Процесс аутофагии. Аутофагия — процесс, при котором происходит самоочищение и восстановление организма. Что за самопоедание такое

Японский биолог Есинори Осуми в 2016 году получил Нобелевскую премию за объяснение аутофагии – механизма избавления клеток от всех старых клеточных компонентов, которые выполнили свою роль. Есинори Осуми выявил пользу этого процесса и условия, при которых он происходит.

Механизмы аутографии

Осуми в течение многих лет изучал взаимосвязь духовных практик и голодания. В процессе он доказал, что при нехватке питательных веществ клетки начинают самоуничтожение устаревших ресурсов. Это и называется аутофагией. Она является единственным способом обновления клеточных структур.

Термин «аутофагия» был введен в биологию еще в 1974 г. до открытия Есинори Осуми.

Его придумал Кристиан де Дюв, который также обнаружил аутофагосомы – «транспорт» для доставки клеточных структур к лизосомам. Суть исследований Есинори Осуми – в следующем:

1. Биолог проводил эксперимент на мутированных грибах, которые не имеют механизма разложения белка.
2. Аутография Есинори Осуми показала, что не видоизменялись только клетки, не получавшие питания. Грибы, находившиеся в условиях пищевой нехватки, стали накапливать в себе аутофагосомы и использовать уже имеющиеся у них ресурсы.
3. Открытие Есинори Осуми заключается в том, что клетки, не получающие питательных веществ, начинают «съедать» ненужные структуры внутри себя. В результате при голодании человек не чувствует голод.
4. Изучив процессы аутофагии подробнее, японский ученый доказал, что после прекращения доступа еды жировой слой постепенно уменьшается.

Что такое окно питания

Осуми продолжил свои исследования, в ходе которых изучал интервальное голодание и его влияние на мышцы. Им он устраивал «окна питания» – время, в течение которого человек ест. Например, если человек завтракает в 7 ч утра, то указанный период открывается к 8 ч. Если ужин попадает на 8–10 ч вечера, то окно растягивается на 12–14 ч.

Проведенные на животных исследования показали, что те особи, которые периодически голодали, чувствовали себя лучше, жили дольше и меньше болели по сравнению теми, кто питался по обычному режиму. Стоит отметить, что обе группы получали качественные продукты. Это значит, что маленькое окно питания более полезно для организма.

Его основные свойства:

• снижает риск рака груди;
• увеличивает защиту от ультрафиолета;
• снижает кровяное давление;
• улучшает качество сна;
• снижает риск заболевания сердца.

Схемы голодания

Обратите внимание, что система Есинора Осуми, или фастинг-диета, имеет несколько вариантов интервального голодания. Основные из них следующие:

Схема голодания	Описание
	Это восьмичасовое пищевое окно, или трехразовая система. Данная схема циклического голодания самая распространенная. Суть – на протяжении дня 16 ч нужно воздерживаться от еды, а в оставшиеся 8 организовывать приемы пищи. Оптимальный вариант: 8 ч – завтрак; 12 ч – обед; 16 ч – ужин. Можно выбрать и другой вариант, главное, чтобы между крайними приемами пищи был интервал 8 ч. Схему разрешено соблюдать ежедневно.
	Десятичасовое пищевое окно – самая щадящая схема голодания. Приемы пищи должны организовываться в течение 10 ч: 8 ч – завтрак; 11 ч – ланч; 14 ч – обед; 16 ч – полдник; 18 ч – ужин.
	Четырехчасовое пищевое окно: в 8 или 12 ч – первый калорийный прием пищи; В 14 или 16 ч – второй калорийный прием пищи.
	Это суточное голодание от одного любого приема пищи до другого, например, от завтрака до завтрака следующего дня. Допускается проводить 1-2 раза еженедельно.
	Схема «через сутки», суть которой – в голодании на протяжении 36 ч. Методика предполагает завтрак в 8 ч утра и отказ от еды до 20 ч следующего дня.
	На протяжении 5 дней нужно полноценно питаться, а 2 выходных – поститься или употреблять не более 500 ккал.

Правила интервальных голодовок

Обратите внимание, что пока вы не привыкнете к голоду, допускается пить зеленый либо слабо заваренный черный чай без добавок. Желание что-нибудь съесть будет волнообразным. Как только человек выпивает воды, голод уходит на несколько часов. Другие правила методики интервального голодания:

• Во время голодания отслеживайте собственные ощущения.
• Заручитесь поддержкой близких.
• Пейте много воды как во время воздержания, так и в период пищевого окна.
• Выходите с голодания постепенно – не переедайте на следующий день после окончания методики.
• Не делайте выводы ранее, чем через месяц регулярного соблюдения правил.
• Не давайте себе думать о голоде, занимайтесь делами.

Не потеряйте. Подпишитесь и получите ссылку на статью себе на почту.

Очищение организма от вредных веществ – вопрос, которому сегодня уделяют много внимания, причем не только ученые, но и обычные обыватели. И чего только не делают люди, казалось бы, во благо самим себе: пьют очищенные соки, сидят на детокс-диетах, пьют огромное количество воды, делают клизмы, употребляют всевозможные лекарственные препараты и колдуют над плитой, поглядывая на бумажки с народными рецептами.

Но все ли это эффективно? Безусловно, правильное питание, питьевой режим, гречка и овсянка полезны, однако не стоит ожидать, что они выведут из организма токсины и шлаки намного быстрее, чем обычное питание. Что же делать? А делать вот что – можно обратиться к пока еще не очень известному, но очень эффективному способу очищения своего организма, который, ко всему прочему, можно еще и контролировать самостоятельно.

Заключается этот способ в… самопоедании! Да, да, вы все правильно прочитали – в самопоедании (или самоканнибализме). Но лучше все же называть это научным термином «аутофагия». При желании вы можете научить свое тело самостоятельно избавляться от вредных веществ. Но не будем торопиться, и расскажем обо всем по порядку.

Что за самопоедание такое?

Понятие «аутофагия», если перевести его с греческого языка, означает «самопоедание». Суть этого процесса кроется в утилизации (переработке) макромолекул и органелл (компонентов, необходимых для существования клеток) в клеточных компартментах (обособленных областях), которые образуются при слиянии лизосом (клеточных органоидов) с аутофагосомами (структурами, образующимися вокруг поврежденных клеток). Но это сугубо научное определение.

Если говорить проще, то при аутофагии происходит адаптация клеток к тяжелым условиям. Если питательных веществ, поступающих извне, в организме недостаточно, клетка отдает немного своих органелл и макромолекул для получения мономеров – элементов, подходящих для синтеза новых белков, нуклеиновых кислот, углеводов и липидов.

Процесс аутофагии очень важен для удаления из клеток поврежденных элементов, таких, например, как белковые агрегаты. По мере протекания этого процесса, поврежденные органеллы и макромолекулы, находящиеся в цитоплазме, попадают в особый компартмент, где происходит их расщепление на малые молекулы. И уже эти малые молекулы, если имеет место недостаток энергии и голодание, становятся строительным материалом, из которого образуются новые органеллы и биополимеры (белки, нуклеиновые кислоты, полисахариды и другие элементы, необходимые для работы организма).

Аутофагией сопровождается жизнедеятельность всех нормальных клеток в обычных условиях. Однако чрезмерная аутофагия способна привести к смерти клетки, по причине чего сегодня она рассматривается в качестве одной из форм программируемой клеточной гибели вместе с такими процессами как некропотоз и апоптоз.

И, наконец, если говорить совсем просто, можно сказать так: с течением времени в каждой клетке нашего организма скапливается «мусор», а аутофагия способствует его переработке и, как следствие, омоложению организма. Все элементарно. «Но как же так? Почему никто об этом не говорит? Почему не трубят во всеуслышание СМИ?» – вполне резонные вопросы. Но об этом и говорят, и СМИ тоже прекрасно об этом знают. Просто ошеломляющие результаты, к которым приводит аутофагия, стали известны совсем недавно.

Открытие аутофагии: исследования Кристиана де Дюва

Вообще об аутофагии, как о способе доставки цитоплазматического материала клетки в лизосомы для последующей деградации, известно с 1963 года. Тогда этот термин ввел первооткрыватель лизосом – бельгийский биохимик Кристиан де Дюв. И здесь нам нужно снова вернуться к научной терминологии – для истории открытия это очень важно.

