество, потому что позволяет поститься в течение нескольких часов перед сном. Доктор Меркола убежден, что это лучший выбор для большинства людей, чтобы не есть за три часа перед сном, так как последнее, что вы должны делать -это производить энергию, когда она вам не нужна.

Существуют убедительные доказательства, показывающие, что при поставке топлива для ваших митохондрий в то время, когда они не нуждаются в нем, приводит к утечке большого количества электронов, которые высвобождают активные формы кислорода, действуя как свободные радикалы. Эти свободные радикалы повреждают митохондриальную, и в конечном счете, ядерную ДНК. Необходимо стремиться к голоданию в течение шести часов перед сном, но если говорить о минимуме, то не стоит есть, по крайней мере, три часа до сна .

Чтобы повысить уровень аутофагии, необходимо кушать пищу с высоким содержанием полезных жиров и с низким содержанием углеводов
Пищевой кетогенез - это третья стратегия, которая поможет повысить уровень аутофагии, и чтобы достигнуть этого, вы должны сократить количество углеводов, не содержащих полезных пищевых волокон, и увеличить количество здоровых жиров в вашем рационе, наряду с умеренным количеством белка. Многие россияне, как правило, едят гораздо больше белка, чем им необходимо, что будет противодействовать вашим усилиям попасть в пищевой кетогенез.

Большинство жителей городов потребляют вредные жиры, в виде обработанных растительных масел, которые неизменно будут ухудшать ваше здоровье. Это не только связано с очень высоким содержанием Омега-6 жирных кислот, но и с тем, что избыток Омега-6 будет интегрироваться во внутреннюю митохондриальную мембрану и митохондрии становятся крайне восприимчивы к окислительному повреждению, в результате чего ваши митохондрии могут умереть гораздо раньше, чем положено.
Лучше держать потребление Омега-6 жирных кислот на уровне от 4 до 5 процентов от общего количества ежедневных калорий, а остальную часть Омега-6 жирных кислот заменить на более здоровые жиры, такие как натуральные, необработанные жиры в семенах, орехах, масле из оливок, масле из авокадо или кокосовом масле.

Важно также различать углеводы, поэтому, когда мы говорим об низкоуглеводной пище, то речь идет о всех продуктах, включая и овощи. Однако, углеводы из клетчатки овощей не подтолкнут ваш метаболизм в неправильном направлении. Из этого следует, что под ограничение попадают легкоусвояемые углеводы из сахара, сладких напитков, обработанных круп (хлопья), макарон, хлеба и печенья.
Еще важнее то, что волокна не расщепляются на сахара, но проходят вниз по пищеварительной системе, а затем потребляются бактериями в вашем кишечнике, и преобразуются в короткоцепочечные жиры, которые действительно улучшают ваше здоровье. Помните, вам нужны углеводы, находящиеся в овощах, которые также содержат большое количество клетчатки.

Восстанавливая функции аутофагии, вы помогаете мышечным стволовым клеткам
Давно известно, что мезенхимальные стволовые клетки (МСК), расположенные в скелетных мышцах, являются важной частью процесс ремонта мышц. Предыдущие исследования показали, что физические упражнения влияют на поведение ваших мышечных стволовых клеток, и могут помочь предотвратить или даже восстановить возрастные потери мышечной массы. МСК в мышцах очень отзывчивы к механическим напряжениям, и эти стволовые клетки накапливаются в мышцах после тренировок.

А пока МСК, не напрямую, способствуют созданию новых мышечных волокон, увеличивая выработку факторов роста, которые стимулируют другие клетки для создания новых мышц. Известно также, что у людей с возрастом в мышцах сокращается количество МСК, и, что снижается эффективность аутофагии. Как следствие, токсические вещества начинают накапливаться в клетках и тканях.

Недавнее испанское исследование сообщает, что сателлитные клетки для МСК ответственны за регенерацию тканей и полагаются на аутофагию, чтобы предотвратить арест клеточного цикла, известный как клеточное старение; процесс, в котором активность стволовых клеток значительно снижается. Короче говоря, улучшение регенерации мышечной ткани, может быть достигнуто с помощью роста эффективности и уровня аутофании. С ростом эффективности аутофагии ваши тела улучшают внутренний механизм самоочищения, когда стволовые клетки сохраняют способность поддерживать и восстанавливать свои ткани.

Ваш образ жизни определяет вашу дальнейшую судьбу в плане того, как долго вы будете жить и, в конечном счете, сколько здоровых лет будет у вас . Для оптимального здоровья и профилактики заболеваний, вам необходимы здоровые и эффективные митохондрии, что позволяет достичь три ключевых фактора образа жизни:
1. То, что вы едите : диета с высоким содержанием качественных жиров, умеренным содержанием белка, и низким содержанием углеводов без пищевых волокон. Использование в питании экологических, органических растений тоже важно, так как широко используемые пестициды, такие как глифосат, вызывают повреждения митохондрий
2. Когда вы едите : ежедневному периодическому голоданию, как правило, легче всего придерживаться, но вы можете запланировать и любой другой пост.
3. Физические упражнения с 30% временным интервалом высокой интенсивности – наиболее эффективны в плане здоровья и долголетия

© ПОТАПНЕВ М.П., 2014 УДК 612.014.3.017.1

Потапнев М.П.

АУТОФАГИЯ, АПОПТОЗ, НЕКРОЗ КЛЕТОК И ИММУННОЕ РАСПОЗНАВАНИЕ

своего и чужого

Белорусский государственный медицинский университет Минздрава Республики Беларусь, 220116, Минск

В обзоре литературы представлены данные о роли основных типов клеточной смерти для формирования иммунного ответа на патогены и собственные антигены. Рассмотрены основные механизмы аутофагии, апоптоза и некроза клеток, значение образующихся клеточных продуктов для индукции иммунного ответа. Отмечена роль аутофагии как клеточной автономной системы защиты от патогенов и клеточного стресса. Определена ведущая роль апоптоза, апоптозассоциированных молекулярных образов (паттернов) в индукции иммунологической толерантности. Подчеркнуто решающее значение некроза и продуктов повреждения собственных клеток в индукции воспалительной реакции макроорганизма и эффективного иммунного ответа на собственные антигены, патогены и молекулярные образы (паттерны) патогенов. Обсуждено взаимодействие различных типов клеточной смерти при патологических состояниях.

Ключевые слова: аутофагия; апоптоз; некроз; клеточная смерть; патогены; воспаление; иммунный ответ. Potapnev M.P.

AUTOPHAGY, APOPTOSIS, NECROSIS AND IMMUNE RECOGNITION OF SELF AND NONSELF

Belarusian State Medical University, Ministry of Public Health, 220116, Minsk, Belarus

The review of literature discusses the role of most essential types of cell death (autophagy, apoptosis, necrosis) for induction of immune response to pathogens and self antigens. The main mechanisms of cell death and biological characteristics of cellular products, released during autophagy, apoptosis, necrosis were reported. The role of autophagy as cellular self-defense system against pathogens and cellular stress was underlined. The receptor-ligand interaction for induction of immune tolerance by apoptotic cells and the role of apoptotic cell-associated molecular patterns (ACAMPs) and dendritic cells were described. Brief description of mechanisms of necrotic cell-induced inflammation and immune response as well as leading role of damage-associated molecular patterns/ DAMPs were done. Interaction of DAMPs and pathogen-associated molecular patterns/PAMPs in induction of host defense against pathogens was described. It was concluded that differential type of cell death may be occurred depending on strength of danger signal affecting cells and their function.

Key words: autophagy; apoptosis; necrosis; cell death; pathogens; inflammation; immune response.

Считается, что основной принцип действия иммунной системы заключается в распознавании чужого или измененного своего и его последующем удалении. Классическим примером иммунного распознавания чужого являются реакции врожденного и приобретенного иммунитета против микроорганизмов (бактерий, вирусов). Иммунное распознавание измененного своего ассоциировано с аутоиммунными заболеваниями. С развитием представлений о (за)программированной клеточной смерти (ПКС) стала важной оценка связи иммунитета с поддержанием клеточного гомеостаза в макроорганизме . Всякие изменения клеток в процессе роста и дифференцировки, старения, естественного отмирания, метаболической дисфункции, стресса, воздействия патологического процесса (инфекция, стерильное воспаление) должны рассматриваться иммунной системой как нарушения клеточного гомеостаза. Оценке роли ПКС в запуске иммунных реакций посвящен настоящий обзор.

На основании морфологических и биохимических критериев выделяют три основных типа ПКС: апоптоз (ПКС I типа), аутофагия (ПКС II типа) и некроз (ПКС III типа) . ПКС типов I и II имеют определенные генетически механиз-

Потапнев Михаил Петрович (Potapnev Michael Petrovich), email:[email protected]

мы реализации, поэтому называются активными. ПКС III типа (первичный некроз в результате внешнего повреждения) является неуправляемым, поэтому называется пассивным. Дополнительно выделяют вторичный некроз как конечный результат апоптоза , управляемый некроз (некроптоз) и другие пути гибели клеток . Перечень известных (13) типов клеточной смерти регламентирован Номенклатурным комитетом . Характеристика трех основных типов ПКС представлена в таблице.

Внимание иммунологов к клеточной смерти определяется тем, что не только инфекционные антигены и молекулярные образы (паттерны) патогенов (pathogen-associated molecular patterns - PAMPs), отличающие его от макроорганизма , но и продукты повреждения собственных клеток (damage-associated molecular patterns - DAMPs) вызывают воспаление и иммунный ответ . P. Matzinger подчеркнула, что для иммунной системы важно распознавание и ответ на сигналы опасности, образующиеся в результате повреждения тканей (клеток), а не выяснение различий между своим и чужим.

Аутофагия

Аутофагия - процесс прижизненной утилизации (деградации с помощью лизосом) измененного метаболитами содержимого цитоплазмы для поддержания клеточного и энергетического гомеостаза . Аутофагию рассматривают

ИММУНОЛОГИЯ № 2, 2014

Основные типы клеточной смерти

Характеры- Тип клеточной смерти

стика аутофагия апоптоз некроз

Назначение Деградация и внутриклеточная утилизация поврежденных органелл и белков без вреда для клетки. В случае избыточной деградации -клеточная смерть Деградация отмирающих клеток без воспалительного и иммунного ответа организма Ограничение очага нежизнеспособной ткани путем воспаления и иммунного ответа на токсические и угрожающие организму воздействия

Морфология клеток Вакуолизация цитоплазмы клетки Конденсация и уплотнение клетки, конденсация хроматина, фрагментация ядра, образование апоптоти-ческих телец Набухание органелл с последующим разрывом внутренних и внешних мембран. Набухание и последующий лизис клеток

Механизм действия Последовательное образование в цитоплазме фагофоры, аутофагосомы, аутолизосомы или шаперонопосредованное слияние с лизосомами Каспаззависимый (рецепторный) или митохондриально-зависимый пути деградации ДНК Неконтролируемое повреждение клетки или рецепторзависимый (RAGE, TLRs, CD91 и др.) путь разрушения клетки

Ыаркер LC3-II, ULK 1, ATG12, ATG4, GABARAP ДНК фрагменты 50 kbp, ФС внешней мембраны, FAS, CASP 3, APAF1 ЛДГ, HBGH1, S100-белки, АТФ, HSP90

Участие фагоцитоза Отсутствует Присутствует Присутствует

как преимущественно «запрограммированное выживание клетки» . Стресс вызывает аутофагию, а избыточная активность аутофагии ведет к клеточной смерти . Недостаточность аутофагии провоцирует накопление метаболитов, связанных со старением, дегенеративными процессами в нервной ткани и печени, аутоиммунные, легочные заболевания (особенно на фоне курения). Показана связь аутофагии с болезнью Крона, муковисцидозом, ожирением, сепсисом .

