Autophagozytose
Autophagie (oder Autophagozytose; aus dem Altgriechischen αὐτόφαγος, autóphagos, was "sich selbst verzehrend" bedeutet, und κύτος, kýtos, was "hohl" bedeutet) ist der natürliche, konservierte Abbau der Zelle, bei dem überflüssige oder funktionsuntüchtige Bestandteile durch einen lysosomenabhängigen, regulierten Mechanismus entfernt werden. Er ermöglicht den geordneten Abbau und das Recycling von Zellbestandteilen. Ursprünglich wurde die Autophagie als ein ursprünglicher Abbauweg charakterisiert, der zum Schutz vor dem Hungertod eingeleitet wird. Es wird jedoch immer deutlicher, dass die Autophagie auch eine wichtige Rolle bei der Homöostase von Zellen spielt, die nicht hungern. Defekte in der Autophagie wurden mit verschiedenen menschlichen Krankheiten in Verbindung gebracht, darunter Neurodegeneration und Krebs, und das Interesse an der Modulation der Autophagie als potenzieller Behandlungsmethode für diese Krankheiten ist rasch gewachsen. ⓘ
Es wurden vier Formen der Autophagie unterschieden: Makroautophagie, Mikroautophagie, Chaperon-vermittelte Autophagie (CMA) und Crinophagie. Bei der Makroautophagie (der am gründlichsten erforschten Form der Autophagie) werden zytoplasmatische Komponenten (wie Mitochondrien) gezielt vom Rest der Zelle in einem als Autophagosom bezeichneten Doppelmembranbläschen isoliert, das mit der Zeit mit einem vorhandenen Lysosom verschmilzt, was zu einem speziellen Prozess der Abfallentsorgung und -beseitigung führt; schließlich wird der Inhalt des Bläschens (jetzt Autolysosom genannt) abgebaut und recycelt. Bei der Crinophagie (der am wenigsten bekannten und erforschten Form der Autophagie) werden unnötige sekretorische Granula abgebaut und recycelt. ⓘ
Bei Krankheiten gilt die Autophagie als adaptive Reaktion auf Stress, die das Überleben der Zelle fördert; in anderen Fällen scheint sie jedoch den Zelltod und die Sterblichkeit zu fördern. Im Extremfall des Verhungerns fördert der Abbau von Zellbestandteilen das zelluläre Überleben durch die Aufrechterhaltung des zellulären Energieniveaus. ⓘ
Der Begriff "Autophagie" ist seit Mitte des 19. Jahrhunderts bekannt und wird häufig verwendet. In seiner heutigen Form wurde der Begriff Autophagie 1963 von dem belgischen Biochemiker Christian de Duve aufgrund seiner Entdeckung der Funktionen des Lysosoms geprägt. Die Identifizierung von mit der Autophagie zusammenhängenden Genen in Hefe in den 1990er Jahren ermöglichte es den Forschern, die Mechanismen der Autophagie zu entschlüsseln, was schließlich zur Verleihung des Nobelpreises für Physiologie oder Medizin 2016 an den japanischen Forscher Yoshinori Ohsumi führte. ⓘ
Geschichte
Die Autophagie wurde erstmals von Keith R. Porter und seinem Studenten Thomas Ashford am Rockefeller Institute beobachtet. Im Januar 1962 berichteten sie über eine erhöhte Anzahl von Lysosomen in Rattenleberzellen nach der Zugabe von Glukagon, und dass einige der in die Zellmitte verlagerten Lysosomen andere Zellorganellen wie Mitochondrien enthielten. Sie nannten dies Autolyse nach Christian de Duve und Alex B. Novikoff. Porter und Ashford interpretierten ihre Daten jedoch fälschlicherweise als Lysosomenbildung (und ignorierten dabei die bereits vorhandenen Organellen). Lysosomen könnten keine Zellorganellen sein, sondern Teil des Zytoplasmas wie Mitochondrien, und die hydrolytischen Enzyme würden von Mikrokörpern produziert. 1963 veröffentlichten Hruban, Spargo und Kollegen eine detaillierte ultrastrukturelle Beschreibung des "fokalen zytoplasmatischen Abbaus", die sich auf eine deutsche Studie von 1955 über verletzungsbedingte Sequestrierung bezog. Hruban, Spargo und Kollegen erkannten drei kontinuierliche Stadien der Reifung des sequestrierten Zytoplasmas zu Lysosomen und stellten fest, dass dieser Prozess nicht auf Verletzungen beschränkt ist, sondern auch unter physiologischen Bedingungen für die "Wiederverwendung von Zellmaterial" und die "Entsorgung von Organellen" während der Differenzierung funktioniert. Inspiriert von dieser Entdeckung taufte de Duve das Phänomen "Autophagie". Anders als Porter und Ashford verstand de Duve den Begriff als Teil der lysosomalen Funktion, als er die Rolle von Glucagon als Hauptauslöser des Zellabbaus in der Leber beschrieb. Zusammen mit seinem Schüler Russell Deter wies er nach, dass Lysosomen für die glucagoninduzierte Autophagie verantwortlich sind. Damit wurde zum ersten Mal nachgewiesen, dass Lysosomen die Orte der intrazellulären Autophagie sind. ⓘ
