Komerční prezentace
Registrace uživatele

Přihlašte se k odběru informací, novinek, získejte přístup do diskuzního fóra.

Vesmír č. 10
Vesmír č. 10
Toto číslo vychází
2. 10. 2017
Novinky
Zdarma jedno celé číslo Vesmíru v pdf.
• Říjnové číslo Vesmíru
reklama

Autofagie – buněčná uklízečka

Publikováno: Vesmír 95, 696, 2016/12

Schopnost likvidovat a recyklovat nepotřebný nebo poškozený materiál je pro buňky stejně důležitá jako pro město, továrnu či domácnost. A v období nedostatku se buňka nepotřebného harampádí zbavuje obzvlášť efektivně. Detailní pochopení autofagie nám sice nezajistí nesmrtelnost, ale může pomoci oddálit stárnutí.

Přestože se pro letošní Nobelovu cenu za fyziologii a medicínu očekávalo jiné téma a jiný laureát (Technologie CRISPR/Cas9 pro editování genetické informace),1) výsledek hlasování švédských akademiků nakonec můžeme vnímat jako absolutně bezrozporný a zasloužený.

Oceněn byl totiž Jošinori Ósumi (*1945) z Tokijské univerzity za klíčové objevy umožňující pochopení molekulárních mechanismů autofagie, důležitého buněčně-biologického děje, který má přímý vztah k mnoha lidským patologiím a do jehož modulace se vkládají velké naděje pro možné terapeutické intervence, týkající se stárnutí, imunity, neurodegenerativních poruch nebo nádorů.2)

Spolu s Ósumim by si ocenění zasloužil i jeden z otců buněčné biologie, belgický buněčný biolog a biochemik Christian de Duve, který už jednu Nobelovu cenu získal – v roce 1974 za objevy vnitřního funkčního uspořádání buňky. V roce 1962 přišel s konceptem buněčného samopožírání a s výstižným termínem autofagie (spolu s termíny lysozom, endocytóza nebo fagocytóza). Christian de Duve bohužel zemřel v roce 2013 a Nobelův výbor neoceňuje vědecké zásluhy in memoriam.

Kvasinka jako model

Jošinori Ósumi objevil a charakterizoval molekuly kontrolující autofagní proces, a to pomocí poměrně jednoduchého experimentu. Vystavil hladovění jednobuněčný modelový organismus, kvasinku Saccharomyces cerevisiae, konkrétně její kmen, který nedokázal odbourávat materiál ve vakuolách. Vakuoly kvasinek jsou homologické lysozomům živočišných buněk (organelám obsahujícím enzymy schopné degradovat buněčný obsah). Buňky ve snaze zajistit si energii z vnitřních zdrojů začaly pohlcovat cytoplazmatický materiál. A protože ho nedokázaly odbourávat, hromadil se uvnitř vakuoly jako dobře pozorovatelné „smetí“, takže posloužil jako průkaz probíhající autofagie.

Po zavedení modelu byly kvasinky vystaveny působení mutagenů, které způsobily mutace vedoucí k nefunkčnosti proteinů odpovědných za různé aspekty autofagie. Příslušní mutanti byli snadno rozpoznatelní díky tomu, že se během hladovění v jejich vakuolách nehromadily autofágní váčky obsahující původně cytosolický materiál. Od tohoto experimentálního výsledku pak byl jen krok (i když velice náročný a v době realizace připomínající hledání jehly v kupce sena) k identifikaci genů kódujících proteiny, které autofagní procesy regulují.

Jošinori Ósumi se svým týmem popsal čtrnáct základních členů „komorního“ proteinového ansámblu, který se dnes rozrostl na plnohodnotný orchestr, čítající více než padesát bílkovin. Ósumi příslušné molekuly nejen objevil, ale zásadním způsobem přispěl k jejich charakterizaci. Vůbec nepřeháníme, pokud řekneme, že založil oblast buněčné biologie, která je v moderních učebnicích samostatnou kapitolou. Má i specializovaný časopis Autophagy a její téma se jako klíčové slovo objevuje v téměř 10 000 článků ročně.

