Аутофагия как механизм выживания и долгожительства

Одной из особенностей старения является неспособность клетки адаптироваться к условиям стресса.

В процессе жизнедеятельности в клетках накапливаются необратимые повреждения и, как следствие, делящиеся клетки регенерирующих тканей прибегают к двум основным механизмам, предотвращающим деление. Они могут либо навсегда остановить клеточный цикл и прекратить деление (войти в состояние сенесценции), либо запустить механизм запрограммированной смерти – апоптоза.

В отличие от митотических (делящихся) клеток, клетки организма, формирующие почти не обновляющиеся ткани и органы , такие как нейроны или кардиомиоциты, не могут войти в состояние покоя, поскольку они уже окончательно дифференцированы. Судьба этих клеток, таким образом, полностью зависит от их способности справляться со стрессом.

Аутофагия является одним из основных механизмов для ликвидации поврежденных органелл, долгоживущих и аномальных белков и излишних объёмов цитоплазмы и адаптации к условиям клеточного голодания . Это один из древнейших механизмов врожденного иммунитета, помогающий сохранить клеточный гомеостаз за счет переваривания ферментами поврежденных органелл ( митохондрий), агрегировавших белков , вторгшихся в клетку патогенов в сформированной клеткой вакуоли – аутофагосоме. Такая утилизация выполняет несколько важных функций – получение питательных веществ при голодании, поддержка клеточного гомеостаза и клеточного иммунитета , осуществление апоптоза и т.п.

Важнейшая функция , определяющая жизнеспособность — обновление частей системы с целью поддержания ее стабильности как целого. Время жизни любого живого сообщества( например, клетки) намного больше, нежели время жизни отдельных его частей, — вот тут-то и требуется механизм поддержания стабильности. Стабильность биосистем достигается путем постоянного обновления компонентов через аутофагию. Непрерывная утилизация старых компонентов обновляет биосистему, а также позволяет пополнить энергетические запасы.

Явление аутофагии в общих чертах было описано в 1960 годах прошлого века знаменитым бельгийским цитологом и биохимиком Кристианом де Дювом. Он впервые идентифицировал лизосомы в животных клетках как органеллы, осуществляющие расщепление веществ. Эта работа принесла ему международное признание и Нобелевскую премию по физиологии и медицине в 1974 году. Но истинный интерес к этому процессу вспыхнул всего 10-12 лет тому назад как к механизму очистки клеток , напрямую связанному с огромным количеством физиологических и патологических процессов, в том числе с дегенерацией нервной ткани и возможностью злокачественного перерождения.

Японские исследователи из Токийского института медицины считают, что «выживание ребенка в ранний период после рождения осуществляется за счет поглощения собственных клеток». Дело в том, что сразу после появления на свет малыш испытывает голод, так как связь с плацентой, через которую во время беременности поступали питательные вещества, прервана, а молоко матери пока недоступно.

Поэтому после рождения запускается процесс «самопереваривания», который продолжается несколько часов. В результате освобождаются различные питательные вещества, которые откладываются в специальных элементах: аутофагосомах. В то же время доктор Нобори Мицушима отмечает: «Мы не знаем, идет этот процесс у человека или нет, но предполагаем, что он един для всех млекопитающих.

Различают три типа процессов, которые отличаются способом доставки белка, который клетка намерена уничтожить, к лизосоме.

Если нефункционирующий белок достаточно мал, то он попадает непосредственно в лизосому, где ферменты растаскивают его на аминокислоты. Этот тип деградации называется микроаутофагией.

Иногда белку требуется сопровождение к лизосоме, которое осуществляют шапероны. Эти белки – опекуны следят за правильностью третичной структуры белка, поскольку функциональность белка определяется не только аминокислотной последовательностью, но и пространственной укладкой цепи . Самыми известными белками этого семейства являются белки теплового шока. При повышении температуры и воздействии иных факторов стресса правильность укладки белка может нарушаться, белок подвергается денатурации, и в этом случае белки теплового шока либо «перезакручивают» белок, если это возможно, либо, если повреждения слишком значительны, соединяясь с ним, транспортируют его к лизосоме для деградации. Этот тип аутофагии называют шаперон-ассоциированной аутофагией.

И , наконец, если деградации подвергаются элементы цитоплазмы или целые органеллы (например, митохондрии), то вокруг неконституциональных них формируется двойная мембранная структура, называемая аутофагосомой, которая затем сливается с лизосомой. Чаще всего этот процесс называют не макроаутофагией, а просто аутофагией.

