CC BY
165
УДК 57.056
На распутье: механизмы апоптоза и аутофагии в жизни и смерти клетки
В. Л. Шляпина1, С. В. Юртаева2, М. П. Рубцова3, О. А. Донцова1'3'4
1Институт биоорганической химии им. академиков М.М. Шемякина и Ю.А. Овчинникова РАН, Москва, 117997 Россия
2НИИ Аджиномото-Генетика, Москва, 117545 Россия
3Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, химический факультет, Москва, 119991 Россия
4Сколковский институт науки и технологий, Москва, 121205 Россия
E-mail: [email protected]
Поступила в редакцию 19.09.2020
Принята к печати 11.11.2020
DOI: 10.32607/actanaturae.11208
РЕФЕРАТ Апоптоз и аутофагия - это консервативные процессы, регулирующие выживание и гибель клеток в стрессовых условиях. Апоптоз направлен на удаление клеток из организма с минимальным повреждением окружающих тканей. Аутофагия способствует удалению поврежденных органелл, белковых агрегатов и клеточных патогенов, стимулируя выживание клеток. Сигнальные пути, участвующие в регуляции апоп-тоза и аутофагии, во многом перекрываются, приводя как к их конкуренции, так и к однонаправленному взаимодействию, что представляет особый интерес для их изучения в качестве потенциальных мишеней терапии опухолей, аутоиммунных и нейродегенеративных заболеваний. В настоящем обзоре проанализированы основные пути молекулярного взаимодействия аутофагии и апоптоза, что необходимо для понимания механизма поддержания баланса между гибелью и выживанием клеток в неблагоприятных условиях. КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА апоптоз, аутофагия, теломераза, сигнальные пути, регуляция.
ВВЕДЕНИЕ
Аутофагия - это процесс, который стимулируется внутриклеточными стрессами или стрессами окружающей среды. В результате образования аутофа-госом и их слияния с лизосомами происходит направленное удаление поврежденных органелл, белковых агрегатов и внутриклеточных патогенов [1]. Изучение аутофагии приобрело огромное значение в последнее десятилетие, так как именно этот процесс участвует в регуляции метаболизма как клетки, так и организма. Нарушение регуляции аутофагии затрагивает основные метаболические функции клеток, что может приводить к развитию различных заболеваний [2]. В настоящее время получены достоверные доказательства того, что активация аутофагии при воздействии противоопухолевых препаратов может защищать раковые клетки от гибели, а снижение уровня аутофагии связано с развитием нейродегенератив-ных и аутоиммунных заболеваний и общим старением организма [3].
Апоптоз - эволюционно консервативный запрограммированный механизм гибели клеток, который позволяет проводить отбор клеток в ходе нормального развития эукариот и поддержания гомеостаза ор-
ганизма. При апоптозе в структуре клетки возникает ряд морфологических изменений, обусловленных протеканием ферментзависимых биохимических процессов, а также происходит выведение клеток из организма с минимальным повреждением окружающих тканей [4].
Низкий уровень гибели клеток, сопряженный с высоким уровнем пролиферации, может спровоцировать развитие таких заболеваний, как рак, тогда как чрезмерный уровень гибели клеток способствует возникновению таких заболеваний, как болезни Альцгеймера и Паркинсона, ревматоидный артрит [4]. С возрастом эффективность аутофагии снижается [5, 6], при этом наблюдается избыточная активация апоптоза [7], что ассоциировано со старением организма. В связи с этим актуальным представляется понимание молекулярных механизмов регулирования взаимодействия апоптоза и аутофагии, анализу которых посвящен настоящий обзор.
АПОПТОЗ
Апоптоз - это процесс контролируемой гибели клетки без выхода ее содержимого в окружающую среду, который называют запрограммированной гибелью
клеток [4]. Протекание этого процесса контролируют белки семейства Bcl-2, которые включают в себя как проапоптотические, так и антиапоптотические компоненты. Баланс этих компонентов определяет принятие решения о жизни или гибели клетки [8]. Стимуляция апоптоза приводит к активации прока-спаз - предшественников цистеин-аспарагиновых протеаз, известных как каспазы. Существуют две категории каспаз: инициаторные и эффекторные [9]. Специфические сигналы, свидетельствующие о повреждении клеток, стимулируют инициатор-ные каспазы (каспазы 8 и 9), которые активируются в результате автопротеолиза и гидролизуют предшественники эффекторных каспаз (каспазы 3, 6 и 7), обеспечивая их функционирование. Активация эффекторных каспаз инициирует каскад событий, которые приводят к разрушению ядерных белков и белков цитоскелета, сшивкам белков, экспрессии лигандов, узнаваемых фагоцитирующими клетками, образованию апоптотических телец и гибели клетки [10, 11]. В процессе апоптоза происходит фрагментация ДНК, которую осуществляют эндонуклеазы. Процесс апоптоза высоко консервативен у многоклеточных организмов и генетически контролируется [12]. Выделяют два механизма инициации апоптоза: внутренний и внешний. На рис. 1 представлена схема механизмов апоптоза.
