Роль аутофагии в поддержании баланса клеточной популяции инсулоцитов

Аутофагия (в переводе с греческого «самопо-едание»), в отличие от гетерофагии или ксенофа-гии, характеризуется лизосомной деградацией собственного материала клеток, при которой происходит деградация внеклеточных или чужеродных мишеней. Аутофагия играет важную роль в клеточном метаболизме млекопитающих. Нарушения аутофагии лежат в основе множества заболеваний сердечно-сосудистой системы, в развитии новообразований и нейродегенеративных расстройств, а также сахарного диабета. В связи с чем аутофагия играет важнейшую роль в функционировании и выживании инсулоцитов [9, 22, 28].

Аутофагия – фундаментальный процесс, при котором происходит перестройка субклеточной мембраны, изолирующей цитоплазму, органеллы и белки, а также образование аутофагосомы, необходимой для разложения и рециркуляции агрегированных белков и поврежденных органелл в клетках эукариот [29].

Существует три основных типа аутофагии: макроаутофагия, микроаутофагия и шаперон-опосредованная аутофагия, которые являются важными катаболическими процессами. Также описаны второстепенные типы аутофагии, например, избирательная аутофагия с помощью шаперона и эндосомная микроаутофагия с помощью шаперона [11].

Изначально аутофагия считалась неселективной в отношении ее целей (основная аутофагия), однако на сегодняшний момент известно, что аутофагия может воздействовать на определенные органеллы или молекулы (избирательная аутофагия). Таким образом, каждый конкретный тип аутофагии имеет свое собственное название, например, митофагия, ER-фагия (аутофагия эндоплазматического ретикулума), пексофагия, гранулофагия, рибофагия, липофагия и т. д. Каждый тип избирательной аутофагии также выполняет свою собственную функцию в зависимости от целевой органеллы или молекулы. Такие разнообразные типы избирательной аутофагии имеют в большей степени общие механизмы, но отличаются собственными специализированными функциями. Процесс аутофагии можно условно разделить на три стадии: инициация, расширение и деградация [29].

Аутофагия также может действовать как адаптивный механизм, обеспечивающий выживание и продление жизни клеток в условиях метаболического, генотоксического или гипоксического стресса за счет использования клеточных материалов в качестве питательных веществ [9]. Однако обширная аутофагия или отсутствие аутофагии могут приводить к гибели клеток, что является важнейшим фактором в поддержании баланса клеточных популяций [14]. К примеру, у мышей с дефицитом аутофагии наблюдается повышенный апоптоз инсулоцитов [10].

Нарушение аутофагии приводит к стрессу инсулоцитов, клеточной дегенерации и нарушению секреции инсулина, что может способствовать прогрессированию состояния инсулиноре-зистентности при сахарном диабете [29].

Аутофагия включает образование двойной мембранной структуры, называемой фагофо-ром, которая превращается в единую мембранную структуру, называемую аутофагосомой [10].

Делеция одного из ключевых белков аутофагии – Atg7 в инсулоцитах снижает бета-клеточную массу и функциональность поджелудочной железы из-за усиления апоптоза и снижения пролиферации В-эндокриноцитов [15].

Легкая цепь 3 белка ассоциированного с микро-трубочками (LC3), также называемого Atg8, убиквитин-подобный белок, конъюгирован с Atg3 посредством действия Atg7, а промежуточное соединение Atg8-Atg3 рекрутируется на мембрану аутофагосомы посредством взаимодействия между Atg3 и Atg12. Затем Atg8 конъюгирует со своей липидной мишенью – фосфати-дилэтаноламином в мембране, образуя LC3-II [1]. Следовательно, LC3-II является значимым биомаркером аутофагии [8].

После обработки LC3-II локализуется как на внешней, так и на внутренней стороне мембраны аутофагосомы. Протеин LC3-II с внешней стороны мембраны выделяется в цитозоль.

У млекопитающих существует семь белков, связанных с LC3, включая LC3A (два варианта сплайсинга), LC3B, LC3C, GABARAP, GABARAPL1 и GABARAPL2 [16].

После завершения формирования аутофагосомы она сливается с лизосомой, и лизосомальные ферменты осуществляют гидролиз захваченных органелл и макромолекул. Когда питательные вещества становятся доступными и реактивируется mTORC1 – образуются про-толизосомные канальцы, которые в конечном итоге созревают в функциональные лизосомы, завершая полный цикл аутофагического процесса [12].

Существуют данные о снижении аутофагии с возрастом. Экспрессия нескольких генов аутофагии, включая Beclin 1 или Atg5-Atg12, была снижена в некоторых тканях старых мышей, что сопровождалось повышенной активностью mTOR [20]. Снижение аутофагической активности при старении может быть вызвано сниженной экспрессией моторных белков, таких как KIFC3, направляющих движение лизосом к перинуклеарной области для слияния с аутофагосомами [13]. Таким образом, недостаточность неселективной или селективной аутофагии из-за старения может способствовать дисфункции ин-сулоцитов. Недостаточность аутофагии при старении, дислипидемии или генетической предрасположенности может способствовать снижению бета-клеточной массы и нарушению углеводного обмена [29].

Доказано, что митохондрии и эндоплазматический ретикулум играют важнейшую роль в выживании или функционировании бета-эндокри-ноцитов и чувствительности к инсулину тканей-мишеней.

В свою очередь, аутофагия важна в поддержании количества этих органелл, а нарушение её регуляции может привести к дисфункции или смерти В-эндокриноцитов, или аномальной чувствительности к инсулину в тканях-мишенях [10].

Ассоциированные с сахарным диабетом глюко и липотоксичность способствуют нарушению функционирования инсулоцитов и являются факторами, провоцирующими развитие сахарного диабета 2-го типа. При этом нарушаются процессы индукции аутофагии, снижается жизнеспособность инсулоцитов и запускается их апоптоз. В свою очередь, стимуляция аутофагии ингибирует гибель инсулоцитов и является одним из главных регуляторов гомеостаза В-эндокриноцитов. В этом случае аутофагия может действовать как защитный механизм в инсулоцитах во время вы-сококаллорийной диеты [2, 10].

Экспериментальное ингибирование аутофагии у мышей приводит к снижению бета-клеточной массы и секреции инсулина, что является свидетельством ее необходимости для нормального гомеостаза в инсулоцитах [7]. Однако чрезмерная индукция аутофагии (например, при лечении рапамицином) нарушает функцию островков как in vitro , так и in vivo [14].

Было установлено, что избыток нутриентов – основная причина снижения количества и функциональной активности инсулоцитов при сахарном диабете 2-го типа [10].

Влияние липидной перегрузки на аутофагию in vivo может также зависеть от ее продолжительности. Исследователи сообщали об увеличении и уменьшении аутофагического потока после кратковременного и длительного поддержания высокожировой диеты соответственно [5]. Хроническая липотоксичность вызывает нарушение аутофагического обмена, что ведёт к гибели клеток. Это согласуется с данными о повышенной аккумуляции аутофагосом при сахарном диабете 2-го типа у человека и грызунов [10].

Предполагается, что жирные кислоты являются основной причиной ожирения и сахарного диабета, причем насыщенные жирные кислоты особенно пагубно влияют на инсулоци-ты, тогда как ненасыщенные жирные кислоты играют защитную роль [10].

Аутофагическая активность снижается в ин-сулоцитах пациентов с сахарным диабетом 2-го типа и В-эндокриноцитах грызунов с сахарным диабетом, индуцированном высококалорийной диетой с большим количеством жиров и глюкозы. Высокое потребление только глюкозы умеренно увеличивает массу бета-эндокриноцитов и секрецию инсулина, что указывает на появление адаптивного ответа инсулоцитов. Гипергликемия и дислипидемия – это общие черты сахарного диабета 2-го типа [10].

Гиперактивация рецептора комплекса рапа-мицина 1 млекопитающих (mTORC1), регулирующего аутофагию и играющего важную роль в увеличении бета-клеточной массы, а также улучшении толерантности к глюкозе, происходит при перегрузке питательными веществами. Гибель клеток, вызванная токсичностью питательных веществ, происходит из-за нарушения аутофагии и опосредуется активацией mTORC1 в ин-сулоцитах, что приводит к развитию стресса эндоплазматического ретикулума, способствуя дисфункции и уменьшению бета-клеточной массы в условиях метаболического стресса [22].

Клинические исследования показали снижение экспрессии LAMP-2 (мембранного протеина 2, ассоциированного с лизосомами) и катепсинов B и D, которые участвуют в последних стадиях аутофагии, у пациентов с сахарным диабетом 2-го типа, что еще раз подчеркивает связь нарушения аутофагии с развитием сахарного диабета [2].

