Продление жизни: ресвератрол, спермидин и аутофагия (1)

Аутофагия опосредует увеличение продолжительности жизни, вызываемое спермидином и ресвератролом
Статья Eugenia Morselli et al. Autophagy mediates pharmacological lifespan extension by spermidine and resveratrol
опубликована в журнале Aging, декабрь 2009 г., том 1, № 12.
Перевод: Евгения Рябцева

Резюме
Несмотря на то, что аутофагия традиционно считается приводящим к гибели клеток механизмом самоуничтожения, постепенно накапливаются свидетельства в пользу того, что в нормальных условиях аутофагия опосредует механизмы цитопротекции, тем самым позволяя подвергшимся стрессовому воздействию клеткам избегать апопототической или некротической гибели. Полученные в последнее время данные указывают на то, что аутофагия причастна и к увеличивающим продолжительность жизни фармакологическим манипуляции. Поступление полиамина спермидина из внешней среды может увеличить продолжительность жизни (индуцируя при этом аутофагию) дрожжей, нематод и мух-дрозофил. Ресвератрол также может запускать аутофагию в клетках различных организмов, увеличивать продолжительность жизни нематод и повышать жизнеспособность человеческих клеток, переносящих метаболический стресс. Эти положительные эффекты отсутствуют при условии генетической или фармакологической инактивации основных модуляторов аутофагии. Это свидетельствует о том, что запуск аутофагии необходим для реализации цитопротективных и/или замедляющих старение эффектов спермидина и ресвератрола. Согласно результатам генетических и функциональных исследований, для защиты клеток и увеличения продолжительности жизни спермидин ингибирует ацетилазы гистонов, тогда как ресвератрол активирует гистондеацетилазу сиртуин 1. Несмотря на то, что еще не ясно, являются ли одни и те же гистоны (или, возможно, другие клеточные или цитоплазматические белки) косвенными мишенями спермидина и ресвератрола, эти данные указывают на важную роль, принадлежащую снижению уровня ацетилирования в регуляции активности аутофагии и изменении продолжительности жизни.

Введение

Аутофагия (от греческого «самопоедание») заключается в изоляции и разрушении с помощью лизосомальных ферментов старых, лишних, поврежденных или находящихся в несоответствующих местах клетки органелл и/или фрагментов цитоплазмы [1]. В литературе описано, по крайней мере, три формы аутофагии (макроаутофагия, микроаутофагия и аутофагия, опосредуемая белками-шаперонами), отличающиеся методом доставки биологического материала внутрь лизосом [2, 3]. Данная статья посвящена макроаутофагии (далее «аутофагия»), являющейся наиболее важным катаболическим процессом, используемым клетками для переработки долгоживущих белков и органелл, а также одним из наиболее выдающихся цитопротективных механизмов в биологии эукариотических клеток [4].

В процессе аутофагии предназначенный для деградации материал доставляется в лизосомы путем изолирования внутри окруженных двухслойной мембраной пузырьков, получивших название аутофагосомы. Формирование аутофагосомы начинается с образования и удлинения так называемого фагофора – фрагмента изолирующей мембраны, отделяющегося от эндоплазматического ретикулума. Края фагофора смыкаются с образованием собственно аутофагосомы, которая впоследствии сливается с лизосомой с формированием ауто(фаго)лизосомы. В конечном итоге содержимое просвета, а также внутренняя мембрана ауто(фаго)лизосомы (в комплексе называемые «аутофагическое тельце») расщепляются лизосомальными гидролазами. Конечные продукты таких катаболических реакций высвобождаются в цитоплазму, где они могут повторно вступить в реакции анаболического и/или биоэнергетического метаболизма [2, 3, 5, 6].