В результате исследований де Дюв обнаружил, что при аутофагии в цитоплазме сначала происходит процесс формирования аутофагосом – пузырьков, которые окружает двухслойная мембрана, и которые содержат в себе часть цитоплазмы и клеточные органеллы, такие как фрагменты эндоплазматического ретикулума, рибосомы и митохондрии. После этого аутофагосомы объединяются с лизосомами, образуя аутолизосомы. В них под действием лизосомных ферментов (гидролаз) деградируют органеллы и макромолекулы.

За эти открытия в области структурной и функциональной организации клетки в 1974 году де Дюв получил Нобелевскую премию.

Дальнейшие исследования аутофагии: работа Есинори Осуми

И вот в не таком еще далеком 2016 году выдающийся японский ученый – молекулярный биолог Есинори Осуми – стал изучать аутофагию в дрожжевых клетках, применяя для этого генетический подход. В результате он нашел более десятка генов, инактивация (полная или частичная потеря веществом своей активности) которых вызывала дефекты аутофагосом. Найденные гены были изучены и клонированы.

Дальнейшие изыскания в области функционирования белковых продуктов данных генов позволили выяснить молекулярные механизмы появления, протекания и регуляции аутофагии. Кстати, найденные Осуми гены получили название ATG (от англ. «autophagy-related genes»), и к настоящему времени их найдено свыше тридцати.

Есинори Осуми продемонстрировал, что аутофагия является запрограммированным процессом, т.е. таким процессом, который кодируется в геноме. Если же отключить или мутировать гены, необходимые для аутофагии, протекание этого процесса станет невозможным. Но какое отношение все это имеет к здоровью человека с точки зрения обывателя?

Дело в том, что гомологичные гены дрожжей и млекопитающих обладают ощутимым сходством. Белковые продукты таких генов отличает небольшое количество аминокислотных замен. Если определенный ген у дрожжей ответственен за аутофагию, то велика вероятность, что подобный ген будет выполнять аналогичные функции и у человека.

Генетика аутофагии должна была исследоваться в дрожжевых клетках – это намного проще. Однако вместе с исследованием механизмов аутофагии у дрожжей в своей лаборатории Осуми обнаружил гомологи некоторых дрожжевых генов ATG в клетках млекопитающих. Изучение функционирования их белков, которые кодируются этими генами, показало ученым, что различия в молекулярных механизмах аутофагии у таких совершенно разных организмов, как дрожжи и человек, ничтожно малы.

После определенных научных манипуляций и последующего обнаружения новых форм белка, команда Осуми создала трансгенную мышь, преобразующую наследственную информацию от гена в рекомбинантный белок. Это позволило визуализировать аутофагию при помощи флуоресцентной микроскопии и изучить ее кинетику и интенсивность в разных органах мыши во время голодания. И уже следующие исследования, для которых создавались мыши с отключенным геном ATG, помогли узнать, что аутофагия имеет огромное физиологическое значение для развития млекопитающих, в том числе и человека.

В 2016 году Есинори Осуми был награжден Нобелевской премией «За открытие механизмов аутофагии». Вот небольшое видео об этом:

А в 2017 году его наградили Премией за прорыв в области медицины. И это не случайно, ведь его работа способна вывести всю мировую медицину на принципиально новый уровень. Но прежде чем мы приступим к рассмотрению пользы аутофагии для здоровья человека, нужно сказать несколько слов и о ее типах.

Типы аутофагии

Современные ученые выделяют три типа аутофагии – это микро- и макроаутофагия, а также шапероновая аутофагия:

• Микроаутофагия. Обломки клеточных мембран и макромолекулы захватываются лизосомой. Благодаря этому при нехватке строительного материала и энергии (например, когда человек голодает) клетка способна переваривать белки. Однако механизмы микроаутофагии активизируются и в нормальных условиях.
• Макроаутофагия. Часть цитоплазмы (чаще всего та, которая содержит органоиды) окружается мембранным компартментом. В итоге эта часть двумя мембранами отделяется от остальной цитоплазмы, превращаясь в аутофагосомы. Они объединяются с лизосомами и образуют аутофаголизосомы, где перевариваются органеллы и прочее содержимое аутофагосом. При помощи этого вида аутофагии клетки могут избавляться от органоидов, которые «отслужили свой срок».
• Шапероновая аутофагия. Частично денатурировавшие белки целенаправленно транспортируются из цитоплазмы в полость лизосомы для последующего переваривания. Инициировать данный тип аутофагии (кстати, описан он лишь для млекопитающих) можно с помощью стресса, например, серьезными физическими нагрузками или голоданием.

И теперь мы наконец-таки можем немного отойти от специфической научной терминологии, и поговорить на «человеческом» языке конкретно о влиянии аутофагии на организм человека.

Польза аутофагии для человека

Положительная роль аутофагии для человеческого здоровья, конечно же, преобладает над отрицательной, иначе бы ей не уделялось столько внимания. Но чтобы адекватно представить себе ее благотворное воздействие, нужно вспомнить кое-что о природе ее появления.

До того как появились технологии выращивания продуктов почти в любых условиях и их длительного хранения, завися от климата, в определенные периоды (ранняя весна и зима) люди должны были ограничиваться в питании. Вместе с тем они прекрасно себя чувствовали, а о повальном распространении таких серьезных заболеваний как болезнь Альцгеймера, рак или туберкулез говорить не приходилось. А как мы с вами уже успели выяснить (пусть сказали об этом пока лишь вскользь), клетки начинают переваривать «отработанный» материал, шлаки и токсины именно при голодании.

Согласно все тем же научным исследованиям (а также процессу эволюции), положительная роль аутофагии неоспорима, т.к. низкокалорийная диета примерно на 30-40% увеличивает продолжительность человеческой жизни. Ограничения в питании, с научной позиции, активизируют выработку организмом особых генов, отвечающих за долголетие и способствующих продолжению жизни даже в условиях относительно скудного питания.

Есть все основания полагать, что аутофагия представляет собой внутреннюю программу переработки вредных веществ в организме. Она повышает эффективность организма, избавляя его от нефункционирующих частиц, останавливая развитие раковых клеток и препятствуя метаболическим дисфункциям, например, диабету или ожирению.

Есть также данные о том, что аутофагия имеет серьезное значение для контроля иммунной системы и воспалительных процессов. Вспомните тех самых мышей с неработающим геном ATG – у них наблюдалась сонливость и ожирение, мозговые нарушения и повышенный уровень холестерина. А все мы знаем, что такие «особенности» способны привести к самым серьезным и отнюдь не радостным последствиям. И, раз уж мы упомянули рак, то и о его связи с аутофагией следует поговорить.

Аутофагия и рак

Ученые из университета Пенсильвании, занимающиеся поиском эффективного средства против рака, сделали еще один важный шаг благодаря данным об аутофагии. Теперь они могут с полным правом говорить о том, что создание на самом деле работающего метода борьбы с онкологическими заболеваниями не за горами.

В частности, исследователи работали с лизосомным ферментом PPT1, и с его помощью им удалось разработать лекарственный препарат, показавший высокие результаты в борьбе с такими заболеваниями как колоректальный рак, опухоль поджелудочной железы и меланома. Но пока все опыты, опять же, были проведены на мышах.

Этот самый фермент PPT1 отвечает за два важнейших процесса в жизнедеятельности и росте раковых клеток. Первый процесс – это сама аутофагия, позволяющая выживать онкоклеткам, а второй – мишень рапамицина (mTOR), отвечающая за неконтролируемый рост опухолей. Кстати, препараты, которые применяются в последние годы, тоже направлены на мишень рапамицина, но отличие их в том, что процесс аутофагии они не учитывают, из-за чего нет возможности повлиять на устойчивость онкоклеток к лечению.

Теперь же, благодаря открытиям Есинори Осуми, показавшим, что можно «заставить» клетки поедать самих себя, избавляться от поврежденных частиц и получать новые ресурсы для восстановления, ситуация в корне изменилась. Ученые обнаружили, что mTOR тоже может использовать аутофагию, чтобы обеспечить себе ресурсы, а при воздействии на фермент PPT1 активность первого подавляется, и процесс аутофагии блокируется. Это и есть причина, по которой раковая опухоль начинает воспринимать противораковую терапию.