In den 1990er Jahren entdeckten mehrere Gruppen von Wissenschaftlern unabhängig voneinander Gene, die mit der Autophagie zusammenhängen, in der Knospenhefe. Vor allem Yoshinori Ohsumi und Michael Thumm untersuchten die durch Hunger induzierte nicht-selektive Autophagie; in der Zwischenzeit entdeckte Daniel J. Klionsky den Cytoplasma-to-Vacuole-Targeting (CVT)-Weg, der eine Form der selektiven Autophagie darstellt. Bald stellten sie fest, dass sie im Wesentlichen denselben Weg betrachteten, nur aus unterschiedlichen Blickwinkeln. Zunächst erhielten die von diesen und anderen Hefegruppen entdeckten Gene unterschiedliche Namen (APG, AUT, CVT, GSA, PAG, PAZ und PDD). Im Jahr 2003 sprachen sich die Hefeforscher für eine einheitliche Nomenklatur aus und verwendeten ATG zur Bezeichnung der Autophagie-Gene. Der Nobelpreis für Physiologie oder Medizin 2016 wurde an Yoshinori Ohsumi verliehen, obwohl einige darauf hingewiesen haben, dass die Auszeichnung umfassender hätte ausfallen können. ⓘ
Der Bereich der Autophagie-Forschung erfuhr zu Beginn des 21. Jahrhunderts ein beschleunigtes Wachstum. Die Kenntnis der ATG-Gene gab den Wissenschaftlern ein einfacheres Instrumentarium an die Hand, um die Funktionen der Autophagie bei Gesundheit und Krankheit des Menschen zu entschlüsseln. Im Jahr 1999 veröffentlichte die Gruppe von Beth Levine eine bahnbrechende Entdeckung, die Autophagie mit Krebs in Verbindung brachte. Bis heute ist die Beziehung zwischen Krebs und Autophagie ein Hauptthema der Autophagie-Forschung. Auch die Rolle der Autophagie bei der Neurodegeneration und der Immunabwehr fand große Beachtung. Im Jahr 2003 fand in Waterville die erste Gordon-Forschungskonferenz über Autophagie statt. Im Jahr 2005 rief Daniel J. Klionsky Autophagy ins Leben, eine wissenschaftliche Zeitschrift, die sich diesem Thema widmet. Die erste Keystone-Symposienkonferenz über Autophagie fand 2007 in Monterey statt. 2008 entwickelte Carol A. Mercer ein BHMT-Fusionsprotein (GST-BHMT), das in Zelllinien eine Hungersnot-induzierte ortsspezifische Fragmentierung zeigte. Der Abbau von Betain-Homocystein-Methyltransferase (BHMT), einem Stoffwechselenzym, könnte zur Bewertung des Autophagieflusses in Säugetierzellen verwendet werden. Makro-, Mikro- und Chaperon-vermittelte Autophagie werden von Autophagie-verwandten Genen und den dazugehörigen Enzymen vermittelt. Die Makroautophagie wird dann in die Massenautophagie und die selektive Autophagie unterteilt. Bei der selektiven Autophagie handelt es sich um die Autophagie von Organellen; Mitophagie, Lipophagie, Pexophagie, Chlorophagie, Ribophagie und andere. ⓘ
Die Makroautophagie ist der Hauptweg, der in erster Linie dazu dient, beschädigte Zellorganellen oder ungenutzte Proteine zu beseitigen. Zunächst verschlingt der Phagophor das abzubauende Material, das eine Doppelmembran, das so genannte Autophagosom, um die zu zerstörende Organelle bildet. Das Autophagosom wandert dann durch das Zytoplasma der Zelle zu einem Lysosom bei Säugetieren oder einer Vakuole bei Hefen und Pflanzen, und die beiden Organellen verschmelzen. Innerhalb des Lysosoms/der Vakuole wird der Inhalt des Autophagosoms durch saure lysosomale Hydrolase abgebaut. ⓘ
Bei der Mikroautophagie hingegen wird zytoplasmatisches Material direkt in das Lysosom eingeschleust. Dies geschieht durch Invagination, d. h. die Faltung der lysosomalen Membran nach innen, oder durch zelluläre Ausstülpung. ⓘ
Die Chaperon-vermittelte Autophagie (CMA) ist ein sehr komplexer und spezifischer Weg, der die Erkennung durch den hsc70-haltigen Komplex beinhaltet. Das bedeutet, dass ein Protein die Erkennungsstelle für diesen hsc70-Komplex enthalten muss, damit es sich an dieses Chaperon binden kann, wodurch der CMA-Substrat/Caperon-Komplex entsteht. Dieser Komplex wandert dann zu dem an die Lysosomenmembran gebundenen Protein, das den CMA-Rezeptor erkennt und an ihn bindet. Nach der Erkennung wird das Substratprotein entfaltet und mit Hilfe des lysosomalen hsc70-Chaperons durch die Lysosomenmembran verlagert. Die CMA unterscheidet sich deutlich von anderen Autophagieformen, da sie das Proteinmaterial einzeln verlagert und extrem selektiv ist, welches Material die lysosomale Barriere überwindet. ⓘ
Mitophagie ist der selektive Abbau von Mitochondrien durch Autophagie. Dies geschieht häufig bei defekten Mitochondrien nach Schäden oder Stress. Mitophagie fördert den Umsatz von Mitochondrien und verhindert die Anhäufung dysfunktionaler Mitochondrien, die zu Zelldegeneration führen können. Sie wird durch Atg32 (in Hefe) und NIX und seinen Regulator BNIP3 in Säugetieren vermittelt. Die Mitophagie wird durch die Proteine PINK1 und Parkin reguliert. Die Mitophagie ist nicht auf geschädigte Mitochondrien beschränkt, sondern bezieht auch unbeschädigte Mitochondrien mit ein. ⓘ
Lipophagie ist der Abbau von Lipiden durch Autophagie, eine Funktion, die sowohl in tierischen als auch in Pilzzellen nachgewiesen wurde. Die Rolle der Lipophagie in Pflanzenzellen ist jedoch nach wie vor unklar. Ziel der Lipophagie sind Lipidstrukturen, so genannte Lipidtropfen (LDs), kugelförmige "Organellen" mit einem Kern aus hauptsächlich Triacylglycerinen (TAGs) und einer einschichtigen Lage aus Phospholipiden und Membranproteinen. In tierischen Zellen erfolgt die Lipophagie hauptsächlich durch die Verschlingung der LDs durch den Phagophor, die Makroautophagie. In Pilzzellen hingegen stellt die Mikrolipophagie den Hauptweg dar und ist vor allem in der Knospenhefe Saccharomyces cerevisiae gut untersucht. Die Lipophagie wurde erstmals bei Mäusen entdeckt und 2009 veröffentlicht. ⓘ