Z popelky superstar

Dlouho to ale na takový úspěch nevypadalo. V roce 1963 můžeme najít jediný záznam s termínem autofagie, o rok později žádný a pak po dlouhou dobu do deseti záznamů ročně. I v době, kdy své objevy začal publikovat Jošinori Ósumi, byl výzkum autofagie popelkou buněčné biologie. Šlo o oblast, kde nepanovala vyhrocená kompetice, což povaze japonského biologa vyhovovalo. Díky specifikům japonské grantové a institucionální podpory vědy mohl dlouhodobě bez existenčního ohrožení pracovat a čekat, až přijde jeho čas. Ten přišel na přelomu milénia, kdy se v buněčné biologii a vlastně i ve fyziologii nahromadila řada pozorování, která se nedala elegantně vysvětlit jinak než existencí autofagie.

Koncept toho, že uvnitř buňky je možné vytvořit dvojmembránový váček (autofagozom) obsahující původně cytoplazmatický materiál (cytoplazmu s proteiny, ale i buněčné organely), který může splynout s lysozomem a vše kromě vnější membrány může být rozloženo a recyklováno, našel vděčné publikum nejen mezi buněčnými biology, ale i imunology, fyziology a mikrobiology. Místo toho, aby vymýšleli kostrbatá řešení pro interpretaci svých dat, dostali elegantní topologický průhled.

Současný exponenciální nárůst publikací tematizovaných autofagií je dán i tím, že v posledních letech dochází k masivní reinterpretaci mnoha experimentů, k jakémusi uvolnění tlaku, který se v buněčné biologii hromadil po celá desetiletí. Skoro to vypadá, že autofagie dnes v buněčné biologii souvisí úplně se vším. Z popelky se stala superstar.

Z autofagie jako procesu (jak byl původně definován Christianem de Duvem), pomocí něhož se buňka dokáže zbavovat jinak těžko degradovatelných cytoplazmatických komponent (velkých proteinových komplexů a nefunkčních organel, např. mitochondrií) nebo se zachránit „sebepožíráním“ v situaci mimořádného nedostatku energetických zdrojů, se stává obecný koncept, který má významný biomedicínský přesah.

Například se ukazuje, že autofagie je důležitou součástí tzv. přirozené imunity proti intracelulárním parazitům (např. virům nebo bakteriím), které může buňka zlikvidovat tak, že jakmile je rozpozná, vytvoří kolem nich autofágní vakuolu a rozloží je. Velkou oblastí výzkumu se stává vztah mezi autofagií a nádorovým bujením. Zde se ukazuje duální charakter tohoto procesu, kdy v počátečních stadiích kancerogeneze může autofagie svým „uklízecím“ módem fungovat jako onkosupresivní mechanismus, v pozdějších stadiích naopak působí proonkogenně.

Úklidem (a hladem) proti stárnutí

Zcela zásadní je zapojení autofagie do dlouhodobého udržování homeostázy buněk i komplexních mnohobuněčných organismů. Tím, že je zapojena do degradace jinak špatně odstranitelného buněčného „smetí“, jednoznačně ovlivňuje životaschopnost buněk včetně tak důležitého fenoménu, jakým je stárnutí.

V podstatě jediným účinným způsobem, jakým je možné prodloužit život (a to jak na jednobuněčné úrovni, tak na úrovni celých organismů), je tzv. kalorická restrikce (hladovění). Pokud se vyskytnou podobně fungující intervence (např. mutacemi v některých genech nebo působením chemických látek – např. spermidinu nebo rapamycinu), téměř vždy souvisejí s energetickým metabolismem a spuštěním signalizační dráhy, která vede k iniciaci autofagie.