Впервые на молекулярном уровне лежащий в основе аутофагии биохимический каскад был описан для дрожжей (Saccharomyces cerevisiae) [7, 8]. Результаты сотен исследований на различных модельных организмах, в том числе млекопитающих, подтвердили, что основные механизмы аутофагической изоляции и деградации сохранились в ходе эволюции и опосредуются ортологами комплекса генов дрожжей, получивших название генов, связанных с аутофагией (autophagy-related (ATG) genes) [7, 8]. Низкая базовая активность аутофагии, обеспечивающая гомеостатический оборот долгоживущих белков и органелл, регистрируется во всех клетках [4]. Более того, в ряде случаев активность аутофагии повышается до показателей, значительно превышающих базовый уровень: 1) при возникновении у клетки необходимости в мобилизации внутриклеточных питательных веществ, например, в условиях недостаточного поступления глюкозы и/или аминокислот, гипоксии или дефицита факторов роста [2, 3]; и 2) при выведении из клетки потенциально опасных цитоплазматических материалов, в том числе поврежденных органелл, агрегатов неправильно сформированных белковых молекул или внедрившихся микроорганизмов [9, 10].

Сложная регуляция аутофагии как реакция на стрессовое воздействие

Одним из ключевых регуляторов аутофагии в клетках человека и грызунов является киназа белка-мишени рапамицина млекопитающих (mTOR, его дрожжевой аналог называется TOR), подавляющая аутофагию в условиях достаточного поступления питательных веществ и факторов роста. Преобразователи сигналов, в том числе фосфотидилинозитол-3-киназы (PI3K) и Akt, обеспечивают взаимосвязь между рецепторами к тирозинкиназам и активацией mTOR, подавляя тем самым аутофагию в ответ на поступление инсулина, инсулиноподобного фактора роста (IGF) и других факторов роста [11]. Активация mTOR в составе комплекса 1 (mTORC1) – и последующее подавление аутофагии – также может быть опосредовано митоген-активируемыми протеинкиназами (MAPK); в том числе киназами, регулируемыми внеклеточными сигналами (ERK) [12]; Ras-зависимой активацией p90 рибосомальной S6 киназы [13]; а также Wnt-опосредуемым сигнальным механизмом [14]. К другим важным регуляторам аутофагии относятся (список не исчерпывающий): АМФ-активируемая протеинкиназа (АМФК), ингибирующая mTOR при снижении уровня АТФ [15]; фактор инициации трансляции эукариот 2-альфа (eIF2α), реагирующий на недостаточное поступление питательных веществ также, как двухцепочечная РНК (дцРНК) [16], ERN1 (дрожжевой ортолог которого известен как IRE1) – ассоциированный с эндоплазматическим ретикулумом (ЭР) белок, одновременно обладающий активностью киназы и эндорибонуклеазы и играющий важную роль в изменении экспрессии генов при стрессовых воздействиях на ЭР [10, 17]; а также c-Jun-N-терминальная киназа, вовлеченная во множество сигнальных каскадов, активирующихся в условиях стресса [18].

Исследования, проведенные авторами статьи, увеличили этот список еще на несколько пунктов: члены семейства белков Bcl-2, содержащие один домен гомологии Bcl-2, или так называемые BH3-only белки, которые вытесняют (и, таким образом, возвращают ему активность) важный модулятор аутофагии Beclin 1 из ингибирующих комплексов с Bcl-2 или Bcl-XL [19, 20]; сиртуин 1, реагирующий на высокие уровни НАД+, фактически выступая при этом в качестве сенсора доступности питательных веществ [21]; белок-супрессор опухолей р53, присутствие которого в цитоплазме ингибирует аутофагию [22]; комплекс I-каппа-би-киназы (IκB киназы или IKK), также необходимый для активации NF-κB в условиях стресса [23, 24]; а также рецептор к инозитол-1,4,5-трифосфату (IP3R) на уровне ЭР [20, 25]. И, наконец, положительную регуляцию аутофагии обеспечивает активность факторов транскрипции, проявляемая E2F1 [26], FoxO3a [27, 28], NF-κB [29], p53 [30, 31] и другими молекулами. В пиковые события филогенетически древнего молекулярного механизма аутофагии вовлечены ULK1 и ULK2 (ортологи Atg1 млекопитающих), а также Beclin 1 (человеческий ортолог Atg6). Beclin 1 функционирует как аллостерический активатор hVps34 – фосфатидилинозитол-3-киназы (PI3K) класса III (стимулирующей формирование/удлинение фагофора с помощью своего продукта фосфатидилинозитол-3-фосфата), а также является компонентом высокодинамичного мультибелкового комплекса, в состав которого могут входить различные стимуляторы (например, UVRAG, Bif-1/эндофилин B1, Ambra 1) и/или ингибиторы (например, Bcl-2, RUBICON) аутофагии [32-36].