Gezieltes Zusammenspiel zwischen bakteriellen Krankheitserregern und Wirtsautophagie
Die Autophagie zielt auf gattungsspezifische Proteine ab, so dass orthologe Proteine, die Sequenzhomologie miteinander teilen, von einem bestimmten Autophagie-Zielprotein als Substrate erkannt werden. Es besteht eine Komplementarität der Autophagie-Zielproteine, die das Infektionsrisiko bei Mutation potenziell erhöht. Der Mangel an Überschneidungen zwischen den Zielproteinen der drei Autophagie-Proteine und die große Überschneidung bei den Gattungen zeigen, dass die Autophagie auf verschiedene Gruppen von Bakterienproteinen desselben Erregers abzielen könnte. Einerseits ist die Redundanz bei den Zielproteinen ein und derselben Gattung für eine robuste Erkennung von Krankheitserregern von Vorteil. Andererseits könnte die Komplementarität der spezifischen bakteriellen Proteine den Wirt anfälliger für chronische Erkrankungen und Infektionen machen, wenn das Gen, das für eines der Autophagie-Proteine kodiert, mutiert und das Autophagie-System überlastet wird oder andere Fehlfunktionen erleidet. Außerdem richtet sich die Autophagie gegen Virulenzfaktoren, und Virulenzfaktoren, die für allgemeinere Funktionen wie Nährstoffbeschaffung und Motilität verantwortlich sind, werden von mehreren Autophagie-Zielproteinen erkannt. Und die spezialisierten Virulenzfaktoren wie Autolysine und Eisen sequestrierende Proteine werden möglicherweise nur von einem einzigen Autophagie-Zielprotein erkannt. Die Autophagie-Proteine CALCOCO2/NDP52 und MAP1LC3/LC3 haben sich möglicherweise speziell dafür entwickelt, Krankheitserreger oder pathogene Proteine für den autophagischen Abbau zu erkennen. SQSTM1/p62 hingegen zielt auf allgemeinere bakterielle Proteine, die ein Zielmotiv enthalten, aber nicht mit der Virulenz in Verbindung stehen. ⓘ
Andererseits sind auch bakterielle Proteine aus verschiedenen pathogenen Gattungen in der Lage, die Autophagie zu modulieren. Es gibt gattungsspezifische Muster in den Phasen der Autophagie, die möglicherweise von einer bestimmten Pathogengruppe reguliert werden. Einige Autophagiephasen können nur von bestimmten Pathogenen moduliert werden, während andere Phasen von mehreren Pathogengattungen moduliert werden. Einige der mit dem Wechselspiel zusammenhängenden bakteriellen Proteine haben proteolytische und posttranslationale Aktivitäten wie Phosphorylierung und Ubiquitinierung und können die Aktivität von Autophagie-Proteinen beeinträchtigen. ⓘ
Molekularbiologie
Die Autophagie wird von Autophagie-verwandten (Atg) Genen ausgeführt. Vor 2003 wurden zehn oder mehr Namen verwendet, aber danach wurde von Pilzautophagie-Forschern eine einheitliche Nomenklatur entwickelt. Atg oder ATG steht für Autophagie-bezogen. Es wird weder ein Gen noch ein Protein angegeben. ⓘ
Die ersten Autophagie-Gene wurden durch genetische Screens in Saccharomyces cerevisiae identifiziert. Nach ihrer Identifizierung wurden diese Gene funktionell charakterisiert und ihre Orthologe in einer Vielzahl verschiedener Organismen identifiziert und untersucht. Heute sind sechsunddreißig Atg-Proteine als besonders wichtig für die Autophagie eingestuft worden, von denen 18 zur Kernmaschinerie gehören ⓘ
Bei Säugetieren wird die Aktivität der Proteinkinasen mTOR und AMPK durch Aminosäuresensoren und zusätzliche Signale wie Wachstumsfaktoren und reaktive Sauerstoffspezies reguliert. Diese beiden Kinasen regulieren die Autophagie durch hemmende Phosphorylierung der Unc-51-ähnlichen Kinasen ULK1 und ULK2 (Säugetierhomologe von Atg1). Die Induktion der Autophagie führt zu einer Dephosphorylierung und Aktivierung der ULK-Kinasen. ULK ist Teil eines Proteinkomplexes, der Atg13, Atg101 und FIP200 enthält. ULK phosphoryliert und aktiviert Beclin-1 (das Säugetierhomolog von Atg6), das ebenfalls Teil eines Proteinkomplexes ist. Der Autophagie-induzierbare Beclin-1-Komplex enthält die Proteine PIK3R4(p150), Atg14L und die Klasse-III-Phosphatidylinositol-3-Phosphat-Kinase (PI(3)K) Vps34. Die aktiven ULK- und Beclin-1-Komplexe werden zum Ort der Autophagosom-Initiation, dem Phagophor, relokalisiert, wo sie beide zur Aktivierung der nachgeschalteten Autophagie-Komponenten beitragen. ⓘ
