Mirties ir atnaujinimo būdai

Mirties ir atnaujinimo būdai

Elena Kleshchenko
"Chemija ir gyvybė" № 11, 2016

Gilus maistinių medžiagų trūkumas yra nepriimtinų struktūrų, tokių kaip uodega, šalinimas yra priimtina alternatyva! Tiesą sakant, Ouroboros yra gilesnis simbolis: gyvatė, paimanti savo uodegą, reiškia atnaujinimą ir amžinybę.

2016 m. Nobelio premija fiziologijos ar medicinos srityje buvo paskirta Tokijo technologijos instituto profesoriaus Yoshinori Osumi profesoriui už jo esminius tyrimus dėl autofagijos – pagrindinio korinio komponento apdorojimo ir pakartotinio panaudojimo proceso.

Gydymasis savęs valgymas

Prieš šitą apdovanojimą daugelis negirdėjo žodžio "autofagija", tačiau "užprogramuota ląstelių mirtis" yra nepatirtas populiarumas. Cituoti profesoriaus B. D. Животовский: "Mano skaičiavimais, kas 24 min. Atsiranda naujas leidinys, įskaitant terminus apoptozę, nekrozę, autofagiją ar programuojamą ląstelių mirtį" (žr. Chemija ir gyvenimas Nr. 5 , 2014 m.). Dabar sunku įsivaizduoti, kad prieš pusę šimtmečio programų, kurios sukelia nepageidaujamų ar piktybinių ląstelių mirtį, tyrimas atrodė mažai susidomėjęs ir kad straipsnis, kuriame pirmą kartą buvo pateiktas terminas "apoptozė", vargu ar buvo priimtas paskelbti.

Tačiau apoptozė yra tik viena užprogramuota ląstelių mirties rūšis. Taip pat yra programuojama nekrozės forma (nekroptozė) – ji vaidina svarbų vaidmenį plėtojant daugelį rimtų ligų, įskaitant širdies priepuolį ir insultą. Pasirodo, viršutinio odos sluoksnio keratinizacija ar kornizacija taip pat yra ypatingas ląstelių mirties būdas pagal savo specialią programą. (Iš tiesų: kodėl minėtas procesas vyksta tik kai kuriuose mūsų kūno dalyse, o kituose negyvos ląstelės yra nepastebimai išplautos?) Ir ketvirtasis yra tik autofagija. Nors šis kelias yra ne tiek mirties, kiek atgimimas.

Kai žmonės ginčija, ar visi gyvi dalykai būtinai turi būti seni ir mirti, jie dažnai sako: bet ląstelė yra potencialiai nemirtinga, amoeba ar infuzoriumas nesibaigia arba miršta palankiomis sąlygomis, bet dalijasi ir tai atsitinka be galo šimtus amžių, tai reiškia … Mes neanalizuosime, kas tai mums reiškia, daugiasluoksnė, ir kaip mūsų pozicija skiriasi nuo amoebo padėties, tačiau leiskite mums paklausti savęs: kodėl jis nėra amžius? Arba antrasis termodinamikos įstatymas nėra parašytas už tai? Ar grandinės turėtų sulaužyti, reaktyviosios deguonies rūšis – biomolekuliams oksiduoti, ir ką reikėtų nuveikti, kad sistema negalėtų tapti netinkama?

Vadovėlio atsakymas: gyvenantys objektai priešinasi entropijai, gauna energiją iš išorės ir naudoja ją augimui ir vystymuisi, taip pat sugadintų konstrukcijų pakeitimui ir taisymui. Vienas iš ląstelių taisymo mechanizmų buvo ištirtas 2016 m. Nobelio premijos laureatu.