Однако все эти достоинства аутофагии – лишь одна сторона медали. Очень важно понимать и всегда помнить о том, что она может сказаться на состоянии организма и отрицательно. Правда, касается это лишь определенной категории людей.

Вред аутофагии для человека

Перед тем как принять решение запускать и стимулировать процесс аутофагии в своем организме, в обязательном порядке убедитесь в том, что у вас нет:

• Хронических заболеваний (в частности, заболеваний ЖКТ)
• Гастрита
• Отклонений в массе тела (случаи, когда она ниже нормы)
• Дефицита иммунитета
• Диабета
• Ишемической болезни сердца
• Депрессии
• Гипотонии (пониженного давления)
• Психических нарушений

Кроме того, активизировать аутофагию категорически запрещается женщинам, у которых имеются проблемы с фертильностью и лактацией, беременным женщинам и людям, принимающим лекарства, не совместимые с голоданием. Если пренебречь этими противопоказаниями, можно серьезно ухудшить состояние своего организма, усугубить уже имеющиеся недуги и серьезно подорвать здоровье. В остальном же, как утверждают ученые, аутофагия – это вполне безопасный способ очищения и омоложения. Не менее радует и то, что запустить ее можно самостоятельно.

Как запустить аутофагию: аутофагия и голодание

Большинство современных людей, злоупотребляя высококалорийной, нездоровой и неполезной пищей, сами делают так, что процесс аутофагии просто не запускается. А это, если серьезно задуматься, как раз-таки и ведет к снижению иммунитета, ускорению старения и даже развитию всевозможных мутаций на клеточном уровне.

Если же заставить клетки голодать, они автоматически начнут использовать внешние ресурсы для функционирования, избавляться от вредных веществ и восстанавливаться. Но и постоянное недоедание может привести к дегенеративным процессам, ведь аутофагия просто не остановится. Поэтому есть смысл частично возвратиться к идеям лечебного голодания.

Всего можно выделить несколько его видов, но нас интересуют именно два – это прерывистое и пролонгированное голодание. Именно их подробно описал известный итальянско-американский биогеронтолог и клеточный биолог Вальтер Лонго, много лет занимавшийся исследованиями воздействия голодания и ограниченной диеты на продолжительность жизни и здоровье (имейте в виду, что говоря о голодании, мы имеем в виду отказ конкретно от пищи, но не от воды).

Прерывистое голодание

Суть прерывистого голодания: сутки без пищи, за которыми следует 1-2 суток нормального питания.

Научные исследования говорят о том, что благодаря прерывистому голоданию активизируются нервные связи и улучшаются когнитивные функции, снижается артериальное давление и частота сердечных сокращений, повышается чувствительность тканей к инсулину, задерживается появление опухолей, предотвращаются воспалительные заболевания, улучшается регенерация крови, увеличивается число белых клеток в крови и стимулируется иммунная система.

Опыты, проведенные с уже не раз упомянутыми мышами, подтвердили пользу прерывистого голодания как профилактики нейродегенеративных, сердечно-сосудистых и опухолевых заболеваний, а также сахарного диабета. А последующее наблюдение уже за людьми показало, что оно нормализует артериальное давление и уровень глюкозы, снижает количество маркеров воспаления у страдающих бронхиальной астмой.

Не стоит, конечно, отказываться от популярной сегодня диетологической нормы питания часто и понемногу, но все же нужно иметь в виду, что из-за такого режима усиливается выработка инсулина, отчего клетки теряют к нему чувствительность, а это может привести к сахарному диабету второго типа. Так что даже эту норму (питаться часто и понемногу) полезно время от времени разбавлять периодическим голоданием.

Пролонгированное голодание

Суть пролонгированного голодания: 2-3 (иногда больше) суток без пищи, за которыми следует как минимум 7 дней перерыва до следующих 2-3 суток голодания.

Здесь снова вступают в силу результаты научных исследований. Они говорят о том, что пролонгированное голодание приводит к активизации аутофагии, повышению чувствительности опухолей к терапии, улучшению регулирования уровней инсулина (и инсулиноподобного фактора роста 1) и глюкозы.

Также голодание по такой схеме снижает массу печени и количество лейкоцитов в крови. Но возобновление питания продуцирует мощные процессы регенерации, как в иммунной системе, так и в печени. По этой причине пролонгированное голодание допускается лишь под контролем специалиста. Особую же осторожность в этом случае необходимо соблюдать людям старше 65 лет, т.к. в этом возрасте недостаток белков может вызвать нежелательную потерю мышечной массы.

• Даже при полном отказе от питания на сутки и более необходимо
• Очень удобный и безопасный способ стимулирования аутофагии заключается в отказе от 1-2 приемов пищи (например, ужина и/или обеда) 2-3 раза в неделю
• При имитации периодического голодания в течение 5 дней (еще один совет от Вальтера Лонго) необходимо употребить не более 100 калорий в первый день и по 500 калорий – в оставшиеся четыре дня

И, конечно же, говоря о диете, мы не могли упустить вопрос на тему правильности и неправильности питания вообще. Все мы уже по сотне раз слышали, что нельзя есть после 18 часов. И с позиции новых данных, полученных об аутофагии Есинори Осуми, это утверждение снова подтверждается, а вот вопрос о пользе частого дробного питания остается открытым.

Вернемся к нашим мышам, которые оказывают существенную помощь в исследованиях по улучшению здоровья человека. Опыты показали, что при одинаковом количестве калорий в сутки мыши, которые питались с интервалом в 12 часов, «показывали» лучшие результаты, нежели те, которые питались часто и понемногу. Так, у мышей первой группы наблюдалось улучшение циркадных ритмов и они лучше спали, но главное – у них переставали развиваться и даже обращались вспять метаболические заболевания.

Это в очередной раз говорит о том, что если вдруг в течение дня вы не успеваете поесть, имея возможность питаться лишь утром и/или вечером, нужно не расстраиваться, а радоваться, ведь так вы запускаете аутофагию на благо своему организму. Точно так же и питание с перерывами в 12 и более часов активизирует аутофагию. Как бы странно это не звучало, но такой режим питания способствует снижению жировой массы без потери мышечной, снижению в крови уровня глюкозы и холестерина. А голодание свыше 13 часов в период с вечера до утра минимизирует риск развития рака груди.

Но здесь мы хотим заметить: ни в коем случае не следует воспринимать аутофагию в качестве лекарства. По большей части это профилактика разных недугов, но никак не их лечение. Имейте это в виду и не делайте ложных выводов.

Кстати, можете посмотреть видео «Голодание с разных ракурсов/Голодание как основа жизни», из которого можно узнать немало любопытных фактов о голодании и его воздействии на организм:

Если же вам совсем не хочется голодать, есть способ возбудить процессы аутофагии и без ограничения себя в еде. Для этого необходимо включить в свой рацион некоторые специфические продукты, в которых содержатся активизирующие нужные процессы вещества. Такими продуктами являются (в скобках указаны вещества):

• Сок граната, клубники и малины, а также красное вино, выдержанное в дубовых бочках (уролитин А)
• Грейпфрут, сыр и грибы (спермидин)
• Горькие огурцы (кукурбитацин)
• Соя (диосцин)
• Красный виноград (ресвератрол)
• Карри (куркумин)
• Какао и зеленый чай (катехин и эпикатехин)
• Корень женьшеня (магнофлорин)
• Бурый рис (гамма-токотриенол)
• Грецкие орехи и арахис, шампиньоны, ячмень, бобовые, овес, хлеб и белое мясо (витамин B3)

Также возьмите на заметку овсянку, рыбий жир, айву, оливковое масло, сметану, шпинат, капусту, бруснику, кефир и яйца – вещества, содержащиеся в этих продуктах, стимулируют обновление клеток.

Помимо прочего, примечательно еще и то, что процесс аутофагии запускают не только голодание и правильное питание, а еще и физические нагрузки и спорт. Но чтобы это произошло, нужно придерживаться некоторых принципов.

Аутофагия и спорт

Известно, что эффект от физических упражнений возникает только тогда, когда организм испытывает стресс. Аутофагия возникает по той же самой причине, а потому спорт – это еще один способ ее запуска и усиления.