Основной тип аутофагии - макроаутофагия, включающая этапы инициации, нуклеации, элонгации и слияния (с лизосомой) . Измененные белки цитоплазмы (в результате стресса, недостатка энергетического обеспечения), поврежденные митохондрии, избыточный эндоплазматический ретикулум (ЭР), пероксисомы транслоцируются к мембранам органелл благодаря комплексированию с белками ULK 1/2, Atg13, Atg101, fIp-200. На мембранах органелл (ЭР, митохондрии, аппарат Гольджи) эти белки формируют комплекс I, включающий дополнительно белки Vps34, Beclin

I, Vps15, Atg14L. Вокруг комплекса I образуется внутренняя мембрана фагофоры. Формирование аутофагосомы (диаметром 0,3-1 мкм) с двойной мембраной требует участия LC3

II, образующегося в результате липолизации фосфатидилэ-таноламином цитозольного белка LC3, и комплекса белков Atg5-Atg12/Atg16L1. Последующее созревание аутофагосомы в аутофаголизосому осуществляется путем слияния с лизосомами с помощью комплекса белков II, включающего Vps34, Beclin 1, UVRAG . В аутофаголизосоме осуществляется деградация измененных белков под действием гидролаз и высвобождение в цитоплазму питательных и энергоемких субстанций . Кроме макроаутофагии выделяют микроаутофагию (когда захват содержимого цитоплазмы осуществляется путем инвагинации мембраны лизо-сом) и шаперонопосредованную аутофагию (когда доставка цитоплазматического материала в лизосомы осуществляется с помощью белков-шаперонов) .

В связи с наличием в цитоплазме клетки измененных своих и чужеродных макромолекул процесс аутофагии, являясь метаболическим, выступает еще как механизм распознавания и утилизации внутриклеточных микроорганизмов (вирусы, бактерии, простейшие), несущих PAMPs . Проникновение в цитоплазму микроорганизмов и их продуктов запускает механизмы аутофагии в качестве клеточной автономной защитной системы-cell-autonomous defense system. Разделение цитоплазмы клетки на отдельные, ограниченные (эндо)мембранами участки и органеллы (т. е. компартментализация) предполагает наличие в каждом их них своего набора рецепторов, распознающих чужеродные PAMPs и измененные собственные DAMPs. Это создает многоступенчатую систему защиты от патогенов, проник-

ших внутрь клетки. На каждом этапе продвижения патогена в клетке происходит распознавание ДНК, агрегированных собственных белков, комплекса микробов и сывороточных белков. Патоген сталкивается с различными ферментами; NO и H2O2; наличием или недостатком питательных веществ . Микробы активируют рецепторы на эндомембранах цитоплазмы, что ведет к формированию инфламмасомы, продукции интерлейкина (ИЛ)-1р и ИЛ-18 . Попадание патогена в аутофаголизосомы резко изменяет условия его существования за счет действия рН, гидролаз, супероксидных анионов. При этом возможны персистенция патогена (длительная для M. tuberculosis, короткая для других бактерий) в аутофагосомах либо разрушение патогена в аутофаголизо-сомах . Toll-like receptors (TLRs) распознают попавшие в цитоплазму макрофагов бактериальный липополисахарид (ЛПС), вирусную однонитчатую рибонуклеиновую кислоту (онРНК), другие полимерные нуклеиновые кислоты. При аутофагии в распознавании внутриклеточных патогенов (Str. pyogenes, M. tuberculosis, BCG, Salmonella, вирусы) участвуют TLRs, RLRs (retinoid acid inducible gene I-like receptors), NLRs (nucleotide oligomerization domain- like receptors) . TLR3, распознающий РНК вирусов, локализуется в эндосомах клетки; TLR7, TLR8, TLR9, распознающие РНК и ДНК вирусов и бактерий, CpG-мотивы нуклеиновых кислот микробного происхождения, - в эндолизосомах. RLRs, распознающие РНК вирусов, и NLRs, распознающие PAMPs (мурамил дипептид, токсины, кристаллы солей, другие компоненты) бактерий, вирусов, клеточные продукты химического воздействия и УФ-облучения, расположены в цитоплазме . Важной функций TLRs является обеспечение жесткого контроля за нормальной (комменсальной) микрофлорой кишечника .

PAMPs, распознаваемые TLR1, TLR2, TLR4, TLR5, TLR6, вызывают образование в инфламасоме цитокинов воспаления ИЛ-ф и ИЛ-18. PAMPs, распознаваемые TLR7, TLR9, стимулируют продукцию интерферона-а (ИФНа) и ИФНр, что способствует формированию Th1 иммунного ответа . Продукция ИЛ-1Р и ИЛ-18 защищает клетки от вируса гриппа и бактерий рода Shigella соответственно. А вызванный в результате активации инфламмасом пироптоз (гибель клеток с признаками апоптоза и некроза) губителен для сальмонелл, легионелл и других бактерий . Активация TLR4 разрушает связь Bcl-2 c белком Beclin 1, что ведет к образованию фагосомы из фагофоры . Активация TLRs индуцирует быстрый переход Lc3 из цитоплазмы в фагосому, активацию клетки, способствует созреванию фагосомы и слиянию ее с лизосомой . L. monocytogenesis в цитоплазме клетки распознают NLRs и TLR2, а S. flexneri распознают NLRs, что приводит к деградации микробов механизмами аутофагии с участием инфламмасом . При захвате

живых бактерий (в отличие от мертвых) в инфицированную клетку попадает микробная мРНК, которая создает дополнительный сигнал опасности (vita-PAMPs), активирующий инфламмасомы типа NLRP3 и TRIF-зависимую продукцию ИФНр . Таким образом, аутофагия выступает как механизм деградации микроорганизмов при их попадании в цитоплазму клетки и распознавании патогенассоциированными рецепторами.

Аутофагия участвует в презентации антигенов Т-клеткам. Образование протеосом, ассоциированных с ЭР, или ау-тофагосом создает благоприятные условия для контакта мембранно-связанных молекул MHC I или II классов с пептидами и последующей передачи их комплексов на внешнюю мембрану антигенпредставляющих клеток для индукции соответственно CD8- или CD4- зависимых Т-клеточных реакций . Белки аутофагии LC3 и GABARAP в аутофагосомах повышают в 20 раз сродство собственных и чужеродных пептидов к молекулам MHC II класса . Блокирование гена аутофагии Atg5 подавляет образование CD4+ Т-клеточного (Th1) ответа на вирус простого герпеса или ВИЧ-1, а также препятствует распознаванию В-клеток, инфицированных вирусом Эпштейна-Барр .

Аутофагия в тимическом эпителии является основой негативной селекции аутореактивных Т-клеток. Блок гена аутофагии Atg5 приводит к аутоиммунному CD4+ Т-клеточному пролиферативному заболеванию мышей и накоплению апоптотических CD4+ и CD8+ Т-клеток . Дефицит аутофагии в периферических Т-клетках вызывает ускоренную клеточную смерть наивных, но не Т-клеток памяти, что связывают с продукцией супероксидных анионов при активации наивных Т-клеток . Важной функцией аутофагии является изоляция поврежденных митохондрий, генерирующих супероксидные анионы, как источник стресса и повреждения (вплоть до гибели) самой клетки .

Аутоиммунный ответ при сахарном диабете и аутоиммунном гепатите вызывают аутоантигены GAD65 (глутамат декарбоксилаза 65) и SMA (мутантная к-легкая цепь иммуноглобулинов), которые подвергаются в цитоплазме шаперо-нопосредованной аутофагии с участием HSC70 и связанного с лизосомами мембранного белка LAMP-2A соответственно. После деградации в лизосомах они вместе с молекулам MHC II класса презентируются аутореактивным cD4+ Т-клеткам. Образование в аутофаголизосомах цитрулированных пептидов под действием пептидиларгинин деаминаз и формирование их комплексов с молекулами MHc II класса является основой аутоиммунного cD4+ Т-клеточного ответа при ревматоидном артрите - РА . В Т-клетках мышей линии MRL с лимфопролиферативным синдромом, аналогом системной красной волчанки (СКВ) человека, выявляется значительное количество аутофагосом в Т-клетках, что объясняют их длительным выживанием .

Продукция супероксидных анионов митохондриями макрофагов способствует переваривание бактерий в процессе аутофагии . Бактерии, распознаваемые NLRs, стимулируют аутофагию в фибробластах. В дендритных клетках (ДК) это приводит к представлению пептидов бактерий вместе с молекулами MHC II класса CD4+ T-клеткам . Важной защитной функцией аутофагии является способность снижать уровень собственных DAMPs в цитоплазме и сдерживать секрецию ИЛ-ф и ИЛ-18 в ответ на экзогенные источники DAMPs. Механизмы аутофагии обеспечивают деградацию инфламмасом - комплекса белков, превращающих прокаспазу-1 в каспазу-1, конвертирующую про- ИЛ-ф и про-ИЛ-18 в секретируемые активные цитокины . Блокировка гена аутофагии Atg16L1 приводит у мышей к повышенной продукции ИЛ-ф и ИЛ-18, воспалению, повышению уровня смертности при антигенной стимуляции декстран сульфатом .

Внеклеточные цитокины влияют на процессы аутофагии бактерий и их переваривание в фаголизосомах. Цитокины ТЫ-зависимого ответа ИФНу и фактор некроза опухолей а (ФНОа) стимулируют аутофагию. Цитокины №2-зависимого

ответа ИЛ-4 и ИЛ-13, наоборот, снижают образование фаго-лизосом и повышают внутриклеточное выживание M. tuberculosis . Дифференцировка Т-клеток в Th1 и Th2 in vitro характеризуется большим и меньшим образованием ауто-фагосом соответственно. Внутриклеточные инфекционные агенты (цитомегаловирус, ВИЧ, вирус герпеса простого I, вирус гриппа А, йерсинии, листерии, шигеллы, сальмонеллы, E. coli и др.) избегают иммунного ответа путем ослабления процесса аутофагии .

Аутофагия является физиологическим процессом самообновления клетки, которое при стрессовых воздействиях может привести к ее гибели . В то же время естественное отмирание клеток (у человека от 50 до 500 млрд клеток ежедневно) осуществляется преимущественно путем апоптоза .

