אוטופגיה

אוטופגיה (או אוטופאגוציטוזיס) הוא המנגנון הטבעי שגורם להרס ופירוק של מרכיבים תאיים לא מתפקדים או לא נחוצים, דרך תהליך מבוקר.
אוטופגיה מאפשרת דגרדציה מסודרת ומחזור של מרכיבים תאיים. במהלך תהליך זה, מרכיבים ציטופלזמטיים מבודדים משאר התא בתוך וזיקולה שעשויה מממברנה דו-שכבתית שנקראת אוטופאגוזום. לאחר מכן, האוטופאגוזום עובר איחוי עם ליזוזום ותוכנו עובר פירוק ומחזור. ישנן שלוש צורות שונות של אוטופגיה- מקרואוטופגיה, מיקרואוטופגיה ואוטופגיה מתווכת חלבון סוכך. בהקשר של מחלות, אוטופגיה נראה כתגובה נרכשת ללחץ שמעודדת שרידות, בעוד במקרים אחרים התהליך מעודד מוות תאי. במקרה הקיצוני של רעב, הפירוק של מרכיבים תאיים מעודד הישרדות של התאים על ידי שמירה על רמות אנרגיית התא. 
השם "אוטופגיה" נטבע על ידי הביוכימאי הבלגי, כריסטיאן דה דוב בשנת 1963. אחת מפריצות הדרך הגדולות בתחום זה נעשתה על ידי יושינורי אושומי. הוא גילה את המנגנון שעומד מאחורי התהליך באמצעות שימוש בשמרים.

תהליכים ומסלולים

ישנם שלושה מסלולי אוטופגיה והם מתווכים בעזרת גנים קשורי-אוטופגיה ואנזימים.
מקרואוטופגיה הוא המסלול הראשי, משמש בעיקר לחסל אברונים של תאים פגומים או חלבונים שלא בשימוש. זה כולל יצירה של אוטופגוזום, העשוי מממברנה כפולה, בקרבת האברון שסומן להרס. לאחר מכן, האוטופגוזום נע בציטופלזמת התא לעבר ליזוזום ושני אלה עוברים איחוי. בתוך הליזוזום תכולת הפאגוזום עוברת פירוק על ידי הידרולאזות ליזוזומאליות חומציות.
מסלול המיקרואוטופגיה, כולל בליעה ישירה של חומר ציטופלזמטי לתוך הליזוזום. התהליך מתרחש על ידי שקיעה פנימה של ממברנת הליזוזום או התבלטות ממברנת התא.
אוטופגיה מתווכת חלבון סוכך, הוא מסלול ספציפי, שכולל הכרה על ידי קומפלקס חלבונים מיוחד. במסלול זה החלבון המועמד לפרוק חייב להכיל אתר הכרה לקומפלקס זה כדי שיוכל להיקשר אליו.

ביולוגיה מולקולרית

תהליך האוטופגיה מתחיל בעזרת קומפלקס הקינאז ULK1 שמכיל את ULK1, ATG13, ATG17 ומקבל אותות לחץ מקומפלקס mTOR1. כשפעילות הקינאז mTOR1 מעוכבת, מתרחשת יצירת האוטופגוזום. זה מערב את Vps34 שיוצר קומפלקס עם Beclin 1 לאחר קשר עם AMBRA1, Bif-1 ו-Bcl-2 שמבקרים את תכונות הקשירה שלו. ההיקשרות ל-Vps34 חיונית בגלל פעילותו של קינאז ליפידים. מחקרים אחרונים מציעים ש-ULK1 מזרחן את Beclin-1 שמאתחל את פעילות קומפלקס VPS34 שמכיל את ATG14L, ובכך מעודד השראת אוטופגיה. יצירת האוטופגוזום גם מצריכה Atg12 ו-LC3, מערכת איחוד חלבונים שדומה לאוביקוויטין. מערכת ה-LC3 חשובה להבשלת והעברת האוטופגוזום. ברגע שאוטופגוזום מבשיל, הוא מאחה את הממברנה הפנימית שלו עם ליזוזומים כדי לפרק את תכולתו.
בתלות במיקום חלבון מדכא הגידולים p53, זה לוקח תפקיד אחר בבקרה על אוטופגיה. כאשר הוא ממוקם באזור הגרעין, p53 מתפקד כגורם שעתוק כדי לשפעל את DRAM1 ואת Sestrin-2 שמשפעלים את תהליך האוטופגיה. בציטופלזמה, p53 מעכב אוטופגיה. לכן, כדי לגרום לאוטופגיה, p53 מפורק בפרוטאזומים.