Sobald VPS34 aktiv ist, phosphoryliert es das Lipid Phosphatidylinositol, um Phosphatidylinositol-3-Phosphat (PtdIns(3)P) auf der Oberfläche des Phagophors zu bilden. Das erzeugte PtdIns(3)P wird als Andockstelle für Proteine verwendet, die ein PtdIns(3)P-Bindungsmotiv aufweisen. Kürzlich wurde gezeigt, dass WIPI2, ein PtdIns(3)P-bindendes Protein aus der WIPI-Proteinfamilie (WD-repeat protein interacting with phosphoinositides), Atg16L1 physisch bindet. Atg16L1 ist Mitglied eines E3-ähnlichen Proteinkomplexes, der an einem der beiden ubiquitinähnlichen Konjugationssysteme beteiligt ist, die für die Autophagosomenbildung wesentlich sind. Die FIP200 cis-Golgi-Membranen fusionieren mit ATG16L1-positiven endosomalen Membranen, um das Prophagophor HyPAS (hybrid pre-autophagosomal structure) zu bilden. Die Bindung von ATG16L1 an WIPI2 vermittelt die Aktivität von ATG16L1. Dies führt zu einer nachgeschalteten Umwandlung von Prophagophoren in ATG8-positive Phagophore über ein Ubiquitin-ähnliches Konjugationssystem. ⓘ
Das erste der beiden an der Autophagie beteiligten ubiquitinähnlichen Konjugationssysteme bindet das ubiquitinähnliche Protein Atg12 kovalent an Atg5. Das resultierende Konjugatprotein bindet dann Atg16L1 und bildet einen E3-ähnlichen Komplex, der als Teil des zweiten ubiquitinähnlichen Konjugationssystems fungiert. Dieser Komplex bindet und aktiviert Atg3, das Säugetier-Homologe des Ubiquitin-ähnlichen Hefeproteins ATG8 (LC3A-C, GATE16 und GABARAPL1-3), von denen die LC3-Proteine am besten untersucht sind, kovalent an das Lipid Phosphatidylethanolamin (PE) auf der Oberfläche von Autophagosomen bindet. Lipidiertes LC3 trägt zum Verschluss von Autophagosomen bei und ermöglicht das Andocken spezifischer Ladungen und Adaptorproteine wie Sequestosome-1/p62. Das fertige Autophagosom fusioniert dann mit einem Lysosom durch die Wirkung mehrerer Proteine, darunter SNAREs und UVRAG. Nach der Verschmelzung wird LC3 auf der Innenseite des Vesikels zurückgehalten und zusammen mit der Ladung abgebaut, während die LC3-Moleküle, die an der Außenseite befestigt sind, von Atg4 abgespalten und recycelt werden. Der Inhalt des Autolysosoms wird anschließend abgebaut und seine Bausteine werden durch die Wirkung von Permeasen aus dem Vesikel freigesetzt. ⓘ
Sirtuin 1 (SIRT1) stimuliert die Autophagie, indem es die Acetylierung von Proteinen (durch Deacetylierung) verhindert, die für die Autophagie erforderlich sind, wie in kultivierten Zellen und embryonalen und neonatalen Geweben nachgewiesen wurde. Diese Funktion stellt eine Verbindung zwischen der Sirtuin-Expression und der zellulären Reaktion auf begrenzte Nährstoffe aufgrund einer Kalorienrestriktion her. ⓘ
Funktionen
Nährstoffmangel
Die Autophagie spielt bei verschiedenen zellulären Funktionen eine Rolle. Ein besonderes Beispiel sind Hefen, bei denen der Nährstoffmangel ein hohes Maß an Autophagie auslöst. Dadurch können nicht benötigte Proteine abgebaut und die Aminosäuren für die Synthese von Proteinen recycelt werden, die für das Überleben wichtig sind. Bei höheren Eukaryonten wird die Autophagie als Reaktion auf den Nährstoffmangel ausgelöst, der bei Tieren bei der Geburt auftritt, nachdem die trans-plazentare Nahrungszufuhr unterbrochen wurde, und auch bei nährstoffarmen kultivierten Zellen und Geweben. Mutierte Hefezellen, die eine reduzierte Autophagie-Fähigkeit aufweisen, gehen bei Nährstoffmangel schnell zugrunde. Studien an den apg-Mutanten deuten darauf hin, dass die Autophagie über autophagische Körper für den Proteinabbau in den Vakuolen unter Hungerbedingungen unerlässlich ist und dass mindestens 15 APG-Gene an der Autophagie in Hefe beteiligt sind. Ein als ATG7 bekanntes Gen wurde mit der nährstoffvermittelten Autophagie in Verbindung gebracht, da Studien an Mäusen gezeigt haben, dass die durch Hunger induzierte Autophagie bei Mäusen mit Atg7-Mangel beeinträchtigt war. ⓘ
Infektion
Es wird angenommen, dass das Virus der vesikulären Stomatitis vom Autophagosom aus dem Zytosol aufgenommen und in die Endosomen verlagert wird, wo es von einem Mustererkennungsrezeptor namens Toll-like-Rezeptor 7 erkannt wird, der einzelsträngige RNA erkennt. Nach Aktivierung des Toll-like-Rezeptors werden intrazelluläre Signalkaskaden in Gang gesetzt, die zur Induktion von Interferon und anderen antiviralen Zytokinen führen. Eine Untergruppe von Viren und Bakterien unterläuft den autophagischen Weg, um ihre eigene Replikation zu fördern. Galectin-8 wurde kürzlich als intrazellulärer "Gefahrenrezeptor" identifiziert, der die Autophagie gegen intrazelluläre Krankheitserreger einleiten kann. Wenn Galectin-8 an eine beschädigte Vakuole bindet, rekrutiert es einen Autophagie-Adaptor wie NDP52, was zur Bildung eines Autophagosoms und zum Abbau der Bakterien führt. ⓘ
Autophagozytose ermöglicht auch den intrazellulären Abbau von Viren, Bakterien und Fremdproteinen, die in die Zelle eingedrungen sind. Sie dient mit der Zerlegung auch der Immunantwort, denn anschließend erfolgt die Antigenpräsentation über MHC I und II. Verschiedene intrazelluläre bakterielle Pathogene haben Resistenzmechanismen gegen einen Abbau durch Autophagozytose entwickelt. ⓘ