Физические нагрузки приводят к микроповреждениям тканей и мышц, которые, восстановившись, становятся сильнее, делая более сильным и тело человека. А еще упражнения позволяют очистить организм от токсинов благодаря потению, чего и требует любая детокс-программа. Причем многие специалисты уверены, что именно физические нагрузки служат главным фактором для эффективной детоксикации.

К примеру, доктор Джордж Йу, работающий в медицинском центре Вашингтонского университета и изучающий процессы метаболизма, советует сочетать физические упражнения с посещением сауны, а также принимать добавки ниацина. Так токсины максимально выводятся через кожу, предупреждается возникновение рака и болезни Альцгеймера.

Что касается количества физических упражнений с целью стимулировать аутофагию, то оно пока точно не известно. Но установлено, что наибольшим эффектом обладают интенсивные упражнения, а значит, о легкой нагрузке стоит на время забыть.

Несмотря на то, что долголетию способствуют умеренные нагрузки в объеме 150-450 минут в неделю (они снижают риск преждевременной смерти более чем на 30%), если вы будете уделять хотя бы 30% тренировочного времени на упражнения повышенной интенсивности, то сможете запустить аутофагию и увеличить продолжительность своей жизни еще примерно на 13%. Так что тренируйтесь, не жалея себя (в здоровом смысле, естественно), и мощное не заставит себя долго ждать (при этом не забывайте рассчитывать свои силы и берите во внимание свое текущее физическое состояние).

И, напоследок, еще раз напомним, что аутофагия – это ни в коем случае не лекарство, и считать его панацеей от всех бед нельзя. Вы должны знать о ней и использовать ее, чтобы очистить свой организм и продлить себе жизнь, но делать это нужно с умом, будучи внимательным к своему текущему состоянию и не пренебрегая принципами здорового питания и вообще.

При желании вы можете отыскать немало официальных данных, результатов исследований и другой дополнительной информации об аутофагии в интернете. Мы же в свою очередь желаем вам крепкого здоровья и долгих лет жизни!

В 2016 г. Нобелевская премия по физиологии или медицине присуждена японскому ученому Есинори Осуми (Yoshinori Ohsumi) за его открытие механизмов аутофагии. Этот процесс лежит в основе нормальной жизнедеятельности клетки. Функция аутофагии заключается в удалении частей цитоплазмы, содержащих белки, органеллы и другие составляющие. Этот процесс позволяет клетке самообновляться, а также выживать в неблагоприятных условиях. Как и все процессы на клеточном уровне, аутофагия должна пребывать в состоянии равновесия, в случае нарушения которого развиваются самые разнообразные нозологии, включая онкологические и нейродегенеративные заболевания.

Аутофагия - эволюционно консервативный процесс, характерный для всего надцарства эука­риот (организмов, содержащих ядро в клетках). Эукариотические клетки имеют возможность рециклировать части собственных составляющих путем отделения (секвестрования) части цитоплазмы двухмембранной органеллой, которая сливается с лизосомой для дальнейшего переваривания (рис. 1).

©Нобелевский комитет по физиологии или медицине (The Nobel Committee for Physiology or Medicine). Иллюстратор: Маттиас Карлен (Mattias Karlén)

В отличие от других процессов клеточной деградации, аутофагия удаляет долгоживущие белки (long-lived proteins), макромолекулярные комплексы и устаревшие или поврежденные органеллы.

Аутофагия является посредником процессов переваривания и рециклирования второстепенных (не являющихся необходимыми для выживания) частей клетки во время голодания, а также присутствует в огромном количестве физиологических процессов, в рамках которых клеточные компоненты должны быть изъяты из клетки, дабы предоставить место новым частям.

Кроме этого, аутофагия является ключевым процессом по удалению чужеродных микроорганизмов и токсических белковых агрегатов, и таким образом принимает непосредственное участие в развитии иммунного ответа и инфекционного процесса, старения и патогенеза многих заболеваний.

Несмотря на то что сам процесс аутофагии был открыт в начале 1960-х годов, механизмы и физиологическое значение оставались серым пятном клеточной биологии на протяжении нескольких десятилетий.

Что такое аутофагия

Термин «аутофагия» происходит от древнегреческого αὐτός - ауто (сам) и φαγεῖν (есть). Это процесс, при котором внутренние компоненты клетки доставляются в лизосомы или вакуоли для последующей деградации (переваривания).

В настоящее время различают три вида ауто­фагии.

1. Макроаутофагия. При данном процессе участок цитоплазмы, нередко содержащий органеллы, окружается мембраной, которая похожа на цистерну эндоплазматического ретикулума. Таким образом содержимое отделяется от цитоплазмы двухмембранной оболочкой. Такие двухмембранные пузырьки, внутри которых находятся органеллы и цитоплазма, называются аутофагосомами. Они соединяются с лизосомами с образованием аутофаголизосом. В них и происходит переваривание захваченного содержимого клетки. Такой процесс является как неспецифическим, так и избирательным, поскольку клетка может прибегать к этому процессу в случае необходимости избавиться от устаревших органелл (рибосом, митохондрий и прочих). Именно за открытие этого процесса присуждена Нобелевская премия в 2016 г. Далее в статье под термином «ауто­фагия» будет подразумеваться макроаутофагия.

2. Микроаутофагия. При этом процессе макромолекулы и частицы клеточных мембран захватываются лизосомой. Таким способом происходит переваривание белков при нехватке в клетке энергии или субстрата для синтеза новых белков. Этот процесс в целом характерен для голодания.

3. Шапероновая аутофагия. При этом процессе осуществляется целенаправленный транспорт белков (частично денатурированных) из цитоплазмы в полость лизосомы, где они подвергаются деградации. Этот тип аутофагии, насколько известно, характерен только для млекопитающих. Как правило, шапероновая аутофагия индуцируется стресс-факторами, в частности, активируется при голодании, физических нагрузках и пр. Процесс осуществляется при участии белков-шаперонов (семейства hsc-70), LAMP-2 (мембранный рецептор комплекса шаперона и транспортируемого белка) и некоторых вспомогательных белков.

Аутофагия и клеточная смерть

На сегодня ряд ученых относят аутофагию к процессам клеточной гибели. Современная классификация выделяет несколько таких процессов: апоптоз, аутофагия, некроз, аноикис (смерть клетки, вызванная ее отделением от окружающего внеклеточного матрикса), некроптоз (программируемый некроз).

С тем, что аутофагия является одним из видов клеточной смерти, согласны далеко не все. Есть множество научных исследований, подтверждающих, что аутофагия является защитным механизмом клетки, поскольку позволяет спасти ее от гибели при неблагоприятных условиях. В случае интенсификации аутофагии клетка все же погибает. Ученые выделили несколько критериев, которые позволяют говорить о том, что аутофагия является видом клеточной смерти. Так, должны отсутствовать признаки апоптоза, не должны быть активированы каспазы, конденсироваться хроматин. В клетке должно увеличиваться число аутофагосом и аутолизосом. Кроме того, ингибирование белков аутофагии должно предотвращать смерть клетки.

Процессы, связанные с клеточной гибелью, происходят постоянно и поддерживаются в строгом равновесии, сдвиг которого в одну или другую сторону неминуемо приводит к развитию нарушений и, в конечном счете, - к смерти организма. Какую роль все-таки играет в этом процессе аутофагия - ученым еще предстоит узнать.

Загадка аутофагии или предыстория открытия

Открытию Е. Осуми, за которое он получил наиболее престижную научную награду, предшествовали ранние исследования.

В 1950-е годы Кристиан Рене де Дюв (Christian Renе de Duve) изучал действие инсулина в клетках печени крыс. В рамках своей исследовательской работы он изучал локализацию фермента глюкозо-6-фосфатазы. Этот фермент играет важнейшую роль в гликогенолизе - процессе расщепления гликогена до глюкозы. В печени фермент глюкозо-6-фосфатаза расщепляет промежуточный метаболит на фосфат и глюкозу, которая затем поступает в кровь. При исследовании глюкозо-6-фосфатазы был использован метод фракционирования, разработанный Альбером Клодом (Albert Claude). Однако выявить ферментную активность в свежевыделенных печеночных фракциях не удавалось. В то же время ферментная активность сохранялась и усиливалась после того, как фракции хранились 5 сут в холодильнике.

