Anonim

Temaer

  • autophagy
  • Celledød

Makroautofagi er en nøkkelregulator av cellulær integritet og levedyktighet, men hvordan prosessen tilrettelegger for apoptose har vært dårlig definert. Det har nå blitt klart at autofagi nedbryter Fap-1 proteinfosfatasen, en kritisk negativ regulator av apoptotisk celledød signalert av TNF-reseptorfamilien, Fas.

Makroautofagi (heretter referert til som autofagi) er en membranhandlingsprosess som gir cytoplasmatiske bestanddeler til lysosomer for nedbrytning. Prosessen innebærer spesialiserte organeller betegnet autophagosomer, som innkapsler gods før fusjon med lysosomer 1 . Autophagy er en stor cellulær katabolisk prosess, og er den eneste prosessen som brukes for nedbrytning av organeller 1 . I lys av denne viktige homøostatiske rollen er det ikke en overraskelse at autofagisk aktivitet har innvirkning på celle-levedyktighet. I de fleste celler er autofagi ansvarlig for omsetningen av skadede mitokondrier og skadede, misfoldede proteiner - som, hvis de blir ukontrollert, vil føre til akkumulering av reaktive oksygenarter (ROS), DNA-skade og til slutt apoptotisk celledød 2 (Fig. . 1). Autophagy begrenser også nekrotisk død i situasjoner der oksygen eller næringsstoffer er begrenset. I denne sammenheng bryter autofagien mer komplekse cellestrukturer til bestanddeler som kan viderekaltes for å produsere ATP i en begrenset periode til energi igjen kan gis fra eksterne kilder 3 (figur 1). Men hvis autofagi er forlenget, blir celler utarmet av ressurser og gjennomgår celledød 3 .

Skadede organeller, makromolekyler og andre toksiske stoffer rekrutteres av autofag-adapterproteiner, slik som p62 for levering til autofagosomer. Avhengig av hvilken makromolekyl som er målrettet, kan autofagi fremme celledød eller celleoverlevelse. Fjerning av skadede mitokondrier reduserer ROS-produksjonen og reduserer dermed aktivering av apoptose. Frigivelse av molekyler som er i stand til å generere ATP hemmer nekrose og fremmer celleoverlevelse. Alternativt tillater nedbrytning av katalase mer ROS-akkumulering, hvilket resulterer i autofagisk celledød. Imidlertid er måten autofagi direkte bidrar til apoptose fortsatt dårlig definert.

Full størrelse bilde

Autophagy har også dødsroller, selv om de involverte mekanismene er mindre veldefinerte og synes å være relativt konteksspesifikke sammenlignet med fremme av celleoverlevelse. Under utvikling av Drosophila melanogaster oppstår en type autofagavhengig celledød som også involverer apoptotiske enzymer av caspasefamilien 4, 5 . Celledød avhengig av viktige autofaggener er også rapportert i pattedyrceller. For eksempel har autofagi blitt rapportert å nedbryte katalase, som fører til ROS-akkumulering og død 6 (figur 1). Den fysiologiske relevansen av disse rapportene i pattedyrceller er imidlertid kontroversiell 7 .

Til tross for at flere studier har vist at klassiske apoptotiske regulatorer kan regulere autofagi og at autofagi kan bidra til apoptose 8, 9, 10, er det gitt svært lite mekanisk bevis for å forklare hvordan autofagi bidrar til apoptotisk død. I dette utgaven beskriver Thorburn og kollegaer 11 et stort skritt fremover på dette området, da de viser at autofagi kontrollerer nivåene av Fap-1 proteinfosfatasen - en nøkkelbestemmende faktor for apoptotisk celledød indusert av Fas (også kjent som en differensieringsklasse 95, CD95 og apoptose antigen 1, APO-1).

