Nobelova skupščina na Karolinski inštitutu se je danes odločila, da Nobelovo nagrado za fiziologijo ali medicino za leto 2016 podeli Yoshinoriju Ohsumiju za njegova odkritja mehanizmov za avtofagijo.
Povzetek
Letošnji Nobelov nagrajenec je odkril in razjasnil mehanizme, na katerih temelji avtofagija, temeljni proces za razgradnjo in recikliranje celičnih komponent.
Beseda avtofagija izvira iz grških besed auto-, kar pomeni "sebe", in phagein, kar pomeni "jesti". Tako avtofagija označuje "prehranjevanje samega sebe". Ta koncept se je pojavil v šestdesetih letih prejšnjega stoletja, ko so raziskovalci prvič opazili, da lahko celica uniči svojo lastno vsebino tako, da jo zapre v membrane in tvori vrečaste vezikle, ki so bili prepeljani v predelek za recikliranje, imenovan lizosom, za razgradnjo. Težave pri preučevanju tega pojava so pomenile, da je bilo malo znanega, dokler Yoshinori Ohsumi v seriji briljantnih poskusov v zgodnjih devetdesetih letih ni uporabil pekovskega kvasa za identifikacijo genov, ki so bistveni za avtofagijo. Nato je razjasnil osnovne mehanizme avtofagije pri kvasovkah in pokazal, da se v naših celicah uporabljajo podobni sofisticirani stroji.
Ohsumijeva odkritja so privedla do nove paradigme v našem razumevanju, kako celica reciklira svojo vsebino. Njegova odkritja so odprla pot do razumevanja temeljnega pomena avtofagije v številnih fizioloških procesih, na primer pri prilagajanju na lakoto ali odzivu na okužbo. Mutacije v genih za avtofagijo lahko povzročijo bolezen, avtofagični proces pa je vključen v več stanj, vključno z rakom in nevrološkimi boleznimi.
Degradacija - osrednja funkcija v vseh živih celicah
Sredi petdesetih let prejšnjega stoletja so znanstveniki opazili nov specializiran celični predel, imenovan organel, ki vsebuje encime, ki prebavljajo beljakovine, ogljikove hidrate in lipide. Ta specializirani predel se imenuje "lizosom" in deluje kot delovna postaja za razgradnjo celičnih sestavin. Belgijski znanstvenik Christian de Duve je leta 1974 prejel Nobelovo nagrado za fiziologijo ali medicino za odkritje lizosoma. Nova opažanja v šestdesetih letih prejšnjega stoletja so pokazala, da je v lizosomih včasih mogoče najti velike količine celične vsebine in celo cele organele. Zato se je zdelo, da ima celica strategijo za dostavo velikega tovora v lizosom. Nadaljnja biokemična in mikroskopska analiza je razkrila novo vrsto veziklov, ki prenašajo celični tovor v lizosom za razgradnjo. Christian de Duve, znanstvenik, ki stoji za odkritjem lizosoma, je za opis tega procesa skoval izraz avtofagija, "prehranjevanje samega sebe". Novi vezikli so bili poimenovani avtofagosomi.
V sedemdesetih in osemdesetih letih prejšnjega stoletja so se raziskovalci osredotočili na razjasnitev drugega sistema, ki se uporablja za razgradnjo beljakovin, in sicer "proteasoma". Na tem raziskovalnem področju so bili Aaron Ciechanover, Avram Hershko in Irwin Rose leta 2004 nagrajeni z Nobelovo nagrado za kemijo za "odkritje razgradnje beljakovin, ki jo posreduje ubikvitin." Proteasom učinkovito razgrajuje beljakovine enega za drugim, vendar ta mehanizem ni pojasnil, kako se je celica znebila večjih proteinskih kompleksov in obrabljenih organelov. Ali bi lahko bil proces avtofagije odgovor in če je odgovor pritrdilen, kakšni so bili mehanizmi?
prelomni eksperiment
Yoshinori Ohsumi je bil aktiven na različnih raziskovalnih področjih, toda ob ustanovitvi lastnega laboratorija leta 1988 se je osredotočil na razgradnjo beljakovin v vakuoli, organeli, ki ustreza lizosomu v človeških celicah. Celice kvasovk so razmeroma enostavne za preučevanje in se zato pogosto uporabljajo kot model za človeške celice. Še posebej so uporabni za identifikacijo genov, ki so pomembni v kompleksnih celičnih poteh. Toda Ohsumi se je soočil z velikim izzivom; celice kvasovk so majhne in njihove notranje strukture ni mogoče zlahka razločiti pod mikroskopom, zato ni bil prepričan, ali avtofagija sploh obstaja v tem organizmu. Ohsumi je menil, da če bi lahko motil proces razgradnje v vakuoli, medtem ko je bil proces avtofagije aktiven, bi se morali avtofagosomi kopičiti v vakuoli in postati vidni pod mikroskopom. Zato je gojil mutirane kvasovke brez encimov za vakuolno razgradnjo in hkrati stimuliral avtofagijo z izstradanjem celic. Rezultati so bili osupljivi! V nekaj urah so bile vakuole napolnjene z majhnimi vezikli, ki niso bili razgrajeni. Mehurčki so bili avtofagosomi in Ohsumijev poskus je dokazal, da v celicah kvasovk obstaja avtofagija. Še pomembneje pa je, da je zdaj imel metodo za identifikacijo in karakterizacijo ključnih genov, vključenih v ta proces. To je bil velik preboj in Ohsumi je rezultate objavil leta 1992.