Reparaturmechanismus
Die Autophagie baut geschädigte Organellen, Zellmembranen und Proteine ab, und es wird angenommen, dass eine unzureichende Autophagie einer der Hauptgründe für die Anhäufung geschädigter Zellen und die Alterung ist. Autophagie und Autophagie-Regulatoren sind an der Reaktion auf lysosomale Schäden beteiligt und werden häufig von Galektinen wie Galektin-3 und Galektin-8 gesteuert. ⓘ
Programmierter Zelltod
Einer der Mechanismen des programmierten Zelltods (PCD) ist mit dem Auftreten von Autophagosomen verbunden und hängt von Autophagieproteinen ab. Diese Form des Zelltods entspricht höchstwahrscheinlich einem Prozess, der morphologisch als autophagischer PCD definiert worden ist. Es stellt sich jedoch immer wieder die Frage, ob die autophagische Aktivität in sterbenden Zellen die Ursache für den Tod ist oder ob es sich um einen Versuch handelt, ihn zu verhindern. Morphologische und histochemische Untersuchungen haben bisher keinen ursächlichen Zusammenhang zwischen dem autophagischen Prozess und dem Zelltod nachgewiesen. Vielmehr gibt es in letzter Zeit starke Argumente dafür, dass die autophagische Aktivität in sterbenden Zellen ein Überlebensmechanismus sein könnte. Untersuchungen der Metamorphose von Insekten haben gezeigt, dass Zellen eine Form von PCD durchlaufen, die sich von anderen Formen zu unterscheiden scheint; diese wurden als Beispiele für autophagischen Zelltod vorgeschlagen. Jüngste pharmakologische und biochemische Studien haben vorgeschlagen, dass sich Überlebens- und tödliche Autophagie durch die Art und das Ausmaß der regulatorischen Signalgebung bei Stress, insbesondere nach einer Virusinfektion, unterscheiden lassen. Obwohl diese Ergebnisse vielversprechend sind, wurden sie in nicht-viralen Systemen noch nicht untersucht. ⓘ
Übung
Die Autophagie ist für die basale Homöostase von wesentlicher Bedeutung; sie ist auch für die Aufrechterhaltung der Muskelhomöostase bei körperlicher Anstrengung äußerst wichtig. Die Autophagie auf molekularer Ebene ist nur teilweise verstanden. Eine Studie an Mäusen zeigt, dass die Autophagie für die sich ständig ändernden Anforderungen ihres Nährstoff- und Energiebedarfs wichtig ist, insbesondere durch die Stoffwechselwege des Proteinkatabolismus. In einer 2012 vom University of Texas Southwestern Medical Center in Dallas durchgeführten Studie wurden mutierte Mäuse (mit einer Knock-in-Mutation der BCL2-Phosphorylierungsstellen, um Nachkommen zu erzeugen, die normale Niveaus der basalen Autophagie aufwiesen, denen es jedoch an stressinduzierter Autophagie mangelte) getestet, um diese Theorie zu überprüfen. Die Ergebnisse zeigten, dass diese Mäuse im Vergleich zu einer Kontrollgruppe eine geringere Ausdauer und einen veränderten Glukosestoffwechsel bei akuter Belastung aufwiesen. ⓘ
Eine andere Studie zeigte, dass Skelettmuskelfasern aus Kollagen VI bei Knockout-Mäusen Anzeichen von Degeneration aufwiesen, die auf eine unzureichende Autophagie zurückzuführen waren, die zu einer Anhäufung von beschädigten Mitochondrien und einem übermäßigen Zelltod führte. Wenn die Autophagie jedoch nach dem Training künstlich angeregt wurde, konnte die Anhäufung geschädigter Organellen in Kollagen-VI-defizienten Muskelfasern verhindert und die zelluläre Homöostase aufrechterhalten werden. Beide Studien zeigen, dass die Induktion der Autophagie zu den positiven Stoffwechseleffekten des Trainings beitragen kann und dass sie für die Aufrechterhaltung der Muskelhomöostase während des Trainings, insbesondere in Kollagen-VI-Fasern, wesentlich ist. ⓘ
Arbeiten am Institut für Zellbiologie der Universität Bonn haben gezeigt, dass eine bestimmte Art der Autophagie, d.h. die chaperongestützte selektive Autophagie (CASA), in kontrahierenden Muskeln induziert wird und für die Aufrechterhaltung des Muskelsarkomers unter mechanischer Spannung erforderlich ist. Der CASA-Chaperonkomplex erkennt mechanisch beschädigte Komponenten des Zytoskeletts und leitet diese Komponenten über einen Ubiquitin-abhängigen autophagischen Sortierweg zur Entsorgung in die Lysosomen. Dies ist notwendig, um die Muskelaktivität aufrechtzuerhalten. ⓘ
Osteoarthritis
Da die Autophagie mit dem Alter abnimmt und das Alter ein Hauptrisikofaktor für Osteoarthritis ist, wird die Rolle der Autophagie bei der Entwicklung dieser Krankheit vermutet. Proteine, die an der Autophagie beteiligt sind, nehmen mit zunehmendem Alter sowohl im menschlichen als auch im Mausgelenkknorpel ab. Mechanische Verletzungen von Knorpel-Explantaten in Kultur reduzierten ebenfalls die Autophagie-Proteine. Die Autophagie ist im normalen Knorpel ständig aktiviert, wird aber mit zunehmendem Alter beeinträchtigt und geht dem Absterben von Knorpelzellen und strukturellen Schäden voraus. Somit ist die Autophagie an einem normalen Schutzprozess (Chondroprotektion) im Gelenk beteiligt. ⓘ
