Аденозинмонофосфат-активируемая протеинкиназа (adenosine monophosphate-activated protein kinase - AMPK) является эволюционно сохраненным сенсором внутриклеточной энергии, активируемым в ответ на низкий уровень питательных веществ и стресс. Скрининг сохранившихся субстратов AMPK выявил необходимые для аутофагии ферменты ULK1 and ULK2 – ортологи протеинкиназы Atg1 дрожжей. Генетический анализ AMPK или ULK1 в клетках печени млекопитающих и у C. Elegans показал необходимость этих киназ для аутофагии. У млекопитающих потеря AMPK или ULK1 приводит к аномальному накоплению адаптора аутофагии р62 и дефектной митофагии. Воссоздание ULK1-дефицитных клеток с помощью мутантной ULK1, которая не может быть фосфорилирована AMPK, показывает, что такое фосфорилирование необходимо для митохондриального гомеостаза и выживания клеток после голодания. Эти результаты раскрывают сохранившийся биохимический механизм, связывающий статус питания с аутофагией и выживанием клеток. При нарушении процесса аутофагии клетки неспособны перерабатывать клеточные органеллы, такие как митохондрии (показаны красным), и создавать нужные молекулярные строительные блоки, когда это необходимо. Синим показаны ядра клеток. (Фото: Daniel Egan, Salk Institute for Biological Studies)
Ученые Института биологических исследований Солка (Salk Institute for Biological Studies) открыли, как аденозинмонофосфат-активируемая протеинкиназа (adenosine monophosphate-activated protein kinase - AMPK), главный метаболический регулятор, приводимый в действие, когда клетке не хватает энергии, активирует в случае необходимости программу переработки клеточных органелл, высвобождая необходимые молекулярные строительные блоки.
В статье, опубликованной в журнале Science Express, группа под руководством Рувима Шоу (Reuben Shaw), PhD, доцента кафедры молекулярной и клеточной биологии Института Солка, сообщает, что AMPK активирует клеточный процесс переработки органелл, известный как аутофагия, путем активации другого фермента-протеинкиназы – ATG1, - инициирующего процесс.
Недавнее открытие прямой молекулярной связи между AMPK and ATG1 имеет большое значение, так как нарушения как в сигналинге AMPK, так и в аутофагии вовлечены во множество возрастных заболеваний, включая диабет 2 типа, рак и нейродегенеративные заболевания, такие как болезни Альцгеймера и Паркинсона.
Несмотря на зловещее название – производное от «ауто» (само) и «фагия» (поедание) – клетка используют аутофагию для благих целей – уничтожения образовавшегося в ней «мусора» прежде, чем он станет достаточно токсичным, чтобы убить ее.
«Аутофагия – древний процесс, эволюционно развившийся для разрушения компонентов, которые не нужны клеткам, для создания того, что им нужно», - объясняет Дэн Иган (Dan Egan), аспирант лаборатории доктора Шоу и первый автор статьи.
Ранее лаборатория Шоу не только продемонстрировала, что работа AMPK грубо нарушается при определенных формах рака, но и то, что этот фермент является важнейшей мишенью препарата против сахарного диабета 2 типа – метформина.
«Прием препарата, активирующего, как метформин, этот путь, эквивалентен приему нескольких различных лекарств», - считает доктор Шоу, быстро называя целый список антиканцерогенных и антидиабетических путей, активируемых AMPK. «Теперь к этому списку мы можем добавить регуляцию аутофагии».
Лаборатория Шоу ранее не занималась аутофагией, но давно интересовалась ферментом аденозинмонофосфат-активируемой протеинкиназой, являющимся сенсором низкого уровня энергии и замедляющим в таком случае рост клеток. «Так как AMPK играет столь важную роль в регулировании энергетики наших клеток, мы хотели узнать, каким образом этот фермент оказывает влияние на такое большое количество клеточных процессов», – объясняет ученый.
Определив уникальную таргетинг-последовательность, используемую AMPK для передачи своих сигналов, его группа с помощью методов биоинформатики и биохимии идентифицировала являющиеся ее мишенями белки. Одним из главных подозреваемых на эту роль оказался белок Atg1/ULK1 – фактор, инициирующий аутофагию у дрожжей.
Чтобы проверить эффект, оказываемый на аутофагию прекращением регулирования этими ферментами, ученые сосредоточили свое внимание на крупных внутриклеточных структурах – митохондриях, функция которых заключается в производстве энергии.
«Митохондрии легко повреждаются в тканях, где проходит процесс детоксикации, таких как печень», - объясняет доктор Шоу. «Важнейшим способом переработки дефектных митохондрий является особая форма аутофагии – митофагия».
В этом случае клетки окружают свои нездоровые митохондрии мембраной, «сваливают» их в клеточную кислотную «яму» и перерабатывают «отходы». Если этот процесс действительно инициируется AMPK, то генно-инженерные клетки с отсутствием AMPK могут показать изменения в процессе переработки митохондрий по сравнению с нормальными клетками.
И это именно то, что увидели ученые: клетки печени с удаленной AMPK содержали слишком большое количество митохондрий, многие из которых имели веретенообразную форму, что свидетельствовало об их умирании и подтверждало, что именно AMPK управляет «мусородробилкой» аутофагии.
«Мы установили, что способность перерабатывать свои дефектные митохондрии позволяет клеткам лучше переносить голод», - комментирует результаты доктор Шоу.
Использовав круглого червя C. elegans, популярную модельную систему для изучения процессов старения, чтобы показать, что активированная AMPK непосредственно инициирует аутофагию с помощью сигнала, передаваемого аналогом Atg1/ULK1 червя, ученые связали всю информацию воедино.
«Эксперименты на червях показали, что связь между AMPK, ULK1 и аутофагией сохранена эволюционно и не является недавней адаптацией, специфичной для млекопитающих», - говорит Иган. «Основополагающие для жизни процессы – регулирование энергии, метаболизм и аутофагия – имеют одинаковые компоненты у человека, мыши, червя и дрожжей».
Даже если вы не являетесь специалистом в области эволюционной биологии, вы все равно вносите личный вклад в AMPK-сигналинг, регулярно делая физические упражнения, не отказывая себе в красном вине, принимая противодиабетические препараты и/или голодая в надежде на долгую жизнь. Все это стимулирует сигналинг AMPK.
Добавьте к этому, что аденозинмонофосфат-активируемая протеинкиназа обладает противоопухолевой активностью, и не удивительно, что фармацевтические компании крайне заинтересованы в том, чтобы узнать, с какими белками «беседует» AMPK и как работают препараты, стимулирующие эти «разговоры».
Ведущую роль противодиабетических препаратов в замедлении процесса старения еще 30 лет назад предвидел выдающийся советский геронтолог В.М. Дильман - автор элевационной теории старения. В наши дни подтверждения этой теории на молекулярно-генетическом, биохимическом и биоинформационном уровне появляются с завидным постоянством.