רעב לחומרי מזון

לאוטופגיה יש מספר תפקידים בפעילויות תאיות שונות. דוגמה אחת היא בשמרים, שהרעב לחומרי המזון מוביל לרמות גבוהות של אוטופגיה. זה מאפשר לחלבונים לא נחוצים להיות מפורקים וחומצות האמינו ממוחזרות כדי לייצר חלבונים הכרחיים להישרדות. באאוקריוטים מפותחים יותר, אוטופגיה מושרה בתגובה למחסור בחומרי מזון שמתרחש בבעלי חיים בלידה, בעת ההתנתקות מאספקת המזון מהשליה, כמו כן ברעב של תאים בתרביות וברקמות. תאי שמרים מוטנטים שיש להם יכולות אוטופגיה מופחתות, מתים מהר בתנאים של מחסור מזון.

קסנופגי (פירוק על ידי אוטופגיה של חלקיקים זיהומיים)

למנגנון האוטופגיה התאי יש גם תפקיד חשוב מערכת החיסון המולדת. פתוגנים תוך תאיים, למשל כמו Mycobacterium tuberculosis (החיידק שאחראי למחלת השחפת), מיועדים לפירוק על ידי אותם מנגנוני בקרה תאיים שמסמנים לפירוק את המיטוכונדריה של המאכסן. תהליך זה מוביל, באופן כללי, להרס האורגניזם הפולש, אף על פי שמספר חיידקים יכולים לחסום את הבשלת הפאגוזומים לאברונים מפרקים שנקראים פאגוליזוזומים. עידוד אוטופגיה בתאים מודבקים יכול לעזור להתגבר על תופעה זו ולהחזיר את פירוק הפתוגן.

אוטופגיה וזיהום

חושבים שהוירוס Vesicular stomatitis נלקח מהציטוזול אל האוטופגוזום ומועבר אל האנדוזומים. שם מתרחש זיהוי בעזרת רצפטורים מיוחדים, שמאתרים RNA חד גדילי. לאחר שפעול רצפטורים אלו, מתחילה שרשרת אותות תוך תאיים שמובילה להשראת יצירה של אינטרפרון וציטוקינים אנטי-ויראלים נוספים. תת-קבוצה של וירוסים וחיידקים מנצלים את מסלול האוטופגיה כדי לקדם את החלוקה שלהם. Galectin-8 שלאחרונה זוהה כ"רצפטור סכנה" תוך תאי, מסוגל להתחיל את תהליך האוטופגיה כנגד פתוגנים תוך תאיים. כאשר galectin-8 קושר וקואולה פגומה, הוא מגייס מתאם אוטופגיה (כמו NDP52) ומוביל ליצירת אוטופגוזום ופירוק של חיידקים.

מנגנון תיקון

אוטופגיה מפרק אברונים, ממברנות תאים וחלבונים פגומים, וכישלון של אוטופגיה נחשב כאחת מהסיבות העיקריות לצבירה של נזק והזדקנות תאית.

מוות תאי מתוכנת

אחד מהמנגנונים של מוות תאי מתוכנת מקושר להופעת האוטופגוזום ותלוי בחלבונים של האוטופגיה. אחת השאלות שעולות היא האם האוטופגיה מסייע או מנסה למנוע את המוות התאי. מחקרים מורפולוגיים והיסטוכימיים עד היום לא הוכיחו קשר סיבתי בין תהליך האוטופגיה לבין מוות תאי. למעשה, יש ויכוחים שפעילות האוטופגיה בתאים גוססים היא בעצם מנגנון הישרדות. מחקרים פרמקולוגיים וביוכימיים חדשים הציעו שאוטופגיה השרדותי וקטלני יכול להיות מאופיין על ידי סוג ורמת אותות בקרה במהלך לחץ, בעיקר לאחר זיהום ויראלי. אך מחקרים אלה לא נבדקו במערכות לא ויראליות.

אוטופגיה והגבלה קלורית

מחקרים מציעים שאוטופגיה נחוץ לאפקט של הארכת תוחלת החיים כתוצאה מהגבלה קלורית. מחקר צרפתי משנת 2010 על נמטודות, עכברים וזבובים, מראה שעיכוב של אוטופגיה חושף את התאים ללחץ מטבולי. רסברטרול והגבלה על הדיאטה מאריכים את תוחלת החיים של נמטודות בעלות היכולת של אוטופגיה, אך לא אצל נמטודות שהאוטופגיה עוכב אצלן.

אוטופגיה והתעמלות

אוטופגיה נחוץ לשמירה על הומאוסטאזיס בסיסי. בנוסף, התהליך גם חשוב מאוד בשמירה על ההומאוסטאזיס של השרירים במהלך אימון גופני. הרמה המולקולרית של תהליך האוטופגיה מובנת רק באופן חלקי. מחקר על עכברים מראה שאוטופגיה חשוב לדרישות המשתנות באופן מתמיד, של חומרי מזון ואנרגיה, בעיקר דרך המסלולים המטבוליים של קטבוליזם של חלבון. במחקר שנעשה באוניברסיטת טקסס בדאלאס בשנת 2012, עכברים מוטנטים (עם גן מוחדר בעל מוטציה באתר הזרחון של BCL2 כדי לייצר מודל של רמות תקינות של אוטופגיה בסיסי אך אוטופגיה מושרה לחץ לקוי) נחקרו כדי לבדוק תאוריה זו. התוצאות הראו שבהשוואה לקבוצת ביקורת, עכברים אלו המחישו ירידה בסיבולת ושוני במטבוליזם של גלוקוז במהלך פעילות מאומצת.
מחקר אחר הדגים שסיבי שריר שלד של עכברים עם מוטציה בקולגן 6 הראו סימני ניוון כתוצאה ממחסר באוטופגיה שהוביל לצבירת מיטוכונדריות פגומות ולמוות תאי מוגבר. אוטופגיה משורה אימון היה חסר הצלחה. אך כשאוטופגיה הושרה באופן מלאכתי לאחר אימון, צבירת האברונים הפגומים בסיבי השריר עם מוטציה בקולגן 6 נמענה, וההומיאוסטאזיס התאי נשמר. שני המחקרים הדגימו שהשראת אוטופגיה יכולה לתרום לאפקטים המטבוליים המועילים של התעמלות ושזה הכרחי לשמירת ההומאוסטאזיס של השריר במהלך אימון, במיוחד בסיבי קולגן 6.

אוטופגיה ודלקת מפרקים ניוונית

מפני שאוטופגיה פוחת עם הגיל, וגיל הוא גורם סיכון עיקרי לדלקת מפרקים ניוונית, מוצעת מעורבות אוטופגיה בהתפתחות מחלה זו. חלבונים שמעורבים בתהליך האוטופגיה מופחתים עם הגיל במפרקים סחוסיים בבני אדם ובעכברים. גם פגיעות מכניות לסחוס בתרביות מפחיתות את רמות חלבוני האוטופגיה. אוטופגיה משופעל באופן מתמיד בסחוס נורמלי, אך הוא נפגע עם הגיל ומקדם מוות תאי סחוס ופגיעות מבניות. תוצאות אלו מציעות שאוטופגיה הוא תהליך רגיל ומגן במפרק.

אוטופגיה וסרטן

לעיתים סרטן מתרחש כאשר מספר מסלולים שונים שמבקרים התמיינות תאית, מופרעים. לאוטופגיה תפקיד חשוב בסרטן- גם בהגנה מפני סרטן וגם האפשרות לתרום להמשך גדילת הגידול הסרטני. אוטופגיה יכול להגן מפני סרטן על ידי בידוד אברונים פגומים, מאפשר התמיינות תאית, מגביר קטבוליזם של חלבונים ואפילו מעודד מוות תאי של תאים סרטניים. אך אוטופגיה גם יכול לתרום לסרטן על ידי עידוד הישרדות של תאי גידול שהורעבו, או על ידי פירוק מתווכים אפופטוטיים. במקרים של מניעת אפופטוזיס, שימוש במעכבים של השלבים המאוחרים של אוטופגיה בתאים שמשתמשים באוטופגיה כדי לשרוד, מעלה את מספר תאי הסרטן שמתים בעקבות תרופות אנטי-נאופלזטיות.
התפקיד של אוטופגיה בסרטן נחקר רבות. קיימות ראיות שמדגישות את תפקיד האוטופגיה כמדכא גידולים וגם בשרידות תאי סרטן.אך מחקרים אחרונים הצליחו להראות סבירות גדולה יותר שאוטופגיה ישמש כמדכא גידולים לפי מספר מודלים.