В целом аутофагия взаимосвязана с многочисленными механизмами, запускающимися в ответ на стрессовые воздействия. В некоторых случаях определенные белки и органеллы «метятся» для аутофагического изолирования. Это говорит о том, что какие-то характеристики содержимого аутофагосом определяют его судьбу, заключающуюся в элиминации посредством аутофагии. Этот факт зафиксирован для протеотоксинов [37-39], разобщенных митохондрий (этот процесс получил название «митофагия») [40-42], пероксисом (для которых был введен термин «пексофагия») [43]; поврежденного ЭР (устраняемого путем «ретикулофагии») [44]; и внедрившихся в организм патогенов (активирующих «ксенофагию») [45]. Во многих других случаях аутофагия имеет скорее неизбирательный характер и представляет собой неспецифический ответ клетки, находящейся в состоянии перехода от базового уровня к индуцированному уровню. Весьма заманчивым является предположение, что этот переход от базового к повышенному уровню аутофагии может подразумевать активацию главного «переключателя», способного реагировать на многочисленные несвязанные друг с другом механизмы реагирования на стресс и выявление повреждений. Сложные молекулярные переключатели обеспечивают четкое разделение между разными состояниями клетки, в том числе переходом из недифференцированного в более дифференцированное состояние, сменой фаз клеточного цикла или «решением» активировать механизм апоптоза [46, 47]. Как правило, такие переключатели интегрируют разнообразные сигналы, передающиеся посредством петель отрицательной обратной связи (поддерживающих гомеостаз и удерживающих клетку в определенном состоянии), и петель положительной обратной связи (характерных для быстрого перехода из одного состояния в другое) [48]. Существует большое количество доказательств того, что в механизме аутофагии задействованы петли положительной обратной связи. Например, авторы установили, (1) что индуцируемая рапамицином (ингибирующим mTOR) аутофагия сопровождается деградацией белка р53 и активацией IKK; (2) при этом, фармакологическое ингибирование р53 пифитрином-альфа ведет к подавлению активности mTOR и активации IKK; (3) а также, что принудительная трансгенная активация IKK стимулирует деградацию р53 одновременно с ингибированием mTOR [22-24, 49]. Все это свидетельствует о существовании взаимосвязи между ингибированием mTOR, активацией IKK и деградацией цитоплазматического р53, обеспечиваемой комплексом петель опережающей связи с самоусиливающейся активностью (рис. 1), хотя молекулярные аспекты этих механизмов пока неясны.

Рисунок 1. Молекулярный состав гипотетического переключателя аутофагии.
Независимо от происхождения первичного стрессового сигнала, результатом независимой активации молекулярных комплексов, формирующихся вокруг IkB киназы (IKK), цитоплазматического р53, mTOR и беклина 1, является запуск универсальной реакции. Внутри этих комплексов (и, возможно, других) происходит обратимое посттрансляционное модифицирование белков и/или их перемещение между комплексами, определяющее функционирование интегратора/переключателя, активирующего механизм аутофагии. При этом следует учитывать, что переключатель аутофагии, судя по всему, включает в себя несколько петель положительной обратной связи, определяющих его (ин)активацию.

Часть 2: Аутофагия опосредует увеличение продолжительности жизни, вызываемое ресвератролом.

Портал «Вечная молодость» http://vechnayamolodost.ru

30.12.2011