Таким образом, Кристиан де Дюв и его студенты выявили различия в активности кислой фосфатазы в зависимости от способа выделения. Первоначально команда решила, что причина в какой-либо технической ошибке. Однако в последующих экспериментах результаты получались точно такими же.

Довольно скоро стало понятно, что ферменты каким-то образом отделены от всего содержимого клетки мембранной органеллой. На протяжении 3 лет были выявлены еще несколько кислых ферментов, связанных с этой микросомальной фракцией. Далее последовали опыты, показавшие, что фракция является самостоятельной органеллой.

В 1955 г. на основании полученных данных Кристиан де Дюв предложил название «лизосома» для органеллы, окружающей мембраной клеточные частицы, внутри которой поддерживается низкий рН (кислотный) и в которой функцио­нируют кислые ферменты.

В том же 1955 г. Алекс Новиков (Alex B. Novikoff, американский ученый украинского происхождения) посетил лабораторию Кристиана де Дюва. Там он сделал электронные фотографии открытых органелл. Далее А. Новиков провел эксперименты и подтвердил, что в лизосомах содержится кислая фосфатаза.

За эти и другие открытия Кристиану де Дюву, Альберу Клоду и Джорджу Паладу (George E. Palade) была присуждена Нобелевская премия в 1974 г.

Интересный факт, что А. Новиков также внес большой вклад в открытие лизосом и понимание их функционирования. Однако ученый подвергался социальному и политическому преследованию. Так, в 1953 г. он был уволен из медицинского колледжа Университета штата Вермонт за отказ в сотрудничестве по раскрытию его друзей-коммунистов. Он также дважды получил отказ по поводу службы в американской армии. Спустя 20 лет после начала расследования его связей с коммунистами дело против ученого было закрыто по причине отсутствия существенных доказательств. Спустя 30 лет после начала преследований Университет принес ему официальные извинения и предоставил почетную степень доктора. В официальном заявлении Университета Миннесоты значится, что А. Новиков является одним из наиболее недооцененных ученых в контексте получения Нобелевской премии.

Вскоре после открытия лизосом ученые стали все больше узнавать об этих органеллах. Так, было показано, что определенные «порции» цитоплазмы отделяются (секвестрируются) мембранными структурами во время нормального развития почек у мышей. Выявлено, что аналогичные структуры, содержащие небольшой объем цитоплазмы и митохондрий, находятся в клетках проксимальных канальцев при гидронефрозе.

Ученые установили, что вакуоли группируются вместе с гранулами, содержащими кислые фосфатазы. Также стало известно, что количество таких структур увеличивается по мере интенсификации дегенеративных процессов.

Мембранные структуры, содержащие дегенеративную цитоплазму, находились и в нормальной печени (исследовалось на крысах), но их количество существенно возрастало при воздействии на животное глюкагоном (перфузией) или токсическими агентами.

Понимая, что эти структуры обладают свойством переваривать части внутриклеточного содержимого, Кристиан де Дюв ввел термин «аутофагия» в 1963 г. и широко описал эту концепцию в публикации, сделанной несколькими годами позже.

На протяжении следующих десятилетий достижения в этой области были весьма ограниченными. Установлено, что питательная среда и гормоны оказывают влияние на аутофагию, в частности, стимулирование инсулином супрессирует аутофагию в тканях млекопитающих.

Одно из исследований продемонстрировало, что на ранних этапах процесса происходит формирование двухмембранной структуры - фагофоры, которая образуется вокруг участка цитоплазмы и замыкается в пузырек, не содержащий гидролитических ферментов, - аутофагосому (см. рис. 1).

Открытие Осуми - поворотный этап в понимании аутофагии

Несмотря на понимание того, что аутофагия - чрезвычайно важный клеточный процесс, механизмы его функционирования и регуляции не были известны. Исследования этого процесса были довольно непростыми, поскольку период жизни фаговор и аутофагосом очень короткий. Аутофагосома существует только 10–20 мин перед слиянием с лизосомой, поэтому морфологические и биохимические исследования проводить крайне сложно. Работой в этом направлении занимались неохотно. Всего лишь несколько исследовательских лабораторий по всему миру изучали этот процесс, в основном используя сравнительные и описательные подходы и фокусируясь на поздних стадиях аутофагии, то есть непосредственно перед слиянием с лизосомой.

В начале 1990-х годов, почти через 30 лет после введения Кристианом де Дювом термина «аутофагия», еще не были выделены молекулярные маркеры и не были описаны компоненты (этапы) механизма аутофагии. Множество фундаментальных вопросов оставались открытыми: инициация процесса, формирование аутофагосом, роль аутофагии в клеточном и организменном выживании, влияние на патогенез заболеваний.

В это время Е. Осуми, тогда ассистент профессора в Токийском университете, принял решение изучать аутофагию, используя дрожжи Saccharomyces cerevisae в качестве модельной системы.

Первое, что решил узнать ученый, - существует ли аутофагия в этих одноклеточных организмах. Вакуоли дрожжей являются эквивалентом лизосом млекопитающих. Е. Осуми предположил, что если аутофагия существует у дрожжей, ингибирование вакуольных ферментов приведет к накоплению поглощенных цитоплазматических компонентов в вакуоли. Для того чтобы проверить выдвинутую гипотезу, он создал штамм дрожжей, у которых отсутствовали вакуольные протеазы: протеаза А, протеаза В и карбоксипептидаза.

Он выявил, что аутофагические тела накап­ливаются в вакуоле при росте дрожжей в обед­ненной питательной среде. Такие вакуоли становились очень большими, и их можно было исследовать под световым микроскопом.

Е. Осуми идентифицировал уникальный фенотип, который стал использовать для открытия генов, регулирующих индукцию аутофагии. Ученый индуцировал случайные мутации. И одна из них оказалась первой удачей: он смог найти первый ген, при мутации которого не отмечено накопления аутофагических телец, то есть не происходят начальные этапы процесса аутофагии. Этот ген он назвал - ген аутофагии 1 (autophagy gene 1 - APG-1 ). Продолжая работу в том направлении, ученому удалось выявить 75 мутаций.

В 1993 г. он опубликовал статью, в которой сообщил об открытии 15 генов, играющих ключевую роль в активации аутофагии в эукариотических клетках. Они получили название APG-1–15 . После открытия этих генов у других организмов всей группе было присвоено название ATG -гены. Эта номенклатура используется вплоть до настоя­щего времени.

На протяжении последующих лет Е. Осуми клонировал некоторые ATG -гены и охарактеризовал их функции. Клонирование гена ATG-1 позволило узнать, что он кодирует серин/треониновую киназу. Таким образом, было доказано, что в процессе аутофагии происходит фосфорилирование белков (присоединение фосфатного остатка, что является одним из самых распространенных механизмов посттрансляционной модификации белка, приводящей к изменению его активности).

Дополнительные исследования показали, что ATG-1 формирует комплекс с белком, кодируемым геном ATG-13 , и что это взаимодействие регулируется TOR-киназой (рис. 2).

TOR-киназа регулирует клеточный рост и выживание. Она активна в клетках, растущих в среде, богатой питательными веществами. Она фосфорилирует ATG-13 и препятствует формированию комплекса ATG-13:ATG-1 . Так, при голодании TOR-киназа инактивируется и дефосфорилированный ATG-13 соединяется с ATG-1 .

ATG-13:ATG-1 соединяется с ATG-17, ATG-29 и ATG-31 . Образование этого пентамерного комплекса является первым этапом в каскаде реакций, необходимых для формирования ауто­фагосомы.

Формирование аутофагосомы также требует наличия интегрального белка (пронизывающего мембрану) - ATG-9, фермента фосфатидилинозитола-3-киназы (PI3K) и ряда других протеинов (Vps-34, Vps-15, ATG-6 и ATG-14).

Для формирования мембраны требуются дополнительные белки и молекула фосфатидил­инозитол-3 фосфата. Расширение мембраны с образованием зрелой аутофагосомы происходит при активности двух каскадов убиквитинсопряженных реакций.

В вопросах клеточного функционирования большое значение имеет локализация белков. Е. Осуми сделал интереснейшее открытие: в нормально растущих клетках дрожжей белок ATG-8 распределяется равномерно по всей цитоплазме. А в случае голодания этот же белок формирует крупные агрегаты, которые скапливаются в аутофагосомах и аутофаготических тельцах.

Ученому принадлежит еще одно удивительное открытие. Оказалось, что мембранная локализация гена ATG-8 зависит от двух увиквитинсопряженных реакций, которые работают последовательно. Они приводят к ковалентному (наиболее крепкому) присоединению ATG-8 к липидной мембране, а именно - к молекуле фосфатидилэтаноламина. Обе системы активируются одним и тем же ферментом - ATG-7.

Во время первого этапа ATG-12 активируется путем формирования тиоэфирной связи с остатком серосодержащей аминокислоты - цистеином, которая входит в состав ATG-7. Затем он переносится на сопряженный фермент ATG-10, катализирующий образование ковалентной связи с белком ATG-5.

Комплекс ATG-12:ATG-5 вовлекает ATG-16, и вместе белки формируют тримолекулярную структуру. Она также критически важна в аутофагии, поскольку приобретает функцию фермента - лигазы, который задействован во второй убиквитинсопряженной реакции. В этой второй уникальной реакции аргинин, расположенный на С-конце белка ATG-8, убирается белком ATG-4. Теперь уже подготовленный белок ATG-8 активируется ATG-7 для последующего переноса. Наконец две сопряженные системы пересекаются. ATG-12:ATG-5:ATG-16-лигаза способствует присоединению ATG-8 к фосфатидилэтаноламину (к мембране).

Соединенный с липидами ATG-8 является ключевым драйвером удлинения (элонгации) и слияния аутофагосом. Обе сопряженные системы являются высококонсервативными процессами.

У млекопитающих аналог белка ATG-8 называется LC3, и он используется в качестве маркера формирования аутофагосом.

Есинори Осуми

Японский клеточный биолог, специализация - изучение аутофагии. Работает профессором в Институте инновационных исследований Технологического университета Токио. Образование получил в Университете Токио. В 1974–1977 гг. работал в Университете Рокфеллера, затем вернулся в Японию и получил ставку научного сотрудника. В 1996 г. перешел в Национальный институт фундаментальной биологии (National Institute for Basic Biology), где со временем ему было присуждено звание профессора. С 1998 г. является руководителем исследовательской группы.

Аутофагия и патологические процессы

Изучение молекулярных принципов аутофагии позволило понять патогенез многих заболеваний (рис. 3). В то же время в этой теме еще очень многое остается не изученным.

© Нобелевский комитет по физиологии или медицине (The Nobel Committee for Physiology or Medicine). Иллюстратор: Маттиас Карлен (Mattias Karlén)

Как известно, аутофагия первоначально открыта в виде клеточного ответа на стресс, но сейчас известно, что этот процесс активен и на ранних стадиях дифференциации клеток. В отличие от убиквитин-протеосомной системы, которая в основном деградирует белки с коротким сроком жизни, аутофагия позволяет клетке избавиться от долгоживущих белков. Кроме того, это единственный известный процесс, позволяющий уничтожать целые органеллы, такие как митохондрии, пероксисомы, эндоплазматический ретикулум и прочие. Таким образом, аутофагия играет важнейшую роль в поддержании клеточного гомеостаза. Более того, этот процесс задействован во множестве нормальных процессов, в частности - эмбриогенезе, клеточной дифференциации, которые требуют удаления тех или иных частей цитоплазмы.

Аутофагия прямо или косвенно связана с развитием множества заболеваний.

Онкологические заболевания развиваются несколькими путями и связаны с дифференцировкой клеток. Аутофагия в некоторых случаях защищает организм от развития онкопатологии (онкосупрессор), а в некоторых - способствует развитию злокачественных новообразований. Поскольку аутофагия - это в первую очередь механизм выживания клетки, она помогает выживанию раковых клеток. Это связано с тем, что при изменении фенотипа нормальных клеток, когда они становятся злокачественными, существенно ускоряется скорость их деления и клетки испытывают голодание, гипоксию и пр. В этот момент запускается механизм аутофагии, помогающий клеткам переваривать некоторые участки и выживать в неблагоприятной среде.

Также с помощью аутофагии могут уничтожаться апоптические медиаторы. В таких случаях перспективным терапевтическим направлением представляется ингибирование поздних стадий аутофагии.

Интерес представляет белок Beclin-1 - продукт гена BECN-1 (гомолог дрожжевого гена ATG-6 , регулирующего этапы инициа­ции аутофагии). Экспрессия мутированного белка Beclin-1 характерна для ряда онкологических заболеваний, в частности группы рака молочной железы и яичника. В экспериментах на моделях мышей показано, что гиперэкспрессия нормального Beclin-1 приводит к подавлению опухолевого процесса.

Таким образом, влияние на аутофагию может стать эффективным способом борьбы с онкологическими заболеваниями.

Поскольку интенсивность аутофагии снижается с возрастом, существуют гипотезы, что этот процесс играет ключевую роль в развитии болезней, ассоциированных со старением. По некоторым данным, снижение активности аутофагии связано с развитием остеоартроза.

Одна из наиболее популярных теорий развития нейродегенеративных заболеваний (в настоящее время) также отводит аутофагии значимую роль в этом процессе. Как известно, неправильно упакованные белки имеют тенденцию к формированию нерастворимых агрегатов, являющихся токсичными для клеток. Способность клетки противостоять этому процессу целиком и полностью зависит от активности аутофагии. В исследованиях, проведенных на животных моделях, показано, что активация аутофагии путем ингибирования TOR-киназы приводит к снижению токсичности белковых агрегатов. Кроме того, выключение генов ATG-5 и ATG-7 в нейронах головного мозга мышей приводит к развитию нейродегенеративных заболеваний.

Существует ряд аутосомно-рецессивных нарушений, при которых у человека изменяются процессы аутофагии. Среди них - порок развития мозга, задержки в развитии, умственная отсталость, нарушения двигательных функций, нейродегенерация и другие.

Е. Осуми и его коллеги стали первыми учеными, которые смогли идентифицировать гомологи ATG у млекопитающих. Это позволило проводить исследования аутофагии у высших эукариот.

Со временем были представлены убедительные доказательства того, что аутофагия существует и в клетках всех млекопитающих. Это было подтверждено рядом исследований с использованием электронной микроскопии. Стало известно, что аутофагия присутствует на различных стадиях клеточной дифференциации - от наименее дифференцированных клеток до узкоспециализированных. Тогда было высказано предположение, что аутофагия может быть ответом организма на метаболический стресс, и что процесс может играть роль в патогенезе ряда заболеваний. Со временем было выявлено, что аутофагия существует и в одноклеточных организмах - простейших, что указывало на консервативный характер этого механизма.

Новаторские открытия Е. Осуми существенно повысили интерес к процессу аутофагии. Этот сегмент стал одним из наиболее изучаемых в сфере биомедицинских исследований. Так, в начале 2000-х годов ученые делали не более 150 публикаций в год на эту тему, а в 2015 г. их было более 4 тыс.

На основании фундаментальных открытий Е. Осуми были выделены различные типы ауто­фагии. Критерием к их разделению послужил объем вещества, который они деградируют. Наиболее изучен процесс макроаутофагии, при котором деградации подвергаются большие объемы цитоплазмы и клеточные органеллы.

Ученые также выяснили, что существует селективная и неселективная аутофагия. Неселективная аутофагия происходит постоянно, в основном она индуцируется стрессом, в частности - голодом. Селективная аутофагия специ­фических классов субстрата - протеиновых агрегатов, цитоплазматических органелл, вирусов и бактерий, включает специфические адапторы, распознающие субстрат и присоединяющие его к ATG-8/LC3, расположенному на мембране аутофагосомы.

Таким образом, открытие молекулярных основ механизма аутофагии позволило ученым понять очень важный клеточный процесс, характерный для всех эукариот. В настоящее время в этой сфере все еще остается много неизвестного современной науке.

Галина Галковская,
Евгения Бочерикова
© The Nobel Committee for Physiology
or Medicine; фото и иллюстрации
© The Nobel Committee for Physiology or Medicine

Аутофагия (в переводе с греческого языка ‘самопоедание’) - это процесс утилизации органелл и макромолекул в клеточных компартментах, образующихся при слиянии аутофагосом с лизосомами. В ходе аутофагии клетка адаптируется к тяжелым условиям. Когда недостаточен приток питательных веществ извне, клетка жертвует частью собственных макромолекул и органелл, чтобы получить элементы (мономеры), из которых могут быть синтезированы новые белки, нуклеиновые кислоты, липиды и углеводы, и существовать дальше. Процесс аутофагии важен для удаления из клетки поврежденных компонентов, например белковых агрегатов. В ходе этого процесса в клеточной цитоплазме поврежденные макромолекулы и органеллы попадают в специализированный компартмент, в котором расщепляются до малых молекул. Эти мономеры могут стать строительными блоками для образования новых биополимеров и органелл в случае голодания и недостатка энергии.

Аутофагия сопровождает жизнедеятельность любой нормальной клетки в обычных условиях. Однако чрезмерная аутофагия может приводить к клеточной смерти. В настоящее время аутофагия рассматривается как один из видов программируемой клеточной смерти наряду с апоптозом и некроптозом.

История исследований и Нобелевская премия 2016

Термин «аутофагия» для способа доставки цитоплазматического материала клетки в лизосомы с целью последующей деградации ввел в 1963 году бельгийский биохимик Кристиан де Дюв, первооткрыватель лизосом. Лизосомы - это клеточные органеллы, содержащие множество гидролитических ферментов, работающих в кислой среде. Впоследствии было обнаружено, что в процессе аутофагии в цитоплазме сначала образуются аутофагосомы - пузырьки, окруженные двухслойной мембраной, содержащие часть цитоплазмы и клеточные органеллы (митохондрии, рибосомы, фрагменты эндоплазматического ретикулума). Аутофагосомы далее сливаются с лизосомами, в образовавшихся при этом аутолизосомах происходит деградация макромолекул и органелл в результате действия лизосомных ферментов - гидролаз. Де Дюв получил Нобелевскую премию в 1974 году «за открытия, касающиеся структурной и функциональной организации клетки».

Лауреат Нобелевской премии 2016 года Ёсинори Осуми начал исследование аутофагии в дрожжевых клетках и с помощью генетического подхода обнаружил полтора десятка генов, инактивация которых приводила к дефектам в образовании аутофагосом. Эти гены были клонированы и секвенированы. Исследование функционирования белковых продуктов этих генов привело в дальнейшем к выяснению молекулярных механизмов индукции, протекания и регуляции аутофагии. Эти гены по современной номенклатуре называются ATG (Autophagy-related Genes ). В настоящее время открыто уже более тридцати генов ATG. Осуми показал, что аутофагия - это действительно запрограммированный процесс, то есть процесс, который кодируется в геноме. Если мутировать или отключить важные для аутофагии гены, то аутофагии происходить не будет.

// Yoshinori_Osumi_201511

Между гомологичными генами дрожжей и млекопитающих есть существенное сходство. Белковые продукты этих генов отличаются небольшим количеством аминокислотных замен. Если какой-то ген у дрожжей отвечает за аутофагию, то, скорее всего, похожий ген у животных и человека будет выполнять подобные функции. Генетику аутофагии было проще исследовать в дрожжевых клетках. Но параллельно с изучением механизмов аутофагии у дрожжей в лаборатории, возглавляемой Ёсинори Осуми, были обнаружены гомологи ряда дрожжевых генов ATG в клетках млекопитающих. Исследование функционирования белков млекопитающих, кодируемых этими генами, показало, что молекулярные механизмы аутофагии высококонсервативны у эукариот, то есть мало отличаются у таких эволюционно далеких организмов, как дрожжи и человек.

В лаборатории Ёсинори Осуми при изучении белка LC3 млекопитающих, гомолога дрожжевого белка ATG8, были обнаружены процессированная (укороченная) и липидированная формы белка - LC3-I и LC3-II соответственно. Эти формы в настоящее время стали популярными маркерами аутофагосом и индикаторами аутофагии. Далее была создана трансгенная мышь, экспрессирующая рекомбинантный белок, состоящий из LC3 и зеленого флуоресцирующего белка GFP. Это позволило легко визуализовать аутофагию с помощью флуоресцентной микроскопии и изучить кинетику и интенсивность аутофагии в разных органах мыши при голодании. В лаборатории Ёсинори Осуми была также впервые создана мышь с нокаутированным ATG геном. Гомозиготные мышата с нокаутированным ATG5 рождались нормально, но погибали в течение 24 часов после рождения. Это показало, что аутофагия существенна для неонатального развития у млекопитающих. Созданные в лаборатории Ёсинори Осуми трансгенные по GFP-LC3 и одновременно нокаутированные по ATG5 мыши успешно используются мировым научным сообществом для изучения физиологического значения аутофагии у млекопитающих. Ёсинори Осуми также принял участие в идентификации гомологов генов ATG у высших растений и в демонстрации их участия в аутофагии, что еще раз подтвердило консервативную и фундаментальную роль аутофагии у эукариот.

Типы и механизмы аутофагии

Существует три типа аутофагии: макроаутофагия, микроаутофагия и шаперон-зависимая аутофагия. При микроаутофагии мембрана лизосомы образует впадину, в которую попадает часть цитоплазмы, а затем эта впадина замыкается, образовавшийся пузырек транспортируется внутрь лизосомы, где происходит деградация его содержимого. При шаперон-зависимой аутофагии комплексы дефектных белков с шаперонами попадают в лизосомы при участии специфических мембранных рецепторов.

Ёсинори Осуми получил Нобелевскую премию за исследования макроаутофагии, которую обычно называют просто аутофагией. Под действием сигналов, инициирующих макроаутофагию, образуется так называемый фагофор, который состоит из липидной мембраны и ряда белков, кодируемых генами ATG или гомологами генов ATG. С помощью сложной системы регуляции к фагофору привлекаются новые ATG-белки, собираются мультикомпонентные комплексы, мембрана растет, и образуется незамкнутая структура, по форме напоминающая шапочку, которая окружает часть цитоплазмы (см. рисунок). Затем двухслойная мембрана замыкается, и внутри получившегося пузырька, называемого аутофагосомой, оказываются макромолекулы и органеллы (рибосомы, митохондрии, фрагменты эндоплазматического ретикулума). Образовавшаяся аутофагосома сливается с лизосомой и образует аутофаголизосому, внутри которой происходит деградация макромолекул и органелл. В этом процессе участвуют белковые продукты более 30 генов ATG, существенная часть которых была открыта в работах Ёсинори Осуми.

Аутофагия и клеточная смерть

Аутофагия считается одним из видов программируемой клеточной смерти, но сведения о смерти от аутофагии достаточно противоречивы. Есть многочисленные данные о том, что аутофагия играет защитную функцию при неблагоприятных условиях, то есть пытается спасти клетку от смерти. При этом полагают, что чрезмерная аутофагия может привести к клеточной смерти. Однако не всегда исследователи различают смерть, которая сопровождается аутофагией, и смерть, для которой аутофагия является причиной.

Международное сообщество выработало три критерия аутофагической клеточной смерти. Во-первых, клеточная смерть должна происходить без признаков апоптоза, основного вида программируемой клеточной смерти. Не должно быть активации каспаз, конденсации хроматина, характерной фрагментации ДНК. Во-вторых, должна усиливаться аутофагия, то есть должно повышаться количество аутофагосом и аутолизисом, уровень аутофагических маркеров (процессинг LC3, например). И, наконец, третий критерий состоит в том, что мутирование генов, которые необходимы для аутофагии, или подавление ATG-белков с помощью фармакологических ингибиторов должно предотвращать клеточную смерть. Эти три критерия необходимы для того, что мы называем истинной смертью от аутофагии. В реальности смерть клеток часто сопровождается аутофагией, но таких случаев, где было бы доказано, что аутофагия является настоящей причиной смерти, очень мало.

Значение аутофагии для медицины

Аутофагия играет важную роль при ряде заболеваний, включая канцерогенез и нейродегенеративные болезни. Роль аутофагии в канцерогенезе противоречива. С одной стороны, процесс аутофагии способствует выживанию опухолевых клеток, выступая промотором формирования опухолей. С другой стороны, существует достаточно доказательств, что аутофагия может стать супрессором развития новообразований. По-видимому, аутофагия играет супрессорную роль в развитии опухолей на ранних стадиях клеточной трансформации, а для уже сформировавшихся опухолей аутофагия выполняет защитную функцию, придавая ее клеткам устойчивость к химиотерапии, что приводит в конечном итоге к быстрой прогрессии заболевания.