Апоптоз. Апоптоз обеспечивает удаление отмирающих клеток посредством фагоцитоза без воспаления, губительного для макроорганизма, или сопровождает очаг воспаления для его ограничения и окончательного заживления . Формирование иммунной системы и созревание антигенспецифических Т- и В-лимфоцитов также сопровождается массовым апоптозом клеток . Апоптоз обеспечивает поддержание клеточного гомеостаза, стимуляцию клеточной регенерации, заживление ран. Апоптотические клетки (АК) утилизируются соседними клетками эпителия, эндотелия, фибробластами, макрофагами, ДК . При заболеваниях и переливании хранившейся донорской крови в периферической крови, лимфоузлах, костном мозге выявляются апоптотические тельца диаметром 0,2 мкм, образующиеся из АК. Выделяемые АК липидные медиаторы (лизофосфа-тидилхолин, сфингозин-1-фосфат), рибосомальный dRP S19, EMAP II эндотелиальных клеток, TyrRS синтетазу, тромбоспондин 1, растворимый рецептор к ИЛ-6, фракталкин (CX3-CR1L), нуклеотиды АТФ и УТФ привлекают фагоциты. При этом лактоферрин, выделяемый клетками слизистых и нейтрофилов при апоптозе, избирательно подавляет хемотаксис нейтрофилов, но не макрофагов . Поверхностная экспрессия фосфатидилсерина (ФС), других окисленных липидов и калретикулина является признаком ранних АК, распознаваемых рецепторами макрофагов (стабилин-2, CR3, рецепторы-мусорщики (scavenger receptors), CD91, CD31, TIM4, CD36, steroid receptor activator 1; TAM-рецепторы (Ty-ro2, Ax1, Mer); LRP-1). Молекулярные маркеры АК получили общее название apoptotic cell-associated molecular patterns (ACAMPs) . Макрофаги распознают апоптотические клетки посредством нескольких апоптозассоциированных рецепторов одновременно для быстрого удаления клеток на ранних этапах апоптоза. Экспрессия поверхностного CD31 (и/или CD47) на АК предотвращает их захват макрофагами . Важно, что рецепторы макрофагов, распознающие АК и апоптотические тельца, отличаются от рецепторов, распознающих PAMPs и DAMPs . Более того, активация рецепторов, различающих АК и апоптотические тельца, способствует подавлению распознавания макрофагами PAM-Ps инфекционных агентов через TLRs .

Распознавание АК и апоптотических телец облегчается участием сывороточных опсонинов Gas6, MFG-E8, P2GP1, аннексина I, С-реактивного белка (СРБ), пентраксина PTX-3, коллектинов, dq-компонента комплемента, сурфактантов SP-A и SP-D (в легочной ткани) и т. д. . При этом опсо-нин MFG-E8, участвующий в захвате АК макрофагами, одновременно подавляет фагоцитоз некротических клеток (НК) и их иммуногенность для ДК. C1q взаимодействует с ФС ранних АК, а коллектин маннозасвязывающий лектин (MBL) - с поздними АК. Калретикулин (в комплексе с CD91), пентрак-сины СРБ, SAP (компонент сывороточного амилоида Р); фи-колины взаимодействуют с поздними АК . Оценивая роль системы комплемента и естественных антител в клиренсе АК. Ряд авторов определили, что лизофосфатидилхо-лин, появляющийся (и частично секретируемый) на поверхности АК, является мишенью естественных антител - IgM, а также маннозасвязывающих белков, других коллектинов. Их взаимодействие в свою очередь приводит к связыванию

ИММУНОЛОГИЯ № 2, 2014

с C1q, C3b/bi. В результате АК фагоцитируются без активации выброса макрофагами провоспалительных цитокинов. Аутоиммунные реакции с участием антикардиолипиновых антител класса G, наоборот, протекают с участием комплемента и аутоантител к фосфолипидам мембран поздних АК . Важно, что апоптотические тельца на ранних этапах апоптоза покрыты элементами ФС-содержащей внешней мембраны клеток, а на поздних этапах - элементами эндоплазматических мембран. И если антигенная презентация ранних апоптотических телец вызывает образование иммунорегуляторных Т-клеток (Treg), то контакт поздних апопто-тических телец с ДК вызывает образование ТЫ7-клеток . Апоптотические нейтрофилы (и внешние мембраны лизированных нейтрофилов) вызывают продукцию трансформирующего ростового фактора в (ТРФр) макрофагами, а внутреннее содержимое лизированных нейтрофилов - образование ИЛ-8, ФНОа, хемокина MIP-2 . В очаге воспаления сами нейтрофилы проявляют «каннибализм», фагоцитируя апоптотические нейтрофилы (например, индуцированные УФ-облучением). Этому способствуют дополнительная активация TLRs эффекторных нейтрофилов и цитокины ФНОа и гранулоцитарно-макрофагальный колониестимулирующий фактор (ГМ-КСФ), но не ИЛ-1-р, ИЛ-6, ИЛ-8, ИЛ-12, ИЛ-17 . В очаге воспаления макрофаги являются основными фагоцитами АК . Это не приводит к продукции провоспалительных цитокинов (ИЛ-1р, ФНОа, ИЛ-6, ИЛ-12), но вызывает образование иммуносупрессорных ИЛ-10, ТРФр, простагландина Е2 (ПГЕ2) . Формируется иммунная толерантность к антигенам АК и одновременно к другим антигенам, включая PAMPs микроорганизмов, которая опосредуется СЭ8а+ДК. ДК, стимулированные АК, представляют антиген(ы) только CD8+ Т-клеткам, а ДК, стимулированные НК, представляют антиген(ы) CD4+ и CD8+ Т-клеткам . Иммуносупрессия, развивающаяся в результате массового образования АК и их захвата макрофагами, лежит в основе лечебного действия экстракорпорального фотофереза у пациентов с хроническими воспалительными заболеваниями .

Длительно протекающий процесс апоптоза в очаге воспаления может привести к формированию фиброза, что связывают со способностью макрофагов, фагоцитировавших АК, секретировать ТРФр и другие ростовые факторы . В то же время подавление воспаления, усиление репаративных процессов при фагоцитозе АК приводит при наличии генетической предрасположенности к аутоиммунным заболеваниям (СКВ, хроническое обструктивное заболевание легких) . В норме В1-подобные клетки с фенотипом CD43+CD27-IgM+ или cD24++cD38++cD27- IgM+ являются основным источником естественных антител к поверхностным молекулам АК . Значительное количество АК в герминативных центрах лимфоузлов у пациентов с СКВ обеспечивает длительное выживание и костимуляцию аутореактивных В-клеток, активированных однониточной ДНК, нуклеосомами, другими клеточными антигенами. Это связано с Oq-зависимым генетическим дефектом быстрого клиренса ранних АК и накоплением поздних АК с признаками вторичного некроза . Образующиеся низкоаффинные антитела класса IgM взаимодействуют с клетками, находящимися на ранних стадиях апоптоза, а высокоаффинные антитела класса IgG - с клетками, находящимися на поздних стадиях апоптоза. Плазмацитоидные ДК и активация ДНК-связывающих TLR9 В-клеток обеспечивает Т-независимое образовании аутоантител. Индуцируемая АК продукция иммуносупрессорного ИЛ-10 значительно снижена при стимуляции В-клеток иммунными комплексами, включающими хроматин, или апоптотическими тельцами, образующимися на поздних этапах апоптоза .

Элиминация АК осуществляется в основном на ранних этапах апоптоза, когда экспрессия на внешней мембране ФС и калретикулина сигнализирует об «измененном своем» . Ранние этапы апоптоза обратимы, их продление обеспечивает фагоцитоз большинства АК и формирование толерантности иммунной системы . Переход клеток на поздние этапы

апоптоза характеризуется снижением уровня гликозилирова-ния поверхностных молекул, фрагментаций ядерной ДНК и признаками вторичного некроза, вызывающего воспаление и иммунный ответ .

Основными путями запуска апоптоза клеток являются рецепторный (extrinsic), обусловленный внешним воздействием, или стрессиндуцированный (intrinsic), связанный с внутренним воздействием. Рецепторный путь запуска апоптоза клетки опосредован рецепторами смерти (death receptors), включающими Fas, TNFR (рецептор I типа к ФНОа), TRAIL, Apo2/Apo3. Активация каспаз является ключевой для апоптоза и последовательность их включения достаточно описана в литературе . Стрессиндуцированный (митохондриальный) путь апоптоза связан с высвобождением цитохрома С из митохондрий и регулируется белками семейства Bcl2. Каспаззависимая активация и повышение уровня супероксидных анионов (преимущественно за счет повреждения митохондрий) определяют иммуносупрессорное действие АК. Толерогенное действие АК, считается, опосредуется Heg-клетками, вызывающими TRAIL-индуцированную гибель CD4+ Т-клеток-хелперов [ 52]. Оба пути апоптоза приводят к поверхностной экспрессии ФС, фрагментации ДНК ядра, образованию апоптотических телец и их быстрому фагоцитозу. Это предотвращает иммунный ответ на отмирающую клетку, продукцию макрофагами цитокинов воспаления, презентацию ДК клеточных антигенов.

При инфицировании клетки проявляют признаки раннего апоптоза (экспрессия на клеточных мембранах ФС, начало фрагментации ДНК) и NF-кБ-зависимого пути клеточной активации. Одновременно клетки сдерживают репликацию патогенов без образования DAMPs, свойственных некротическим клеткам . Дефекты звеньев апоптоза (преимущественно митохондриальнозависимого пути активации), или запоздалый запуск апоптоза приводят к распространению инфекции (вызванной Legionella pneumonia, Pseudomonas aeroginosa, Helicobacter pylori), сепсису . Многие вирусы содержат ингибиторы каспаз, а Chlamydiae и Coxiella burnetii блокируют выход цитохрома c из митохондрий и апоптоз клетки, что обеспечивает жизненный цикл патогена на ранних этапах инфекции . Захват АК, содержащих бактерии, вызывает созревание ДК, воспаление, полноценный (Th17) иммунный ответ, при захвате неинфицированных АК признаки созревания ДК и воспаления отсутствуют, формируется иммуносупрессия . Стратегия ограниченной репликации патогена в АК выгодна отсутствием сильного иммунного ответа на некроз клеток и массовый выброс бактерий во внеклеточное пространство .

Некроз. Клетки, отмирающие в результате травмы, дегенеративных процессов, воздействия патогена, эффективно утилизируются путем некроза. Некроз демаркирует нежизнеспособную ткань, подлежащую уничтожению и последующему восстановлению . Некроз клеток всегда сопровождается воспалением и ведет к выраженному иммунному ответу и последующей репарации тканей . НК характеризуются разрушением внешней клеточной мембраны и поступлением во внеклеточное пространство скрытых внутриклеточных молекул (см. таблицу), что вызывает токсическую реакцию окружающих здоровых клеток и иммунный ответ . Первичный некроз клеток не зависит от действия каспаз и является прямым результатом внешнего травматического повреждения или запрограммированных генетически событий, связанных с повреждением белка митохондриального матрикса циклофилина Д; воздействием на рецепторы смерти или TLR3/TLR4 и рецепторнезависимым повреждением ДНК . Оксидативный стресс клетки, активные формы кислорода являются индукторами (управляемого) некроза . Вторичный некроз - это конечный результат позднего апоптоза, часто он лежит в основе аутоиммунной патологии (СКВ и другие).

