На распутье: механизмы апоптоза и аутофагии в жизни и смерти клетки

Полный текст

ВВЕДЕНИЕ

Аутофагия – это процесс, который стимулируется внутриклеточными стрессами или стрессами окружающей среды. В результате образования аутофагосом и их слияния с лизосомами происходит направленное удаление поврежденных органелл, белковых агрегатов и внутриклеточных патогенов [1]. Изучение аутофагии приобрело огромное значение в последнее десятилетие, так как именно этот процесс участвует в регуляции метаболизма как клетки, так и организма. Нарушение регуляции аутофагии затрагивает основные метаболические функции клеток, что может приводить к развитию различных заболеваний [2]. В настоящее время получены достоверные доказательства того, что активация аутофагии при воздействии противоопухолевых препаратов может защищать раковые клетки от гибели, а снижение уровня аутофагии связано с развитием нейродегенеративных и аутоиммунных заболеваний и общим старением организма [3].

Апоптоз – эволюционно консервативный запрограммированный механизм гибели клеток, который позволяет проводить отбор клеток в ходе нормального развития эукариот и поддержания гомеостаза организма. При апоптозе в структуре клетки возникает ряд морфологических изменений, обусловленных протеканием ферментзависимых биохимических процессов, а также происходит выведение клеток из организма с минимальным повреждением окружающих тканей [4].

Низкий уровень гибели клеток, сопряженный с высоким уровнем пролиферации, может спровоцировать развитие таких заболеваний, как рак, тогда как чрезмерный уровень гибели клеток способствует возникновению таких заболеваний, как болезни Альцгеймера и Паркинсона, ревматоидный артрит [4]. С возрастом эффективность аутофагии снижается [5, 6], при этом наблюдается избыточная активация апоптоза [7], что ассоциировано со старением организма. В связи с этим актуальным представляется понимание молекулярных механизмов регулирования взаимодействия апоптоза и аутофагии, анализу которых посвящен настоящий обзор.

АПОПТОЗ

Апоптоз – это процесс контролируемой гибели клетки без выхода ее содержимого в окружающую среду, который называют запрограммированной гибелью клеток [4]. Протекание этого процесса контролируют белки семейства Bcl-2, которые включают в себя как проапоптотические, так и антиапоптотические компоненты. Баланс этих компонентов определяет принятие решения о жизни или гибели клетки [8]. Стимуляция апоптоза приводит к активации прокаспаз – предшественников цистеин-аспарагиновых протеаз, известных как каспазы. Существуют две категории каспаз: инициаторные и эффекторные [9]. Специфические сигналы, свидетельствующие о повреждении клеток, стимулируют инициаторные каспазы (каспазы 8 и 9), которые активируются в результате автопротеолиза и гидролизуют предшественники эффекторных каспаз (каспазы 3, 6 и 7), обеспечивая их функционирование. Активация эффекторных каспаз инициирует каскад событий, которые приводят к разрушению ядерных белков и белков цитоскелета, сшивкам белков, экспрессии лигандов, узнаваемых фагоцитирующими клетками, образованию апоптотических телец и гибели клетки [10, 11]. В процессе апоптоза происходит фрагментация ДНК, которую осуществляют эндонуклеазы. Процесс апоптоза высоко консервативен у многоклеточных организмов и генетически контролируется [12]. Выделяют два механизма инициации апоптоза: внутренний и внешний. На рис. 1 представлена схема механизмов апоптоза.

 

Рис. 1. Схема, иллюстрирующая внутренний и внешний механизмы активации апоптоза (по D’Arcy [4])

 