Механизм аутофагии

Итак, аутофагия – это процесс формирования вакуоли с двойной мембраной , в которой инкапсулируется часть цитоплазмы с поврежденной органеллой или агрегировавшими белками . Вакуоль формируется из участка эндоплазматической цепи и формирует так называемый фагофор , который удлиняется и захватывает часть цитоплазмы , формируя замкнутую вакуоль. Затем из цитоплазмы рекрутируются особые белки, определяющие размер аутофагосомы. Именно эти белки LC3(light chain protein 3) соединяясь с оболочкой вакуоли ковалентными связями, остаются на фагосоме до завершения процесса переваривания, что позволяет считать их специфическими маркерами аутофагии.

После формирования аутофагосомы она сливается с лизосомой , содержащей ферменты деградации.Нормальное функционирование лизосом напрямую зависит от регулярного потока ионов кальция через мельчайшие поры в мембране лизосом – кальциевые каналы . Если они заблокированы , транспорт веществ нарушается и молекулярные грузы накапливаются до вредных для здоровья уровней. Кроме того, последние данные , полученные при исследованиях лизосом , позволяют полагать, что на поверхностях их мембран находятся особые сенсорные участки-антенны, распознающие накопление поврежденных органелл или нефункциональных белков. По непонятным пока причинам эти антенны могут перестать работать правильно, возможно, этот процесс связан с изменением состава липидов, формирующих оболочку органеллы. Лизосома может содержать до 40 ферментов, контролирующих внутриклеточное переваривание макромолекул. Эти ферменты — гидролазы (протеазы, липазы, нуклеазы и т.д.) максимум активности проявляют при рН 5.Изрезав все внутри аутофагосомы, энзимы затем подвергают деградации саму оболочку, и все содержимое вакуоли выплескивается в цитоплазму. Внутри клетки поддерживается слабощелочной рН( 7,45), и ферменты сразу же дезактивируются.

С возрастом и в состоянии нерегулируемого стресса процесс аутофагии становится менее активным, в клетках накапливаются клеточные токсины, меньше формируется аутофагосом и снижается их способность к слиянию с лизосомами, эффективность детоксикации падает это приводит к преждевременному старению клеток и тканей. В клетках вырабатывается β-галактозидаза, основной маркер старения, и скапливается липофусцин, что приводит к невозможности нормального функционирования и укорачиванию продолжительности жизни. Ткани организма реагируют на процессы затухания аутофагии по-разному. Так, например, в коже уменьшается количество протеинов матрикса ( коллагена и эластина) и повышается активность металлопротеиназ , а в нейронах этот процесс приводит к развитию болезней Альцгеймера и Паркинсона. Это можно сравнить с бытовой ситуацией. Вы живете в доме и каждый день выносите пакет с мусором в специально отведенное для этого место. Но мусорная машина не вывозит мусор вовремя, Проходит неделя, месяц, год… мусор накапливается и постепенно превращается в огромную свалку, закрывая вам выход из дома.

И, в конечном итоге, ваш дом скрывается под завалами мусора. Такая вот грустная история…
Чтобы не дать уничтожить свой дом, важно понимать, что же происходит и как с этим можно бороться. Так или иначе, в любой ткани эти процессы связаны с дезорганизацией в работе митохондрий.

Митохондрии характерны практически для всех эукариотических клеток. Их основная функция связана с окислением органических соединений и использованием освобождающейся при распаде этих соединений энергии в синтезе молекул АТФ -основной энергетической единицы всего царства живого. Эта органелла — единственная в клетке, имеющая собственную ДНК. По¬-видимому, митохондрии произошли от древних симбиотических бактерий, которые жили внутри примитивных одноклеточных эукариот. Отсюда и двойная мембрана (симбионт, наверное, был окружен клеточной мембраной), и ДНК митохондрий. В ходе совместной эволюции , вероятно, оказалось, что многие процессы, необходимые симбионту, могут выполняться белками клетки¬-хозяина, а соответствующие бактериальные гены за ненадобностью могут быть (и были) вырезаны. Другие гены, которых у клетки-хозяина не имелось, видимо, были перенесены из митохондриальной ДНК в ядерную. Постепенно генов в ДНК симбионта (теперь уже ставшего органеллой) становилось все меньше и меньше.

Правда, несмотря на то, что геном митохондрий сильно урезан в правах, и основные белки кодируются ядерной ДНК, в случае повреждения оболочки именно митохондриальная ДНК распространяет вокруг себя сигналы об опасности и призывы к ликвидации клетки.