XX a. Viduryje elektronų mikroskopija leido mokslininkams daug sužinoti apie ląstelės struktūrą ir jos kasdienį gyvenimą. Tuo metu gauti rezultatai buvo labai svarbūs, jie iki šiol buvo gerbiami. Prieš trejus metus 2013 m. Nobelio premija fiziologijos ir medicinos srityje buvo skirta už vezikulinio transporto atradimą – tiksliai nukreipta įvairias medžiagas membraninių pūslelių viduje per ląstelių viduje ir už jos ribų (žr. "Chemija ir gyvenimas ", Nr. 11, 2013 m.). Tačiau Belgijos mokslininkas Christian De Duve gavo savo Nobelio premiją palyginti anksti, 1974 m. Kartu su George'u Palade ir Albertu Claude'u "už atradimus svarbiausių ląstelių struktūrų". Pati De Duv atrado lizozomą – ląstelinį utilizatorių, membraninį pūslelę su fermentais, kurie suskaido biomolekules. Ir jau 1950-ųjų – 1960-ųjų buvo įdomus mikroskopinis rėmeliai: lizosomos, kurių vidinėje dalyje yra citoplazma, ląstelinių struktūrų fragmentai ir kartais visi organeliai, pavyzdžiui, mitochondrijos.Taip pat buvo apibūdinta savotiška šių fragmentų pristatymo į išmontavimo vietą mechanizmas: jie įsiurbami į dviklių membraną, autophagosome, kuris tada sujungiamas su lizosomu. Šis mechanizmas pavadino "autofagija" – tiesiog "savęs valgyti" – Christian De Duve. Kartais autofagija stebima gyvūnų ar gyvūnų, kurie yra apsinuodiję toksinėmis medžiagomis, audiniuose, tačiau kartais tai yra įprasta – pavyzdžiui, embrionų vystymosi metu. Jis buvo rastas įvairiuose gyvūnuose, nuo amoeba ir euglenos iki stuburinių. Tai reiškė, kad mechanizmas yra senas ir tikriausiai labai svarbus.

Autofagijos schema

Beje, 70-80-aisiais metais buvo ištirtas dar vienas nereikalingų struktūrų išardymo mechanizmas – konkretaus baltymų, į kuriuos mažas baltymas, ubikvitinas, susimaišymas yra tiksliai priskiriamas, daugelio ubikvitinų polimeras. Ubiquitin-tagged baltymai nukreipti į proteasomą (didelį, daugiasubunitą baltymų kompleksą), kur jie yra suskaidyti į aminorūgštis. Dėl šio atradimo Aaronas Tsikhanoveris, Abraomas Hershko ir Irwin Rose gavo 2004 m. Nobelio premiją chemijoje.

Tačiau proteasomos sistema naudoja atskiras molekules, tačiau autofagija, viso baltymų kompleksų ir organelų panaudojimas.Kaip valdoma ši potencialiai pavojinga ląstelė? Kas sukelia autofagozomo susidarymą? Kaip svarbu mūsų ir kitų būtybių autofagija, ar jo sutrikimai gali būti ligų priežastis, ir, jei taip, kokie? Nuo pirmųjų autofagijos pastabų iki pirmųjų atsakymų į šiuos klausimus praėjo keli dešimtmečiai. Tikriausiai tai negalėjo būti kitaip: šiuo tikslu reikėjo veiksmingų genomo tyrimų metodų.

Šiukšliadėžė gali perpildyti

Yoshinori Osumi gimė 1945 m. Fukuoko mieste. Jo tėvas buvo Kiusu universiteto inžinieriaus profesorius, tačiau Osumi jaunesnysis buvo labiau suinteresuotas mokslu nei technologijomis. Jis įstojo į Tokijo universitetą, kad taptų chemiku, bet greitai suprato, kad šis mokslas yra ne taip patrauktas jam – jame, kaip atrodė jam, yra mažai naujovių. "Bet manau, man pasisekė", – sakė jis interviu. Ląstelių biologijos leidinys 2012 m., Nes 60-ųjų pradžia buvo aukso molekulinės biologijos amžius. Aš nusprendžiau, kad norėčiau tai padaryti ".

