Нова роль аутофагії в алкогольній хворобі печінки
Анотація
Аутофагія - це високозбережений внутрішньоклітинний катаболічний шлях, який руйнує клітинні довгоживучі білки та органели. Як правило, аутофагія активується у відповідь на дефіцит поживних речовин та інші стреси як механізм виживання клітин. Накопичувальні дані вказують на те, що аутофагія відіграє вирішальну роль у патофізіології печінки, крім підтримки печінкової енергії та поживного балансу. Вживання алкоголю спричиняє метаболічні зміни в печінці, окислювальний стрес, накопичення крапель ліпідів та пошкодження мітохондрій, і все це може регулюватися аутофагією. Цей огляд узагальнює нещодавні висновки про роль та механізми аутофагії при алкогольній хворобі печінки та можливе втручання для лікування алкогольної хвороби печінки шляхом модуляції аутофагії.
Вступ
Аутофагія активується у відповідь на несприятливе середовище, таке як позбавлення поживних речовин або фактори росту, як механізм виживання 4–7. Це високозбережений внутрішньоклітинний шлях деградації, за допомогою якого об’ємна цитоплазма та зайві або пошкоджені органели огороджуються подвійними мембранними структурами, які називаються аутофагосомами 4–7. Вміст аутофагосом деградує після злиття з лізосомами, які потім називаються аутолізосомами. Однак аутофагія може траплятися і в базальних умовах, що називається базальною аутофагією. На додаток до своєї ролі у підтримці клітинного гомеостазу, аутофагія також відіграє роль у розвитку 8, захищаючись від мікробних інфекцій 9, та очищенні неправильно складених білків. Отже, порушення функції аутофагії може призвести до патогенезу численних захворювань людини, включаючи рак, нейродегенеративні захворювання, діабет, інфекційні захворювання та атрофію м’язів 10, 11 .
Вживання алкоголю та зловживання алкоголем є основною причиною захворювань печінки, що є головною проблемою здоров'я в Сполучених Штатах. Випивка алкоголю спричиняє різкі метаболічні зміни, пошкодження мітохондрій, порушення ліпідного гомеостазу, окислювальний стрес та загибель клітин у гепатоцитах. Все це може регулюватися аутофагією. У цьому огляді ми підсумуємо формується роль аутофагії при алкогольній хворобі печінки.
Машини для автофагії
На сьогоднішній день у дріжджах ідентифіковано понад 30 різних генів, пов’язаних з аутофагією (Atg), і більшість із них мають гомологи ссавців, які беруть участь в аутофагії або процесі, пов’язаному з аутофагією12. Встановлено, що декілька багатомолекулярних комплексів сприяють формуванню аутофагосом, включаючи: (1) комплекс протеїн-кіназ ULK1, (2) комплекс PI3-кіназ VPS34-Beclin1 класу III, (3) комплекс Atg9-Atg2-Atg18 та (4) ) системи кон'югації Atg5-Atg12-Atg16 та Atg8/LC3 (рис. 1).
Аутофагія передбачає утворення подвійних мембранних аутофагосом, які зливаються з лізосомами, утворюючи аутолізосоми для деградації внутрішньоклітинних білків та органел. Для аутофагії необхідні щонайменше чотири важливі функціональні групи білків Atg: (1) комплекс протеїн-кіназ ULK1 та (2) комплекс PI3-кіназ VPS34-Beclin 1 класу III регулюють ініціювання аутофагії, (3) комплекс Atg9-Atg2-Atg18 регулює розширення PAS шляхом перенесення ліпідів, і (4) системи кон'югації Atg5-Atg12-Atg16 та LC3 регулюють подовження мембран аутофагосом. LC3, кон'югований з фосфатидилетаноламіном (PE) (званий LC3-II), залишається на мембранах ізоляції та мембранах автофагосом, тоді як комплекс Atg12-Atg5-Atg16 тимчасово асоціюється з мембранами ізоляції та дисоціює з мембранами аутофагосом. Як тільки аутофагосоми зливаються з лізосомами, утворюючи автолізосоми, внутрішня мембрана LC3-II деградується лізосомальними ферментами, тоді як зовнішня мембрана LC3-II декон'югується і рециркулюється Atg4. Також виділено фармакологічні інгібітори аутофагії, такі як 3-метиладенин (3-МА) та хлорохін. Детальніше див. У тексті.