НК фагоцитируются путем макропиноцитоза после исчезновения поверхностных CD31- и СЭ47-молекул, блокирующих фагоцитоз. НК в отличие от АК вызывают созревание ДК

и (Th1) иммунный ответ . НК выделяют внутриклеточные молекулы, провоцирующие воспаление и иммунную реакцию, поэтому они названы аларминами (alarmins) или DAMPs . Они привлекают нейтрофилы в очаг некроза. НК выделяют белки теплового шока (HSP70, HSP90, gp96), калгра-нулины, цитокины (ИЛ-1а, ИЛ-6), формилпептиды митохондрий, РНК, двунитчатую (геномную) ДНК, другие молекулы . Выделение ядерного белка HMGB1 (high-mobility group box 1), связанного в норме с хроматином, является основным маркером (первичного) некроза клеток . При апоптозе и вторичном некрозе HMGB1 удерживается в ядре или находится в цитоплазме или внеклеточно в неактивном (окисленном) состоянии в результате действия супероксидных анионов . Сам HMGB1 является митогеном и хемоаттрактантом, но образуемые им комплексы с однонитчатой ДНК, ЛПС бактерий, нуклеосомой вызывают секрецию макрофагами цитокинов воспаления ФНОа, ИЛ-1р, ИЛ-6, хемокины ИЛ-8, MIP-1a, MIP-ip . Высокий уровень HMGB1 в крови связан с массивным некрозом клеток организма и является маркером системного воспаления . HMGB1 - мощный адъювант образования высокоаффинных антител и созревания ДК . Циркулирующий в кровотоке неокисленный (активный) HMGB1 взаимодействует c TLR2, TLR4, TLR9 и RAGE (receptor for advanced glycation end-products) фагоцитов, вызывая воспалительный ответ . Одновременно HMGB1 (а также HSPs) взаимодействует с CD24 и Siglec-10 на поверхности фагоцитов, что ограничивает воспаление, вызванное DAMPs, но не PAMPs . Разграничение иммунного ответа на патогенассоциированные PAMPs и связанные с повреждением собственных клеток DAMPs происходит на уровне рецепторов клеток. Типичным рецептором для DAMPs является RAGE на клетках иммунной и нервной систем, эндотелиальных клетках, кардиомиоцитах. RAGE распознает белки и липиды, модифицированные в результате неферментативного гликозили-рования и появляющиеся при хронических воспалительных заболеваниях как результат окислительного стресса. RAGE распознает такие продукты НК, как HMGB1 и калгранулины (белки семейства S 100) .

НК выделяют нуклеиновые кислоты. При этом РНК становится двунитчатой, взаимодействует с TLR3 на ДК, а двунитчатая ДНК - с TLR9 фагоцитов, что приводит к продукции ИФНу, CXCL10 (IP-10), ИЛ-1Р, экспрессии костимулирую-щих молекул (cD40, cD54, cD69, MHc II класса) на поверхности макрофагов и ДК . Для того чтобы не вызвать воспаления, молекулы ДНК подвергаются ферментативному расщеплению, например каспаз при апоптозе . Дефект ДНКаз, разрезающих двунитчатую ДНК, вызывает у мышей аутоиммунные заболевания (СКВ, полиартрит). Нуклеотиды АТФ и УТФ, в норме находящиеся в цитоплазме, при некрозе клеток выделяются во внеклеточное пространство. Действуя на пуринэргические рецепторы ДК, они вызывают хемотаксис незрелых ДК, образование NALP3 инфламмасом и секрецию ИЛ-1р, Th2 иммунного ответа . Действие АТФ на аллергенактивированные миелоидные ДК провоцирует развитие легочной аллергии и поддержание бронхиальной астмы . Ядерные рибонуклеопротеины (их короткие фрагменты) выделяются при разрушении НК и выступают в качестве DAMPs, стимулируя образование цитокинов и а-хемокинов . Соли ураты, образуемые из мочевой кислоты при разрушении в цитоплазме эндогенной ядерной или микробной ДНК и ионов натрия внеклеточного пространства, стимулируют образование инфламмасом в макрофагах и ДК, синтез цитокинов ИЛ-1Р, ИЛ-18, ИЛ-33, нейтрофильную инфильтрацию, созревание ДК, усиление антигенспецифического Т-клеточного ответа .

Стрессиндуцированные цитоплазматические белки-шапероны HSP70, HSP90 при некрозе (но не апоптозе) клеток поступают во межклеточное пространство. Внеклеточные HSP70, HSP90 стимулируют образование цитокинов воспаления (ФНОа, ИЛ-1Р, ИЛ-6, ИЛ-12) . Антигенспецифический иммунный ответ на комплекс пептид-HSP значительно возрастает. Клеточными рецепторами HSPs выступают cD91,

CD40, TLR2/TLR4/CD14, рецепторы-мусорщики, LOX-1 . НК выделяют калгранулины (S100 белки), которые распознаются RAGE рецепторами клеток эндотелия, микроглии, моноцитов и становятся маркерами воспаления (при пневмониях, полиартритах и т. д.) . Выделение цитокинов (ИЛ-1, ИЛ-6, ИЛ-33) также может быть результатом стрессового воздействия на клетки и их некротической гибели . Высвобождаемые из НК протеазы и биологически активные молекулы воздействуют на окружающие ткани и отщепляют от них низкомолекулярные фрагменты (гиалуроновая кислота, фибриллярный белок, коллаген, гепарансульфат), которые также вызывают воспаление .

Как и при утилизации АК, сывороточные факторы (кол-лектин MBL) связываются с НК, усиливая их распознавание и связывание с калретикулином на поверхности макрофагов . Макрофаги распознают некротические клетки посредством TLRs, лектин С-типа рецепторов Clec9A, RAGE; CD14, CD91, CD40, Mincle (взаимодействующим с SAP-130) и других. Важно, что рецепторы фагоцитов, распознающие НК, не распознают АК и (частично) распознают молекулы (PAMPs) патогенов (микобактерии, грибки и др.) .

Регулируемый некроз (некроптоз) клеток связан с активностью киназ RIPK1 и RIPK3, проявляется быстрым повышением проницаемости клеточных мембран и высвобождением во внеклеточное пространство внутриклеточных DAMPs . Некроптоз клеток кожи, слизистых, лейкоцитов при ишемической реперфузии вызывает сильный воспалительный ответ. Одновременно он выступает в качестве защитного механизма при вирусной инфекции (при наличии вирусных ингибиторов каспазы 8), а также участвует в поддержании гомеостаза Т-лимфоцитов . Некроптоз инфицированной клетки означает резкое изменение среды обитания внутриклеточных патогенов, что губительно для них. Пироптоз клеток, имея черты апоптоза и некроза, характеризуется образованием инфламмасом как комплекса активированных каспаз и продуцентов цитокинов воспаления ИЛ-1Р и ИЛ-18. Пироптоз эффективно защищает клетки от S. aureus, S. ty-phimurium, P. aeruginosa, L. pneumophila, F.tularensis, B. an-thracis. При этом разные типы специализированных инфлам-масом образуются в ответ на живые бактерии, их токсины, ЛПС, споры, флагеллин, ДНК, РНК вирусов и бактерий . Некроз клеток характеризует продвинутые (не ранние) этапы инфекционного процесса, когда патогены (Shigella, Salmonella, Yersinia, M.tuberculosis) переходят от тактики выживания в апоптотических клетках к тактике разрушения клетки и межклеточного распространения .

Вторичный некроз как исход апоптоза клеток характеризуется выделением DAMPs нуклеосом (фрагментов геномной ДНК размером 180 пар оснований), HMGB1. Иммуностиму-

Индукция «сигналами опасности» различных типов гибели клеток. Сплошные линии - основное действие, пунктирная линия - дополнительное действие (при слабом воздействии), -I означает подавление клеточной гибели. Остальные обозначения в тексте.

ИММУНОЛОГИЯ № 2, 2014

лирующее действие таких DAMPs связано с образованием комплексов нуклеосом с HMGB1, характерных для пациентов с СКВ . Вторичный некроз сопровождается массовым высвобождением модицифированных (в результате ферментативной обработки, окисления) аутоантигенов, которые в комплексе с HSPs (и другими DAMPs) вызывают антигенспецифический иммунный ответ. Но только наличие генетической предрасположенности приводит к формированию аутоиммунной патологии .

Взаимодействие между путями клеточной смерти.

Аутофагия и апоптоз клеток рассматривают как механизмы поддержания жизнеспособности многоклеточного организма, а формирование инфламмасом и некрозиндуцированное воспаление считают механизмами ограниченного отмирания тканей для сохранения макроорганизма . Распознавание DAMPs при аутофагии создает дополнительную страховку клеткам макроорганизма в защите от патогенов с неизвестными PAMPs . В результате инфицирования макрофагов L. pneumophila активация инфламмасом вызывает пироптоз и ау-тофагию, которая защищает клетку от пироптоза и патогена. Но недостаточность аутофагии для противодействия патогену ведет инфицированную клетку к пироптозу . Запуск PIRK1-3-зависимого механизма некроптоза предполагает первоначально высокий уровень аутофагии поврежденных митохондрий и при ее неэффективности последующую деградацию клетки . Аутофагия выступает в качестве механизма утилизации фагоцитированных апоптотические телец макрофагами и ДК. Повышение при некрозе клеток уровня HMGBT цитоплазме стимулирует вместе с HSP27 аутофагию (митофагию) митохондрий и подавляет апоптоз. Другие DAMPs (АТФ, белки S100/ калгранулины, двунитчатая ДНК), взаимодействуя с TLRs, также стимулируют аутофагию в очагах апоптоза. Известно, что основной Beclin 1 -зависимый путь аутофагии (макроаутофагия) может быть подавлен анти-апоптотическими белками семейства Bcl-2 и образованием NLRP3-инфламмасом, т. е. возрастание резистентности клетки к апоптотической гибели повышает ее устойчивость к избыточной аутофагии, приводящей к гибели клеток . При фагоцитозе клеток, умерших путем аутофагии или апоптоза, воспаление отсутствует. Блокирование аутофагии в клетке приводит к накоплению в цитоплазме поврежденных митохондрий, супероксидных анионов, активации NALP3-инфламмасомы, воспалению. Взаимодействие DAMPs с рецепторами RAGE стимулирует аутофагию и подавляет апоптоз клеток . При недостаточном выделении DAMPs из НК в очаге повреждения апоптотические клетки вызывают состояние толерантности и снижение воспаления. ^зревание ДК вызывают DAMPs из НК, но не ACAMPs из АК. Макрофаги, фагоцитировавшие АК, выделяют ТРФр, что вызывает образование Teg-клеток. При фагоцитозе АК, инфицированных E. coli, макрофаги выделяют ТРФр и ИЛ-6, что ведет к образованию ТЫ7-клеток, а при фагоцитозе НК -Th1 иммунного ответа . При совместном воздействии PAMPs и DAMPs последние выполняют роль адъюванта . Известно, что в зависимости от дозы воздействия (например, ФНОа) клетка погибает путем апоптоза (при низких концентрациях) или некроза (при высоких концентрациях) . Связь между апоптозом и некрозом клеток определяется также наличием промежуточных подтипов клеточной смерти - не-кроптоза и других .

Разные типы клеточной смерти как результат ответа клеток на внешние (включая микроорганизмы) и внутренние воздействия могут протекать одновременно и регулировать друг друга (см. схему). До конца неясны механизмы, определяющие выбор пути клеточной смерти, но чем сильнее воздействие, тем сильнее ответ в виде некроза клеток, мощной воспалительной и иммунной реакции макроорганизма. Слабые воздействия (за счет аутологичных apoptotic cell-associated molecular patterns (AcAMPs) или DAMPs, PAMPs нормальной микрофлоры) вызывают интенсификацию аутофагии и апоптоза клеток без очевидной воспалительной и иммунной реакций.