Autofagija pelių fibroblastuose, auginamuose maistinių medžiagų neturinčiose terpėse. Mitochondrijos yra aiškiai matomos (Mt) autofagosomos viduje. Vaizdas: Gamtos ląstelių biologija, 2010, 12, 823-830

Diplomo metu Osumi studijavo baltymų sintezę E. coli, tačiau negaudavo jokių puikių rezultatų. Japonijoje tuo metu nebuvo tiek daug molekulinių biologinių laboratorijų, atrodė sunku rasti darbą. Gavęs laipsnį 1974 m., Osumi išvyko į Jungtines Amerikos Valstijas – į Rokfelerio universitetą, kur jis tapo Nobelio premijos laureato Geraldo Edelmano postdoku. Ten jis turėjo pereiti prie žinduolių vystymosi biologijos, ir jis atsimena šį laikotarpį be entuziazmo. Tačiau Edelmano laboratorijoje jis įgijo patirties su mielėmis. Saccharomyces cerevisiaekuris jam vėliau buvo naudingas.

Grįžęs prie alma mater, dr. Osumi pasirinko mielių vakuolių tyrimo temą. "Tuo metu daugelis tiria jonų ir mažų molekulių pernešimą per plazmos membraną, tačiau tik kelias iš jų ištyrė transportą per organolepinius membranus. Vakuumelis (funkcinis daugelioelementinių lizosomų analogas. Pastaba ed.) jie manė, kad tai tik ląstelės šiukšlių dėžė, o ne labai daug žmonių buvo suinteresuotos jo fiziologija, ir maniau, kad būtų malonu ištirti transportą vakuume, nes turiu keletą konkurentų ". Iš tiesų šioje srityje jam pasisekė.1988 metais 43 metų Osumi tapo grupės vadovu – nekalbėti apie žvaigždžių karjerą. Jis nusprendė ištirti vakuuminės lizės funkciją, jos gebėjimą virškinti biomolekules.

Mielė yra vienas iš populiariausių eksperimentinių objektų. Viena vertus, jie yra eukariotai, juose yra branduolys ir kiti organeliai, tai yra, jie yra daug labiau panašūs į mus, nei, pavyzdžiui, į bakterijas. Kita vertus, jie yra palyginti paprasčiausiai išdėstyti ir greitai padauginti, juos lengva auginti, o tai patvirtina daugelį amžių žmonijos patirtį rengiant alkoholinius gėrimus.

Mielės yra nepatogios, nes jos ląstelės yra gana mažos: jų tipinis dydis yra mikrometrai, didesni už E. coli, bet mažesni nei dauguma eukariotinių ląstelių. Nebuvo labai aišku, ar jie turėjo autofagiją. Osumi rėmėsi prielaida, kad egzistuoja ir turėtų sustiprėti badaujančios ląstelės (jos išmontuos mažiausiai reikalingą energijos išgyvenimui). Ir jei šiose ląstelėse yra fermentų, kurie yra atsakingi už mutacijų pažeistų molekulių skilimą, virškinimo procesas pasidarys ir pastebimas ląstelių virškinimo sutrikimas.

Mielių ląstelės su defektais fermentais, augintais bado dieta: vacuoles (In) kaupiasi autofagozomų pūsleliai (AF) Vaizdas: Ląstelių biologijos leidinys, 1992, 119, 2, 301-311

Taigi mielių kamienai, neturintys proteinazės A, proteinazės B ir karboksipeptidazės, buvo auginami maistinių medžiagų neturinčiose terpėse. Osumi mėgo pažvelgti į ląsteles po mikroskopu, pats pats padarė pastabas. "Po 30 minučių pasninko pasirodė daug burbuliukų ir jie pradėjo kauptis vakuume. Aš turėjau gerą pažįstamą, elektronų mikroskopo specialistą, ir man pasisekė stebėti autofagų susidarymą ir jų sujungimą su vakuumu. Tai buvo mano darbo pradžia". Iš tikrųjų nuotraukoje švelnūs burbuliukai yra aiškiai matomi vakuumose, kurios nesumažėja (Ląstelių biologijos leidinys1992, 119, 301-311). Taigi, paaiškėjo, pirma, kad vyksta autofagija mielėse, ir, antra, kaip atrodo ląstelė, kurioje autofagija sulėtėjo paskutiniame etape.