Комплекс ULK у клітинах ссавців складається з ULK1 (який є гомологом дріжджів Atg1), FIP200 (молекула, подібна до дріжджів Atg17), Atg13 та Atg101 13–15. Цей комплекс головним чином локалізується в цитозолі та асоціюється з ізоляційною мембраною аутофагії при індукції аутофагії для регулювання ранньої стадії формування аутофагосом. Цей комплекс також працює нижче mTOR і служить клітинним датчиком стану поживних речовин для ініціювання аутофагії шляхом рекрутингу білків аутофагії, що перебувають за течією, до аутофагосом. Під час голодування або лікування рапаміцином mTOR пригнічується, що призводить до дефосфорилювання ULK1. ULK1 - це протеїнкіназа серин/треонін, а дефосфорильована ULK1 насправді є ферментативно активною, що веде до фосфорилювання Atg13 та FIP200 15. Вважається, що кіназна активність ULK1 важлива для вербування інших білків Atg, розташованих нижче за течією, таких як Atg16L, і подальшого утворення аутофагосом 16 .
Atg6 та його гомолог ссавців, Beclin 1, важливі для ініціювання та регуляції аутофагії 17. Beclin 1/Atg6 утворює комплекс з VPS34, VPS15 та Atg14. VPS34 - це PI-3-кіназа класу III, яка діє як важливий регулятор аутофагії, виробляючи фосфатидилінозитол-3-фосфат (PI-3-P). Діяльність VPS34 регулюється комплексом Beclin 1/Atg6. Bcl-2 та Bcl-xL взаємодіють з Beclin1, щоб утримати аутофагію, дисоціюючи взаємодію Beclin 1 та VPS34. Беклін 1 також зв'язується з кількома іншими білками, що індукують аутофагію, включаючи амбра-18 та УФРАГ 19. Bif-1/ендофілін B1 взаємодіє з Beclin 1 через UVRAG, діючи як регулятор на комплексі Atg6-VPS34 20. Рубікон (білок домену запущеного типу, що взаємодіє з Beclin 1 та містить цистеїн), взаємодіє з VPS34 і діє як негативний регулятор аутофагії 21, 22. 3-метиладенин (3МА), широко застосовуваний інгібітор аутофагії, інгібує PI-3-кіназу класу III і, в свою чергу, пригнічує утворення аутофагосом 23 .
Atg9 - єдиний трансмембранний білок серед основних білків механізмів аутофагії, який зберігається у всіх видів 24. Він пропонує шість запропонованих трансмембранних доменів з його карбоксильними кінцями, оголеними в цитозолі 25. У клітинах ссавців є два функціональні ортологи Atg9: Atg9L1 та Atg9L2. Atg9L1 експресується повсюдно, тоді як Atg9L2 експресується лише в плаценті та гіпофізі 26. Миші-нокаути Atg9 гинуть відразу після народження, подібно до інших мишей-нокаутів білкової техніки, що працюють на автофагії, таких як Atg3, Atg5, Atg7 та Atg16 27. У дріжджах Atg9 взаємодіє з Atg11 та Atg17, і ця взаємодія необхідна для регуляції шляху цитоплазми до вакуолі (Cvt) та аутофагії 28. Atg9 локалізується на місці збирання фагофорів (PAS) і взаємодіє з Atg18, зв’язуючим білком PI3-P, і білком периферичної мембрани, Atg2. Atg9 пропонується здійснювати циклічний рух між мережею транс-Гольджі, пізними ендосомами та PAS, щоб залучити додаткові мембранні джерела, необхідні для росту аутофагосомних мембран, залежно від клітинного стану поживних речовин 24, 25 .