Krebs
Krebs entsteht häufig, wenn mehrere verschiedene Wege, die die Zelldifferenzierung regulieren, gestört sind. Die Autophagie spielt bei Krebs eine wichtige Rolle - sowohl als Schutz vor Krebs als auch als möglicher Beitrag zum Krebswachstum. Die Autophagie kann zur Krebsentstehung beitragen, indem sie das Überleben von Tumorzellen fördert, die ausgehungert wurden oder die apoptotische Mediatoren durch Autophagie abbauen: In solchen Fällen erhöht der Einsatz von Hemmstoffen der späten Autophagie-Phasen (wie Chloroquin) bei den Zellen, die die Autophagie zum Überleben nutzen, die Zahl der durch antineoplastische Medikamente abgetöteten Krebszellen. ⓘ
Die Rolle der Autophagie bei Krebs ist sehr gut erforscht und überprüft worden. Es gibt Hinweise darauf, dass die Autophagie sowohl ein Tumorsuppressor als auch ein Faktor für das Überleben von Tumorzellen ist. Neuere Forschungen haben jedoch gezeigt, dass die Autophagie nach verschiedenen Modellen eher als Tumorsuppressor eingesetzt wird. ⓘ
Tumorsuppressor
Es wurden mehrere Experimente mit Mäusen durchgeführt, bei denen Beclin1, ein Protein, das die Autophagie reguliert, variiert wurde. Wenn das Beclin1-Gen heterozygot verändert wurde (Beclin 1+/-), erwiesen sich die Mäuse als tumoranfällig. Wurde Beclin1 jedoch überexprimiert, wurde die Tumorentwicklung gehemmt. Bei der Interpretation der Phänotypen von Beclin-Mutanten und der Zuordnung der Beobachtungen zu einem Defekt der Autophagie ist jedoch Vorsicht geboten: Beclin1 ist im Allgemeinen für die Produktion von Phosphatidylinositol-3-phosphat erforderlich und beeinflusst als solches zahlreiche lysosomale und endosomale Funktionen, einschließlich der Endozytose und des endozytischen Abbaus von aktivierten Wachstumsfaktor-Rezeptoren. Für die Möglichkeit, dass Beclin1 die Krebsentwicklung über einen autophagieunabhängigen Weg beeinflusst, spricht die Tatsache, dass zentrale Autophagie-Faktoren, von denen nicht bekannt ist, dass sie andere zelluläre Prozesse beeinflussen, und von denen definitiv nicht bekannt ist, dass sie die Zellproliferation und den Zelltod beeinflussen, wie z. B. Atg7 oder Atg5, einen ganz anderen Phänotyp zeigen, wenn das entsprechende Gen ausgeschaltet wird, der keine Tumorbildung beinhaltet. Darüber hinaus ist der vollständige Knockout von Beclin1 embryonal tödlich, während der Knockout von Atg7 oder Atg5 nicht tödlich ist. ⓘ
Es hat sich gezeigt, dass Nekrose und chronische Entzündungen auch durch Autophagie begrenzt werden können, was zum Schutz vor der Bildung von Tumorzellen beiträgt. ⓘ
Überleben von Tumorzellen
Es hat sich auch gezeigt, dass die Autophagie eine wichtige Rolle beim Überleben von Tumorzellen spielt. In Krebszellen dient die Autophagie als Mittel zur Bewältigung von Stress in der Zelle. Die Induktion der Autophagie durch die miRNA-4673 beispielsweise ist ein überlebensfördernder Mechanismus, der die Resistenz von Krebszellen gegenüber Strahlung verbessert. Sobald diese mit der Autophagie verbundenen Gene gehemmt wurden, wurde der Zelltod verstärkt. Der Anstieg der Stoffwechselenergie wird durch Autophagie-Funktionen ausgeglichen. Zu diesen metabolischen Belastungen gehören Hypoxie, Nährstoffentzug und eine Zunahme der Proliferation. Diese Belastungen aktivieren die Autophagie, um ATP zu recyceln und das Überleben der Krebszellen zu sichern. Es hat sich gezeigt, dass die Autophagie das weitere Wachstum von Tumorzellen ermöglicht, indem sie die zelluläre Energieproduktion aufrechterhält. Durch die Hemmung von Autophagie-Genen in diesen Tumorzellen wurden eine Rückbildung des Tumors und ein verlängertes Überleben der von den Tumoren betroffenen Organe festgestellt. Darüber hinaus hat sich gezeigt, dass die Hemmung der Autophagie auch die Wirksamkeit von Krebstherapien erhöht. ⓘ
Mechanismus des Zelltods
Zellen, die extremem Stress ausgesetzt sind, sterben entweder durch Apoptose oder Nekrose. Eine anhaltende Aktivierung der Autophagie führt zu einer hohen Umsatzrate von Proteinen und Organellen. Eine hohe Rate oberhalb der Überlebensschwelle kann Krebszellen mit einer hohen apoptotischen Schwelle abtöten. Diese Technik kann als therapeutische Krebsbehandlung eingesetzt werden. ⓘ
Therapeutisches Ziel
Neue Entwicklungen in der Forschung haben ergeben, dass eine gezielte Autophagie eine praktikable therapeutische Lösung für die Krebsbekämpfung sein könnte. Wie bereits erwähnt, spielt die Autophagie sowohl eine Rolle bei der Tumorunterdrückung als auch beim Überleben der Tumorzellen. Daher können die Eigenschaften der Autophagie als Strategie zur Krebsprävention genutzt werden. Die erste Strategie besteht darin, Autophagie zu induzieren und ihre tumorunterdrückenden Eigenschaften zu verstärken. Die zweite Strategie besteht darin, die Autophagie zu hemmen und damit die Apoptose zu induzieren. ⓘ