Nuo mikroskopijos iki genetikos

Kodėl tai svarbu "antra" – Jurijus Lazebnik puikiai paaiškino 2002 m. Ese "Ar biologas gali nustatyti radiją?". (Beje, jis vieną kartą ištyrė apoptozę garsioje "Cold-Spring-Harbour" laboratorijoje). Jis kviečia skaitytojus įsivaizduoti biologustyrinėja tranzistorių radiją, taikydamas tuos pačius metodus, pagal kuriuos jie tiria gyvos ląstelės genus ir baltymus, ir leidžia manyti, kad biologai nėra apmokyti fizikos ir radijo inžinieriaus. Pirmiausia turite gauti pinigų ir nusipirkti daug tapačių radijo imtuvų, sužinoti, kaip jas atidaryti, tada apibūdinti ir klasifikuoti sudedamąsias dalis, kurios randamos viduje – formos, spalvos, dydžio ir kojų skaičiaus.

"Veiksmingesnis būdas būtų atskirti komponentus po vieną arba galimybė šaudyti metalines daleles artimame diapazone. Pastaruoju atveju imtuvai, kurie suskaidomi (sukuria" fenotipą "), bus parinkti, kad suprastų, kokia dalis nepavyko. Tokiam fenotipui. Nors daugumos komponentų pašalinimas turės tik nežymią reikšmę, kai kurie pasisekę postdoc netyčia ras įrašus, kurių nebuvimas visiškai sustabdo muzikos atlikimą. Žavėjantis mokslininkas paskambins į įrašus U achno iššifruoti komponentas (URC), tada sužino, kad URC yra vienintelė ryšys tarp ilgo objektyvo tęsiasi ir imtuvo dalių poilsio … "

Biologų kovos su radijo imtuvu istorija yra ilga ir juokinga, ir moralė yra tai, kad biologai turėtų pasiskolinti keletą požiūrių ir būdų aprašyti sudėtingas sistemas iš inžinierių. Tačiau tol, kol biosistemos mums netapo tokios aiškios kaip elektros prietaisų grandinės, galimybė suskaidyti radijo imtuvus išlieka naudinga. Visų pirma, taip buvo įmanoma susieti suskirstymą (nukreiptas kontaktas) pažeidžiant tam tikrą funkciją (iškreipti aukšti garsai).

Štai kodėl mielių ląstelės su vakcinomis, užpildytomis burbuliukais, buvo tikras lobis. Be to, mokslininkai taip pasakojo: jei autofagų virškinimo defekte esantis kamienas turi kitą mutaciją ir tuo pačiu metu vakcinos su burbuliuku nustos laikytis, tai reiškia, kad mutantinis genų produktas yra susijęs su autofagija. (Mes matome, kad būsimasis Nobelio premijos laureatas naudojo šiek tiek gudresnį metodą nei tradicinis: jis nustatė gedimą, dėl kurio kiti gedimai labiau pastebimi.)

90-aisiais Osimų grupė, kuri tuo metu susideda iš trijų žmonių – gydytojas ir du studentai, pradėjo šių genų paiešką. Rūgščių štamai buvo atliekama cheminė mutagenezė, siekiant gauti atsitiktines mutacijas, o po to jie sukėlė autofagiją ir ištyrė, kaip pasikeis fenotipas.Osumi studentas Miki Tsukada sugebėjo rasti pirmąjį autofagijos geną, kuris natūraliai vadinamas APG1 (autofagijos genas; šie genai šiuo metu yra sutrumpinti kaip ATG). Muzikos mielių nešėjose autofagija prasidėjo bado metu, o jie greitai prarado gyvybingumą, nes jie užblokavo atsarginį energijos ir statybinių medžiagų šaltinį.

Labai greitai Osumi ir jo kolegos atrado net 15 autophagy genų mielėse (FEBS Letters, 1993, 333, 169-174), taip pat apibūdino jų baltymus. Maždaug tuo pačiu metu buvo paskelbtas mielių genomas, kuris labai supaprastino darbą.

