Acta NaturaeActa NaturaeActa Naturae2075-8251Acta Naturae Ltd1093610.32607/actanaturae.10936ReviewsОбзорыResearch ArticleStochastics of degradation: the autophagic-lysosomal system of the cellСтохастика разрушения: аутофаголизосомная система клеткиKudriaevaAnnaКудряеваАнна
Russian Federation
anna.kudriaeva@gmail.comSokolovA.СоколовА.
Russian Federation
anna.kudriaeva@gmail.comBelogurovAlexeyБелогуровАлексей
Russian Federation
anna.kudriaeva@gmail.comM.M. Shemyakin and Yu.A. Ovchinnikov Institute of Bioorganic ChemistryИнститут биоорганической химии им. академиков М.М. Шемякина и Ю.А. Овчинникова РАНLomonosov Moscow State UniversityМосковский государственный университет им. М.В. Ломоносова1604202012118323003202030032020Copyright ©; 2020, Kudriaeva A., Sokolov A., Belogurov A.Copyright ©; 2020, Кудряева А., Соколов А., Белогуров А.2020Kudriaeva A., Sokolov A., Belogurov A.Кудряева А., Соколов А., Белогуров А.https://creativecommons.org/licenses/by/4.0https://actanaturae.ru/2075-8251/article/view/10936

Autophagy is a conservative and evolutionarily ancient process that provides transfer of various cellular substances, organelles and potentially dangerous cellular components to the lysosome for their degradation. This process is crucial for the recycling of energy and substrates, which are required for the cellular biosynthesis. Autophagy plays a major role not only in the survival of cells under stress conditions, but also is actively involved in maintaining of cellular homeostasis. It has multiple effects on immune system and cellular remodeling during organism development. The effectiveness of autophagy is ensured by the tightly managed interaction of two organelles – autophagosomes and lysosomes. Despite significant progress in description of molecular mechanisms underlying in autophagolysosomal system (ALS) functioning, many fundamental questions are still open. Namely, specialized functions of lysosomes and role of ALS in pathogenesis of human diseases are still enigmatic. Knowledge about mechanisms of subsequent stages of autophagolysosomal degradation, from the initiation of autophagy to the terminal stage of substrate destruction in the lysosome, may generate new approaches in order to orchestrate ALS and therefore selectively control cellular proteostasis.

Аутофагия – консервативный эволюционно древний процесс, который обуславливает перемещение завершивших свою функцию, избыточных или потенциально опасных клеточных компонентов в лизосому для их последующей деградации. Этот процесс имеет важнейшее значение в рециркуляции энергии и субстратов, необходимых для клеточных процессов. Аутофагия играет одну из главных ролей не только в выживании клетки при стрессе, но также активно участвует в поддержании клеточного гомеостаза, влияет на иммунитет и занимает значительное место в клеточном ремоделировании в процессе развития организма. Эффективность аутофагии обеспечивается управляемым взаимодействием двух органелл – аутофагосомы и лизосомы. Несмотря на значительные успехи в описании молекулярных механизмов, опосредующих функционирование аутофаголизосомной системы (АЛС), достигнутые за последние два десятилетия ее активного изучения, множество фундаментальных вопросов все еще остаются открытыми: существуют ли лизосомы со специализированными функциями, какова роль АЛС в патогенезе заболеваний человека, таких, как нарушение метаболизма липидов, инфекции и старение. Понимание механизмов всех этапов аутофаголизосомной деградации – от инициации аутофагии до терминального этапа разрушения субстратов в лизосоме – позволит выработать новые подходы к направленному воздействию на АЛС и, как следствие, к контролю клеточного протеостаза.

autophagylysosomeautolysosomal degradationаутофагиялизосомааутолизосомная деградацияРоссийский Научный ФондRussian Science Foundation14-14-00585-ПLilienbaum A. // Int. J. Biochem. Mol. Biol. 2013. V. 4. № 1. P. 1–26.Hershko A., Ciechanover A., Varshavsky A. // Nat. Med. 2000. V. 6. № 10. P. 1073–1081.Evnouchidou I., van Endert P. // Hum. Immunol. 2019. V. 80. № 5. P. 290–295.Erales J., Coffino P. // Biochim. Biophys. Acta. 2014. V. 1843. № 1. P. 216–221.Murakami Y., Matsufuji S., Kameji T. // Nature. 1992. V. 360. № 6404. P. 597–599.Belogurov A., Kudriaeva A., Kuzina E., Smirnov I., Bobik T., Ponomarenko N., Kravtsova-Ivantsiv Y., Ciechanover A., Gabibov A. // J. Biol. Chem. 2014. V. 289. № 25. P. 17758–17766.Kudriaeva A., Kuzina E.S., Zubenko O., Smirnov I. V., Belogurov A. // FASEB J. 2019. P. fj.201802237R.Pierce N.W., Kleiger G., Shan S., Deshaies R.J. // Nature. 2009. V. 462. № 7273. P. 615–619.Kuma A., Mizushima N. // Semin. Cell Dev. Biol. 2010. V. 21. № 7. P. 683–690.Kriegenburg F., Ungermann C., Reggiori F. // Curr. Biol. 2018. V. 28. № 8. P. R512–R518.Lamb C.A., Yoshimori T., Tooze S.A. // Nat. Rev. Mol. Cell Biol. 2013. V. 14. № 12. P. 759–774.Grumati P., Dikic I. // J. Biol. Chem. 2018. V. 293. № 15. P. 5404–5413.Mizushima N. // Nat. Cell Biol. 2018. V. 20. № 5. P. 521–527.Wen X., Klionsky D.J. // J. Mol. Biol. 2016. V. 428. № 9. P. 1681–1699.Bento C.F., Renna M., Ghislat G., Puri C., Ashkenazi A., Vicinanza M., Menzies F.M., Rubinsztein D.C. // Annu. Rev. Biochem. 2016. V. 85. № 1. P. 685–713.Oku M., Sakai Y. // BioEssays. 2018. V. 40. № 6. P. 1800008.Kaushik S., Cuervo A.M. // Trends Cell Biol. 2012. V. 22. № 8. P. 407–417.Towers C.G., Thorburn A. // EBioMedicine. 2016. V. 14. P. 15–23.Son S.M., Park S.J., Lee H., Siddiqi F., Lee J.E., Menzies F.M., Rubinsztein D.C. // Cell Metab. 2019. V. 29. № 1. P. 192–201.e7.Rogov V., Dötsch V., Johansen T., Kirkin V. // Mol. Cell. 2014. V. 53. № 2. P. 167–178.Kirkin V., McEwan D.G., Novak I., Dikic I. // Mol. Cell. 2009. V. 34. № 3. P. 259–269.Kamber R.A., Shoemaker C.J., Denic V. // Mol. Cell. 2015. V. 59. № 3. P. 372–381.Lazarou M., Sliter D.A., Kane L.A., Sarraf S.A., Wang C., Burman J.L., Sideris D.P., Fogel A.I., Youle R.J. // Nature. 2015. V. 524. № 7565. P. 309–314.Stolz A., Ernst A., Dikic I. // Nat. Cell Biol. 2014. V. 16. № 6. P. 495–501.Khaminets A., Behl C., Dikic I. // Trends Cell Biol. 2016. V. 26. № 1. P. 6–16.Stolz A., Dikic I. // Mol. Cell. 2014. V. 56. № 3. P. 341–342.Husnjak K., Dikic I. // Annu. Rev. Biochem. 2012. V. 81. P. 291–322.Pankiv S., Clausen T.H., Lamark T., Brech A., Bruun J.-A., Outzen H., Øvervatn A., Bjørkøy G., Johansen T. // J. Biol. Chem. 2007. V. 282. № 33. P. 24131–24145.Kirkin V., Lamark T., Sou Y.-S., Bjørkøy G., Nunn J.L., Bruun J.-A., Shvets E., McEwan D.G., Clausen T.H., Wild P., et al. // Mol. Cell. 2009. V. 33. № 4. P. 505–516.Korac J., Schaeffer V., Kovacevic I., Clement A.M., Jungblut B., Behl C., Terzic J., Dikic I. // J. Cell Sci. 2013. V. 126. № 2. P. 580–592.Zhou J., Wang J., Cheng Y., Chi Y.-J., Fan B., Yu J.-Q., Chen Z. // PLoS Genet. 2013. V. 9. № 1. P. e1003196.Lu K., Psakhye I., Jentsch S. // Cell. 2014. V. 158. № 3. P. 549–563.Zheng Y.T., Shahnazari S., Brech A., Lamark T., Johansen T., Brumell J.H. // J. Immunol. 2009. V. 183. № 9. P. 5909–5916.Thurston T.L.M., Ryzhakov G., Bloor S., von Muhlinen N., Randow F. // Nat. Immunol. 2009. V. 10. № 11. P. 1215–1221.Wild P., Farhan H., McEwan D.G., Wagner S., Rogov V.V., Brady N.R., Richter B., Korac J., Waidmann O., Choudhary C., et al. // Science. 2011. V. 333. № 6039. P. 228–233.Deosaran E., Larsen K.B., Hua R., Sargent G., Wang Y., Kim S., Lamark T., Jauregui M., Law K., Lippincott-Schwartz J., et al. // J. Cell Sci. 2013. V. 126. № 4. P. 939–952.Sarraf S.A., Raman M., Guarani-Pereira V., Sowa M.E., Huttlin E.L., Gygi S.P., Harper J.W. // Nature. 2013. V. 496. № 7445. P. 372–376.Wong Y.C., Holzbaur E.L.F. // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2014. V. 111. № 42. P. E4439–E4448.Grasso D., Ropolo A., Lo Ré A., Boggio V., Molejón M.I., Iovanna J.L., Gonzalez C.D., Urrutia R., Vaccaro M.I. // J. Biol. Chem. 2011. V. 286. № 10. P. 8308–8324.Marshall R.S., Li F., Gemperline D.C., Book A.J., Vierstra R.D. // Mol. Cell. 2015. V. 58. № 6. P. 1053–1066.Pohl C., Jentsch S. // Nat. Cell Biol. 2009. V. 11. № 1. P. 65–70.Guo H., Chitiprolu M., Gagnon D., Meng L., Perez-Iratxeta C., Lagace D., Gibbings D. // Nat. Commun. 2014. V. 5. № 1. P. 5276.Watson R.O., Manzanillo P.S., Cox J.S. // Cell. 2012. V. 150. № 4. P. 803–815.Morimoto D., Walinda E., Fukada H., Sou Y.-S., Kageyama S., Hoshino M., Fujii T., Tsuchiya H., Saeki Y., Arita K., et al. // Nat. Commun. 2015. V. 6. № 1. P. 6116.Linares J.F., Duran A., Yajima T., Pasparakis M., Moscat J., Diaz-Meco M.T. // Mol. Cell. 2013. V. 51. № 3. P. 283–296.Olzmann J.A., Li L., Chudaev M.V., Chen J., Perez F.A., Palmiter R.D., Chin L.-S. // J. Cell Biol. 2007. V. 178. № 6. P. 1025–1038.Collins G.A., Goldberg A.L. // Cell. 2017. V. 169. № 5. P. 792–806.Kalveram B., Schmidtke G., Groettrup M. // J. Cell Sci. 2008. V. 121. № 24. P. 4079–4088.Cho S.-J., Yun S.-M., Jo C., Lee D., Choi K.J., Song J.C., Park S.I., Kim Y.