Внутренний механизм зависит от факторов, высвобождаемых из митохондрий [13], он включает в себя различные стимулы, которые действуют на несколько мишеней в клетке. Отсутствие цитокинов, гормонов и факторов роста приводит к активации внутриклеточных активаторов апоптоза семейства Bcl-2, таких, как PUMA (p53-усиливающий модулятор апоптоза), Noxa и BAX [4]. В нормальном состоянии эти белки обычно взаимодействуют с антиапоптотическими белками семейства Bcl-2. В условиях отсутствия сигналов к выживанию и пролиферации, а также при гипоксии, воздействии токсинов, радиации, активных форм кислорода и вирусов [14] происходит, как правило, накопление белка PUMA, избыток которого взаимодействует с проапоптотическими белками семейства Bcl-2, такими, как BAK и BAX. Транслокация последних в мембрану митохондрии приводит к открытию митохондриальной поры и релокализации проапоптотических белков, таких, как цитохром с, Smac/Diablo и HtrA2/Omi, в цитоплазму. Цитохром с – компонент дыхательной цепи митохондрий, попадая в цитоплазму, взаимодействует с Apaf-1 (Apoptotic protease activating factor 1) и образует апоптосому [15], которая способствует активации инициаторной каспазы 9, запускающей каскад апоптозных реакций. Митохондриальные белки Smac/Diablo и HtrA2/Omi при попадании в цитоплазму взаимодействуют с ингибиторами апоптоза (белки IAP), что способствует высвобождению каспаз и их активации [4].

Внешний механизм активации апоптоза регулируется сигнальными каскадами, запускаемыми рецепторами смерти (DR-death receptor) [13]. Связывание лигандов смерти, секретируемых патрулирующими NK-клетками (Natural killer cells) или макрофагами, или заякоренных на поверхности лимфоцитов, с DR способствует взаимодействию его цитоплазматического домена, индуцирующего смерть клеток (DED – death effector domain), с мономерной прокаспазой 8 [16]. Образующийся при этом сигнальный комплекс DISC (Death-Inducing Signaling Complex) обеспечивает протеолитическую активацию каспазы 8. Процессированная каспаза индуцирует апоптоз, стимулируя активность эндонуклеаз и протеаз [4, 16].

Необходимо отметить ключевую роль транскрипционного фактора p53 в регуляции процесса апоптоза. р53 имеет короткое время жизни, а его количество в клетках млекопитающих остается низким в результате постоянного убиквитинирования и последующей деградации. Однако в стрессовых условиях (повреждение ДНК, гипоксия, цитокины и др.) убиквитинирование р53 подавляется, он стабилизируется и накапливается в ядре. Активирующее фосфорилирование р53 обеспечивают различные киназы. В зависимости от условий это могут быть, например, киназы, участвующие в контроле клеточного цикла (Chk – checkpoint kinases), cАМP-зависимая протеинкиназа А (РКА), регулятор липидного обмена, уровня глюкозы и гликогена; циклинзависимая киназа 7 (CDK7), участвующая в контроле клеточного цикла и регуляции транскрипционной активности РНК-полимеразы II; ДНК-зависимая протеинкиназа (DNA-PK), медиатор клеточного ответа на повреждения ДНК; а также киназы семейства МАРК (митоген-активируемые протеинкиназы), такие, как JNK (N-концевая киназа Jun). Фосфорилирование стимулирует олигомеризацию р53, в результате которой образуется тетрамер. Тетрамерный р53 активирует экспрессию генов, промоторные области которых содержат участки взаимодействия с р53 [17, 18], например, гены Fas-лигандов [19, 20], ген DR5, кодирующий рецептор смерти, взаимодействующий с цитокинами семейства факторов некроза опухоли TRAIL (TNF-ассоциированный апоптозиндуцирующий лиганд). Участие p53 во внутреннем пути апоптоза связано с семейством белков Bcl-2, которые регулируют высвобождение цитохрома с из митохондрий. Ключевые проапоптотические гены семейства Bcl-2: BAX, Noxa, PUMA и BID являются мишенями p53 [21].

АУТОФАГИЯ

В процессе аутофагии различные клеточные компоненты или даже целые органеллы попадают в лизосомы, которые содержат ферменты, гидролизующие поглощенные компоненты [4]. Аутофагия стимулируется в ответ на различные воздействия, в том числе на недостаток АТР и питательных ресурсов или сигналы, поступающие с поверхности поврежденных органелл или регулирующие дифференцировку клеток во время эмбриогенеза [22]. Процесс аутофагии лежит в основе функционирования адаптивного и врожденного иммунитета. Например, разрушение внутриклеточных патогенов и доставка антигенов в компартменты, содержащие МНС класса II, а также транспорт вирусных нуклеиновых кислот к Toll-подобным рецепторам происходят при участии аутофагосом [23]. Хотя аутофагия часто используется для рециркуляции клеточных компонентов, она может привести также к разрушению клетки. Таким образом, аутофагия связана с удалением стареющих клеток из тканей и разрушением опухолевых поражений [22]. Низкая эффективность аутофагии ассоциирована с развитием рака, а также, особенно в пожилом возрасте, с накоплением белковых агрегатов в нейронах и развитием нейродегенеративных состояний, включая болезнь Альцгеймера [24]. Активация аутофагии в быстро пролиферирующих клетках позволяет преодолевать дефицит внутриклеточных компонентов, необходимых для биосинтеза [25]. Повышенный уровень аутофагии, часто наблюдаемый в раковых клетках, позволяет им более эффективно функционировать в условиях дефицита питательных веществ, а также способствует снижению чувствительности к цитотоксическим веществам [26].