Заключение. Гибель клеток макроорганизма (человек,

животные), обусловленная внешними или внутренними причинами, вызывает иммунный ответ на повреждение. При этом микробные воздействия всегда дозированы концентрацией и жизнеспособностью патогена, его растворимыми продуктами, локализацией очага повреждения . Сочетанное действие PAMPs и DAMPs, наиболее часто встречающееся в реальных условиях, а также влияние толерогенных апопто-тических клеток на их взаимодействие требуют дальнейшего изучения и оценки иммунологических последствий .

литература

1. Ярилин А.А. Апоптоз. Природа феномена и его роль в целостности организма. Патологическая физиология. 1998; 2: 38-48.

3. Бра М., Квинан Б., Сузин С.А. Митохондрии в программированной гибели клетки: различные механизмы гибели. Биохимия. 2005; 70 (2): 284-93.

4. Черников В.П., Белоусова Т.А., Кактурский Л.В. Морфологические и биохимические критерии клеточные гибели. Архив патологии. 2010; 72 (3): 48-54.

5. Galluzzi L., Vitale I., Abrams J.M., Alnemri E.S., Baehrecke E.H., Blagosklonny M.V et al. Molecular definition of cellular death subroutines: recommendations of the Nomenclature Committee on Cell Death 2012. Cell Death Different. 2012; 19 (1): 107-20.

9. Манских В.Н. Пути гибели клетки и их биологическое значение. Цитология. 2007; 49 (11): 909-15.

11. Хаитов Р.М., Пащенков М.В., Пинегин Б.В. Роль паттернораспознающих рецепторов во врожденном и адаптивном иммунитете. Иммунология. 2009; 1: 66-76.

15. Romao S., Gannage M., Munz C. Checking the garbage bin for problems in the house, or how autophagy assists in antigen presentation to the immune system. Semin. Cancer Biol. 2013; 23 (5): 391-6.

16. Rubinsztein D.C., Marino G., Kroemer G. Autophagy and aging. Cell. 2011; 146 (5): 682-95.

19. Walsh C.M., Edinger A.L. The complex interplay between au-tophagy, apoptosis and necrotic signals promotes T-cell homeostasis. Immunol. Rev. 2010; 236 (1): 95-109.

20. Amre D.K., Mack D.R., Morgan K., Krupoves A., Costea I., Lam-brette P. et al. Autophagy gene ATG16L1 but not IRGM is associated with Crohn’s disease in Canadian children. Inflamm. BowelDis. 2009; 15 (4): 501-7.

21. Salminen A., Kaarniranta K., Kauppinen A. Beclin 1 interactome controls the crosstalk apoptosis, autophagy and inflammasome activation: impact on the aging process. Ageing Res. Rev 2012; 12 (2): 520-34.

24. Mostowy S., Cossart P. Bacterial autophagy: restriction or promotion of bacterial replication? Trends Cell Biol. 2012; 22 (6): 283-91.

25. Randow F., MacMicking J.D., James L.C. Cellular self-defense:

how cell-autonomous immunity protects against pathogens. Science. 2013; 340 (6133): 701-6.

26. Lamkanfi M., Dixit v.M. Manipulation of host cell death pathways during microbial infections. Cell Host Microbe. 2010; 8 (l): 44-54.

30. Бонаренко В.М., Лиходед В.Г. Распознавание комменсальной микрофлоры образраспознающими рецепторами в физиологии и патологии человека. Журнал микробиологии, эпидемиологии и иммунологии. 2012; 3: 82-9.

31. Paul-Clark M.J., George P.M., Gatheral T., Parzych K., Wright W.R., Crawford D. et al. Pharmacology and therapeutic potential of pattern recognition receptors. Pharmacol. Ther 2012; 135 (2): 200-15.

40. Byrne B.G., Dubuisson J.-F., Joshi A.D., Persson J.J., Swanson M.S. Inflammasome components coordinate autophage and pyroptosis as macrophage response to infection. mBio.2013; 4 (1): e00620-

12. Available at http://mbio.asm.org/content/4/1/e00620-12.full. pdf+html

41. Kleinnijenhuis J., Oosting M., Platinga T.S., van der Meer J.W.M., Joosten L.A.B., Crevel R.V et al. Autophagy modulates the Mycobacterium tuberculosis-induced cytokine response. Immunology. 2011; 134 (3): 341-8.

42. Гариб Ф.Ю., Ризопулу А.П. Взаимодействие патогенных бактерий с врожденными иммунными реакциями хозяина. Инфекция и иммунитет. 2012; 2 (3): 581-96.

47. Saas P., Angelot F., Bardiaux L., Seilles E., Garnache-Ottou F., Per-ruche S. Phosphatidylserine-expressing cell by-products in transfusion: a pro-inflammatory or an anti-inflammatory effects? Transfus. Clin. Biol. 2012; 19 (3): 90-7.

54. Miles K., Heaney J., Sibinska Z., Salter D., Savill J., Gray D. et al. A tolerogenic role for Toll-like receptor 9 is revealed by B-cell interaction with DNA complexes expressed on apoptotic cells. Proc. Natl Acad. Sci. USA. 2012; 109 (3): 887-92.

59. Проскуряков С.Я., Габай В.Л., Коноплянников А.Г. Некроз -управляемая форма программируемой клеточной смерти. Биохимия. 2002; 67 (4): 467-91.

63. Blander J.M., Sander L.E. Beyond pattern recognition: five immune checkpoints for scaling the microbial threat. Nature Rev. Immunol. 2012; 12 (3): 215-25.

1. Yarilin A.A. Apoptosis. Nature of the phenomenon and its role in the whole organism. Patologicheskaya fiziologiya. 1998; 2: 38-48 (in Russian).

2. Green D.R. The end and after: how dying cells impact the living organism. Immunity. 2011; 35 (4): 441-5.

3. Bras M., Queenan B., Susin S.A. Programmed cell death via mitochondria: Different modes of dying. Biokhimiya. 2005; 70 (2): 231-9 (in Russian).

4. Chernikov V.P., Belousova T.A., Kaktursky L.V. Morphological and biochemical criteria for cell death. Arkhiv patologii. 2010; 72 (3): 48-54 (in Russian).

5. Galluzzi L., Vitale I., Abrams J.M., Alnemri E.S., Baehrecke E.H., Blagosklonny M.V. et al. Molecular definition of cellular death subroutines: recommendations of the Nomenclature Committee on Cell Death 2012. Cell Death Different. 2012; 19 (1): 107-20.

6. Peter C., Wesselborg S., Herrman M., Lauber K. Dangerous attraction: phagocyte recruitment and danger signals of apoptotic and necrotic cells. Apoptosis. 2010; 15 (9): 1007-28.

7. Kaczmarek A., Vandenabeele P., Krysko D.V. Necroptosis: the release of damage-associated molecular patterns and its physiological relevance. Immunity. 2013; 38 (2): 209-23.

8. Rock K.L., Lai J.-J., Kono H. Innate and adaptive immune responses to cell death. Immunol. Rev. 2011; 243 (1): 191-205.

9. Manskikh V.N. Pathways of cell death and their biological importance. Tsitologiya. 2007; 49 (11): 909-15 (in Russian).

10. Janeway C.A. Jr., Medzhitov R. Innate immune recognition. Ann. Rev. Immunol. 2002; 20 (1): 197-216.

11. Khaitov R.M., Pashchenkov M.V., Pinegin B.V. The role of pattern-recognizing receptors in congenital and active immunity. Immunologiya. 2009; 1: 66-76 (in Russian).

12. Seong S.Y., Matzinger P. Hydrophobicity: an ancient damage-associated molecular pattern that initiates innate immune responses. Nature Rev. Immunol. 2004; 4 (6): 469-78.

13. Chen G.Y., Nunez G. Sterile inflammation: sensing and reacting to damage. Nature Rev. Immunol. 2010; 10 (12): 826-37.

14. Kuballa P., Nolte W.M., Castoreno A.B., Xavier R.J. Autophagy and the immune system. Ann. Rev. Immunol. 2012; 30: 611-46.

15. Romao S., Gannage M., Munz C. Checking the garbage bin for problems in the house, or how autophagy assists in antigen

ИММУНОЛОГИЯ № 2, 2014

presentation to the immune system. Semin. Cancer Biol. 2013; 23 (5): 391-6.

16. Rubinsztein D.c., Marino G., Kroemer G. Autophagy and aging. Cell. 2011; 146 (5): 682-95.

17. Tang D., Kang R., Coyne C.B., Zeh H.J., Lotze M.T. PAMPs and DAMPS: signal Os that spur autophagy and immunity. Immunol. Rev. 2012; 249 (1): 158-75.

18. Zelenay S., Reis e Sousa C. Adaptive immunity after cell death. Trends Immunol. 2013; 34 (7): 329-35.

19. Walsh C.M., Edinger A.L. The complex interplay between autophagy, apoptosis and necrotic signals promotes T-cell homeostasis. Immunol. Rev. 2010; 236 (1): 95-109.

20. Amre D.K., Mack D.R., Morgan K., Krupoves A., Costea I., Lambrette P. et al. Autophagy gene ATG16L1 but not IRGM is associated with Crohn’s disease in Canadian children. Inflamm. Bowel Dis. 2009; 15 (4): 501-7.

21. Salminen A., Kaarniranta K., Kauppinen A. Beclin 1 interactome controls the crosstalk apoptosis, autophagy and inflammasome activation: impact on the aging process. Ageing Res. Rev. 2012; 12 (2): 520-34.

22. Levine B., Mizushima N., Virgin H.W. Autophagy in immunity and inflammation. Nature. 2011; 469 (7330): 323- 35.

23. Liu G., Bi Y., Wang R., Wang X. Self-eating and self-defense: autophagy controls innate immunity and adaptive immunity. J. Leukoc. Biol. 2013; 93 (4): 511-9.

24. Mostowy S., Cossart P. Bacterial autophagy: restriction or promotion of bacterial replication ? Trends Cell Biol. 2012; 22 (6): 283-91.

25. Randow F., MacMicking J.D., James L.C. Cellular self-defense: how cell-autonomous immunity protects against pathogens. Science. 2013; 340 (6133): 701-6.

26. Lamkanfi M., Dixit V.M. Manipulation of host cell death pathways during microbial infections. Cell Host Microbe. 2010; 8 (1): 44-54.

27. Mintern J.D., Villadangos J.A. Autophagy and mechanisms of effective immunity. Front. Immunol. 2012; 3: 60.

28. Travassos L.H., Carneiro L.A.M, Ramjeet M., Hussey S., Kim Y.-G., Magalhaes J.G. et al. Nod1 and Nod2 direct autophagy by recruiting ATG16L1 to the plasma membrane at the site of bacterial entry. Nature Immunol. 2010; 11 (1): 55-62.

29. Kumar H., Kawai T., Akira S. Pathogen recognition by the innate immune system. Int. Rev. Immunol. 2011; 30 (1): 16-34.

30. Bondarenko V.M., Likhoded V.G. Recognition of commensal microflora by pattern recognition receptors in human physiology and pathology. Zhurnal Mikrobiologii, epidemiologii i immunologii. 2012; 3: 82-9 (in Russian).

31. Paul-Clark M.J., George P.M., Gatheral T., Parzych K., Wright W.R., Crawford D. et al. Pharmacology and therapeutic potential of pattern recognition receptors. Pharmacol. Ther. 2012; 135 (2): 200-15.