Внутренний механизм зависит от факторов, высвобождаемых из митохондрий [13], он включает в себя различные стимулы, которые действуют на несколько мишеней в клетке. Отсутствие цитокинов, гормонов и факторов роста приводит к активации внутриклеточных активаторов апоптоза семейства Bcl-2, таких, как PUMA (р53-усиливающий модулятор апоптоза), Noxa и BAX [4]. В нормальном состоянии эти белки обычно взаимодействуют с антиапоп-тотическими белками семейства Bcl-2. В условиях отсутствия сигналов к выживанию и пролиферации, а также при гипоксии, воздействии токсинов, радиации, активных форм кислорода и вирусов [14] происходит, как правило, накопление белка PUMA, избыток которого взаимодействует с проапоптотическими белками семейства Bcl-2, такими, как BAK и BAX. Транслокация последних в мембрану митохондрии приводит к открытию митохондриальной поры и ре-локализации проапоптотических белков, таких, как цитохром с, Smac/Diablo и HtrA2/Omi, в цитоплазму. Цитохром с - компонент дыхательной цепи митохондрий, попадая в цитоплазму, взаимодействует с Apaf-1 (Apoptotic protease activating factor 1) и образует апоптосому [15], которая способствует активации инициаторной каспазы 9, запускающей каскад апоптозных реакций. Митохондриальные белки Smac/Diablo и HtrA2/Omi при попадании в цито-
Внутренний путь
Внешняя среда
Клеточная мембрана
\
Внешний путь
Лиганды
Рецепторы
Внутренняя среда смерти
Образование Адаптеры|||
митохондриальной |
пОрЫ Образование DISC-комплекса
Цитоток сические стимулы (радиация, гипоксия, жар); PUMA, Noxa, BAX
Образование апоптосомы .asp
Casp8
Возможные пути Активация Активация
эндонуклеаз протеаз
I I
Деградация хромосом Деградация цитоскелета
"-■ и ядерных белков
Конденсация хроматина и цитоскелета
Формирование апоптотических телец
К У*
Апоптоз
Рис. 1. Схема, иллюстрирующая внутренний и внешний механизмы активации апоптоза (по D'Arcy [4])
плазму взаимодействуют с ингибиторами апоптоза (белки IAP), что способствует высвобождению каспаз и их активации [4].
Внешний механизм активации апоптоза регулируется сигнальными каскадами, запускаемыми рецепторами смерти (DR-death receptor) [13]. Связывание лигандов смерти, секретируемых патрулирующими NK-клетками (Natural killer cells) или макрофагами, или заякоренных на поверхности лимфоцитов, с DR способствует взаимодействию его цитоплаз-матического домена, индуцирующего смерть клеток (DED - death effector domain), с мономерной прока-спазой 8 [16]. Образующийся при этом сигнальный комплекс DISC (Death-Inducing Signaling Complex) обеспечивает протеолитическую активацию каспазы 8. Процессированная каспаза индуцирует апоптоз, стимулируя активность эндонуклеаз и протеаз [4, 16].
Необходимо отметить ключевую роль транскрипционного фактора p53 в регуляции процесса апоптоза. р53 имеет короткое время жизни, а его количество в клетках млекопитающих остается низким в результате постоянного убиквитинирования и последующей деградации. Однако в стрессовых условиях (повреждение ДНК, гипоксия, цитокины и др.) убик-витинирование р53 подавляется, он стабилизируется и накапливается в ядре. Активирующее фосфо-рилирование р53 обеспечивают различные киназы. В зависимости от условий это могут быть, например,
киназы, участвующие в контроле клеточного цикла (Chk - checkpoint kinases), сАМР-зависимая про-теинкиназа А (РКА), регулятор липидного обмена, уровня глюкозы и гликогена; циклинзависимая ки-наза 7 (CDK7), участвующая в контроле клеточного цикла и регуляции транскрипционной активности РНК-полимеразы II; ДНК-зависимая протеинкиназа (DNA-PK), медиатор клеточного ответа на повреждения ДНК; а также киназы семейства МАРК (мито-ген-активируемые протеинкиназы), такие, как JNK (N-концевая киназа Jun). Фосфорилирование стимулирует олигомеризацию р53, в результате которой образуется тетрамер. Тетрамерный р53 активирует экспрессию генов, промоторные области которых содержат участки взаимодействия с р53 [17, 18], например, гены Fas-лигандов [19, 20], ген DR5, кодирующий рецептор смерти, взаимодействующий с цитокинами семейства факторов некроза опухоли TRAIL (TNF-ассоциированный апоптозиндуцирующий лиганд). Участие p53 во внутреннем пути апоптоза связано с семейством белков Bcl-2, которые регулируют высвобождение цитохрома с из митохондрий. Ключевые проапоптотические гены семейства Bcl-2: BAX, Noxa, PUMA и BID являются мишенями p53 [21].
АУТОФАГИЯ
В процессе аутофагии различные клеточные компоненты или даже целые органеллы попадают в лизо-сомы, которые содержат ферменты, гидролизующие поглощенные компоненты [4]. Аутофагия стимулируется в ответ на различные воздействия, в том числе на недостаток АТР и питательных ресурсов или сигналы, поступающие с поверхности поврежденных органелл или регулирующие дифференцировку клеток во время эмбриогенеза [22]. Процесс аутофа-гии лежит в основе функционирования адаптивного и врожденного иммунитета. Например, разрушение внутриклеточных патогенов и доставка антигенов в компартменты, содержащие МНС класса II, а также транспорт вирусных нуклеиновых кислот к Toll-подобным рецепторам происходят при участии ау-тофагосом [23]. Хотя аутофагия часто используется для рециркуляции клеточных компонентов, она может привести также к разрушению клетки. Таким образом, аутофагия связана с удалением стареющих клеток из тканей и разрушением опухолевых поражений [22]. Низкая эффективность аутофагии ассоциирована с развитием рака, а также, особенно в пожилом возрасте, с накоплением белковых агрегатов в нейронах и развитием нейродегенератив-ных состояний, включая болезнь Альцгеймера [24]. Активация аутофагии в быстро пролиферирующих клетках позволяет преодолевать дефицит внутриклеточных компонентов, необходимых для биосинтеза
[25]. Повышенный уровень аутофагии, часто наблюдаемый в раковых клетках, позволяет им более эффективно функционировать в условиях дефицита питательных веществ, а также способствует снижению чувствительности к цитотоксическим веществам [26].