В настоящее время выделяют три различные формы аутофагии – макроаутофагию, микроаутофагию и селективную аутофагию. При реализации макро­аутофагии целые области клетки заключаются в двумембранные везикулы, называемые аутофагосомами. Аутофагосомы сливаются с лизосомами, превращаясь в аутофаголизосомы, содержимое которых деградирует под действием гидролитических ферментов [27]. На рис. 2 представлена общая схема образования аутолизосомы [4].

 

Рис. 2. Общая схема образования аутофаголизосомы (по D’Arcy [4]). Активация комплексов ULK1 и PI3K класса III стимулирует образование аутофагофора. Комплекс, состоящий из ATG5, ATG12 и ATG16L, вместе с LC3-II стимулирует удлинение фагофора и необходим для формирования аутофагосомы. Белок р62 взаимодействует с LC3-II и с белками, направляемыми на деградацию при помощи убиквитинирования, и поглощается аутофагосомой. Ферменты лизосомы гидролизуют содержимое аутофагосомы после их слияния

 

Пути регуляции аутофагии

На первых стадиях аутофагии комплекс ULK1, состоящий из киназы ULK1 (Unc-51 like autophagy activating kinase), белков ATG13 (autophagy related protein), FIP200 (focal adhesion kinase family interacting protein of 200 kDa) и ATG101, транслоцируется к сайтам инициации аутофагии и регулирует привлечение комплекса VPS34 (vacuolar protein sorting). VPS34, в состав которого входят фосфатидилинозитол-3-киназа I класса III (PI3K), VPS34, ATG14L, VPS15 и Beclin 1 (рис. 2), обеспечивая образование фосфатидилинозитол-3-фосфата (PI3P) в местах образования фагофора. PI3P служит сигналом для связывания ряда белков, которые формируют аутофагосому. Образовавшиеся фагофоры постепенно увеличиваются благодаря двум убиквитин-подобным конъюгирующим каскадам: ATG5-ATG12 и MAP-LC3/ATG8/LC3. Фагофор, по мере его удлинения, постепенно поглощает часть цитоплазмы, образуя двумембранную аутофагосому, путем слияния с самим собой. Наконец, слияние аутофагосомы с лизосомой приводит к образованию аутолизосомы, деградации содержимого, а полученные блоки макромолекул высвобождаются в цитозоль и могут повторно использоваться клеткой в качестве строительных блоков [28]. Центральным регулятором аутофагии считается киназа mTOR (mammalian target of rapamycin – мишень рапамицина млекопитающих). Подавление активности mTOR стимулирует образование комплекса ULK1 и активирует аутофагию.

Активация аутофагии внутренними или внешними стимулами подвержена многоступенчатой регуляции, в которую вовлечены основные клеточные сигнальные каскады. Наиболее изучены такие модуляторы аутофагии, как киназы PI3K, AKT, AMPK, которые регулируют пролиферацию, метаболизм и выживание клеток. Активация PI3K/AKT/mTOR-опосредованного сигнального пути подавляет, как правило, аутофагию [29]. Модуляцию этого сигнального каскада обеспечивают PTEN (фосфатаза и гомолог тензина), инсулин, Sirt1, 5’-AMP-активируемая протеинкиназа (AMPK), митоген-активируемая протеинкиназа p38 (p38-MAPK) и p53. Стимуляции аутофагии способствует активация МАРК сигнального пути Ras/Raf/ERK, регулирующего функционирование N-JNK-киназ, вовлеченных в модуляцию пролиферации, дифференцировки, воспаления и апоптоза. Активирующие мутации в онкогенах Ras или B-Raf часто ассоциированы с онкотрансформацией клеток, а JNK регулируют апоптоз, обеспечивая посттрансляционное фосфорилирование Bcl-2 [30, 31].