Die erste Strategie wurde getestet, indem die Anti-Tumor-Wirkung von Autophagie-induzierten Therapien in Abhängigkeit von der Dosis untersucht wurde. Diese Therapien haben gezeigt, dass die Autophagie dosisabhängig zunimmt. Dies steht in direktem Zusammenhang mit dem Wachstum von Krebszellen, das ebenfalls dosisabhängig ist. Diese Daten unterstützen die Entwicklung von Therapien, die die Autophagie fördern sollen. Zweitens kann die Hemmung der Proteinwege, von denen bekannt ist, dass sie die Autophagie direkt auslösen, ebenfalls als Krebstherapie dienen. ⓘ
Die zweite Strategie basiert auf der Idee, dass die Autophagie ein System zum Abbau von Proteinen ist, das zur Aufrechterhaltung der Homöostase dient, und auf der Erkenntnis, dass eine Hemmung der Autophagie häufig zur Apoptose führt. Die Hemmung der Autophagie ist risikoreicher, da sie zum Überleben der Zellen führen kann, statt zum gewünschten Zelltod. ⓘ
Negative Regulatoren der Autophagie
Negative Regulatoren der Autophagie, wie mTOR, cFLIP, EGFR, (GAPR-1) und Rubicon, sind so aufeinander abgestimmt, dass sie in verschiedenen Phasen der Autophagie-Kaskade wirken. Die Endprodukte der autophagischen Verdauung können auch als negativer Rückkopplungsmechanismus dienen, um eine verlängerte Aktivität zu stoppen. ⓘ
Die Schnittstelle zwischen Entzündung und Autophagie
Die Regulatoren der Autophagie kontrollieren die Regulatoren der Entzündung und vice versa. Zellen von Wirbeltieren aktivieren normalerweise Entzündungen, um die Fähigkeit des Immunsystems zur Beseitigung von Infektionen zu verbessern und die Prozesse zur Wiederherstellung der Gewebestruktur und -funktion in Gang zu setzen. Daher ist es von entscheidender Bedeutung, die Regulierung der Mechanismen zur Beseitigung von zellulären und bakteriellen Ablagerungen mit den wichtigsten Faktoren zu verknüpfen, die die Entzündung regulieren: Der Abbau von Zellbestandteilen durch das Lysosom während der Autophagie dient der Wiederverwertung lebenswichtiger Moleküle und der Schaffung eines Pools von Bausteinen, die der Zelle helfen, auf eine sich verändernde Mikroumgebung zu reagieren. Proteine, die die Entzündung und die Autophagie kontrollieren, bilden ein Netzwerk, das für die Gewebefunktionen von entscheidender Bedeutung ist und bei Krebs dysreguliert wird: In Krebszellen erhöhen aberrant exprimierte und mutierte Proteine die Abhängigkeit des Zellüberlebens von dem "neu verdrahteten" Netzwerk proteolytischer Systeme, das bösartige Zellen vor apoptotischen Proteinen und vor der Erkennung durch das Immunsystem schützt. Dies macht Krebszellen anfällig für Eingriffe in die Regulatoren der Autophagie. ⓘ
Die Parkinsonsche Krankheit
Die Parkinson-Krankheit ist eine neurodegenerative Erkrankung, die teilweise durch den Zelltod von Gehirn- und Hirnstammzellen in vielen Kernen wie der Substantia nigra verursacht wird. Die Parkinson-Krankheit ist durch Einschlüsse eines Proteins namens Alpha-Synuclien (Lewy-Körperchen) in den betroffenen Nervenzellen gekennzeichnet, die die Zellen nicht abbauen können. Es wird angenommen, dass eine Deregulierung des Autophagie-Stoffwechsels und eine Mutation von Allelen, die die Autophagie regulieren, neurodegenerative Krankheiten verursachen. Die Autophagie ist für das Überleben von Neuronen unerlässlich. Ohne effiziente Autophagie sammeln Neuronen ubiquitinierte Proteinaggregate an und werden abgebaut. Ubiquitinierte Proteine sind Proteine, die mit Ubiquitin markiert wurden, um abgebaut zu werden. Mutationen von Synuclein-Allelen führen zu einem Anstieg des Lysosomen-pH-Wertes und einer Hemmung der Hydrolase. Infolgedessen ist die Abbaukapazität der Lysosomen verringert. Es gibt mehrere genetische Mutationen, die mit der Krankheit in Verbindung gebracht werden, darunter Funktionsverluste von PINK1 und Parkin. Ein Funktionsverlust in diesen Genen kann zu einer geschädigten mitochondrialen Akkumulation und zu Proteinaggregaten führen, die wiederum eine zelluläre Degeneration verursachen können. Mitochondrien sind an der Parkinson-Krankheit beteiligt. Bei der idiopathischen Parkinson-Krankheit wird die Krankheit in der Regel durch dysfunktionale Mitochondrien, zellulären oxidativen Stress, autophagische Veränderungen und die Aggregation von Proteinen verursacht. Dies kann zu einer Schwellung und Depolarisierung der Mitochondrien führen. ⓘ
Typ-2-Diabetes
Eine übermäßige Aktivität der Crinophagie-Form der Autophagie in den insulinproduzierenden Betazellen der Bauchspeicheldrüse könnte die Menge des für die Sekretion verfügbaren Insulins verringern, was zu Typ-2-Diabetes führen kann. ⓘ
Bedeutung der Autophagie als Arzneimittelziel
Da eine Dysregulation der Autophagie an der Entstehung einer Vielzahl von Krankheiten beteiligt ist, werden große Anstrengungen unternommen, um kleine synthetische oder natürliche Moleküle zu identifizieren und zu charakterisieren, die diese regulieren können. ⓘ