В настоящее время выделяют три различные формы аутофагии - макроаутофагию, микроаутофагию и селективную аутофагию. При реализации макро-аутофагии целые области клетки заключаются в дву-мембранные везикулы, называемые аутофагосомами. Аутофагосомы сливаются с лизосомами, превращаясь в аутофаголизосомы, содержимое которых деградирует под действием гидролитических ферментов [27]. На рис. 2 представлена общая схема образования аутолизосомы [4].
Пути регуляции аутофагии
На первых стадиях аутофагии комплекс ULK1, состоящий из киназы ULK1 (Unc-51 like autophagy activating kinase), белков ATG13 (autophagy related protein), FIP200 (focal adhésion kinase family interacting protein of 200 kDa) и ATG101, транс-лоцируется к сайтам инициации аутофагии и регулирует привлечение комплекса VPS34 (vacuolar protein sorting). VPS34, в состав которого входят фосфатидилинозитол-3-киназа I класса III (PI3K), VPS34, ATG14L, VPS15 и Beclin 1 (рис. 2), обеспечивая образование фосфатидилинозитол-3-фосфата (PI3P) в местах образования фагофора. PI3P служит сигналом для связывания ряда белков, которые формируют аутофагосому. Образовавшиеся фаго-форы постепенно увеличиваются благодаря двум убиквитин-подобным конъюгирующим каскадам: ATG5-ATG12 и MAP-LC3/ATG8/LC3. Фагофор, по мере его удлинения, постепенно поглощает часть цитоплазмы, образуя двумембранную аутофагосому, путем слияния с самим собой. Наконец, слияние ау-тофагосомы с лизосомой приводит к образованию ау-толизосомы, деградации содержимого, а полученные блоки макромолекул высвобождаются в цитозоль и могут повторно использоваться клеткой в качестве строительных блоков [28]. Центральным регулятором аутофагии считается киназа mTOR (mammalian target of rapamycin - мишень рапамицина млекопитающих). Подавление активности mTOR стимулирует образование комплекса ULK1 и активирует аутофагию.
Активация аутофагии внутренними или внешними стимулами подвержена многоступенчатой регуляции, в которую вовлечены основные клеточные сигнальные каскады. Наиболее изучены такие модуляторы аутофагии, как киназы PI3K, AKT, AMPK, которые регулируют пролиферацию, метаболизм и выживание клеток. Активация
Инициация
Образование и рост фагофора
Аутолизосома Слияние
аутофагосомы ^^с лизосомой
Лизосома
Аутофагосома
Деградация гидролитическими ферментами
Рис. 2. Общая схема образования аутофаголизосомы (по D'Arcy [4]). Активация комплексов ULK1 и PI3K класса III стимулирует образование аутофагофо-ра. Комплекс, состоящий из ATG5, ATG12 и ATG16L, вместе с LC3-II стимулирует удлинение фагофора и необходим для формирования аутофагосомы. Белок р62 взаимодействует с LC3-II и с белками, направляемыми на деградацию при помощи убиквитинирования, и поглощается аутофагосомой. Ферменты лизосомы гидро-лизуют содержимое ауто-фагосомы после их слияния
PI3K/AKT / mTOR-опосредованного сигнального пути подавляет, как правило, аутофагию [29]. Модуляцию этого сигнального каскада обеспечивают PTEN (фосфатаза и гомолог тензина), инсулин, Sirtl, 5'-АМР-активируемая протеинкиназа (AMPK), митоген-активируемая протеинкиназа p38 (p38-MAPK) и p53. Стимуляции аутофагии способствует активация МАРК сигнального пути Ras/Raf/ERK, регулирующего функционирование N-JNK-киназ, вовлеченных в модуляцию пролиферации, диффе-ренцировки, воспаления и апоптоза. Активирующие мутации в онкогенах Ras или B-Raf часто ассоциированы с онкотрансформацией клеток, а JNK регулируют апоптоз, обеспечивая посттрансляционное фосфорилирование Bcl-2 [30, 31].
На рис. 3 приведена схема механизмов, регулирующих аутофагию.
АУТОФАГИЯ И АПОПТОЗ: МОЛЕКУЛЯРНЫЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ
Как аутофагия, так и апоптоз играют важную роль в процессах развития, поддержания гомеостаза тканей и в патогенезе многих заболеваний. К настоящему времени накапливается все больше данных о том, что основные молекулярные компоненты сигнальных путей аутофагии и апоптоза находятся в сложных перекрестных взаимоотношениях и нередко индуцируются сходными стимулами. Например, экспериментально показано, что как апоптоз, так и аутофа-гия активируются в ответ на метаболический стресс [32] или воздействие активных форм кислорода [33]. Интересные данные о взаимодействии аутофагии
p53
AMPK
JNK
mTOR
1
/
Аутофагия
Beclin 1
Jp38 MAPK
— Sirtl
Рис. 3. Схема регуляторных механизмов аутофагии (по Jiang [1])
и апоптоза получены при анализе молекулярных механизмов стресса эндоплазматического ретикулума. Адаптивным ответом клеток на нарушение гомеоста-за кальция или функций эндоплазматического рети-кулума является усиление аутофагии и апоптотиче-ской гибели клеток [34].
Можно выделить несколько основных вариантов функциональных взаимодействий между апоптозом и аутофагией. В случае «партнерских отношений» апоптоз и аутофагия действуют в едином направлении, приводя к гибели клеток. В случае «антагонистических отношений» апоптоз и аутофагия представляют собой процессы, имеющие разные цели. Аутофагия в данном случае не приводит к гибели клеток и, кроме того, снижает эффективность апоп-
XJ-I
тоза, создавая условия, благоприятствующие выживанию клеток. В случае «активирующих отношений» аутофагия способствует реализации апоптотической программы, обеспечивая выполнение определенных этапов, но сама не приводит к смерти клетки [35].
Таким образом, аутофагия и апоптоз могут взаимодействовать, противодействовать или способствовать друг другу, по-разному влияя на судьбу клетки. При этом можно выделить несколько основных молекулярных путей, которые обеспечивают сложные функциональные взаимодействия между процессами аутофагии и апоптоза.
ВесИп 1 в регуляции выбора между аутофагией и апоптозом
Важным компонентом преаутофагосомы является белок ВесПп 1, играющий регуляторную роль в выборе механизма ответа на стресс. Семейство белков Вс1-2 (Вс1-2, Bcl-xL и Мс1-1) включает хорошо известные антиапоптотические медиаторы, роль которых в подавлении аутофагии продолжает исследоваться. Цитопротекторная функция белков Вс1-2 обусловлена их способностью взаимодействовать с ВАХ и ВАК и предотвращать таким образом апоптоз [36]. Белок ВесПп 1 содержит ВН3-домен, гомологичный доменам Вс1-2. Этот белок определяет судьбу клетки в условиях стресса, модулируя взаимодействие процессов аутофагии и апоптоза. ВесПп 1 рекрутирует ключевые аутофагические белки в пре-аутофагосомную структуру [4]. ВН3-домен ВесПп 1 отвечает за взаимодействие с антиапоптотически-ми членами семейства Вс1-2 (рис. 4), что мешает сборке преаутофагосомной структуры и приводит к ингибированию аутофагии [36]. При стрессе, вызванном голоданием, киназа JNK фосфорилирует Вс1-2, что способствует диссоциации комплекса Вс1-2-ВесПп 1 и появлению возможности последующей сборки преаутофагосомной структуры и протекания
аутофагии [37]. Длительная активация JNK-каскада и фосфорилирование Bcl-2 приводят к апопто-зу в связи с активацией каспазы 3 [36]. Показано, что такие киназы, как ассоциированная с гибелью клеток протеинкиназа DAPK, Rho-ассоциированная киназа 1 (ROCK1), участвующая в регуляции пролиферации клеток, воспаления и адгезии [38, 39], а также MK2 и MK3, служащие субстратами р38 MAPK [40], осуществляют ингибирующее фосфорилирование ВН3-домена Beclin 1 и блокируют сборку преаутофагосомы. Стимулирующий эффект оказывает киназа Mstl, регулятор функционирования эф-фекторных Т-клеток и дифференцировки регуля-торных Т-клеток. Фосфорилирование ВН3-домена Beclin 1 киназой Mstl способствует взаимодействию Bcl-2-Beclin 1 [38], предотвращая таким образом сборку комплекса PI3K класса III, что приводит к ин-гибированию аутофагии. Схема образования активного комплекса PI3K класса III приведена на рис. 4.
Сигнальные пути с участием киназы mTOR
Одной из точек молекулярного взаимодействия путей аутофагии и апоптоза является киназа mTOR - серин/треониновая киназа из семейства фосфатидилинозитолкиназ, которая играет важную роль в регуляции процессов роста и старения. Активность киназы mTOR меняется в зависимости от внешних и внутренних факторов: наличия/отсутствия питательных веществ, АТР, факторов роста, факторов стресса [1].
Известно, что mTOR входит в состав двух комплексов: mTORC1, состоящего из mTOR, mLST8, DEPTOR, RAPTOR и PRAS40, и mTORC2, состоящего из mTOR, mLST8, DEPTOR, RICTOR, mSIN1 и PROTOR. mTORC1, фосфорилируя киназу рибо-сомного белка S6 (p70 S6K1) и белок, связывающий фактор инициации трансляции 4Е (4ЕВР1), стимулирует биосинтез белка. mTORC1 осуществляет регу-
Bcl-2
[ upag Beclin 1
Л >
ATG14 S
«i
m
Bcl-2
Инактивированный димер Beclin 1
m
Bcl-2
,..■ Beclin 1 > VPS15
w ppp p
Активный комплекс PI3K класса III
Аутофагия
Рис. 4. Схема превращения инакти-вированного комплекса Bcl-2-Beclin 1 в активный Р13К-комплекс (по Мепоп
[41])
Инактивирующие сайты фосфорилирования
Активирующие сайты фосфорилирования
Рецептор факторов роста
S6K 4ЕВРГ' ULK1 " Lipinl Grb10
mTOR mLST8 RICTOR
^TOgrRmSN ,
TORC2
BAD eEFK2 S6 Апоптоз
Аутофагия
BAX Beclin 1 Апоптоз Аутофагия
Рис. 5. Схема, иллюстрирующая пути взаимодействия аутофагии и апопто-за с участием mTOR (по [35, 42, 48, 49])
ляторное фосфорилирование ULK1, ингибирующее аутофагию, а также участвует в метаболизме ли-пидов, модифицируя фосфатидатфосфатазу Lipinl. Комплекс mTORC2 был открыт сравнительно недавно. mTORC2 активируется в ответ на воздействие факторов роста, а его субстратами являются киназа AKT, киназы, регулируемые сывороткой и глюкокор-тикоидами (SGK), и протеинкиназа С (PKC) - компонент регуляторного каскада, активируемого G-белок-связанными рецепторами факторов роста [42].
Активность mTOR регулируется небольшим GTP-связывающим белком Rheb. Связывая GTP, Rheb активирует mTOR, а гидролиз GTP, стимулируемый комплексом TSC1/TSC2 (tuberous sclerosis), приводит к инактивации Rheb и mTOR соответственно. Ингибирование аутофагии в результате регуляторного фосфорилирования TSC1/TSC2 осуществляют различные факторы. Например, AKT, МАР-киназы, регулируемые внеклеточными сигналами киназы (ERK), киназа р90 рибосомного белка S6 (RSK), осуществляя инактивирующее фосфорилирование Ser939 TSC2, ингибируют аутофагию, а AMPK, фос-форилирующая Ser1387 TSC2, стимулирует аутофагию [35].
Снижение уровня питательных веществ или энергии в клетке, а также воздействие стресса приводят к ингибированию активности mTOR и, как следствие, к индукции аутофагии [1]. Однако длительное голода-
ние приводит к реактивации mTOR, а следовательно, к подавлению аутофагии [43].
Наряду с этим mTOR оказывает плейотропное действие и на процесс апоптоза, в том числе через белки p53, BAD и Bcl-2 [44]. Взаимодействие Bcl-2 с Beclin 1 приводит к подавлению аутофагии и к предотвращению регуляции экспрессии генов про-апоптотических белков белком p53 [45]. Показано, что MCL1, один из белков семейства Bcl-2, действует как своеобразный «датчик» стресса, который одновременно контролирует и аутофагию, и апоптоз в нейронах [46, 47].
На рис. 5 приведена схема путей взаимодействия аутофагии и апоптоза с участием mTOR.
Сигнальный путь с участием p38 MAPK
р38 МАРК играет важную роль в регуляции апоп-тоза, клеточного цикла, процессов роста и диффе-ренцировки и служит мишенью для ряда лекарственных препаратов (таких, как циклофосфамид, оксалиплатин). Однако при определенных условиях p38 MAPK также может опосредовать устойчивость к апоптозу (посредством активации COX-2 и др.) [50]. Сигнальные пути, регулируемые p38 MAPK, активируются в ответ на воздействие широкого спектра стимулов, таких, как митогенные факторы (например, факторы роста или цитокины), а также на сигналы внешней среды и генотоксический стресс. После
воздействия этих стимулов p38 MAPK активируется вышестоящими киназами MKK3 и MKK6. Иногда p38 также может фосфорилироваться с помощью киназы MKK4, которая хорошо известна как активатор JNK [51].
Помимо апоптоза, p38 MAPK может участвовать и в регуляции аутофагии в ответ на действие хими-отерапевтических агентов [52]. Молекулярные механизмы взаимодействия р38 и аутофагии остаются в основном неизвестными. Известно, что p38 MAPK, фосфорилируя Atg5, способна ингибировать аутофа-гию, вызванную недостатком питательных веществ [53]. Кроме того, p38 MAPK может негативно регулировать как макроаутофагию во время роста клеток в нормальной среде, содержащей аминокислоты и сыворотку (базальная аутофагия) [54], так и ау-тофагию, вызванную недостатком питательных веществ [55, 56]. Активация передачи сигналов p38 MAPK также индуцирует аутофагию для поддержания выживания клеток посредством фосфорилирова-ния киназы GSK3ß из семейства серин-треониновых киназ, которая участвует в регуляции энергетического обмена [57].
Есть мнение, что р38 МАРК является основным фактором поддержания баланса между р53-зависимым апоптозом и аутофагией в условиях ге-нотоксического стресса, вызванного 5-фторурацилом
[58].
В то же время получены противоположные данные о потенциальной роли p38 MAPK в процессах аутофагии и апоптоза. Активные формы кислорода могут вызывать окислительный стресс, который способствует усилению аутофагии и снижению апоптоза
[59]. Обнаружено, что MAPK играет жизненно важную роль в переходе от аутофагии к апоптозу в клетках рака толстой кишки человека, обработанных MS-275, ингибитором гистондеацетилаз. При высоком уровне экспрессии p38 наблюдается активация аутофагии, тогда как низкий уровень экспрессии этого гена индуцирует апоптоз. Таким образом, сигнальный путь p38 MAPK может играть критическую роль в выборе одного из двух клеточных процессов, запускаемых при генотоксическом стрессе, вызванном действием химиопрепаратов [50].
Сигнальный путь JNK
Киназа JNK, известная также как активируемая стрессом протеинкиназа (SAPK) семейства MAPK, первоначально активируется в ответ на различные стрессовые сигналы и участвует во многих клеточных событиях, включая апоптоз и аутофагию. В условиях генотоксического стресса JNK является положительным регулятором как апоптоза, так и ау-тофагии [50].
JNK регулирует апоптоз посредством двух различных механизмов. С одной стороны, она способствует фосфорилированию c-Jun и фактора транскрипции ATF2, что приводит к активации фактора транскрипции AP-1 (activator protein 1) и экспрессии генов, связанных с сигнальным путем, регулируемым рецепторами смерти Fas. Связывание лиганда FasL с рецептором Fas может опосредовать активацию ка-спазы 8, которая процессирует эффекторную каспа-зу 3, инициируя апоптоз. С другой стороны, JNK обеспечивает фосфорилирование антиапоптотических белков Bcl-2/Bcl-xL, что приводит к изменению потенциала митохондриальной мембраны и способствует высвобождению цитохрома с, активации каспаз 9 и 3 и индукции апоптоза [60].
Фосфорилирование Bcl^/Bcl^L стимулирует ау-тофагию в результате диссоциации комплекса Beclin 1-Bcl-2/Bcl-xL [61]. С другой стороны, JNK активирует модулятор аутофагии DRAM (damage-regulated autophagy modulator). DRAM является мишенью р53, а его индукция в условиях генотоксического стресса [62] стимулирует аутофагию, блокируя слияние ау-тофагосом с лизосомами, в состав которых он входит [63, 64].
В целом, результаты проведенных к настоящему времени исследований указывают на значительное совпадение или взаимную зависимость внутриклеточных сигнальных механизмов, вовлеченных в регуляцию как апоптоза, так и аутофагии, опосредованных JNK. Однако вопрос о том, каким образом JNK может контролировать баланс апоптоза и аутофагии в ответ на генотоксический и окислительный стресс, остается открытым [50].
На рис. 6 приведена схема роли сигнальных путей JNK и p38 MAPK в регуляции аутофагии и апоптоза.
АУТОФАГИЯ, АПОПТОЗ В СТАРЕНИИ
Старение организма - сложный процесс, охватывающий нарушение и снижение функций многих систем как на уровне целого организма, так и на клеточном уровне [65]. Все эти процессы приводят в конечном итоге к гибели организма и возникновению большого числа заболеваний, включая метаболический синдром, нейродегенеративные заболевания и рак [6]. Старение клеток сопровождается укорочением те-ломер [66, 67], а также снижением эффективности протекания аутофагии [5, 6] и избыточной активацией апоптоза [7], однако механизмы этих событий остаются не до конца изученными.
Удлинение теломер может осуществляться специализированным комплексом - теломеразой. В состав этого комплекса входят обратная транскриптаза (TERT), теломеразная РНК (TERC) и дополнительные белки, участвующие в сборке фермента и регу-
Цитокины, Факторы Стресс,
воспаление роста GPCR
М-
Цитокины, воспаление
Стресс, GPCR, Уф-излучение, факторы роста
|Апоптоз
Рис. 6. Схема сигнальных путей р38 МАРК и JNK, отражающая их роль в регуляции процессов ауто-фагии и апопто-за (по [50])
Аутофагия
лирующие его функционирование. Комплекс активен в клетках, характеризующихся высокой скоростью пролиферации, таких, как клетки костного мозга, активированные лимфоциты, гаметы и раковые клетки, в то время как в большинстве соматических клеток теломераза находится в неактивном состоянии [66]. Экспрессия гена TERC в клетках, не поддерживающих теломеразную активность, позволяет предполагать, что теломеразная РНК выполняет какие-то дополнительные функции, не связанные с теломе-разной активностью и удлинением теломер. В условиях стресса TERT переходит из ядра в митохондрии и способствует защите клеток [68]. Повышенная экспрессия генов компонентов теломеразы стимулирует экспрессию гена гексокиназы 2 и активирует ауто-фагию в результате ингибирования mTOR [69, 70]. Делеция гена mTERC у мышей приводит к активации mTOR и постоянно повышенному уровню фосфори-лирования S6K1. Ингибирование mTORC1 рапами-цином снижает продолжительность жизни таких мышей, но не мышей дикого типа [71].
В результате транскрипции гена теломеразной РНК человека образуется удлиненный предшественник [72], содержащий открытую рамку считывания, которая кодирует белок hTERP [73]. Повышенное содержание белка hTERP защищает клетки в условиях индукции апоптоза, а мутации hTERP влияют на процессинг белка LC3, одного из основных участников формирования аутофагосомы [72-74]. hTERP может участвовать в регуляции молекулярных вза-
имодействий между аутофагией и апоптозом, а также в адаптации клеток к стрессовым условиям [73]. Молекулярные механизмы влияния компонентов теломеразы на аутофагию продолжают активно изучаться.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Таким образом, аутофагия и апоптоз находятся в сложных функциональных отношениях, которые в разных тканях и в разных условиях могут варьировать от кооперации до антагонизма. В основе этого поддержания баланса между аутофагией и апопто-зом лежит сложная система взаимодействий большого числа сигнальных путей, осуществляемых как с участием ключевых белков аутофагии и апоп-тоза (ВесПп 1, каспазы, р53 и др.), так и полифункциональных регуляторных молекул (например, mTOR, р38 МАРК или JNK). В то же время необходимо отметить, что клинические и экспериментальные данные о соотношении аутофагии и апоптоза в нормальных тканях, а также при различных патологических состояниях, включая злокачественные опухоли, во многом противоречивы, а проблема баланса между апоптозом и аутофагией нуждается в дальнейшем изучении.
Работа выполнена при поддержке гранта РНФ (№ 19-14-00065 «Котранскрипционный процессинг и транспорт теломеразной РНК человека
в регуляции функционирования теломеразы»).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Jiang G., Tan Y., Wang H., Peng L., Chen H., Meng X., Li L. // Mol. Cancer. 2019. V. 18. № 1. P. 1-22.
2. Saha S., Panigrahi D.P., Patil S., Bhutia S.K. // Biomed. Pharmacother. 2018. V. 104. № 4. P. 485-495.
3. Song X., Lee D.-H., Dilly A.-K., Lee Y.-S., Choudry A.H., Kwon Y.T., Bartlett D.L., Lee Y.J. // Mol. Cancer Res. 2019. V. 16. № 7. P. 1077-1091.
4. D'Arcy M. // Cell Biol. Int. 2019. V. 28. № 6. P. 582-592.
5. Nakamura S., Yoshimori T. // Korean Soc. Mol. Cell. Biol. 2018. V. 41. № 1. P. 65-72.
6. Cheon S.Y., Kim H., Rubinsztein D.C., Lee J.E. // Exp. Neurobiol. 2019. V. 28. № 6. P. 643-657.
7. Nalobin D., Alipkina S., Gaidamaka A., Glukhov A., Khuchua Z. // Cells. 2020. V. 9. № 2. P. 1-12.
8. Singh R., Letai A., Sarosiek K. // Nat. Rev. Mol. Cell Biol. 2019. V. 20. № 3. P. 175-193.
9. Susan E. // Toxicol. Pathol. 2007. V. 35. № 4. P. 496-516.
10. Poon I.K.H., Lucas C.D., Rossi A.G., Ravichandran K.S. // Nat. Rev. Immunol. 2014. V. 14. № 3. P. 166-180.
11. Martinvalet D., Zhu P., Lieberman J. // Immunity. 2005. V. 22. № 3. P. 355-370.
12. Lockshin R.A., Zakeri Z. // Int. J. Biochem. Cell Biol. 2004. V. 36. № 12. P. 2405-2419.
13. Igney F.H., Krammer P.H. // Nat. Rev. Cancer. 2002. V. 2. № 4. P. 277-288.
14. Brenner D., Mak T.W. // Curr. Opin. Cell Biol. 2009. V. 21. № 6. P. 871-877.
15. Cain K., Bratton S.B., Cohen G.M. // Biochimie. 2002. V. 84. № 2-3. P. 203-214.
16. Kim J.H., Lee S.Y., Oh S.Y., Han S.I., Park H.G., Yoo M.-A., Kang H.S. // Oncol. Rep. 2004. V. 12. № 6. P. 1233-1238.
17. Amaral J.D., Xavier J.M., Steer C.J., Rodrigues C.M. // Discov. Med. 2010. V. 9. № 45. P. 145-152.
18. Wei J., Zaika E., Zaika A. // J. Nucleic Acids. 2012. № 687359. P. 1-19.
19. Sharp A.N., Heazell A.E.P., Crocker I.P., Mor G. // Am. J. Reprod. Immunol. 2010. V. 64. № 3. P. 159-169.
20. Meley D., Spiller D.G., White M.R.H., McDowell H., Pizer B., See V. // Cell Death Dis. 2010. V. 1. № 5. P. 1-11.
21. Zhang X.P., Liu F., Wang W. // J. Biol. Chem. 2010. V. 285. № 41. P. 31571-31580.
22. Mizushima N., Levine B., Cuervo A.M., Klionsky D.J. // Nature. 2008. V. 451. № 7182. P. 1069-1075.
23. Levine B., Deretic V. // Nat. Rev. Immunol. 2007. V. 7. № 10. P. 767-777.
24. Nixon R.A., Yang D. // Neurobiol. Dis. 2011. V. 43. № 1. P. 38-45.
25. Mizushima N., Levine B., Cuervo A.M., Klionsky D.J. // Nature. 2008. V. 451. № 7182. P. 1069-1075.
26. Yun C.W., Lee S.H. // Int. J. Mol. Sci. 2018. V. 19. № 11. P. 1-18.
27. Cuervo A.M. // Mol. Cell. Biochem. 2004. № 263. P. 55-72.
28. Feng Y., He D., Yao Z., Klionsky D.J. // Nat. Publ. Gr. 2013. V. 24. № 1. P. 24-41.
29. Zhou Z.-W., Li X.-X., He Z., Pan S., Yang T., Zhou Q., Tan J., Wang D., Zhou S. // Drug Des. Devel. Ther. 2015. V. 9. № 3. P. 1511-1554.
30. Samatar A.A., Poulikakos P.I. // Nat. Publ. Gr. 2014. V. 13. № 12. P. 928-942.
31. Yang J., Yao S. // Int. J. Mol. Sci. 2015. V. 16. № 10. P. 2574425758.
32. Liang J., Shao S.H., Xu Z., Hennessy B., Ding Z., Larrea M., Kondo S., Dumont D.J., Gutterman J.U., Walker C.L., et al. // Nat. Cell Biol. 2007. V. 9. № 2. P. 218-224.
33. Poillet-Perez L., Despouy G., Delage-Mourroux R., Boyer-Guittaut M. // Redox Biol. 2015. V. 4. № 4. P. 184-192.
34. Ding W., Ni H., Gao W., Hou Y., Melan M.A., Chen X., Stolz D.B., Shao Z., Yin X. // J. Biol. Chem. 2007. V. 282. № 7. P. 4702-4710.
35. Eisenberg-Lerner A., Bialik S., Simon H., Kimchi A. // Cell Death Differ. 2009. V. 16. № 7. P. 966-975.
36. Marquez R.T., Xu L. // Am. J. Cancer Res. 2012. V. 2. № 2. P. 214-221.
37. Dou Y., Jiang X., Xie H., He J., Xiao S. // J. Ovarian Res. 2019. V. 12. № 1. P. 1-11.
38. Lee E.F., Smith N.A., Soares da Costa T.P., Meftahi N., Yao S., Harris T.J., Tran S., Pettikiriarachchi A., Perugini M.A., Keizer D.W., et al. // Autophagy. 2019. V. 15. № 5. P. 785-795.
39. Julian L., Olson M.F. // Landes Biosci. 2014. V. 5. № 7. P. 1-12.
40. Wei Y., An Z., Zou Z., Sumpter R., Su M., Zang X., Sinha S., Gaestel M., Levine B. // Elife. 2015. V. 2015. № 4. P. 1-25.
41. Menon M.B., Dhamija S. // Front. Cell Dev. Biol. 2018. V. 6. № 10. P. 1-9.
42. Hung C.M., Garcia-Haro L., Sparks C.A., Guertin D.A. // Cold Spring Harb. Perspect. Biol. 2012. V. 4. № 12. P. 1-17.
43. Yu L., Mcphee C.K., Zheng L., Mardones G.A., Rong Y., Peng J., Mi N., Zhao Y., Liu Z., Wan F., et al. // Nature. 2010. V. 465. № 6. P. 942-947.
44. Nikoletopoulou V., Markaki M., Palikaras K., Tavernarakis N. // Biochim. Biophys. Acta. 2013. V. 1833. № 12. P. 3448-3459.