-J., Koh Y.H. // Autophagy. 2015. V. 11. № 1. P. 100–112.Nakashima H., Nguyen T., Goins W.F., Chiocca E.A. // J. Biol. Chem. 2015. V. 290. № 3. P. 1485–1495.Gamerdinger M., Kaya A.M., Wolfrum U., Clement A.M., Behl C. // EMBO Rep. 2011. V. 12. № 2. P. 149–156.Pickford F., Masliah E., Britschgi M., Lucin K., Narasimhan R., Jaeger P.A., Small S., Spencer B., Rockenstein E., Levine B., et al. // J. Clin. Invest. 2008. V. 118. № 6. P. 2190–2199.Ravikumar B., Vacher C., Berger Z., Davies J.E., Luo S., Oroz L.G., Scaravilli F., Easton D.F., Duden R., O’Kane C.J., et al. // Nat. Genet. 2004. V. 36. № 6. P. 585–595.Winslow A.R., Chen C.-W., Corrochano S., Acevedo-Arozena A., Gordon D.E., Peden A.A., Lichtenberg M., Menzies F.M., Ravikumar B., Imarisio S., et al. // J. Cell Biol. 2010. V. 190. № 6. P. 1023–1037.Lu K., Psakhye I., Jentsch S. // Autophagy. 2015. V. 10. № 12. P. 2381–2382.Ohsumi Y., Ichimura Y., Kirisako T., Takao T., Satomi Y., Shimonishi Y., Ishihara N., Mizushima N., Tanida I., Kominami E., et al. // Nature. 2000. V. 408. № 6811. P. 488–492.Shen Z., Li Y., Gasparski A.N., Abeliovich H., Greenberg M.L. // J. Biol. Chem. 2017. V. 292. № 7. P. 2916–2923.Korolchuk V.I., Menzies F.M., Rubinsztein D.C. // FEBS Lett. 2010. V. 584. № 7. P. 1393–1398.Jahreiss L., Menzies F.M., Rubinsztein D.C. // Traffic. 2008. V. 9. № 4. P. 574–587.de Duve C. // Nat. Cell Biol. 2005. V. 7. № 9. P. 847–849.Saftig P., Schröder B., Blanz J. // Biochem. Soc. Trans. 2010. V. 38. № 6. P. 1420–1423.Olson O.C., Joyce J.A. // Nat. Rev. Cancer. 2015. V. 15. № 12. P. 712–729.Luzio J.P., Parkinson M.D.J., Gray S.R., Bright N.A. // Biochem. Soc. Trans. 2009. V. 37. Pt 5. P. 1019–1021.Li W., Yuan X., Nordgren G., Dalen H., Dubowchik G.M., Firestone R.A., Brunk U.T. // FEBS Lett. 2000. V. 470. № 1. P. 35–39.Bursch W. // Cell Death Differ. 2001. V. 8. № 6. P. 569–581.Guicciardi M.E., Leist M., Gores G.J. // Oncogene. 2004. V. 23. № 16. P. 2881–2890.Leist M., Jäättelä M. // Cell Death Differ. 2001. V. 8. № 4. P. 324–326.Leist M., Jäättelä M. // Nat. Rev. Mol. Cell Biol. 2001. V. 2. № 8. P. 589–598.Chieregatti E., Meldolesi J. // Nat. Rev. Mol. Cell Biol. 2005. V. 6. № 2. P. 181–187.Verhage M., Toonen R.F. // Curr. Opin. Cell Biol. 2007. V. 19. № 4. P. 402–408.Rodríguez A., Webster P., Ortego J., Andrews N.W. // J. Cell Biol. 1997. V. 137. № 1. P. 93–104.Andrews N.W. // Trends Cell Biol. 2000. V. 10. № 8. P. 316–321.Jaiswal J.K., Andrews N.W., Simon S.M. // J. Cell Biol. 2002. V. 159. № 4. P. 625–635.Luzio J.P., Hackmann Y., Dieckmann N.M.G., Griffiths G.M. // Cold Spring Harb. Perspect. Biol. 2014. V. 6. № 9. P. a016840.Stinchcombe J.C., Griffiths G.M. // Annu. Rev. Cell Dev. Biol. 2007. V. 23. № 1. P. 495–517.Mostov K., Werb Z. // Science. 1997. V. 276. № 5310. P. 219–220.Logan M.R., Odemuyiwa S.O., Moqbel R. // J. Allergy Clin. Immunol. 2003. V. 111. № 5. P. 923–932; quiz 933.Wesolowski J., Paumet F. // Immunol. Res. 2011. V. 51. № 2–3. P. 215–226.Stinchcombe J., Bossi G., Griffiths G.M. // Science. 2004. V. 305. № 5680. P. 55–59.Ren Q., Ye S., Whiteheart S.W. // Curr. Opin. Hematol. 2008. V. 15. № 5. P. 537–541.Rao S.K., Huynh C., Proux-Gillardeaux V., Galli T., Andrews N.W. // J. Biol. Chem. 2004. V. 279. № 19. P. 20471–20479.Jahn R., Scheller R.H. // Nat. Rev. Mol. Cell Biol. 2006. V. 7. № 9. P. 631–643.Bossi G., Griffiths G. // Semin. Immunol. 2005. V. 17. № 1. P. 87–94.Cadwell K., Liu J.Y., Brown S.L., Miyoshi H., Loh J., Lennerz J.K., Kishi C., Kc W., Carrero J.A., Hunt S., et al. // Nature. 2008. V. 456. № 7219. P. 259–263.DeSelm C.J., Miller B.C., Zou W., Beatty W.L., van Meel E., Takahata Y., Klumperman J., Tooze S.A., Teitelbaum S.L., Virgin H.W. // Dev. Cell. 2011. V. 21. № 5. P. 966–974.Medina D.L., Fraldi A., Bouche V., Annunziata F., Mansueto G., Spampanato C., Puri C., Pignata A., Martina J.A., Sardiello M., et al. // Dev. Cell. 2011. V. 21. № 3. P. 421–430.Gerasimenko J.V., Gerasimenko O.V., Petersen O.H. // Curr. Biol. 2001. V. 11. № 23. P. R971–R974.Reddy A., Caler E.V., Andrews N.W. // Cell. 2001. V. 106. № 2. P. 157–169.Roy D., Liston D.R., Idone V.J., Di A., Nelson D.J., Pujol C., Bliska J.B., Chakrabarti S., Andrews N.W. // Science. 2004. V. 304. № 5676. P. 1515–1518.Laplante M., Sabatini D.M. // Cell. 2012. V. 149. № 2. P. 274–293.Sancak Y., Bar-Peled L., Zoncu R., Markhard A.L., Nada S., Sabatini D.M. // Cell. 2010. V. 141. № 2. P. 290–303.Guertin D.A., Sabatini D.M. // Cancer Cell. 2007. V. 12. № 1. P. 9–22.Settembre C., Zoncu R., Medina D.L., Vetrini F., Erdin S.S., Erdin S.S., Huynh T., Ferron M., Karsenty G., Vellard M.C., et al. // EMBO J. 2012. V. 31. № 5. P. 1095–1108.Schröder B.A., Wrocklage C., Hasilik A., Saftig P. // Proteomics. 2010. V. 10. № 22. P. 4053–4076.Luzio J.P., Pryor P.R., Bright N.A. // Nat. Rev. Mol. Cell Biol. 2007. V. 8. № 8. P. 622–632.Saftig P., Klumperman J. // Nat. Rev. Mol. Cell Biol. 2009. V. 10. № 9. P. 623–635.Saftig P., Beertsen W., Eskelinen E.-L. // Autophagy. 2008. V. 4. № 4. P. 510–512.Alessandrini F., Pezzè L., Ciribilli Y. // Semin. Oncol. 2017. V. 44. № 4. P. 239–253.Marshansky V., Rubinstein J.L., Grüber G. // Biochim. Biophys. Acta - Bioenerg. 2014. V. 1837. № 6. P. 857–879.Mindell J.A. // Annu. Rev. Physiol. 2012. V. 74. № 1. P. 69–86.Chakraborty K., Leung K., Krishnan Y. // Elife. 2017. V. 6. e28862Liu B., Du H., Rutkowski R., Gartner A., Wang X. // Science. 2012. V. 337. № 6092. P. 351–354.Efeyan A., Zoncu R., Sabatini D.M. // Trends Mol. Med. 2012. V. 18. № 9. P. 524–533.Cang C., Zhou Y., Navarro B., Seo Y., Aranda K., Shi L., Battaglia-Hsu S., Nissim I., Clapham D.E., Ren D. // Cell. 2013. V. 152. № 4. P. 778–790.Bagshaw R.D., Mahuran D.J., Callahan J.W. // Mol. Cell. Proteomics. 2005. V. 4. № 2. P. 133–143.Coutinho M.F., Prata M.J., Alves S. // Mol. Genet. Metab. 2012. V. 105. № 4. P. 542–550.Korolchuk V.I., Saiki S., Lichtenberg M., Siddiqi F.H., Roberts E.A., Imarisio S., Jahreiss L., Sarkar S., Futter M., Menzies F.M., et al. // Nat. Cell Biol. 2011. V. 13. № 4. P. 453–460.Johnson D.E., Ostrowski P., Jaumouillé V., Grinstein S. // J. Cell Biol. 2016. V. 212. № 6. P. 677–692.Pu J., Schindler C., Jia R., Jarnik M., Backlund P., Bonifacino J.S. // Dev. Cell. 2015. V. 33. № 2. P. 176–188.Li X., Rydzewski N., Hider A., Zhang X., Yang J., Wang W., Gao Q., Cheng X., Xu H. // Nat. Cell Biol. 2016. V. 18. № 4. P. 404–417.Rubinsztein D.C., Mariño G., Kroemer G. // Cell. 2011. V. 146. № 5. P. 682–695.Futerman A.H., van Meer G. // Nat. Rev. Mol. Cell Biol. 2004. V. 5. № 7. P. 554–565.Neufeld E.F. // Birth Defects Orig. Artic. Ser. 1980. V. 16. № 1. P. 77–84.Bach G., Bargal R., Avidan N., Ben-Asher E., Olender Z., Zeigler M., Frumkin A., Raas-Rothschild A., Glusman G., Lancet D. // Nat. Genet. 2000. V. 26. № 1. P. 118–123.Sobacchi C., Schulz A., Coxon F.P., Villa A., Helfrich M.H. // Nat. Rev. Endocrinol. 2013. V. 9. № 9. P. 522–536.Nascimbeni A.C., Fanin M., Angelini C., Sandri M. // Cell Death Dis. 2017. V. 8. № 1. P. e2565–e2565.Lloyd-Evans E., Morgan A.J., He X., Smith D.A., Elliot-Smith E., Sillence D.J., Churchill G.C., Schuchman E.H., Galione A., Platt F.M. // Nat. Med. 2008. V. 14. № 11. P. 1247–1255.Menzies F.M., Fleming A., Rubinsztein D.C. // Nat. Rev. Neurosci. 2015. V. 16. № 6. P. 345–357.Guo F., Liu X., Cai H., Le W. // Brain Pathol. 2018. V. 28. № 1. P. 3–13.Orenstein S.J., Kuo S.-H., Tasset I., Arias E., Koga H., Fernandez-Carasa I., Cortes E., Honig L.S., Dauer W., Consiglio A., et al. // Nat. Neurosci. 2013. V. 16. № 4. P. 394–406.Martinez-Vicente M., Talloczy Z., Wong E., Tang G., Koga H., Kaushik S., de Vries R., Arias E., Harris S., Sulzer D., et al. // Nat. Neurosci. 2010. V. 13. № 5. P. 567–576.Walkley S.U. // J. Inherit. Metab. Dis. 2009. V. 32. № 2. P. 181–189.