Ученые Института биологических исследований Солка (Salk Institute for Biological Studies) открыли, как аденозинмонофосфат-активируемая протеинкиназа (adenosine monophosphate-activated protein kinase – AMPK), главный метаболический регулятор, приводимый в действие, когда клетке не хватает энергии, активирует в случае необходимости программу переработки клеточных органелл, высвобождая необходимые молекулярные строительные блоки.

В статье, опубликованной в журнале Science Express, группа под руководством доктора философии Рибина Шо (Reuben Shaw), доцента кафедры молекулярной и клеточной биологии Института Солка, сообщает, что AMPK активирует клеточный процесс переработки органелл, известный как аутофагия, путем активации другого фермента-протеинкиназы – ATG1, инициирующего процесс.

Недавнее открытие прямой молекулярной связи между AMPK and ATG1 имеет большое значение, так как нарушения как в сигналинге AMPK, так и в аутофагии вовлечены во множество возрастных заболеваний, включая диабет II типа, рак и нейродегенеративные заболевания, такие как болезни Альцгеймера и Паркинсона.

Несмотря на зловещее название – производное от «ауто» (само) и «фагия» (поедание) – клетка используют аутофагию для благих целей – уничтожения образовавшегося в ней «мусора» прежде, чем он станет достаточно токсичным, чтобы убить ее.

«Аутофагия – древний процесс, эволюционно развившийся для разрушения компонентов, которые не нужны клеткам для создания того, что им нужно», – объясняет Дэн Иган (Dan Egan), аспирант лаборатории Шо и первый автор статьи.

Ранее лаборатория Шо не только продемонстрировала, что работа AMPK грубо нарушается при определенных формах рака, но и то, что этот фермент является важнейшей мишенью препарата против сахарного диабета II типа – метформина.

«Прием препарата, активирующего, как метформин, этот путь, эквивалентен приему нескольких различных лекарств», – считает Шо, быстро называя целый список антиканцерогенных и антидиабетических путей, активируемых AMPK. «Теперь к этому списку мы можем добавить регуляцию аутофагии».

Лаборатория Шо ранее не занималась аутофагией, но давно интересовалась ферментом AMPK, являющимся сенсором низкого уровня энергии и замедляющим в таком случае рост клеток. «Так как AMPK играет столь важную роль в регулировании энергетики наших клеток, мы хотели узнать, каким образом этот фермент оказывает влияние на такое большое количество клеточных процессов», – объясняет Шо.

Определив уникальную таргетинг-последовательность, используемую AMPK для передачи своих сигналов, его группа с помощью методов биоинформатики и биохимии идентифицировала являющиеся ее мишенями белки. Одним из главных подозреваемых на эту роль оказался белок Atg1/ULK1 – фактор, инициирующий аутофагию у дрожжей.

Чтобы проверить эффект, оказываемый на аутофагию прекращением регулирования этими ферментами, ученые сосредоточили свое внимание на крупных внутриклеточных структурах – митохондриях, функция которых заключается в производстве энергии.

«Митохондрии легко повреждаются в тканях, где проходит процесс детоксикации, таких как печень», – объясняет Шо. «Важнейшим способом переработки дефектных митохондрий является особая форма аутофагии – митофагия».

В этом случае клетки окружают свои нездоровые митохондрии мембраной, «сваливают» их в клеточную кислотную «яму» и перерабатывают «отходы». Если этот процесс действительно инициируется AMPK, то генно-инженерные клетки с отсутствием AMPK могут показать изменения в процессе переработки митохондрий по сравнению с нормальными клетками.

И это именно то, что увидели ученые: клетки печени с удаленной AMPK содержали слишком большое количество митохондрий, многие из которых имели веретенообразную форму, что свидетельствовало об их умирании и подтверждало, что именно AMPK управляет «мусородробилкой» аутофагии.

«Мы установили, что способность перерабатывать свои дефектные митохондрии позволяет клеткам лучше переносить голод», – комментирует результаты Шо.

Аденозинмонофосфат-активируемая протеинкиназа (adenosine monophosphate-activated protein kinase – AMPK) является эволюционно сохраненным сенсором внутриклеточной энергии, активируемым в ответ на низкий уровень питательных веществ и стресс. Скрининг сохранившихся субстратов AMPK выявил необходимые для аутофагии ферменты ULK1 and ULK2 – ортологи протеинкиназы Atg1 дрожжей. Генетический анализ AMPK или ULK1 в клетках печени млекопитающих и у C. Elegans показал необходимость этих киназ для аутофагии. У млекопитающих потеря AMPKили ULK1 приводит к аномальному накоплению адаптора аутофагии р62 и дефектной митофагии. Воссоздание ULK1-дефицитных клеток с помощью мутантной ULK1, которая не может быть фосфорилирована AMPK, показывает, что такое фосфорилирование необходимо для митохондриального гомеостаза и выживания клеток после голодания. Эти результаты раскрывают сохранившийся биохимический механизм, связывающий статус питания с аутофагией и выживанием клеток. При нарушении процесса аутофагии клетки неспособны перерабатывать клеточные органеллы, такие как митохондрии (показаны красным), и создавать нужные молекулярные строительные блоки, когда это необходимо. (Синим показаны ядра клеток).
(Credit: Daniel Egan, Salk Institute for Biological Studies)

Использовав круглого червя C. elegans, популярную модельную систему для изучения процессов старения, чтобы показать, что активированная AMPK непосредственно инициирует аутофагию с помощью сигнала, передаваемого аналогом Atg1/ULK1 червя, ученые связали всю информацию воедино.

«Эксперименты на червях показали, что связь между AMPK, ULK1и аутофагией сохранена эволюционно и не является недавней адаптацией, специфичной для млекопитающих», – говорит Иган. «Основополагающие для жизни процессы – регулирование энергии, метаболизм и аутофагия – имеют одинаковые компоненты у человека, мыши, червя и дрожжей».

Даже если вы не являетесь специалистом в области эволюционной биологии, вы все равно вносите личный вклад в AMPK-сигналинг, регулярно делая физические упражнения, не отказывая себе в красном вине, принимая противодиабетические препараты и/или голодая в надежде на долгую жизнь. Все это стимулирует сигналы AMPK.

Добавьте к этому, что AMPK обладает противоопухолевой активностью, и не удивительно, что фармацевтические компании крайне заинтересованы в том, чтобы узнать, с какими белками «беседует» AMPK и как работают препараты, стимулирующие эти «разговоры».

Работа поддержана грантами Национального института здравоохранения (National Institutes of Health) США, Американским онкологическим обществом (American Cancer Society), Американской ассоциацией диабета (American Diabetes Association), Медицинским институтом Говарда Хьюза (Howard Hughes Medical Institute) и многими другими организациями, учреждениями и фондами.

Аннотация к статье: Phosphorylation of ULK1 (hATG1) by AMP-Activated Protein Kinase Connects Energy Sensing to Mitophagy