На pис. 3 приведена схема механизмов, регулирующих аутофагию.

 

Рис. 3. Схема регуляторных механизмов аутофагии (по Jiang [1])

 

АУТОФАГИЯ И АПОПТОЗ: МОЛЕКУЛЯРНЫЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ

Как аутофагия, так и апоптоз играют важную роль в процессах развития, поддержания гомеостаза тканей и в патогенезе многих заболеваний. К настоящему времени накапливается все больше данных о том, что основные молекулярные компоненты сигнальных путей аутофагии и апоптоза находятся в сложных перекрестных взаимоотношениях и нередко индуцируются сходными стимулами. Например, экспериментально показано, что как апоптоз, так и аутофагия активируются в ответ на метаболический стресс [32] или воздействие активных форм кислорода [33]. Интересные данные о взаимодействии аутофагии и апоптоза получены при анализе молекулярных механизмов стресса эндоплазматического ретикулума. Адаптивным ответом клеток на нарушение гомеостаза кальция или функций эндоплазматического ретикулума является усиление аутофагии и апоптотической гибели клеток [34].

Можно выделить несколько основных вариантов функциональных взаимодействий между апоптозом и аутофагией. В случае «партнерских отношений» апоптоз и аутофагия действуют в едином направлении, приводя к гибели клеток. В случае «антагонистических отношений» апоптоз и аутофагия представляют собой процессы, имеющие разные цели. Аутофагия в данном случае не приводит к гибели клеток и, кроме того, снижает эффективность апоптоза, создавая условия, благоприятствующие выживанию клеток. В случае «активирующих отношений» аутофагия способствует реализации апоптотической программы, обеспечивая выполнение определенных этапов, но сама не приводит к смерти клетки [35].

Таким образом, аутофагия и апоптоз могут взаимодействовать, противодействовать или способствовать друг другу, по-разному влияя на судьбу клетки. При этом можно выделить несколько основных молекулярных путей, которые обеспечивают сложные функциональные взаимодействия между процессами аутофагии и апоптоза.

Beclin 1 в регуляции выбора между аутофагией и апоптозом

Важным компонентом преаутофагосомы является белок Beclin 1, играющий регуляторную роль в выборе механизма ответа на стресс. Семейство белков Bcl-2 (Bcl-2, Bcl-xL и Mcl-1) включает хорошо известные антиапоптотические медиаторы, роль которых в подавлении аутофагии продолжает исследоваться. Цитопротекторная функция белков Bcl-2 обусловлена их способностью взаимодействовать с BAX и BAK и предотвращать таким образом апоптоз [36]. Белок Beclin 1 содержит BH3-домен, гомологичный доменам Bcl-2. Этот белок определяет судьбу клетки в условиях стресса, модулируя взаимодействие процессов аутофагии и апоптоза. Beclin 1 рекрутирует ключевые аутофагические белки в преаутофагосомную структуру [4]. BH3-домен Beclin 1 отвечает за взаимодействие с антиапоптотическими членами семейства Bcl-2 (рис. 4), что мешает сборке преаутофагосомной структуры и приводит к ингибированию аутофагии [36]. При стрессе, вызванном голоданием, киназа JNK фосфорилирует Bcl-2, что способствует диссоциации комплекса Bcl-2–Beclin 1 и появлению возможности последующей сборки преаутофагосомной структуры и протекания аутофагии [37]. Длительная активация JNK-каскада и фосфорилирование Bcl-2 приводят к апоптозу в связи с активацией каспазы 3 [36]. Показано, что такие киназы, как ассоциированная с гибелью клеток протеинкиназа DAPK, Rho-ассоциированная киназа 1 (ROCK1), участвующая в регуляции пролиферации клеток, воспаления и адгезии [38, 39], а также MK2 и MK3, служащие субстратами р38 MAPK [40], осуществляют ингибирующее фосфорилирование ВН3-домена Beclin 1 и блокируют сборку преаутофагосомы. Стимулирующий эффект оказывает киназа Mst1, регулятор функционирования эффекторных Т-клеток и дифференцировки регуляторных Т-клеток. Фосфорилирование BH3-домена Beclin 1 киназой Mst1 способствует взаимодействию Bcl-2–Beclin 1 [38], предотвращая таким образом сборку комплекса PI3K класса III, что приводит к ингибированию аутофагии. Схема образования активного комплекса PI3K класса III приведена на рис. 4.

 

Рис. 4. Схема превращения инактивированного комплекса Bcl-2–Beclin 1 в активный PI3K-комплекс (по Menon [41])

 

Сигнальные пути с участием киназы mTOR

Одной из точек молекулярного взаимодействия путей аутофагии и апоптоза является киназа mTOR – серин/треониновая киназа из семейства фосфатидилинозитолкиназ, которая играет важную роль в регуляции процессов роста и старения. Активность киназы mTOR меняется в зависимости от внешних и внутренних факторов: наличия/отсутствия питательных веществ, АТР, факторов роста, факторов стресса [1].

Известно, что mTOR входит в состав двух комплексов: mTORC1, состоящего из mTOR, mLST8, DEPTOR, RAPTOR и PRAS40, и mTORC2, состоящего из mTOR, mLST8, DEPTOR, RICTOR, mSIN1 и PROTOR. mTORC1, фосфорилируя киназу рибосомного белка S6 (p70 S6K1) и белок, связывающий фактор инициации трансляции 4Е (4ЕВР1), стимулирует биосинтез белка. mTORC1 осуществляет регуляторное фосфорилирование ULK1, ингибирующее аутофагию, а также участвует в метаболизме липидов, модифицируя фосфатидатфосфатазу Lipin1. Комплекс mTORC2 был открыт сравнительно недавно. mTORC2 активируется в ответ на воздействие факторов роста, а его субстратами являются киназа AKT, киназы, регулируемые сывороткой и глюкокортикоидами (SGK), и протеинкиназа С (PKC) – компонент регуляторного каскада, активируемого G-белок-связанными рецепторами факторов роста [42].

Активность mTOR регулируется небольшим GTP-связывающим белком Rheb. Связывая GTP, Rheb активирует mTOR, а гидролиз GTP, стимулируемый комплексом TSC1/TSC2 (tuberous sclerosis), приводит к инактивации Rheb и mTOR соответственно. Ингибирование аутофагии в результате регуляторного фосфорилирования TSC1/TSC2 осуществляют различные факторы. Например, AKT, МАР-киназы, регулируемые внеклеточными сигналами киназы (ERK), киназа р90 рибосомного белка S6 (RSK), осуществляя инактивирующее фосфорилирование Ser939 TSC2, ингибируют аутофагию, а AMPK, фосфорилирующая Ser1387 TSC2, стимулирует аутофагию [35].

Снижение уровня питательных веществ или энергии в клетке, а также воздействие стресса приводят к ингибированию активности mTOR и, как следствие, к индукции аутофагии [1]. Однако длительное голодание приводит к реактивации mTOR, а следовательно, к подавлению аутофагии [43].

Наряду с этим mTOR оказывает плейотропное действие и на процесс апоптоза, в том числе через белки p53, BAD и Bcl-2 [44]. Взаимодействие Bcl-2 с Beclin 1 приводит к подавлению аутофагии и к предотвращению регуляции экспрессии генов проапоптотических белков белком p53 [45]. Показано, что MCL1, один из белков семейства Bcl-2, действует как своеобразный «датчик» стресса, который одновременно контролирует и аутофагию, и апоптоз в нейронах [46, 47].

На рис. 5 приведена схема путей взаимодействия аутофагии и апоптоза с участием mTOR.

 

Рис. 5. Схема, иллюстрирующая пути взаимодействия аутофагии и апоптоза с участием mTOR (по [35, 42, 48, 49])

 

Сигнальный путь с участием p38 MAPK

р38 МАРК играет важную роль в регуляции апоптоза, клеточного цикла, процессов роста и дифференцировки и служит мишенью для ряда лекарственных препаратов (таких, как циклофосфамид, оксалиплатин). Однако при определенных условиях p38 MAPK также может опосредовать устойчивость к апоптозу (посредством активации COX-2 и др.) [50]. Сигнальные пути, регулируемые p38 MAPK, активируются в ответ на воздействие широкого спектра стимулов, таких, как митогенные факторы (например, факторы роста или цитокины), а также на сигналы внешней среды и генотоксический стресс. После воздействия этих стимулов p38 MAPK активируется вышестоящими киназами MKK3 и MKK6. Иногда p38 также может фосфорилироваться с помощью киназы MKK4, которая хорошо известна как активатор JNK [51].