Išspręsta pagal reglamentą. Taigi, Atg1 baltymas priklauso kinasei, tai yra, fosforilina baltymus (reguliavimas, naudojant fosfatinį žymą, yra plačiai paplitęs gamtoje). Jis sąveikauja su produktu ATG13, o šią sąveiką reguliuoja žinomas kinazės taikinys rapamicinas (TOR), kuris kontroliuoja augimą, senėjimą ir atsaką į stresą. Ji veikia ląstelėse, kai jos yra gerai maitinamos ir fosforilina Atg13, todėl jo sąveika su Atg1 neleidžiama. Pasninkas inaktyvuoja TOR, fosforilintas Atg13 jungiasi prie Atg1, ir suaktyvinta autofagija.Ir tada pasirodė, kad tai sukūrė pentamero kompleksą iš penkių baltymų – Atg13, Atg1, Atg17, Atg29, Atg31 … Viskas, ką mes ką tik kalbėjome, yra tik pirmas žingsnis į įvykių kaskadą, būtiną autofagozomo formavimui, kuris galiausiai apims ląstelių struktūros fragmentą, skirtą sunaikinti.

Žinoma, visi sužinojo, ar kitoms gyvoms būtybėms buvo panašūs mechanizmai. Osumi ir jo kolegos pirmieji nustatė tokius genus žinduoliams (pvz., Pelėms, kurių ATG5 defektai yra normalūs gimimo metu, bet miršta pirmąją gyvenimo dieną, nesugebantys išgyventi pertraukas tarp pašarų). Yra žmogus, o mechanizmas yra labai panašus į tą, kuris buvo aptiktas mielėse.

Išnykimas iš visų nereikalingų

Šiandien mes daug žinome apie autofagiją. Didžiulių citoplazmo dalių ir ląstelių organelių, kurie iš tikrųjų buvo Osumi, skilimas vadinamas makroautofagija. Neselektyvi autofagija ląstelyje vyksta nuolat, užtikrinant struktūrų atnaujinimą ir stiprinant atsaką į stresą. Bet autofagija taip pat gali būti selektyvi – kai baltymų agregatai, organeliai, virusai ar bakterijos, kurias reikia sunaikinti, turi specialią žymę.Sunaikinta bakterijų ir virusų, kurie pateko į ląstelę, yra atskiras pavadinimas – ksenofagija, šio proceso tyrimas ir kaip kai kurie ligos sukėlėjai išmoko kovoti su ja, yra ypatinga tema. Taip pat yra mikroautofagijos (lizozomos "mažosios" citoplazmos dalys) ir chaperonais siejamos individualių baltymų autofagijos. Priešingai nei universali sistema, kurioje dažniausiai naudojami trumpalaikiai baltymai, kurių daugiau nereikia, autofagija pašalina ilgaamžius.

Autofagija taip pat yra susijusi su embrionų vystymusi ir ląstelių diferenciacija. Jo defektai pastebimi Parkinsono liga, įvairūs smegenų vystymosi sutrikimai, epilepsija, 2 tipo diabetas ir kai kurie vėžio tipai (krūties ir kiaušidžių vėžys dažnai gali būti susijęs su mutacija BECN1 genuose, mielių ATG6 homologas). Įdomu tai, kad tarp vėžiu sergančių vaistų yra ir autofagijos stimuliatoriai, ir jo blokatoriai. Pirmieji neleidžia vystytis navikų, pastarieji yra naudojami, jei vėžys jau yra progresuojantis, taigi vėžio ląstelės nenaudoja autofagijos kaip atsparumo chemoterapijai mechanizmo. Kai kurios paveldimos ligos, tokios kaip Vits sindromas, siejasi su autofagijos genų sutrikimais.

Užuot padarę išvadą, mes suteikiame Yoshinori Osumi rekomendaciją mokslininkams, kurių karjera nėra labai palanki, kaip jis pats iš pradžių (nuo to paties interviu 2012 m., Kai jis nežinojo, kas galėtų tapti Nobelio premijos laureatu, bet jau pasiekė didelę sėkmę): "Deja "Šiandien, bent jau Japonijoje, jauni mokslininkai nori gauti stabilų darbą, todėl jie bijo rizikuoti. Labiausiai mėgstu dirbti populiariausiose srityse, manydami, kad tai yra lengviausias būdas paskelbti. Tačiau aš padariau priešingai. Man nelabai patiko konkurencinga kova, todėl visada ieško naujų dalykų išmokti, net jei ne per populiarus. Jei pradėsite su pagrindinio, naujų stebėjimų šios rūšies, turėsite daug darbo. "


Like this post? Please share to your friends:
Parašykite komentarą

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: