Nobelovo shromáždění v Karolinska Institutet se dnes rozhodlo udělit Nobelovu cenu za fyziologii a medicínu za rok 2016 Yoshinori Ohsumimu za objevy mechanismů pro autofagii.
Shrnutí
Letošní laureát Nobelovy ceny objevil a objasnil mechanismy, které jsou základem autofagie, základního procesu degradace a recyklace buněčných komponent.
Slovo autofagie pochází z řeckých slov auto-, což znamená „já“, a phagein, což znamená „jíst“. Autofagie tedy znamená „sebe jíst“. Tento koncept se objevil v 60. letech 20. století, kdy výzkumníci poprvé pozorovali, že buňka může zničit svůj vlastní obsah tím, že jej uzavře do membrán, vytvoří váčky podobné pytlíkům, které byly transportovány do recyklačního prostoru zvaného lysozom k degradaci. Obtíže při studiu tohoto jevu znamenaly, že se toho vědělo jen málo, dokud Yoshinori Ohsumi v sérii skvělých experimentů na začátku 90. let nepoužil pekařské droždí k identifikaci genů nezbytných pro autofagii. Poté pokračoval v objasnění základních mechanismů autofagie u kvasinek a ukázal, že podobné sofistikované stroje se používají v našich buňkách.
Ohsumiho objevy vedly k novému paradigmatu v našem chápání toho, jak buňka recykluje svůj obsah. Jeho objevy otevřely cestu k pochopení zásadního významu autofagie v mnoha fyziologických procesech, jako je adaptace na hladovění nebo reakce na infekci. Mutace v autofagických genech mohou způsobit onemocnění a autofagický proces se účastní několika stavů včetně rakoviny a neurologických onemocnění.
Degradace – centrální funkce ve všech živých buňkách
V polovině 50. let vědci pozorovali nový specializovaný buněčný kompartment, nazývaný organela, obsahující enzymy, které tráví proteiny, sacharidy a lipidy. Tento specializovaný kompartment se nazývá "lysozom" a funguje jako pracovní stanice pro degradaci buněčných složek. Za objev lysozomu získal v roce 1974 belgický vědec Christian de Duve Nobelovu cenu za fyziologii a medicínu. Nová pozorování během 60. let minulého století ukázala, že uvnitř lysozomů lze někdy nalézt velké množství buněčného obsahu a dokonce i celé organely. Zdálo se tedy, že buňka má strategii pro doručování velkého nákladu do lysozomu. Další biochemická a mikroskopická analýza odhalila nový typ vezikul transportujících buněčný náklad do lysozomu k degradaci. Christian de Duve, vědec stojící za objevem lysozomu, vymyslel pro popis tohoto procesu termín autofagie, „sebepožírání“. Nové vezikuly byly pojmenovány autofagozomy.
Během 70. a 80. let se výzkumníci zaměřili na objasnění dalšího systému používaného k degradaci proteinů, konkrétně „proteazomu“. V rámci tohoto výzkumného pole byli Aaron Ciechanover, Avram Hershko a Irwin Rose oceněni Nobelovou cenou za chemii za rok 2004 za „objev degradace proteinů zprostředkované ubikvitinem“. Proteazom účinně degraduje proteiny jeden po druhém, ale tento mechanismus nevysvětluje, jak se buňka zbavila větších proteinových komplexů a opotřebovaných organel. Mohl by být odpovědí proces autofagie, a pokud ano, jaké byly mechanismy?
Přelomový experiment
Yoshinori Ohsumi byl aktivní v různých oblastech výzkumu, ale po založení vlastní laboratoře v roce 1988 zaměřil své úsilí na degradaci proteinů ve vakuole, organele, která odpovídá lysozomu v lidských buňkách. Kvasinkové buňky se poměrně snadno studují, a proto se často používají jako model pro lidské buňky. Jsou zvláště užitečné pro identifikaci genů, které jsou důležité v komplexních buněčných drahách. Ale Ohsumi čelil velké výzvě; kvasinkové buňky jsou malé a jejich vnitřní struktury nejsou pod mikroskopem snadno rozlišitelné, a proto si nebyl jistý, zda v tomto organismu autofagie vůbec existuje. Ohsumi usoudil, že pokud by mohl narušit degradační proces ve vakuole, zatímco byl proces autofagie aktivní, pak by se autofagozomy měly hromadit ve vakuole a stát se viditelnými pod mikroskopem. Proto kultivoval mutované kvasinky postrádající vakuolární degradační enzymy a současně stimuloval autofagii hladověním buněk. Výsledky byly ohromující! Během několika hodin byly vakuoly naplněny malými vezikuly, které nebyly degradovány. Vezikuly byly autofagozomy a Ohsumiho experiment prokázal, že v kvasinkových buňkách existuje autofagie. Ale ještě důležitější je, že nyní měl metodu, jak identifikovat a charakterizovat klíčové geny, které se účastní tohoto procesu. To byl velký průlom a Ohsumi zveřejnil výsledky v roce 1992.
Byly objeveny autofagické geny
Ohsumi nyní využil svých upravených kmenů kvasinek, ve kterých se během hladovění hromadily autofagozomy. K této akumulaci by nemělo dojít, pokud by geny důležité pro autofagii byly inaktivovány. Ohsumi vystavil kvasinkové buňky chemické látce, která náhodně zavedla mutace do mnoha genů, a pak vyvolal autofagii. Jeho strategie fungovala! Během jednoho roku od objevu autofagie u kvasinek Ohsumi identifikoval první geny nezbytné pro autofagii. V jeho následné sérii elegantních studií byly proteiny kódované těmito geny funkčně charakterizovány. Výsledky ukázaly, že autofagie je řízena kaskádou proteinů a proteinových komplexů, z nichž každý reguluje odlišnou fázi iniciace a tvorby autofagozomů.
Autofagie – základní mechanismus v našich buňkách
Po identifikaci zařízení pro autofagii u kvasinek zůstala klíčová otázka. Existoval odpovídající mechanismus pro řízení tohoto procesu v jiných organismech? Brzy se ukázalo, že prakticky identické mechanismy fungují v našich vlastních buňkách. Nyní byly k dispozici výzkumné nástroje potřebné ke zkoumání důležitosti autofagie u lidí.
Díky Ohsumimu a dalším, kteří jdou v jeho stopách, nyní víme, že autofagie řídí důležité fyziologické funkce, kde je třeba degradovat a recyklovat buněčné složky. Autofagie může rychle poskytnout palivo pro energii a stavební kameny pro obnovu buněčných složek, a je proto nezbytná pro buněčnou odpověď na hladovění a další typy stresu. Po infekci může autofagie eliminovat napadající intracelulární bakterie a viry. Autofagie přispívá k vývoji embryí a diferenciaci buněk. Buňky také používají autofagii k odstranění poškozených proteinů a organel, což je mechanismus kontroly kvality, který je kritický pro potlačení negativních důsledků stárnutí.
Narušená autofagie je spojována s Parkinsonovou chorobou, diabetem 2. typu a dalšími poruchami, které se objevují u starších lidí. Mutace v autofagických genech mohou způsobit genetické onemocnění. Poruchy v autofagickém aparátu byly také spojeny s rakovinou. Nyní probíhá intenzivní výzkum zaměřený na vývoj léků, které se mohou zaměřit na autofagii u různých nemocí.
Autofagie je známá již více než 50 let, ale její zásadní význam ve fyziologii a medicíně byl uznán až po výzkumu Yoshinori Ohsumiho, který změnil paradigma v 90. letech. Za své objevy mu byla udělena letošní Nobelova cena za fyziologii nebo medicínu.
Klíčové publikace
Takeshige, K., Baba, M., Tsuboi, S., Noda, T. a Ohsumi, Y. (1992). Autofagie u kvasinek prokázaná s mutanty s deficitem proteinázy a podmínkami pro její indukci. Journal of Cell Biology 119, 301-311
Tsukada, M. a Ohsumi, Y. (1993). Izolace a charakterizace autofagy-defektních mutantů Saccharomyces cervisiae. FEBS Letters 333, 169-174
Mizushima, N., Noda, T., Yoshimori, T., Tanaka, Y., Ishii, T., George, M. D., Klionsky, D. J., Ohsumi, M. a Ohsumi, Y. (1998). Systém konjugace proteinů nezbytný pro autofagii. Nature 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. a Ohsumi, Y. (2000). Systém podobný ubikvitinu zprostředkovává lipidaci proteinů. Příroda, 408, 488-492
Yoshinori Ohsumi se narodil v roce 1945 v japonské Fukuoce. Získal titul Ph. D. z University of Tokyo v roce 1974. Po třech letech strávených na Rockefeller University, New York, USA, se vrátil na University of Tokyo, kde v roce 1988 založil svou výzkumnou skupinu. Od roku 2009 je profesorem na Tokijském technologickém institutu.