Thorburn og kollegaer oppdaget først at kreftceller opprettholdt i optimale vevskulturforhold viser store variasjoner i strømmen av materiale gjennom autophagy pathway, også referert til som basal autophagy flux. Disse variasjonene var uavhengige av cellesyklusfase eller cellestørrelse. Celler med høy eller lav autofagfluks kan sorteres i to populasjoner med FACS (fluorescensaktivert cellesortering), og forskjeller i flux ble opprettholdt i noen få timer. Over tid reduserte celler med høy autofagfløyte imidlertid sin flux, mens celler med lav autofagfløyte økte deres. Dermed er forskjellen i autofagflux ikke sannsynlig å skyldes genetisk heterogenitet mellom to populasjoner. Forfatterne antyder at stokastiske forskjeller i nivået eller aktiviteten til viktige autofagy regulatorer mellom celler kan føre til disse forskjellene - og ifølge denne hypotesen bør to populasjoner med enten høy eller lav autofagfluks oppstå igjen etter sortering og langvarig kultur. I så fall ville det være interessant å vite hvilke cellefaktorer og signalveier som ville påvirke de viktigste autofagregulatorene som er ansvarlige for denne effekten.

Gitt rollen av autofagi i celledød spurte Thorburn og kollegaer 11 også om celler med varierende grader av autofagfløyte reagerer annerledes enn celledødsstimuli. Påfallende fant de at BJAB leukemiceller med høy autofagfluks er mer følsomme overfor Fas-ligand-indusert apoptose enn celler med lav autofagfluks. Dette ble ikke observert for andre apoptotiske stimuli som TRAIL (tumor nekrosefaktor (TNF) -relatert apoptose-inducerende ligand), doxorubicin eller etoposid, noe som tyder på at autofagi selektivt regulerer Fas-mediert apoptotisk celledød.

I motsetning til Fas var celler med høy autofagfluks mer resistent mot TRAIL-indusert apoptose. Noen studier har rapportert at caspase-8 kan nedbrytes av autofagisk maskineri i visse sammenhenger 12 . Det gjenstår imidlertid å bli testet om caspase-8-nivåer er modulert ved autofagi etter TRAIL-reseptor-engasjement i cellene som brukes i denne studien. Alternativt kan autophagy regulere mer spesifikke komponenter i TRAIL-signalveien. Dette er spørsmål for videre etterforskning.

Viktigst, forfatterne fortsatte å vise at selv om Fas-indusert celledød i BJAB-celler var autofagavhengig, gjennomgår de ikke autofagisk celledød. Tilstedeværelsen av pan-caspaseinhibitoren zVAD blokkert celledød, noe som indikerer at celledød ble drevet av apoptose. Forfatterne oppdaget også at Type II-celler (Jurkat og CEM-celler) - der apoptose nedstrøms for Fas krever mitokondrier - ikke ble sensibilisert for Fas-indusert celledød som respons på høy autofagfluks. Dette antyder at underliggende molekylvariasjoner mellom Type I-celler (f.eks. BJAB og SKW6.4-celler, som ikke krever mitokondrier for Fas-indusert død) og Type II-celler, kan drive denne differensielle responsen på høye nivåer av autofagi. Til støtte for denne ideen økte stimuleringen av autophagy ved sult også Fas-indusert død i type I-celler, mens autofaginhibering ved kjemisk (klorokinbehandling) eller genetisk (Atg5 eller Atg7 knockdown) -metoder reduserte sensibilisering til Fas. Således synes autofag å selektivt regulere en eller flere komponenter av Fas-signalveien i type I, men ikke type II-celler.

Forfatterne trakk da på tidligere studier som hadde vist at tilstedeværelsen av Fas-reseptoren på celleoverflaten kan reguleres av fosfatase Fap-1 (refs 13, 14). Ved dephosphorylerende Fas reduserer Fap-1 celleoverflateekspresjonen av reseptoren, noe som igjen gjør celler mindre mottakelige for Fas-indusert død (figur 2) 13, 14 . Immunoblotting for Fap-1 viste at det var sterkt stabilisert som svar på blokkering av autophagy i Type I-celler. I motsetning har type II-celler ikke-detekterbare nivåer av Fap-1 med eller uten inhibering av autofagi. Således syntes autofagfluks, Fap-1-ekspresjon og sensibilisering for Fas-indusert død å være forbundet i Type I-celler.