Человеческие клетки содержат в среднем 1500 митохондрий. Их особенно много в клетках с интенсивным метаболизмом (например, в мускулах или печени).
Митохондрии подвижны и перемещаются в цитоплазме в зависимости от потребностей клетки. Благодаря наличию собственной ДНК они размножаются и самоуничтожаются независимо от деления клетки. Жизненный цикл митохондрий в клетке короткий, поэтому природа наделила их двойственной системой воспроизводства — помимо деления материнской митохондрии, возможно образование нескольких дочерних органелл путем почкования. Клетки не могут функционировать без митохондрий, без них не возможна жизнь. Митохондрии используют 80% кислорода, который мы вдыхаем. В процессе окисления освобождается большое количество энергии, которая сохраняется митохондриями в виде молекул АТФ. Но эффективность процесса составляет около 95%, что означает, что в пяти случаях из ста свободный радикал остается не присмотренным, и может спокойно окислить все, что попадется ему на пути. Поэтому митохондрия – самая уязвимая органелла по отношению к свободным радикалам. Митохондриальная ДНК в 10 раз чувствительнее к действию свободных радикалов, чем ядерная. Органелла постоянно находится в зоне повышенного риска, мутации в ее собственной ДНК, вызванные свободными радикалами, ведут к дисфункции митохондрий. Долгое время считалось, что геном митохондрий не умеет восстанавливаться; теперь доподлинно известно, что система самовосстановления существует, но она очень слаба. Когда повреждения митохондрий значительны, они уничтожаются, съедаются в процессе аутофагии , избавляя клетку от опасности поражения свободными радикалами и предоставляя возможность неосинтеза. Если процесс очистки не эффективен, то происходит клеточная катастрофа – с одной стороны, в ней накапливаются потенциально опасные органеллы-источники неконтролируемого образования свободных радикалов, а с другой стороны — поврежденные митохондрии отключены от энергоснабжения клетки, и ей катастрофически не хватает энергии. чтобы дезактивировать свободные радикалы. Этот порочный круг ведет клетку к смерти.

Интересно, что митохондриальная ДНК наследуется только по материнской линии; при оплодотворении сперматозоид теряет свой жгутик, а именно в нем находятся все митохондрии. Поэтому зародышу передаются только митохондрии матери. Анализ отличий в митохондриальной ДНК позволил сделать вывод, что общая праматерь человечества («митохондриальная Ева») проживала в Африке, точнее в Эфиопии, около 200 тысяч лет назад. Видимо, библейский рай был где-то поблизости .

Механизм защиты живой клетки от повреждения свободными радикалами многоуровневый и состоит из нескольких линий.

Первая линия – это превентивная система защиты .Сама клетка способна вырабатывать ферменты (например, супероксидисмутазу или каталазу), которые катализируют превращение свободных радикалов в неактивные формы, а попадающие в организм вместе с пищей витамины Е, С и каратиноиды помогают проводить эту дезактивацию эффективнее. Прикладывается максимум усилий к тому, чтобы радикалы не образовались в неконтролируемом количестве, не остались без надлежащего присмотра и не повредили легко окисляемые жировые оболочки клеток и органелл. Но если стресс многократно повторяется, то первая линия защиты уже не обеспечивает должных результатов, накапливается слишком много повреждений, которые не позволяют клетке нормально функционировать .

При этом клетка включает механизмы детоксикации, призванные переработать поврежденные клеточные элементы( белки, митохондрии), обеспечить их рециклинг.

Если же истощена и система детоксикации, повреждения слишком серьезны и дальнейшее нормальное функционирование клетки невозможно , то окружение приказывает бедолаге включить механизм клеточной смерти – апоптоза Этот клеточный суицид позволяет не допустить злокачественного перерождения в большинстве случаев, но если он дает сбой, то происходит трагедия, называемая раком.

Система детоксикации живой клетки образована двумя мощнейшими механизмами защиты , которые комплиментарны друг другу : протеосома и аутофагия . Если рибосома – это фабрика по производству белков, то протеосома – фабрика их разрушения .Это специальное белковое образование цилиндрической формы с внутренним каналом, где расположены центры разрушения белка В каждой клетке находится несколько тысяч протеосом, и все они предназначены природой для расщепления белка. Водорастворимые короткие белки, отработавшие свое протеины( например, гормоны или ферменты), либо белки с нарушением фолдинга представляют угрозу клеточному гомеостазу и должны быть незамедлительно удалены Для этого и предназначены протеосомы. Было установлено , что вход в протеосому (фабрику уничтожения) обычно закрыт. Попасть в нее может только тот белок, который отмечен специальной меткой, в этом случае вход в протеосому открывается. Роль такой «черной» метки играет особый белок убиквитин( вездесущий).Если этот коротенький белок присоединился к жертве, то пути назад уже нет – жертва будет уничтожена. Поэтому процесс прикрепления убиквитина к молекуле белка, подлежащего уничтожению, назвали «поцелуем смерти».