Odkriti geni avtofagije
Ohsumi je zdaj izkoristil svoje inženirske seve kvasovk, v katerih so se med stradanjem kopičili avtofagosomi. To kopičenje ne bi smelo nastati, če bi bili geni, pomembni za avtofagijo, inaktivirani. Ohsumi je celice kvasovk izpostavil kemikaliji, ki je naključno uvedla mutacije v mnogih genih, nato pa je povzročil avtofagijo. Njegova strategija je delovala! V enem letu po odkritju avtofagije v kvasovkah je Ohsumi identificiral prve gene, ki so bistveni za avtofagijo. V njegovi kasnejši seriji elegantnih študij so bili proteini, ki jih kodirajo ti geni, funkcionalno označeni. Rezultati so pokazali, da avtofagijo nadzira kaskada beljakovin in proteinskih kompleksov, od katerih vsak uravnava ločeno stopnjo iniciacije in tvorbe avtofagosomov.
Autofagija - bistven mehanizem v naših celicah
Po identifikaciji strojev za avtofagijo pri kvasovkah je ostalo ključno vprašanje. Ali je obstajal ustrezen mehanizem za nadzor tega procesa v drugih organizmih? Kmalu je postalo jasno, da v naših celicah delujejo skoraj enaki mehanizmi. Raziskovalna orodja, potrebna za raziskovanje pomena avtofagije pri ljudeh, so bila zdaj na voljo.
Zahvaljujoč Ohsumiju in drugim, ki sledijo njegovim stopinjam, zdaj vemo, da avtofagija nadzoruje pomembne fiziološke funkcije, kjer je treba celične komponente razgraditi in reciklirati. Avtofagija lahko hitro zagotovi gorivo za energijo in gradnike za obnovo celičnih komponent, zato je bistvena za celični odziv na stradanje in druge vrste stresa. Po okužbi lahko avtofagija odstrani invazijo znotrajceličnih bakterij in virusov. Avtofagija prispeva k razvoju zarodka in diferenciaciji celic. Celice uporabljajo tudi avtofagijo, da odstranijo poškodovane beljakovine in organele, mehanizem za nadzor kakovosti, ki je ključnega pomena za preprečevanje negativnih posledic staranja.
Motena avtofagija je povezana s Parkinsonovo boleznijo, sladkorno boleznijo tipa 2 in drugimi motnjami, ki se pojavljajo pri starejših. Mutacije v genih za avtofagijo lahko povzročijo genetsko bolezen. Motnje v avtofagnem stroju so bile povezane tudi z rakom. Zdaj potekajo intenzivne raziskave za razvoj zdravil, ki lahko ciljajo na avtofagijo pri različnih boleznih.
Autofagija je znana že več kot 50 let, vendar je bil njen temeljni pomen v fiziologiji in medicini priznan šele po raziskavi Yoshinorija Ohsumija o spremembi paradigme v 90. letih prejšnjega stoletja. Za svoja odkritja je prejel letošnjo Nobelovo nagrado za fiziologijo ali medicino.
Ključne objave
Takeshige, K., Baba, M., Tsuboi, S., Noda, T. in Ohsumi, Y. (1992). Avtofagija pri kvasovkah, dokazana z mutanti s pomanjkanjem proteinaze in pogoji za njeno indukcijo. Journal of Cell Biology 119, 301-311
Tsukada, M. in Ohsumi, Y. (1993). Izolacija in karakterizacija mutantov Saccharomyces cervisiae z okvaro avtofagije. Pisma FEBS 333, 169-174
Mizushima, N., Noda, T., Yoshimori, T., Tanaka, Y., Ishii, T., George, M. D., Klionsky, D. J., Ohsumi, M. in Ohsumi, Y. (1998). Sistem konjugacije beljakovin, ki je bistven za avtofagijo. Narava 395, 395-398
Ichimura, Y., Kirisako T., Takao, T., Satomi, Y., Shimonishi, Y., Ishihara, N., Mizushima, N., Tanida, I., Kominami, E., Ohsumi, M., Noda, T. in Ohsumi, Y. (2000). Ubikvitinu podoben sistem posreduje lipidacijo beljakovin. Narava, 408, 488-492
Yoshinori Ohsumi se je rodil leta 1945 v Fukuoki na Japonskem. Dobil je doktorat. iz Univerze v Tokiu leta 1974. Po treh letih na Rockefellerjevi univerzi v New Yorku, ZDA, se je vrnil na Univerzo v Tokiu, kjer je leta 1988 ustanovil svojo raziskovalno skupino. Od leta 2009 je profesor na Tokyo Institute of Technology.