45. Warren C.F.A., Wong-Brown M.W., Bowden N.A. // Cell Death Dis. 2019. V. 10. № 3. P. 177-189.
46. Zou Y., Liu W., Zhang J., Xiang D. // Mol. Med. Rep. 2016. V. 14. № 1. P. 1033-1039.
47. Robinson E.J., Aguiar S.P., Kouwenhoven W.M., Starmans D.S., von Oerthel L., Smidt M.P., van der Heide L.P. // Cell Death Discov. 2018. V. 4. № 1. P. 107-120.
48. Germain M., Nguyen A.P., Grand J.N. Le, Arbour N., Vanderluit J.L., Park D.S., Opferman J.T., Slack R.S. // EMBO J. 2010. V. 30. № 2. P. 395-407.
49. Castedo M., Ferri K.F., Kroemer G. // Cell Death Differ. 2002. V. 9. № 2. P. 99-100.
50. Sui X., Kong N., Ye L., Han W., Zhou J., Zhang Q., He C. // Cancer Lett. 2014. V. 344. № 2. P. 174-179.
51. Brancho D., Tanaka N., Jaeschke A., Ventura J. J., Kelkar N., Tanaka Y., Kyuuma M., Takeshita T., Flavell R.A., Davis R.J. // Genes Dev. 2003. V. 17. № 16. P. 1969-1978.
52. Thyagarajan A., Jedinak A., Nguyen H., Terry C., Baldridge L.A., Jiang J., Sliva D. // Nutr. Cancer. 2013. V. 62. № 5.
P. 630-640.
53. Keil E., Höcker R., Schuster M., Essmann F., Ueffing N., Hoffman B., Liebermann D.A., Pfeffer K., Schulze-Osthoff K., Schmitz I. // Cell Death Differ. 2013. V. 20. № 2. P. 321-332.
54. Musiwaro P., Smith M., Manifava M., Walker S.A., Ktistakis N.T. // Autophagy. 2013. V. 9. № 9. P. 1407-1417.
55. Webber J.L., Tooze S.A. // EMBO J. 2010. V. 29. № 1. P. 27-40.
56. Webber J.L. // Autophagy. 2010. V. 6. № 2. P. 292-293.
57. Choi C.H., Lee B.H., Ahn S.G., Oh S.H. // Biochem. Biophys. Res. Commun. 2012. V. 418. № 4. P. 759-764.
58. Cruz-morcillo M.Á. De, Sánchez-prieto R. // Autophagy. 2012. V. 8. № 1. P. 135-137.
59. Lv X., Tan J., Liu D., Wu P., Cui X. // J. Hear. Lung Transplant. 2012. V. 31. № 6. P. 655-662.
60. Tang R., Kong F., Fan B., Liu X., You H., Zhang P., Zheng K. // World J. Gastroenterol. 2012. V. 18. № 13. P. 1485-1495.
61. Zhou F., Yang Y. // FEBS J. 2011. V. 278. № 3. P. 403-413.
62. Crighton D., Wilkinson S., O'Prey J., Syed N., Smith P., Harrison P.R., Gasco M., Garrone O., Crook T., Ryan K.M. //
Cell. 2006. V. 126. № 1. P. 121-134.
63. Mrschtik M., O'Prey J., Lao L.Y., Long J.S., Beaumatin F., Strachan D., O'Prey M., Skommer J., Ryan K.M. // Cell Death Differ. 2015. V. 22. № 10. P. 1714-1726.
64. Lorin S., Pierron G., Ryan K.M., Codogno P., Djavaheri-Mergny M. // Autophagy. 2010. V. 6. № 1. P. 153-154.
65. Hansen M., Rubinsztein D.C., Walker D.W. // Nat. Rev. Mol. Cell Biol. 2018. V. 19. № 9. P. 579-593.
66. Tsoukalas D., Fragkiadaki P., Docea A.O., Alegakis A.K., Sarandi E., Thanasoula M., Spandidos D.A., Tsatsakis A., Razgonova M.P., Calina D. // Mol. Med. Rep. 2019. V. 20. № 4. P. 3701-3708.
67. El Mal M., Marzullo M., de Castro I.P., Ferreira M.G. // Elife. 2020. V. 9. № 54935. P. 1-26.
68. Chiodi I., Mondello C. // Front. Oncol. 2012. V. 2. № 9. P. 1-6.
69. Roh J. Il, Kim Y., Oh J., Kim Y., Lee J., Lee J., Chun K.H., Lee H.W. // PLoS One. 2018. V. 13. № 2. P. 1-14.
70. Ali M., Devkota S., Roh J. I., Lee J., Lee H.W. // Biochem. Biophys. Res. Commun. 2016. V. 478. № 3. P. 1198-1204.
71. Ferrara-Romeo I., Martinez P., Saraswati S., Whittemore K., Graña-Castro O., Thelma Poluha L., Serrano R., Hernandez-Encinas E., Blanco-Aparicio C., Maria Flores J., et al. // Nat. Commun. 2020. V. 11. № 1. P. 1-17.
72. Rubtsova M.P., Vasilkova D.P., Moshareva M.A., Malyavko A.N., Meerson M.B., Zatsepin T.S., Naraykina Y.V., Beletsky A.V., Ravin N.V., Dontsova O.A. // Sci. Rep. 2019. V. 9. № 1. " P. 1-10.
73. Rubtsova M., Naraykina Y., Vasilkova D., Meerson M., Zvereva M., Prassolov V., Lazarev V., Manuvera V., Kovalchuk S., Anikanov N., et al. // Nucl. Acids Res. 2018. V. 46. № 17.
P. 8966-8977.
74. Rubtsova M.P., Vasilkova D.P., Naraykina Y.V., Dontsova O.A. // Acta Naturae. 2016. V. 8. № 4. P. 14-22.