Významným modelovým organismem v tomto typu výzkumu je háďátko Caenorhabditis elegans, u něhož se vyskytuje řada mutací prodlužujících délku dožití (známe již více než 150 proteinů, které po snížení exprese prodlužují život). Mezi ně patří např. narušení příjmu potravy u mutanta eat-2 s mutací v acetylcholinovém receptoru s následnou sníženou funkčností hltanu a celoživotním hladověním (typický příklad kalorické restrikce) nebo mutace v proteinech regulujících energetický metabolismus (dráha inzulin/EGF-1), související se senzorem nedostatku buněčného ATP mTOR-1 nebo obecně s autofágní kaskádou. Mimořádně zajímavé je to, že řada buněčně-biologických procesů definujících molekulární mechanismy stárnutí je evolučně konzervovaná, tj. že obdobné geny můžeme nalézt u pivní kvasinky, háďátka, myši i člověka.

Pokrok v poznání souvislosti mezi kalorickou restrikcí a autofagií nabízí mimořádné propojení buněčné biologie se zkušeností a žitou tradicí řady lidských kultur aplikujících ozdravná hladovění.

Z buněčně-biologického hlediska má tento rituál jasné vysvětlení. Kalorická restrikce na úrovni celého organismu se rychle projeví i na úrovni jednotlivých buněk, v nichž nedostatek ATP spustí autofagii. Jejím hlavním cílem je zajistit buňkám energii z vnitřních zdrojů, když se těch vnějších nedostává, ale vedlejším důsledkem může být „generální úklid“ buněčného prostředí. Za energeticky komfortních podmínek nic takového nenastává, takže se postupně hromadí nepotřebné a funkčně narušené buněčné komponenty. Právě toto hromadění je pro některé vědce synonymem stárnutí.

V tomto ohledu je extrémně zajímavý fakt, že během stárnutí se obecně snižuje efektivita tělních autofágních procesů, navíc se zdá, že vše je regulováno geneticky. Mimochodem, sekvenační projekty aplikované na extrémně staré lidi ukazují, že je u nich možné nalézt ve významně zvýšené míře mutace v dráze inzulinu/EGF-1 (podobně jako u háďátek).

Samostatnou a rychle se rozvíjející oblastí výzkumu je vztah mezi autofagií a řadou degenerativních onemocnění, která mají jako společný jmenovatel hromadění neodbouraných špatně sbalených nebo nefunkčních proteinů (např. Alzheimerova, Parkinsonova nebo Huntingtonova choroba). Zde se jako jedna z možností terapeutické intervence nabízí aktivace autofagie a příslušné aktivátory jsou již ve stadiu klinického testování.

Samozřejmě, že modulace autofágních procesů nebude nikdy samospasitelným terapeutickým přístupem. Za fyziologických podmínek je autofagie velice pečlivě regulována a její nedostatek nebo naopak nadbytek v určitém buněčném typu může výrazně uškodit, obzvlášť zřejmě ve vyvíjejícím se zárodku. Již jsme zmínili, že při kancerogenezi má autofagie jak pro- tak antikancerogenní účinky a pro výsledný efekt látky modulující aktivitu autofagie záleží na časoprostorovém kontextu tkáňového mikroprostředí.

Jednoznačně ale jde o buněčný děj, který nám může nabídnout doposud netušené cílené terapeutické přístupy, možnosti oddálit stárnutí, nebo alespoň minimalizovat jeho negativní zdravotní důsledky manifestované degenerativními chorobami (ovšem za předpokladu, že jej dokážeme dokonale poznat a regulovat). Nesmrtelnosti tímto způsobem nedosáhneme, ale z racionálních cest k prodloužení (zdravého) života se jeví asi jako prostředek nejpoužitelnější.

Poznámky

1) O CRISPR/Cas9 více ve třech článcích Jaroslava Petra v tištěném Vesmíru: Vesmír 94, 288, 2015/5; 94, 394, 2015/7; 95, 198, 2016/4 a v jednom online.

2) Viz také Ivo Überall, Autofagie ve vztahu k nemoci, Vesmír 90, 41, 2011/1.

Soubory

článek ve formátu pdf: V201612_696-697.pdf (342 kB)

Diskuse

Žádné příspěvky