В протеосоме могут быть подвергнуты деградации только короткоживущие водорастворимые белки . Но если стресс сильный , либо умеренный, но повторяющийся, то большое число поврежденных водорастворимых протеинов выхолостят, а затем и вовсе блокируют работу протеосом . Более того, не подвергнутые деградации вовремя, эти белки подвергаются гликации и карбонилированию , становятся нерастворимыми , слипаются и выпадают в осадок. Теперь они не только не могут быть подвергнуты протеосомальной деградации, но и являются ее ингибиторами .В такой ситуации спасти клетку от гибели может только аутофагия- тяжелая артиллерия, которая спасает жизнь, уничтожая накопленные в цитоплазме нефункциональные элементы. Если истощена и возможность аутофагии как системы уничтожения клеточного мусора, то агрегаты белков накапливаются и ассоциируются с остатками переокисленных липидов , измененных органелл и металлов, в частности железа, формируя недеградируемый материал , называемый липофусцином. Изначально скопления его заметны вокруг митохондрий, но впоследствии гранулы перемещаются на переферию клетки, к ее мембране .Данный пигмент обладает способностью к флуоресценции в ультрафиолете, именно эта особенность позволяет пятна липофусцина меланиновых. Скапливаясь внутри клетки , липофусцин делает невозможным ее нормальное существование. Этот пигмент продуцирует огромное количество свободных радикалов, что полностью блокирует системы детоксикации клетки и приводит в конечном итоге к ее гибели. Поскольку липофусцин является цитологическим маркером старения , уровень его накопления в клетке напрямую связан с продолжительностью ее жизни.

Все наши знания об аутофагии начинались с изучения дрожжей. Особо удачные механизмы , поддерживающие жизнеспособность организма, сохраняются в ходе эволюции и передаются от более простых к более сложным организмам . Так произошло и с аутофагией: ее механизм у млекопитающих практически повторяет таковой у дрожжей. Значение этого процесса для организма сложно переоценить. Аутофагия способствует поддержанию высоких уровней АТФ внутри клетки, повышает способность клеток противостоять метаболическому стрессу, предотвращает генетическую нестабильность и ограничивает накопление потенциально токсичных белков , в том числе протеотоксинов, вызывающих нейродегенерацию. Если рассматривать старение как постепенное ухудшение функций клеток , отдельных органов и всего организма в целом, которое вызвано накоплением неправильно сформированных белковых молекул , окисленных жиров и мутаций в ядерной и митохондриальной ДНК, то не удивительно , что изучению процесса аутофагии уделяется сейчас столь пристальное внимание.

Единственным проверенным способом повышения продолжительности жизни каждого из протестированных на текущий момент организмов является низкокалорийная диета – снижение количества поступающих в организм калорий, не приводящее к истощению.. Оказывается , что такая диета — мощный стимулятор аутофагии в клетках практически всех видов, в том числе и млекопитающих. Как работает этот механизм, еще не совсем ясно, одна из гипотез предполагает, что дефицит питательных веществ приводит к тому, что в процессе аутофагии клетка не избирательно съедает часть цитоплазмы вместе со всеми токсинами , восполняет недостаток энергии , очищает сама себя и удлиняет себе жизнь. Ученые признают, что эффективно работающая система аутофагии напрямую связана с тем. насколько долго человек будет жить здоровой жизнью. Некоторые из решений, которые нашла природа в процессе эволюции , совершенно удивительны. Так, например, если в организме распространяется инфекция или рак, то окружающие пораженное место здоровые клетки получают приказ умереть, чтобы инфицированная или раковая клетка не смогла использовать их для собственного питания и поддержать распространение заразы. Так что тактика выжженной земли – отнюдь не изобретение военных. Пожертвовать малым, чтобы спасти целое – разумный компромисс!

Способность нашего тела активировать аутофагию определяет здоровье организма в целом, способность поддерживать естественный баланс и сопротивляться преждевременному старению. В настоящее время известно, что есть абсолютно необходимые элементы питания для поддержания аутофагии:, токотриенолы , витамин D , витамин В3, кверцетин , куркумин , зеленый чая , ресвератрол , цинк , бромелайм… Этот список далеко не полный, а, скорее всего, он представляет собой первую волну научных исследований.