32. Strowig T., Henao-Mejia J., Elinav E., Flavell R. Inflammasomes in health and disease. Nature. 2012; 481 (7381): 278-86.

33. Underhill D.M., Goodridge H.S. Information processing during phagocytosis. Nature Rev. Immunol. 2012; 12 (7): 492-502.

34. Sander L.E., Davis M.J., Boekschoten M.V., Amsen D., Dascher C.C., Ryffel B. et al. Detection of prokaryotic mRNA signifies microbial viability and promotes immunity. Nature. 2011; 474 (7351): 385-9.

35. Schmid D., Pypaert M., Munz C. Antigen- loading compartments for major histocompatibility complex class II molecules continuously receive input from autophagosomes. Immunity. 2007; 26 (1): 79-92.

36. Paludan C., Schmid D., Landthaler M., Vockerodt M., Kube D., Tuschl T. et al. Endogenous MHC class II processing of a viral nuclear antigen after autophagy. Science. 2005; 307 (5709): 593-6.

37. Pua H.H., Guo J., Komatsu M., He Y.W. Autophagy is essential for mitochondrial clearance in mature T lymphocytes. J. Immunol. 2009; 182 (7): 4046-55.

38. Lu J.V., Walsh C.M. Programmed necrosis and autophagy in immune function. Immunol. Rev. 2012; 249 (1) : 205-17.

39. Gros F., Arnold J., Page N., Decossas M., Korganow A.-S., Martin T. et al. Macroautophagy is deregulated in murine and human lupus T lymphocytes. Autophagy. 2012; 8 (7): 1113-23.

40. Byrne B.G., Dubuisson J.-F., Joshi A.D., Persson J.J., Swanson M.S. Inflammasome components coordinate autophage and pyroptosis as

macrophage response to infection. mBio. 2013; 4 (1): e00620-12. Available at http://mbio.asm.org/content/4/1/e00620-12.full.pdf+html

41. Kleinnijenhuis J., Oosting M., Platinga T.S. , van der Meer J.W.M., Joosten L.A.B., Crevel R.V et al. Autophagy modulates the Mycobacterium tuberculosis-induced cytokine response. Immunology. 2011; 134 (3): 341-8.

42. Garib F.Yu., Rizopulu A.P. Interaction of pathogenic bacteria with innate immune reactions of host. Infektsiya i immunitet. 2012; 2 (3): 581-96 (in Russian).

43. Majai G., Petrovski G., Fesus L. Inflammation and the apopto-phagocytic system. Immunol. Lett. 2006; 104 (1-2): 94-101.

44. Janssen W.J., Henson P.M. Cellular regulation of the inflammatory response. Toxicol. Pathol. 2012; 40 (2): 166-73.

45. Zitvogel L., Kepp O., Kroemer G. Decoding cell death signals in inflammation and immunity.Cell. 2010; 140 (6): 798-804.

46. Bekeredjian-Ding I. B cell encounters with apoptotic cells. Autoimmunity. 2013; 46 (5): 307-11.

47. Saas P., Angelot F., Bardiaux L., Seilles E., Garnache-Ottou F., Perruche S. Phosphatidylserine-expressing cell by-products in transfusion: a pro-inflammatory or an anti-inflammatory effects? Transfus. Clin. Biol. 2012; 19 (3): 90-7.

48. Jeannin P., Jaillon S., Delneste Y. Pattern recognition receptors in the immune response against dying cells. Curr. Opin. Immunol. 2008; 20 (5): 530-7.

49. Lauber K., Blumenthal S.B., Waibel M., Wesselborg S. Clearance of apoptotic cells: getting rid of the corpses. Mol. Cell. 2004; 14 (3): 277-87.

50. Fadok V.A., Bratton D.L., Guthrie L., Henson P.M. Differential effects of apoptotic versus lysed cells on macrophage production of cytokines: role of proteases. J. Immunol. 2001; 166 (11): 6847-54.

51. Hellberg L., Fuchs S., Gericke C., Sarkar A., Behhen M., Solbach W. et al. Proinflammatory stimuli enhance phagocytosis of apoptotic cells by neutrophil granulocytes. Scient. World J. 2011; 11: 2230-6.

52. Ferguson T.A., Choi J., Green D.R. Armed response: how dying cells influence T-cell functions. Immunol. Rev. 2011; 241 (1): 77-88.

53. Douglas I. S., Diaz del Valle F., Winn R.A., Voelkel N.F. P-catenin in the fibroproliferative response to acute lung injury. Am. J. Respir. Cell Mol. Biol. 2006; 34 (3): 274-85.

54. Miles K., Heaney J., Sibinska Z., Salter D., Savill J., Gray D. et al. A tolerogenic role for Toll-like receptor 9 is revealed by B-cell interaction with DNA complexes expressed on apoptotic cells. Proc. Natl Acad Sci. USA. 2012; 109 (3): 887-92.

55. Ashida H., Mimuro H., Ogawa M., Kobayashi T., Sanada T., Kim M. et al. Cell death and infection: a double-edged sword for host and pathogen survival. J. Cell Biol. 2011; 195 (6): 931-42.

56. Manfredi A.A., Capobianco A., Bianchi M.E., Rovere- Querini P. Regulation of dendritic- and T-cell fate by injury-associated endogenous signals. Crit. Rev. Immunol. 2009; 29 (1): 69-86.

57. Torchinsky M.B., Garaude J., Martin A.P., Blander J.M. Innate immune recognition of infected apoptotic cells directs T(H)17 cell differentiation. Nature. 2009; 458 (7234): 78-82.

58. Bianchi M.E. HMGB1 loves company. J. Leukoc. Biol. 2009; 86 (3): 573-6.

59. Proskuryakov S.Ya., Gabai V.L., Konoplyannikov A.G. Necrosis - an active, regulated form of programmed cell death (review). Biokhimiya. 2002; 67 (4): 467-91 (in Russian).

60. Idzko M., Hammad H., van Nimwegen M., Kool M., Willart M.A.M., Muskens F. et al. Extracellular ATP triggers and maintains asthmatic airway inflammation by activating dendritric cells. Nature Med. 2007; 13 (8): 913-9.

61. Kono H., Rock K.L. How dying cells alert the immune system to danger. Nature Rev. Immunol. 2008; 8 (4): 279-89.

62. Eigenbrod T., Park J.-H., Harder J., Iwakura Y., Nunez G. Cutting edge: Critical role for mesothelial cells in necrosis-induced inflammation through the recognition of IL-1a released from dying cells. J. Immunol. 2008; 181 (2): 8194-8.

Типы и механизмы аутофагии

Сейчас различают три типа аутофагии - микроаутофагию, макроаутофагию и шаперон-зависимую аутофагию. При микроаутофагии макромолекулы и обломки клеточных мембран просто захватываются лизосомой. Таким путем клетка может переваривать белки при нехватке энергии или строительного материала (например, при голодании). Но процессы микроаутофагии происходят и при нормальных условиях и в целом неизбирательны. Иногда в ходе микроаутофагии перевариваются и органоиды; так, у дрожжей описана микроаутофагия пероксисом и частичная микроаутофагия ядер, при которой клетка сохраняет жизнеспособность.

При макроаутофагии участок цитоплазмы (часто содержащий какие-либо органоиды) окружается мембранным компартментом, похожим на цистерну эндоплазматической сети. В результате этот участок отделяется от остальной цитоплазмы двумя мембранами. Такие двухмембранные органеллы, окружающие удаляемые органеллы и цитоплазму , называются аутофагосомы. Аутофагосомы соединяются с лизосомами , образуя аутофаголизосомы, в которых органеллы и остальное содержимое аутофагосом перевариваются.
Видимо, макроаутофагия также неизбирательна, хотя часто подчеркивается, что с помощью нее клетка может избавляться от «отслуживших свой срок» органоидов (митохондрий. рибосом и др.).
Третий тип аутофагии - шаперон-опосредованная. При этом способе происходит направленный транспорт частично денатурировавших белков из цитоплазмы сквозь мембрану лизосомы в ее полость, где они перевариваются. Этот тип аутофагии, описанный только для млекопитающих, индуцируется стрессом. Она происходит при участии цитоплазматических белков-шаперонов семейства hsc-70, вспомогательных белков и LAMP-2, который служит мембранным рецептором комплекса шаперона и белка, подлежащего транспорту в лизосому.
При аутофагическом типе клеточной гибели перевариваются все органеллы клетки, оставляя лишь клеточный дебрис, поглощаемый макрофагами .

Регуляция аутофагии

Аутофагия сопровождает жизнедеятельность любой нормальной клетки в обычных условиях. Основными стимулами к усилению процессов аутофагии в клетках могут служить

• нехватка питательных веществ
• наличие в цитоплазме повреждённых органелл
• наличие в цитоплазме частично денатурировавших белков и их агрегатов

Кроме голодания, аутофагия может индуцироваться окислительным или токсическим стрессом.
В настоящее время на дрожжах детально изучаются генетические механизмы, регулирующие аутофагию. Так, для образования аутофагосом необходима активность многочисленных белков Atg-семейства (autophagosome-related proteins). Гомологи этих белков найдены у млекопитающих (в том числе и человека) и растений.

Значение аутофагии при нормальных и патологических процессах

Аутофагия - один из способов избавления клеток от ненужных органелл, а также и организма от ненужных клеток.
Особенно важна аутофагия в процессе эмбриогенеза , при так называемой самопрограммируемой клеточной гибели. Сейчас этот вариант аутофагии чаще называют каспаза-независимым апоптозом . Если эти процессы нарушаются, а разрушенные клетки не удаляются, то эмбрион чаще всего становится нежизнеспособным.
Иногда благодаря аутофагии клетка может восполнить недостаток питательных веществ и энергии и вернуться к нормальной жизнедеятельности. Напротив, в случае интенсификации процессов аутофагии клетки разрушаются, а их место во многих случаях занимает соединительная ткань . Подобные нарушения являются одной из причин развития сердечной недостаточности .
Нарушения в процессе аутофагии могут приводить к воспалительным процессам, если части мёртвых клеток не удаляются.
Особенно большую (хотя и не до конца понятную) роль нарушения аутофагии играют в развитии миопатий и нейродегенеративных болезней. Так, при болезни Альцгеймера в отростках нейронов пораженных участков мозга наблюдается накопление незрелых аутофагосом, которые не транспортируются к телу клетки и не сливаются с лизосомами. Мутантные хантингтин и альфа-синуклеин - белки, накопление которых в нейронах вызывает, соответственно, болезнь Хантингтона и болезнь Паркинсона - поглощаются и перевариваются при шаперон-зависимой аутофагии, и активация этого процесса предотвращает образование их агрегатов в нейронах.

См. также

Литература

• Huang J, Klionsky D.J. Autophagy and human disease. Cell Cycle. 2007 Aug 1;6(15):1837-1849
• Takahiro Shintani and Daniel J. Klionsky/Review/ Autophagy in Health and Disease: A Double-Edged Sword/Science, 2004, Vol. 306, no. 5698, pp. 990-995

Ссылки

Wikimedia Foundation . 2010 .

Смотреть что такое "Аутофагия" в других словарях:

- (ауто + греч. phagein есть) процесс разрушения частей клеток или целых клеток лизосомами данных или других клеток, напр. при инволюции матки после родов … Большой медицинский словарь

Схема, показывающая цитоплазму, вместе с ее компонентами (или органеллами), в типичной животной клетке. Органеллы: (1) Ядрышко (2) Ядро (3) … Википедия

Лизосома (от греч. λύσις растворяю и sōma тело) клеточный органоид размером 0,2 0,4 мкм, один из видов везикул. Эти одномембранные органоиды часть вакуома (эндомембранной системы клетки). Разные виды лизосом могут рассматриваться как отдельные… … Википедия

- (от греч. lýsis распад, разложение и soma тело) структуры в клетках животных и раститеьных организмов, содержащие ферменты (около 40), способные расщеплять (лизировать) белки, нуклеиновые кислоты, полисахариды, липиды (отсюда название).… … Большая советская энциклопедия

- … Википедия

Андреа Соларио. Мадонна с зелёной подушкой (около 1507, Лувр). Грудное, или естественное вскармливание форма питания новорождённого человек … Википедия

Одной из особенностей старения является неспособность клетки адаптироваться к условиям стресса.
В процессе жизнедеятельности, в клетках накапливаются необратимые повреждения и, как следствие,
делящиеся клетки регенерирующих тканей прибегают к двум основным механизмам, предотвращающим деление. Они могут либо навсегда остановить клеточный цикл (войти в состояние покоя , «сенесценцию» ), либо запустить механизм запрограммированной смерти.
Существует несколько видов клеточной гибели. (самоубийство) является наиболее подробно описанной формой запланированной клеточной смерти. Существует, однако, ещё одна форма гибели клетки - аутофагия (самопоедание), которая осуществляется при помощи лизосомной деградации, имеющей важное значение для поддержания гомеостаза.
В отличие от митотических (делящихся) клеток, постмитотические клетки, такие как нейроны или кардиомиоциты, не могут войти в состояние покоя, поскольку они уже окончательно дифференцированны. Судьба этих клеток, таким образом, полностью зависит от их способности справляться со стрессом.
Аутофагия является одним из основных механизмов для ликвидации поврежденных органелл, долгоживущих и аномальных белков и излишних объёмов цитоплазмы.

Функционирование клетки как системы

Одноклеточные и многоклеточные организмы живут в постоянной адаптации к внешним и внутренним повреждающим стимулам. Неизбежное накопление повреждений приводит к ухудшению состояния компонентов клеток, к ухудшению клеточных функций и к изменениям в тканевом гомеостазе, что в конечном итоге оказывает влияние на весь организм.

Таким образом, старение в настоящее время рассматривается как естественное ухудшение организма с течением времени, ухудшение его «фитнеса», предположительно, в результате накопления невосстанавливаемого ущерба.

Многие возрастные патологии происходят от недостаточно точного функционирования механизмов репарации ДНК или аномалий в антиоксидантных механизмах, которые способствуют детоксикации
активных форм кислорода . Оксидативный стресс играет важную роль в онкогенезе и в снижении функции головного мозга, которые объясняются возрастно-зависимымой пероксидацией липидов , окислением белков и окислительной модификации генома митохондрий и ДНК .
Несмотря на общее происхождение этих заболеваний, существуют некоторые различия в зависимости от возраста, при котором они наступают. Заболеваемость раком резко возрастает после 50-летнего возраста, в то время как заболеваемость нейродегенеративными расстройствами повышается после 70 лет. Одним из важных различий между этими двумя патологиями является тип клеток, которые они поражают.
Рак затрагивает, в первую очередь, митотические клетки, в то время как нейродегенеративные расстройства затрагивают главным образом постмитотические (неделящиеся) клетки.
Таким образом, встает вопрос, чем принципиально отличается реакция этих типов клеток в ответ на стрессовые воздействия. По пролиферативной структуре тканей, многоклеточные организмы можно разделить на простые и комплексные . После развития и дифференцировки, простыe организмы (например, Caenorhabditis elegans и Drosophila melanogaster) состоят только из постмитотических клеток, которые окончательно дифференцированы и больше не делятся. И наоборот, комплексные организмы (например, млекопитающие) состоят как из постмитотических так и митотических клеток, которые присутствуют в регенерирующих тканях и поддерживают их способность размножаться.
Одним из важных различий между простыми и комплексными организмами, это продолжительность их жизни: нематоды C. elegans живут только несколько недель, плодовые мушки D.melanogaster живут несколько месяцев, в то время как мыши могут жить несколько лет, а люди - многие десятилетия. Вполне вероятно, что присутствие регенерирующих тканей в организме дает возможность заменить поврежденные клетки, тем самым увеличивая продолжительность жизни.
Тем не менее, потенциал возобновляемых тканей к саморегенерации представляет из себя риск в плане заболевания раком. Накопление повреждений увеличивает риск митотических клеток к приобретению модификаций в геномной ДНК и, следовательно, риск превратиться в раковую клетку.
В целях сохранения организма, поврежденные клетки опираются на два различных механизма, чтобы остановить их рост: они могут либо войти в состояние ареста клеточного цикла (процесс, известный как «сенесценция») или вызвать генетические программы клеточной гибели, чтобы умереть «по-тихому», не затрагивая соседние клетки (путем апоптоза и, возможно, аутофагии).
Для постмитотических клеток однако, сценарий поведения повреждения клеток радикально отличается. Поскольку их уже остановлен в фазе G0 , они не могут войти в состояние покоя, в сенесценцию. Не имея такого преимущества как пролиферативное обновление, постмтотические клетки, такие, как нейроны или кардиомиоциты , вынуждены адаптироваться к стрессу в целях обеспечения жизненно важных функций всего организма.
В нейродегенеративных патологиях, таких как болезнь Паркинсона, болезнь Альцгеймера и Хантингтона, агрегирование белков является следствием недостаточного удаления окисленных, неверно сконформированных или аномальных белков в мозге . В этом контексте, аутофагия является основным путём для обеспечения нормальной функции повреждённой ткани.

Клеточное старение (сенесценция)

по сути является остановкой в фазе G1 клеточного цикла постоянно пролиферирующих клеток в ответ на стресс, с целью избежать опасности трансформации в злокачественную клетку. Клетки в состоянии покоя принимают уплощенную форму и запускают экспрессию конкретных молекулярных маркеров, связанных с сенесценцией - бета-галактозидазы, связанных с старением гетерохроматиновых локусов и накопления липофусциновых гранул .
способствующих переходу клетки в состояние покоя.
Среди них, укорочение теломер, повреждение ДНК и оксидативный стресс являются наиболее хорошо изученными. Несмотря на разнообразие этих сигналов, они сходятся на двух основных эффекторных путях: на пути и pRB пути (Рис.1).
В нормальных условиях, активность белка - супрессора опухоли p53 регулируется белком MDM2. Однако, при митогенном стрессе или повреждении ДНК, активность MDM2 подавляется и функциональный p53 способен активировать ингибитор циклин-зависимых киназ p21 , который останавливает клеточный цикл.
Во втором пути, белок ретинобластомы рRB активируется белком p16 в условиях стресса или повреждений ДНК, который в свою очередь связывается с представителями E2F факторов транскрипции, о которых известно, что они запускают клеточный цикл .
Эти два пути перекрываются в области контроля клеточного старения, а также могут совпадать с запуском программ клеточной смерти. Например, вентрикулярные кардиомиоциты активируют митохондриальный апоптоз, когда в этих клетках увеличивается экспрессия E2F.
Несмотря на то, что сенесценция является способом адаптации клетки в ответ на стрессовые условия, этот механизм, однако, может иметь негативное воздействие на выживание организма.
С возрастом, сенесцентные клетки накапливаются в пролиферативных тканях и вырабатывают различные протеазы деградации, факторы роста и цитокины, что оказывает воздействие на функции соседних клеток, не находящихся в состоянии покоя.
После массового накопления стареющих клеток, пролиферативный потенциал регенерирующих тканей снижается из-за уменьшения стволовых клеток. В общей сложности, эти последствия могут создать неблагоприятную обстановку, которая влияет на развитие неопластичных клеток в опухоли, что в итоге повышает риск заболевания раком.

Апоптоз

Апоптоз является наиболее подробно изученной формой запрограмированной клеточной гибели, которая играет важную роль в эмбриональном развитии и организменном старении . Он включает в себя конторолируемую активацию протеаз и других гидролаз, которые быстро разрушают все клеточные структуры.
В отличие от гибели клеток путём некроза, при которой разрушается мембрана клеток и запускается воспалительная реакция, апоптоз осуществляется в пределах неповрежденной мембраны, без ущерба для соседних клеток.
На морфологическом уровне , классическими чертами апоптоза являются конденсация хроматина (pyknosis), ядерная фрагментация (karyorrhexis), сжатие клетки и пузырение мембраны. Существует два основных пути инициации апоптоза: внутриклеточный (или митохондриальный) и внешний (Рис.2).
В ходе внутриклеточного пути, несколько сенсоров, в том числе BH3 - белки и p53, реагируют в ответ на различные стрессовые сигналы или на повреждение ДНК и активируют сигнальный каскад, который ведёт к пермебелизации внешней мембраны митохондрии (MOMP) .
Высвобождённые из межмембранного пространства пермеабилизированных митохондрий белки, формируют характерную структуру, апоптосому, комплекс активации каспаз, состоящий из белка APAF-1 (апоптотического фактора активации протеазы 1), каспазы - 9 и цитохрома С, что приводит к активации эффекторных каспаз, который разрушает важные клеточные структуры. Апоптоз запускаемый
на уровне митохондрий жестко регулируется семейством белков Bcl-2, которые подразделяются на 3 группы: (1) анти-апоптотические мультидоменные члены (Bcl-2, Bcl-X L и Mcl-1), которые содержат четыре Bcl-2 гомологичных домена (BH1, BH2, BH3 и BH4), (2) про-апоптотических мультидоменных члены (таких, как Bax и Bak), не имеющих BH4 доменов и (3) про-апоптотические BH3 белки (например, Bid, Bim и Bad).
Внутренние и внешние стимулы могут активировать протеолитическую деградацию белка Bid и транслокацию укороченного bid (tBid ) к митохондриальной мембране, где он стимулирует MOMP, предположительно, путем активации каналов Bax / Bak и через другие механизмы .
Множество внутриклеточных взаимодействий между членами семейства Bcl-2 сводятся к интеграции сигнальных каскадов, которые модулируют уровень и активность этих белков, чтобы активировать или избежать запуск митохондриального апоптоза.
Внешний путь начинается в плазматической мембране за счет активации рецепторов смерти семейства TNFR (рецепторов фактор некроза опухоли), которые активируются лигандами Fas/CD95 и TRAIL (TNF - связанный лиганд, индуцирующий апоптоз). Тримеризация рецепторов приводит к рекрутированию и активации каспазы-8 через специальные адаптерные белки, такие, как FADD / TRADD (Fas -связанных доменов смерти/TNFR1-связанных доменов смерти) для формирования сигнального комплекса, который далее передаёт сигналы по крайней мере в трёх направлениях: (1) путем прямого протеолиза и активации эффекторных каспаз, (2) путем протеолиза BH3 белка Bid, транслокации tBid в митохондрии и последующая пермеабилизация внешней мембраны митохондрий или (3)путём активации киназы RIP1 и (C-Jun N-концевых киназ), что приводит к транслокации tBid в лизосомы и пермебелизации Bax-зависимых лизосомных мембран, в результате заканчивающимся общим протеолизом при помощи катепсина B / D и MOMP.

Апоптоз и сенесценция

Как и клеточное старение, апоптоз является крайней формой клеточного ответа на стресс и представляет собой важный механизм подавления опухолей. Пока еще не ясно, что определяет путь, по которому идёт клетка. Хотя большинство клеток способно на оба этих процесса, они всё же являются взаимозаключающими.
Тип клетки является определяющим, так поврежденные эпителиальные клетки и фибробласты в основном входят в покой, в то время как поврежденные лимфоциты подвергаются апоптозу. Кроме того, было сообщено о том , что при помощи манипулирования уровня экспрессии Bcl-2 или ингибирования каспаз можно направить клетку, которая обычно бы умерла путем апоптоза, в состояние покоя. Также, были предприняты попытки затормозить клеточное старение путём повышенного уровня теломеразы, что в итоге не предотвращает клеточного старения, а защищает клетки от апоптоза.
Эти исследования ясно указывают на пересечение между процессами апоптоза и клеточного старения, например, на уровне белка супрессора опухоли p53.
В раковых клетках толстой кишки , активация p53 ведёт к инициации апоптоза, а не переходом в состояние покоя после онкогенного воздействия путём повышенной экспрессии c-myc. Тем не менее, детали и механизмы перекрестного регулирования между апоптозом и клеточным старением должны быть более подробно изучены.

Аутофагия

Аутофагия (Autophagy)(от греческих слов: "Авто", означающими само- и "phagein означающее «поглощать») представляет собой процесс, посредством которого собственные компоненты клетки доставляются к лизосомам для глобальной деградации (Рис.3). Этот повсеместный процесс выступает в качестве важного регуляторного механизма для ликвидации поврежденных органелл, внутриклеточных патогенов и лишних частей цитоплазмы, а также долгоживущих, аномальных или агрегированных белков.
Показано, что коротко-живущие белки ликвидируются преимущественно через протеасомы.
По крайней мере, три различных типа аутофагии были описаны, которые различаются в способе доставки органелл к лизосомам. Наиболее подробно описывается тип макро-аутофагии (macroautophagy), в котором элементы цитоплазмы и целые органеллы поглощаются так называемыми аутофагосомами (autophagosomes), имеющими двойную мембранную структуру, или первичными аутофаговыми вакуолями (AV-I). После слияния с лизосомами, аутофагосомы формируют одно-мембранную структуру, называемую аутолизосомой (autolysosome) или поздними аутофаговыми вакуолями (AV-II), содержимое которых деградируется и получившиеся элементы возвращаются в цитоплазму для метаболических реакций.
Подробный обзор по формированию аутофагосомных комплексов .
Основным негативным регулятором макро-аутофагии является , которая, как правило, запускает базовое образование аутофагосом, но ее ингибирование (например, при помощи рапамицина при отсутствие питательных веществ) запускает макро-аутофагию. Подавление mTOR активности способствует ферментативной активации мультипротеинового комплекса, который формируется из III phosphatidylinositol 3-киназы (PI3K), белка вакуолярной сортировки 34 (Vps34), Beclin 1, белка вакуолярной сортировки 15 (Vps15), белка резистентности к УФ-излучению (UVRAG), endophilin B1 (Bif-1), молекулы активации Beclin-1-зависимой аутофагии (Ambra 1) и, возможно, другие белки.
Этот комплекс негативно регулируются белками Bcl-2 / X L. Vps34 производит фосфатидилинозитол - 3-фосфат , молекулярный сигнал для сборки аутофаговых комплексов формирующим удлинение и закрытие везикул.
Процесс макро-аутофагии можно заингибировать по пути insulin/IGF-1, где PI3K продуцируют phosphatidylinositol - 3,4,5-trisphosphate , которые стимулируют функцию mTOR .
Не так хорошо изученным является следующий тип аутофагии - микро-аутофагия (microautophagy), при котором поглощение органелл производится непосредственно в лизосомные мембраны. Этот механизм
также является путём деградации органелл и долгоживущих белков, но, в отличие от макро-аутофагии, он не отвечает за адаптацию к недостатку питательных веществ.
Одной из конкретных форм микро-аутофагии является весьма избирательная деградация пероксисом (micropexophagy), описанная в дрожжах , как механизм адаптации к оксидативному стрессу.
Третий тип само-поедания является шаперон-ассоциированная аутофагия (CMA ). Несмотря на то, что этот путь также чувствителен к недостотку пит. веществ, в нём не происходит тотального поглощения органелл или избирательного распознавания субстрата. В CMA, белки цитоплазмы, которые содержат конкретные пента-пептидные мотивы, распознаваемые лизосомами (консенсус последовательность KFERQ) распознаются комплексом белков-шаперонов (в том числе теплового шока 73 кДа-белок, hsc73) и направляются к лизосомной мембране, где они взаимодействуют с белками, связанными с мембраной лизосом (LAMP) 2a. Субстратные белки затем разворачиваются и транспортируются в люмен лизосом для деградации.
Мотив KFERQ находится примерно в 30% белков цитоплазмы, включающих в том числе RNase А и амилоидные белки предшественники (APP). Интересно, что АРР могут быть связаны hsc73 (и, следовательно, скормлены СМА), когда основной путь их деградации заингибирован и данное взаимодействие происходит не через APP KFFEQ последовательности. Пока еще не ясно как KFERQ мотив распознается шапероновым комплексом.
Некоторые пост-трансляционные изменения субстратов (например, окисление или денатурация) могут сделать этот мотив более доступными для шаперонов, повышая уровень их лизосомного поглощения в CMA.

Аутофагия и апоптоз при клеточном старении

В большинстве случаев, аутофагия способствует выживанию клеток путем адаптации клеток к условиям стресса. В этом контексте парадоксально, что механизм аутофагии представляет из себя также не-апоптотическую программу клеточной гибели, которую называют "autophagic"или" тип-II" клеточной смертью.
Это основано на том, что некоторые случаи гибели клеток сопровождаются массовой аутофаговой вакуолязацией. Тем не менее, эти морфологические наблюдения не могут показать, сопровождается ли смерть клетки формированием аутофаговых вакуолей или клеточная гибель действительно осуществляется путём аутофагии. В самом деле, отношения между аутофагией и апоптозом являются сложными, и
именно то, что определяет, погибнет ли клетка путем апоптоза или по другому механизму по-прежнему остаётся неясным. В некоторых клеточных системах , аутофагия является единственным механизмом гибели, действуя в качестве резервного механизма исполнение смертного приговора, когда апоптоз в клетке просто заингибирован. И наоборот, если в процессе клеточного голодания заблокировать процесс аутофагии (например, припомощи малых интерферирующих РНК), то инициируется программа апоптоза .
В опухолевых клетках клеточных линий при воздействии на них цитотоксическими веществами, клетки предпочитают аутофагию, избегая апоптоз и клеточное старения. Опять же , белок p53 был определен в качестве одного из главных регуляторов определяющего направление, по которому пойдёт клетка. В стареющих и постмитотических клетках, аутофагия служит в качестве механизма адаптации к стрессу.
Было показано , что аутофагосомы накапливаются в стареющих фибробластах в целях содействия обновлению веществ цитоплазмы и её органелл. Точно так же в кардиомиоцитах , оптимальное функционирование митохондрий зависит от макро-аутофагии.
Работа одного типа аутофагии- CMA - снижается с возрастом, что увеличивает риск дегенерации нейронов, связанный с накоплением подверженных к аггрегации мутантных белков. Следует отметить , что нейродегенеративные заболевания, связанные с возрастом, имеют схожие характеристики с патологиями, вызванных нокаутом генов, связанных с аутофагией (atg) в головном мозге, такими как накопление убиквитинированных белков и телец включения в цитоплазме, увеличение апоптоза в нейронах и постепенная потеря нейрональных клеток.
Недостаток питательных веществ является наиболее часто используемым способом индуцирования аутофагии в культивируемых клетках, и действительно аутофагия это механизм, с помощью которого одноклеточные организмы (например дрожжевые клетки), а также клетки млекопитающих могут адаптироваться к истощающимся ресурсам.
В ходе деградации макромолекул высвобождается АТФ, что позволяет скомпенсировать отсутствие внешних источников питания. Важно отметить, что эта способность аутофагии может участвовать в продлении жизни организма за счёт ограничения в калорийности питания. Голодание или диетическое ограничение являются одним из сильнейших стимулов для запуска аутофагии по всему организму у мышей и нематод C.elegans.
В любопытном исследовании было показано , что выключение atg генов в C. elegans отменили эффекты противо-старения, которые наблюдались у особей в ходе ограничения калорий.
Точный механизм, посредством которого аутофагия уменьшает старение далеко не ясен. Тем не менее, можно предположить, что регулярное обновление цитоплазматических структур и молекул "очищает" и тем самым омолаживает клетки. Кроме того, аутофагия играет важную роль в поддержании стабильности генома посредством механизмов, которые еще не изучены.
Таким образом, общее увеличение уровня аутофагии может помочь избежать долгосрочных последствий повреждений ДНК, гипотеза , которая требует дальнейшего изучения.

Заключительные замечания

Эмбриогенез и развитие многоклеточных организмов являются результатом баланса между клеточной пролиферацией и клеточной смертью.
После дифференцировки тканей, ткани с пролиферирующими клетками и ткани с не-пролиферирующими клетками накапливают повреждения, которые существенны для поддержания жизни и ускоряющие старение.
В пролиферативных тканях, существуют два различных механизма, которые позволяют клеткам избежать прогрессирования поврежденных клеток в клетки рака: арест деления (процесс, известный как клеточное старение), либо запрограммированная клеточная гибель (апоптоз и, возможно, также массивная аутофагия). Кроме того, старение связано с возрастающим риском развития различных патологий, связанных с клеточными повреждениями.
В частности, нейродегенерация может развиться из-за снижения клеточных механизмов, которые направлены на удаление поврежденных элементов. Основной путь деградации цитоплазматических элементов – аутофагия, уровень которой, как сообщается, снижается с возрастом.
Стимулирование аутофагии путём ограничения калорийности питания может служить в качестве стратегии для того, чтобы избежать развития возрастно-зависимых болезней, как это было показано на C.elegans. Вместе с тем остается открытым вопрос о том, что может оказать положительное влияние на возрастные изменения в человеке: индукция аутофагии (периодическая или непрерывная) путем ограничения калорийности (перемежающейся или постоянной) или воздействие фармакологическими средствами.

Доска почёта

Craig B. Thompson
Chairman and Professor, Dept of Cancer Biology and Medicine
University of Pennsylvania.
Лаборатория Томпсона занимается регуляцией развития лейкоцитов, клеточной пролиферации, адаптации к стрессовым условиям, апоптозом. Одним из направлением является исследования эволюционного видоизменения многоклеточных организмов как механизма строгого контроля над процессами клеточной смерти и старения.

Russell T. Hepple , PhD

Associate Professor, Faculty of Kinesiology, University of Calgary, Canada
Лаборатория Хеппле занимается проблемами снижения функции мышечной ткани в свете регуляции клеточного старения и смерти.

Джуди Кампизи, Buck Institute for Age Research, Buck Institute
8001 Redwood Blvd.
Novato, CA 94945

Радиобиолог [b] работает в Институте биологии научного Центра Уральского отделения РАН в Сыктывкаре: занимается экологической генетикой.