מדכא גידול

כדי לשמור על מצב של הומיאוסטזיס, אסור לאוטופגיה להיות מופרע. אם מנגנון חשוב זה מופרע, גדילת גידול יכולה לקרות. התפקיד המרכזי של אוטופגיה בדיכוי גידולים הוא היכולת שלו להסיר חלבונים ואברונים פגומים וכך מגביל אי יציבות גדילת תאים.
נקרוזה ודלקת כרונית הוראו גם כמוגבלים דרך אוטופגיה. זה עוזר להגן מפני היווצרות של תאי גידול.

שרידות תאי גידול

לחלופין, אוטופגיה נראה כלוקח חלק חשוב בשרידות תאי גידול. בתאים סרטניים, אוטופגיה משמש כדרך התמודדות עם לחץ בתא. ברגע שגנים קשורי אוטופגיה היו מעוכבים, מוות תאי היה מוגבר. לתאי גידול יש דרישות מטבוליות גבוהות בעקבות העלייה בפרוליפרציה התאית. העלייה באנרגיה המטבולית מפוצה על ידי אוטופגיה. לחצים מטבוליים אלו כוללים היפוקסיה, מחסור בחומרי מזון ועלייה ברמות הפרוליפרציה. לחצים אלו משפעלים אוטופגיה על מנת למחזר ATP לשמור על הישרדות תאי הסרטן. אוטופגיה הוראה כמאפשר המשך גדילה של תאי גידול בעזרת שמירה על רמות יצור האנרגיה בתא. על ידי עיכוב הגנים של אוטופגיה בתאי הגידול, נמצאו נסיגה של הגידול והארכת הישרדות האיברים שמושפעים מהגידול. יתר על כן, עיכוב אוטופגיה נראה כמגביר יעילות של טיפולים אנטי-סרטניים.

מנגנון של מוות תאי

תאים שנמצאים בלחץ רב עוברים מוות תאי דרך אפופטוזיס או נקרוזיס. פעילות אוטופגיה ממושכת מובילה לתחופה מהירה של חלבונים ואברונים. קצב גבוה, מעל סף ההישרדות, יכול להרוג תאים סרטניים בעלי סף אפופטוטי גבוה. טכניקה זו יכולה לשמש כטיפול לסרטן.

יעדים טיפוליים

התפתחויות חדשות במחקר מצאו שאוטופגיה מכוון יכול להיות מוצא טיפולי בר ביצוע כנגד סרטן. כמתואר למעלה, לאוטופגיה יש תפקיד גם כמדכא גידולים וגם בהישרדות תאי סרטן. לכן זה יכול לשמש כטיפול מניעתי. האסטרטגיה הראשונה היא להשרות אוטופגיה ולהגביר את התרומה שלו כמדכא גידולים. האסטרטגיה השנייה היא למנוע אוטופגיה ועל ידי כך לעודד אפופטוזיס.
האסטרטגיה הראשונה נבדקה על ידי התבוננות על השפעות אנטי סרטניות בתלות למינון במהלך טיפולי השראת אוטופגיה. טיפולים אלו הראו שאוטופגיה מוגבר באופן תלוי מינון. זה מקושר באופן ישיר גם לגדילה של תאי סרטן באופן תלוי מינון. מידע זה תומך בהתפתחות טיפולים שיעודדו אוטופגיה.
האסטרטגיה השנייה מבוססת על הרעיון שאוטופגיה הוא מערכת של פירוק חלבונים שמשמשת לשימור הומאוסטזיס ועל הגילוי שדיכוי של אוטופגיה מוביל לאפופטוזיס. דיכוי אוטופגיה הוא בסיכון גבוה יותר מכיוון שזה עלול להוביל לשרידות של תאים במקום מוות תאי רצוי.