Если говорить о том, что происходит с кожей вследствие затухания процесса аутофагии, то уместно будет напомнить о том, что самый большой орган нашего тела – кожа- состоит из двух принципиально разных тканей: эпидермиса ,соединительной ткани с высоким потенциалом обновления , и дермы, мезенхимальной ткани с главным действующим лицом – фибробластом. Из-за того, что клетки эпидермиса постоянно находятся в процессе дифференциации и в конечном итоге слущиваются с поверхности кожи в виде роговых чешуек, становится очевидным, что за 28-56 дней, которые отведены природой на клеточный цикл, вряд ли успеет произойти что-то катастрофическое. Да и протекает ли в норме этот процесс в кератиноцитах? Приминая во внимание, что кожа постоянно подвергается различным типам стресса, косметология всегда была крайне заинтересована в поисках ответа на вопрос как работают естественные механизмы детоксикации клеток. Ведь мало-помалу накапливаясь в клетках, токсины вызывают преждевременное старение кожи. Попытка поиска ответов уже давно активировала интерес к протеосомальному механизму детоксикации. Но чувствительная и быстро реагирующая на ситуацию, эта система довольно быстро истощает свои резервы Процесс аутофагии идет в коже довольно активно, а если начинает затухать, то в живых клетках накапливается избыточное количество окисленных белков и жиров. Это напрямую влияет на цвет и гладкость кожи, делая ее землистой и бугристой. И это только одна сторона медали, только легко заметна я оболочка.

Система аутофагии , являясь базовой надзорной системой над клеточным и тканевым благополучием, влияет на множество процессов, особенно интенсивных протекающих в молодом возрасте. Общеизвестным является тот факт , что лучшее омолаживающее воздействие оказывают не те активные ингредиенты, которые призваны решить точечные проблемы( например, синтез коллагена , эластина или гиалуроновой кислоты), а именно те , которые оздоравливают саму клетку; в этом случае ей просто не требуется дополнительная стимуляция к синтезу компонентов, она сама работает в режиме «молодость»

Данные транскриптомного геномного анализа подтолкнули исследователей к более внимательному рассмотрению проблемы, связанной со старческими проблемными пятнами. Размер агрегатов липофусцина , которые проявляются внешне как старческие пигментные пятна, резко увеличивается на последних стадиях клеточной сенесценции. Если клетке приказано прекратить делиться, то механизмы восстановления уже не тратят энергию на то, чтобы избавляться от мусора, клетка просто обречена умереть. Но парадокс заключается в том, что именно липофусцин провоцирует клетку к суициду, значит, надо найти способ не дать возможность накопить в клетке этот токсин, не дать возможности количеству шлака перенести жизнеспособную клетку в иное качество – в стадию подготовки к смерти. И механизм , который может помочь не допустить накопления липофусцина, ясен – следует стимулировать аутофагию.
Накопление липофусцина отражает биологический , а не хронологический возраст организма. Не зря его называют «старческим пигментом»,накопление агрегатов пигмента напрямую связано с частотой и глубиной стресса, воздействующего на живой организм.. Оксидативный стресс –великий разрушитель , и одним из самых мощных его провокаторов является ультрафиолетовое излучение . Избыточная инсоляция признана фактором стресса №1 в пагубном деле потери молодости. Но если стареет клетка, значит, резко стареет и сама ткань, где эта клетка живет. Стареющий фибробласт синтезирует большое количество металлопротеиназ, которые деградируют волокна матрикса, разрывая жизненно важные связи между клеткой и окружающим ее пространством. В результате кожа провисает, теряет упругость и окутывается паутиной морщин. Замедляя старение, аутофагия предовращает избыточный синтез ферментов деградации и охраняет матрикс от разрушения.

Таким образом, предоставляя клетке возможность «выметать» из недр своих все отработавшее и ненужное, можно обеспечить условия для долгой и здоровой жизни.

Косметические процедуры, особенно предполагающие серьезное вмешательство в кожный гомеостаз – RF- лифтинг, электропорация, глубокие пилинги, лазерные шлифовки и т.д.- должны поворачивать время вспять и отодвигать старость. Но по сути своей все эти процедуры – мощнейшие факторы стресса, и для того. чтобы воздействие было максимально эффективным, абсолютно необходимо заботиться о поддержании системы, отвечающей за очистку клетки. Неинвазивное нанесение косметических формул не предполагает революционного эффекта, но именно это эволюционное воздействие даст возможность подготовить кожу к серьезным воздействиям и минимизировать последствия стресса, поможет справиться с такой неприятнейшем эстетической проблемой, как старческие пигментные пятна, отсрочить старение и сохранить кожу привлекательной и здоровой.