Eigenschaften
Autophagozytose tritt bei vielen Eukaryoten, wie Pflanzen, vielzelligen Tieren, Schleimpilzen und Hefen auf. Der Prozess ist für ein Gleichgewicht zwischen der Produktion neuer und dem Abbau alter Zellbestandteile notwendig. Ein Mitochondrium einer Leberzelle hat beispielsweise eine Lebenszeit von zehn Tagen, bevor es durch Autophagozytose (Mitophagie, teilweise über Omegasomen) abgebaut wird, und seine Bestandteile erneut zum Aufbau anderer Strukturen weiterverwendet werden (Salvage-Pathway). Somit spart die Zelle mit Hilfe der Autophagie Energie. ⓘ
Die Autophagozytose ist am Ab- und Umbau von Proteinen und Lipiden und an der Bereitstellung von Aminosäuren bei verringerter oder bei (teilweiser) Enthaltung von Nahrungszufuhr beteiligt, wie es beim Fasten der Fall ist. Durch Fasten wird Autophagie hervorgerufen. Sie erfolgt in geringem Umfang in allen Zellen, wird aber bei metabolischem, genotoxischem, infektiösem und hypoxischem Stress verstärkt. ⓘ
Mit zunehmendem Alter einer Zelle nimmt die Autophagozytose ab. Eine verminderte Autophagozytose ist unter anderem an der Metastasierung von Tumoren beteiligt. Weiterhin ist eine verminderte Autophagie an der Entstehung von ALS, Morbus Alzheimer, Chorea Huntington, SENDA (static encephalopathy of childhood with neurodegeneration in adulthood = Statische Enzephalopathie der Kindheit mit Neurodegeneration im Erwachsenenalter), multipler Sklerose, Morbus Crohn und systemischem Lupus erythematodes (SLE) beteiligt. Sorafenib und das natürlich vorkommende Spermidin führen zu einer verstärkten Autophagie. Hydroxychloroquin und andere Chloroquinderivate hemmen die Autophagie. Die Autophagie wird unter anderem durch das Protein Autophagin 4A reguliert. ⓘ
Die Prozesse der Autophagozytose werden grob in drei Gruppen unterteilt: die Makroautophagozytose oder Makroautophagie, die Mikroautophagozytose oder Mikroautophagie sowie die Chaperon-vermittelte Autophagie (Chaperone mediated autophagy, CMA). ⓘ
Makroautophagie
Die Makroautophagie ist der hauptsächliche Mechanismus der Autophagie und dient zum Abbau von Zellorganellen und Proteinen. Dabei umschließt ein Teil der Membran des Endoplasmatischen Retikulums (ER) die für den Abbau markierten Strukturen, bis das abzubauende Organell ganz von einer doppelten Biomembran umschlossen ist. Das entstandene Autophagosom wird anschließend entlang des Aktin-Zytoskeletts transportiert, bis es sich schließlich unter Membranfusion an ein Lysosom bindet und sein Inhalt durch lysosomale saure Hydrolasen abgebaut wird. ⓘ
Mikroautophagie
Die Mikroautophagie bezeichnet die direkte Aufnahme ins Lysosom durch die lysosomale Membran. Dabei wird die lysosomale Membran eingestülpt. ⓘ
Chaperon-vermittelte Autophagie
Bei der Chaperon-vermittelten Autophagie (Chaperone mediated autophagy, CMA) werden Proteine mit einem KFERQ-ähnlichen Motiv vom Chaperon bzw. Hitzeschockprotein Hsc70 erkannt und als Proteinkomplex zum Lysosom geführt, wo sie durch das lysosomal membrane-associated protein 2a (LAMP-2A) ins Lysosom gelangen und abgebaut werden. Der Komplex wird rezeptorvermittelt in das Lysosom aufgenommen, wobei das Hsc70 als Chaperon zur Entfaltung der importierten Proteine dient. Eine veränderte Chaperon-vermittelte Autophagie ist an der Entstehung von Morbus Parkinson beteiligt. ⓘ
Mitwirkung im Lebensphasenwechsel einiger Arten
Bei Insekten dient der Prozess zur Umwandlung des Larvengewebes in die Adultform. Hierbei wird während der Verpuppung das Gewebe eingeschmolzen und zum adulten Tier neu angeordnet. ⓘ
Es gibt zwei Signale, die diesen Prozess auslösen: Ein Mangel an Nährstoffen führt zum Abbau von nicht essentiellen Zellbestandteilen. Damit werden überlebenswichtige Prozesse weiterhin mit Energie versorgt. Auch ein Überangebot von Nährstoffen kann Autophagozytose auslösen. Dann werden mit dem Energieüberschuss neue Organellen gebildet und alte wiederverwendet. ⓘ
Autophagozytose kann auch das Absterben von Zellen verursachen. Es ist Teil des programmierten Zelltodes (Apoptose, autophagic cell death). Es reguliert somit das Wachstum von vielzelligen Organismen und Kolonien (Hefe). ⓘ
Inhibierung
Autophagozytose lässt sich durch bestimmte Wirkstoffe, wie beispielsweise Chloroquin oder Hydroxychloroquin, inhibieren. Dies eröffnet verschiedene therapeutische Anwendungen, beispielsweise in der Chemotherapie von Krebserkrankungen. ⓘ
Verstärkung
Die natürliche Substanz Spermidin wirkt verstärkend auf die Autophagozytose. Daher wird aktuell in zahlreichen Studien das präventive Potential von Spermidin bezogen auf eine Verlängerung der gesunden Lebensspanne untersucht. In einer kleinen Untersuchung an der Charité konnte bereits nach drei Monaten eine Verbesserung der Gedächtnisleistung bei älteren Menschen mit erhöhten kognitiven Verfall im Vergleich zum Placebo gezeigt werden. ⓘ