Помимо апоптоза, p38 MAPK может участвовать и в регуляции аутофагии в ответ на действие химиотерапевтических агентов [52]. Молекулярные механизмы взаимодействия р38 и аутофагии остаются в основном неизвестными. Известно, что p38 MAPK, фосфорилируя Atg5, способна ингибировать аутофагию, вызванную недостатком питательных веществ [53]. Кроме того, p38 MAPK может негативно регулировать как макроаутофагию во время роста клеток в нормальной среде, содержащей аминокислоты и сыворотку (базальная аутофагия) [54], так и аутофагию, вызванную недостатком питательных веществ [55, 56]. Активация передачи сигналов p38 MAPK также индуцирует аутофагию для поддержания выживания клеток посредством фосфорилирования киназы GSK3β из семейства серин-треониновых киназ, которая участвует в регуляции энергетического обмена [57].

Есть мнение, что р38 МАРК является основным фактором поддержания баланса между р53-зависимым апоптозом и аутофагией в условиях генотоксического стресса, вызванного 5-фторурацилом [58].

В то же время получены противоположные данные о потенциальной роли p38 MAPK в процессах аутофагии и апоптоза. Активные формы кислорода могут вызывать окислительный стресс, который способствует усилению аутофагии и снижению апоптоза [59]. Обнаружено, что MAPK играет жизненно важную роль в переходе от аутофагии к апоптозу в клетках рака толстой кишки человека, обработанных MS-275, ингибитором гистондеацетилаз. При высоком уровне экспрессии p38 наблюдается активация аутофагии, тогда как низкий уровень экспрессии этого гена индуцирует апоптоз. Таким образом, сигнальный путь p38 MAPK может играть критическую роль в выборе одного из двух клеточных процессов, запускаемых при генотоксическом стрессе, вызванном действием химиопрепаратов [50].

Сигнальный путь JNK

Киназа JNK, известная также как активируемая стрессом протеинкиназа (SAPK) семейства MAPK, первоначально активируется в ответ на различные стрессовые сигналы и участвует во многих клеточных событиях, включая апоптоз и аутофагию. В условиях генотоксического стресса JNK является положительным регулятором как апоптоза, так и аутофагии [50].

JNK регулирует апоптоз посредством двух различных механизмов. С одной стороны, она способствует фосфорилированию c-Jun и фактора транскрипции ATF2, что приводит к активации фактора транскрипции AP-1 (activator protein 1) и экспрессии генов, связанных с сигнальным путем, регулируемым рецепторами смерти Fas. Связывание лиганда FasL с рецептором Fas может опосредовать активацию каспазы 8, которая процессирует эффекторную каспазу 3, инициируя апоптоз. С другой стороны, JNK обеспечивает фосфорилирование антиапоптотических белков Bcl-2/Bcl-xL, что приводит к изменению потенциала митохондриальной мембраны и способствует высвобождению цитохрома с, активации каспаз 9 и 3 и индукции апоптоза [60].

Фосфорилирование Bcl-2/Bcl-хL стимулирует аутофагию в результате диссоциации комплекса Beclin 1–Bcl-2/Bcl-xL [61]. С другой стороны, JNK активирует модулятор аутофагии DRAM (damage-regulated autophagy modulator). DRAM является мишенью р53, а его индукция в условиях генотоксического стресса [62] стимулирует аутофагию, блокируя слияние аутофагосом с лизосомами, в состав которых он входит [63, 64].

В целом, результаты проведенных к настоящему времени исследований указывают на значительное совпадение или взаимную зависимость внутриклеточных сигнальных механизмов, вовлеченных в регуляцию как апоптоза, так и аутофагии, опосредованных JNK. Однако вопрос о том, каким образом JNK может контролировать баланс апоптоза и аутофагии в ответ на генотоксический и окислительный стресс, остается открытым [50].

На рис. 6 приведена схема роли сигнальных путей JNK и p38 MAPK в регуляции аутофагии и апоптоза.