В настоящее время активно идут клинические исследования ингибиторов аутофагии, использование которых в терапии злокачественных новообразований представляется перспективным. Но надо учитывать, что эти ингибиторы могут быть эффективны на одной стадии рака и работать в противоположном направлении на другой стадии. Понимание молекулярных механизмов активации и ингибирования аутофагии, а также механизмов ее регуляции может послужить основой для разработки новых лекарственных препаратов и повышения эффективности методов лечения злокачественных новообразований.

С помощью аутофагии клетка избавляется от дефектных белков и органелл. Особенно это актуально для неделящихся долгоживущих клеток, таких как нервные клетки. При нейродегенеративных заболеваниях в нейронах накапливаются агрегаты неправильно свернутых белков, например бета-амилоида при болезни Альцгеймера и альфа-синуклеина при болезни Паркинсона. Для правильной работы аппарата аутофагии необходим баланс между образованием аутофагосом и их деградацией в лизосомах. Нарушение этого баланса приводит к гибели нервных клеток. Показано, что повышенная аккумуляция аутофагосом в нейронах ассоциирована с нейродегенеративными заболеваниями (болезнями Альцгеймера, Паркинсона, Хантингтона). К этим же заболеваниям приводят мутации ATG-генов. Таким образом, выяснение механизмов регуляции аутофагии необходимо для борьбы с нейродегенеративными заболеваниями.

Дальнейшие исследования, открытые вопросы

Как в любой области молекулярной и клеточной биологии, в исследованиях аутофагии существует много вопросов, на которые пока ответ не дан. На самом деле механизмы аутофагии поняты не полностью. Необходимы исследования, направленные на изучение регуляции аутофагии. В будущем, наверное, будут открыты новые молекулы, которые регулируют этот процесс. Ученые разработают лекарства, которые ингибируют аутофагию или, наоборот, ее усиливают, и исследуют, насколько эти лекарства важны для лечения различных болезней. Знание молекулярных механизмов, как правило, открывает возможности для прикладных работ.

В среднем килограмм картофельных чипсов стоит в двести раз дороже, чем килограмм картофеля.

Последнее время мне все чаще задают вопросы об аутофагии. Сначала такая волна интереса к молекулярной биологии меня удивила. Но оказалось, дело в том, что различные «тренеры по питанию» рекомендуют делать длительные перерывы между приемами пищи, нечто типа голодания продолжительностью в 14-16 часов и называют этот процесс аутофагией.

Якобы во время такого голодания, организм перерабатывает старые, больные, поврежденные клетки и создает из них новые – молодые и здоровые. И якобы именно за изобретение такой «диеты» японский ученый Есинори Осуми получил Нобелевскую премию.

Если кротко, то все эти истории — неправда. Но короткого ответа в данной ситуации как мне кажется недостаточно. Поэтому давайте разбираться подробно.

Есинори Осуми на самом деле существует, он биолог, работает в сфере молекулярной биологии. И он действительно получил Нобелевскую премию за то, что «выяснил механизм аутофагии, самофагоцитоз, в котором голодные клетки используют собственный белки в качестве источника питания». Но никакого отношения к похудению и омоложению организма это не имеет вообще. Я думаю, господин Осуми вообще очень сильно бы удивился, если бы узнал о подобной трактовке его работы.

Что такое аутофагия

Это механизм, обнаруженный в клетках эукариотических организмов, от дрожжей до людей, предотвращающий накопление аномального количества белка в клетке, обеспечивающий рециркуляцию белков при чрезмерном их синтезе. В случае голодания, разрушение клеточных компонентов способствует выживанию клеток, поддерживая уровни клеточной энергии.

Аутофагия участвует в поддержании гомеостаза живых организмов путем устранения патогенных микроорганизмов, вторгшихся в цитоплазму.

При болезни аутофагия рассматривается в одних случаях как адаптивный ответ на стресс, который способствует выживанию, а в других, способствует гибели клеток и заболеванию (болезнь Альцгеймера, ИБС и др.).

Как работает аутофагия в масштабе организма

Для того чтобы клетки могли выполнять жизненно важные функции, организму необходимо синтезировать белки, которые состоят из аминокислот. То есть для того, чтобы клетки могли функционировать нормально, нужны незаменимые аминокислоты, служащие источником питательных веществ.

При голодании, когда питательные вещества истощаются, а поступление аминокислот прекращается, организму может быть нанесен серьезный ущерб, связанный с гибелью клеток. Однако считается, что клетки могут временно избежать этого повреждения с помощью аутофагии.

Когда происходит аутофагия, часть белка, всегда присутствующего в клетке, разлагается с образованием пептидов или аминокислот. Тем не менее, избегание голода при помощи аутофагии носит временный характер и не может помочь, если голод продолжается в течение длительного времени. А когда аутофагия прогрессирует чрезмерно, это приводит к гибели клеток.

Роль аутофагии в предотвращении и провоцировании заболеваний

Как уже понятно из написанного выше, аутофагию никак нельзя назвать процессом однозначно полезным или однозначно вредным. Все зависит от конкретной ситуации и интенсивности процесса.

Например, аутофагия играет важную роль при раке. И роль может быть абсолютно противоположной. Она может, как защищать от рака, уничтожая потенциально опасные клетки, так и способствовать прогрессированию рака, помогая выживать опухолевым клеткам.

Аутофагия при болезни Альцгеймера наносит вред . Исследователи из Центра RIKEN в Японии выяснили, что отсутствие аутофагии в нейронах предотвращает секрецию бета-амилоида и образование амилоидных бляшек в мозге. Те же данные получили исследователи из Университета Сарагосы.

А вот при наследственной форме болезни Паркинсона, наоборот, отсутствие аутофагии , служит причиной накопления компонентов вызывающих гибель нейронов.

На заболевания сердечно-сосудистой системы, аутофагия влияет как положительно так и отрицательно. При ранних стадиях, например, гипертонии аутофагия помогает быстрее восстановить ткани, но при избыточной активации может усилить их повреждение. Особенно с учетом того, что регенеративная способность тканей миокарда крайне ограничена.

Поскольку нарушение процесса аутофагии вовлечено в патогенез широкого спектра заболеваний, ученые всего мира прилагают большие усилия для выявления или создания лекарств которые будут способны ее регулировать. Не только ускорять, но и замедлять или даже останавливать.

Какое отношение аутофагия имеет к похудению и омоложению?

К похудению однозначно никакого. В контексте питания, аутофагия это механизм который при голодании, больших физических нагрузках и др. позволяет поддерживать гомеостаз. Можно сказать, благодаря аутофагии, организм может безвредно голодать какое-то время, получая нужные аминокислоты из собственных тканей. То есть это функция, сохраняющая жизнь организма, во время перебоев с получением пищи.

Поскольку лишний вес это отнюдь не лишние белки, а лишний жир, абсолютно непонятно как адепты «аутофагии для похудения» вообще связали этот процесс со снижением веса.

С омоложением тоже проблема. То, что одна клетка погибла, не означает, что новая, сформировавшаяся вместо нее будет лучше по качеству и никто не может гарантировать, что это не будет клетка злокачественной опухоли.

Хотя конечно, не следует сбрасывать со счетов, что дисфункции процесса аутофагии играют роль во многих возрастных заболеваниях. Например ученым удалось увеличить продолжительность жизни нематод и фруктовых мух увеличив аутофагию. Но учитывая разницу в физиологии нематоды и человека и роль аутофагии в нейродегенеративных и сердечно-сосудистых заболеваниях, нельзя сказать, что такие же методы приведут к увеличению продолжительность жизни человека.

В общем, чтобы делать какие-то выводы о влиянии процесса аутофагии на продолжительность жизни, придется подождать, пока исследователи всесторонне изучат этот процесс и получат однозначные ответы.

Резюмируя вышеизложенное можно сказать только одно. «Чудесной пилюли» для похудения как не было, так и нет. Чтобы похудеть, чувствовать себя лучше и выглядеть моложе, нужно воспользоваться простым старым способом – правильно питаться, заниматься физкультурой и нормально высыпаться.