Under lav autofagisk flux rekrutterer p62 mindre Fap-1 for autofagisk nedbrytning. Som et resultat forblir Fap-1-nivåene i celler høye, slik at Fap-1 effektivt defosforylerer Fas-reseptorer, hvilket resulterer i lavere nivåer av Fas-reseptor ved overflaten og følgelig redusert binding av Fas-ligand til dets reseptor. I motsetning, under høy autofagisk flux, er mer Fap-1 rettet mot autofagsmediert nedbrytning. Fas-reseptorer forblir fosforylert og uttrykkes i overflod på cellemembranen. Dette tillater mer Fas-signalering for aktiveringen av den extrinsiske apoptotiske banen, og følgelig mer apoptose.

Full størrelse bilde

Forfatterne postulerte at autofagi kan være rettet mot Fap-1 for lysosomal nedbrytning, noe som resulterer i mer celleoverflateekspresjon av Fas og dermed mer Fas-indusert død. I tråd med denne ideen viste celler med høy autofagfluks redusert Fap-1 proteinnivåer og økt Fas-indusert celledød (figur 2). I fravær av Fap-1-ekspresjon (Type II-celler) hadde stimulering eller inhibering av autofagi ingen konsekvens på celledød. Imidlertid blokkerte ektopisk uttrykk for villtype Fap-1 i Jurkat-celler (Type II) og etterfølgende inhibering av autofag nesten blokkert Fas-indusert celledød. Videre hindret knockdown av Fap-1 i Type I-celler etterfulgt av inhibering av autofagi Fas-indusert celledød, hvilket indikerte at Fas-indusert celledød i nærvær av autofaginhibering var kritisk avhengig av stabiliseringen av Fap-1 i Type Jeg celler.

Endelig utforsket forfatterne mekanismen for autofagisk nedbrytning av Fap-1, og rapporterte at autofagitilpasningsproteinet p62 (også kjent som SQSTM1) interagerer direkte med Fap-1 for å rekruttere det til autofagosomer for nedbrytning (figur 2). Det er interessant å merke seg at p62-Fap-1-interaksjonen er avhengig av tilstedeværelsen av Fas-ligand. Det er ikke klart hvorfor p62 og Fap-1 ikke samhandler i fravær av Fas-signalering, og dette reiser spørsmål om hvilke signalfaktorer som kan stimulere samspillet deres. Et komplement til disse p62-Fap-1 interaksjonsdataene kan være å undersøke ved immunfluorescens hvis Fap-1 faktisk lokaliserer seg til autofagosomer på en p62-avhengig måte, og hvis stimulerende autofag øker rekruttering til autofagosomer som respons på Fas-ligand. Likevel demonstrerer disse dataene kollektivt at nedbrytning av Fap-1 ved autofagi gjør celler sensibilisert til å dø av Fas-indusert ekstrinsisk apoptose. Dermed kan autophagy, i tillegg til dets bidrag til andre former for død, også regulere cellens skjebne ved direkte modulering av apoptose.

Det neste trinnet i vår forståelse av forholdet mellom autofagi og apoptose ville være å identifisere hvordan beslutninger blir gjort for å målrette døden eller overlevelseproteiner for autofagisk nedbrytning. For eksempel, hvilke egenskaper av Fap-1 målretter den mot autofagosomet? Er dette bare avhengig av proteinets evne til å interagere med p62, eller er det andre medfaktorer involvert i p62-Fap-1-interaksjoner? Det er også naturlig å spørre hva disse resultatene betyr for å målrette autophagy terapeutisk. Det ville være nyttig å vite om forskjeller i autophagy flux forekommer i populasjoner av celler fra andre svulst typer, og om dette også påvirker nivåene av faktorer som styrer apoptotisk celledød. Videre vil det være viktig å fastslå om disse variasjonene i autofagisk flux ses i vivo, i både normale og syke vev. I kreft, for eksempel, er det allerede oppfattet at autofagi både kan positivt og negativt regulere tumorutvikling, kanskje på forskjellige stadier eller i visse genetiske sammenhenger 15 . Variasjoner i flux innen en gitt cellepopulasjon kan bare komplisere denne situasjonen ytterligere. Til tross for disse spørsmålene er funnene fra Thorburn og kolleger utvilsomt et landemerke på dette feltet, og bør tjene som katalysator for videre undersøkelser.

Anbefalt Redaksjonens