 

Рис. 6. Схема сигнальных путей p38 MAPK и JNK, отражающая их роль в регуляции процессов аутофагии и апоптоза (по [50])

 

АУТОФАГИЯ, АПОПТОЗ В СТАРЕНИИ

Старение организма – сложный процесс, охватывающий нарушение и снижение функций многих систем как на уровне целого организма, так и на клеточном уровне [65]. Все эти процессы приводят в конечном итоге к гибели организма и возникновению большого числа заболеваний, включая метаболический синдром, нейродегенеративные заболевания и рак [6]. Старение клеток сопровождается укорочением теломер [66, 67], а также снижением эффективности протекания аутофагии [5, 6] и избыточной активацией апоптоза [7], однако механизмы этих событий остаются не до конца изученными.

Удлинение теломер может осуществляться специализированным комплексом – теломеразой. В состав этого комплекса входят обратная транскриптаза (TERT), теломеразная РНК (TERC) и дополнительные белки, участвующие в сборке фермента и регулирующие его функционирование. Комплекс активен в клетках, характеризующихся высокой скоростью пролиферации, таких, как клетки костного мозга, активированные лимфоциты, гаметы и раковые клетки, в то время как в большинстве соматических клеток теломераза находится в неактивном состоянии [66]. Экспрессия гена TERC в клетках, не поддерживающих теломеразную активность, позволяет предполагать, что теломеразная РНК выполняет какие-то дополнительные функции, не связанные с теломеразной активностью и удлинением теломер. В условиях стресса TERT переходит из ядра в митохондрии и способствует защите клеток [68]. Повышенная экспрессия генов компонентов теломеразы стимулирует экспрессию гена гексокиназы 2 и активирует аутофагию в результате ингибирования mTOR [69, 70]. Делеция гена mTERC у мышей приводит к активации mTOR и постоянно повышенному уровню фосфорилирования S6K1. Ингибирование mTORC1 рапамицином снижает продолжительность жизни таких мышей, но не мышей дикого типа [71].

В результате транскрипции гена теломеразной РНК человека образуется удлиненный предшественник [72], содержащий открытую рамку считывания, которая кодирует белок hTERP [73]. Повышенное содержание белка hTERP защищает клетки в условиях индукции апоптоза, а мутации hTERP влияют на процессинг белка LC3, одного из основных участников формирования аутофагосомы [72–74]. hTERP может участвовать в регуляции молекулярных взаимодействий между аутофагией и апоптозом, а также в адаптации клеток к стрессовым условиям [73]. Молекулярные механизмы влияния компонентов теломеразы на аутофагию продолжают активно изучаться.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таким образом, аутофагия и апоптоз находятся в сложных функциональных отношениях, которые в разных тканях и в разных условиях могут варьировать от кооперации до антагонизма. В основе этого поддержания баланса между аутофагией и апоптозом лежит сложная система взаимодействий большого числа сигнальных путей, осуществляемых как с участием ключевых белков аутофагии и апоптоза (Beclin 1, каспазы, р53 и др.), так и полифункциональных регуляторных молекул (например, mTOR, р38 МАРК или JNK). В то же время необходимо отметить, что клинические и экспериментальные данные о соотношении аутофагии и апоптоза в нормальных тканях, а также при различных патологических состояниях, включая злокачественные опухоли, во многом противоречивы, а проблема баланса между апоптозом и аутофагией нуждается в дальнейшем изучении.

Работа выполнена при поддержке гранта РНФ (№ 19-14-00065 «Котранскрипционный процессинг и транспорт теломеразной РНК человека в регуляции функционирования теломеразы»).

Об авторах

Виктория Львовна Шляпина

Институт биоорганической химии им. академиков М.М. Шемякина и Ю.А. Овчинникова РАН

Email: vikyl4es@gmail.com
Россия, 117997, Москва

Софья Вячеславовна Юртаева

НИИ Аджиномото-Генетика

Email: yurtaeva.sofia@yandex.ru
Россия, 117545, Москва

Мария Петровна Рубцова

Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова

Автор, ответственный за переписку.
Email: mprubtsova@gmail.com
ORCID iD: 0000-0002-4808-5416

химический факультет

Россия, 119991, Москва

Ольга Анатольевна Донцова

Институт биоорганической химии им. академиков М.М. Шемякина и Ю.А. Овчинникова РАН; Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова; Сколковский институт науки и технологий

Email: olga.a.dontsova@gmail.com

химический факультет

Россия, 117997, Москва; 119991, Москва; 121205, Москва

Список литературы

Дополнительные файлы