Патогенез сахарного диабета 1-го типа чаще всего рассматривается иммуноцентриче- ски из-за ведущей роли аутоагрессии в апоптозе инсулоцитов [17]. Кроме того, сообщалось о заметном синергетическом эффекте свободных жирных кислот и повышенного содержания глюкозы в индукции гибели бета-клеток человека [10].

Аутофагия также играет ключевую роль в поддержании энергетического гомеостаза в условиях ограниченного количества питательных веществ (например, голодания). Нарушение регуляции аутофагии способствует развитию многих метаболических заболеваний например, сахарного диабета, ожирения и атеросклероза [22].

Существуют данные, демонстрирующие повышенные уровни секреции проинсулина В-эндок-риноцитами с дефицитом аутофагии [7]. Проин-сулин быстро проникает в эндоплазматический ретикулум (ER) и подвергается окислительному фолдингу. Проинсулин, имеющий не правильную третичную структуру, может расщепляться посредством процесса, называемого ER-ассоциированной деградацией (ERAD), который включает транслокацию на цитозольную сторону мембраны ER с последующим убиквитиниро-ванием и доставкой в протеасомы для деградации. Проинсулин с правильной структурой транспортируется в цис-Гольджи, затем движется вперед между множественными цистернами в сеть транс-Гольджи, где цистерны распадаются с образованием носителей, которые переносят белки к плазматической мембране, секреторным гранулам, эндосомам и лизосомам [4].

Значительное количество проинсулина быстро доставляется в аутофагосомы и направляется на лизосомную деградацию. Влияние этого пути на уровень проинсулина является значимым, поскольку кратковременное ингибирование лизо-сомной деградации значительно увеличивает стабильное содержание проинсулина [7]. Стимуляция бета-клеток с высоким содержанием глюкозы может значительно усилить биосинтез про-инсулина [24].

Подавление аутофагии может вызвать увеличение секреции инсулина в краткосрочной перспективе за счет стресса эндоплазматического ретикулума и, как следствие, дегенерацию бета-клеток и дефицит инсулина в долгосрочной перспективе [7].

Аутофагическая деградация проинсулина дикого типа имеет важные патофизиологические последствия для развития дефицита инсулина при сахарном диабете. Поэтому большим потенциалом обладают новые терапевтические стратегии для управления клиренсом проинсулина в качестве средств увеличения секреции инсулина при сахарном диабете 2-го типа [7].

Бета-эндокриноциты подвергаются воздействию экзогенных повреждающих факторов, таких как провоспалительные цитокины или избыток глюкозы, которые могут индуцировать накопление вызывающих повреждение активных форм кислорода (АФК) во время патогенеза сахарного диабета. Аутофагия бета-эндокриноцитов может уменьшить количество активных форм кислорода для защиты от апоптоза [23].

Накопление активных форм кислорода в ин-сулоцитах является пусковым сигналом во время развития сахарного диабета [26]. Низкие уровни АФК могут способствовать индукции сигнальных путей в бета-эндокриноцитах, отвечающих за пролиферацию [25].

Поддержание целостности митохондрий особенно важно для выживания клеток, поскольку митохондрии особенно чувствительны к повреждению от активных форм кислорода. Митохондриальная ДНК, частично существующая в одноцепочечной конформации, недостаточно защищена нуклеосомоподобными структурами, в отличие от геномной ДНК. Таким образом, митофагия, служащая для поддержания функции митохондрий, является важным элементом в поддержании энергетического баланса и защиты от окислительного стресса [26].

Аутофагия снижает количество АФК, способствует выживанию инсулоцитов и имеет важнейшее значение для сохранения различных органелл, таких как митохондрии и эндоплазматический ретикулум, а также является одним из главных факторов в физиологии ин-сулоцитов [19]. Нарушение регуляции аутофагии инсулоцитов способствует развитию сахарного диабета [26].

Известно, что инсулоциты с дефицитом аутофагии восприимчивы к ER стрессу, вызванному ожирением [10]. Несмотря на то, что недостаток питательных веществ вызывает аутофагию в большинстве типов клеток, в ин-сулоцитах нехватка нутриентов подавляет этот процесс. При голодании формирующиеся секреторные гранулы инсулина разлагаются лизосомами в процессе SINGD (stress-induced nascent granule degradation), а не аутофагией. Питательные вещества, высвобождаемые благодаря SINGD, ингибируют аутофагию. Происходит SINGD вблизи тел Гольджи и может подавляться протеинкиназой D, которая, в свою очередь, ингибируется киназой p38δ. Во время голодания SINGD и ингибирование аутофагии могут служить механизмом снижения экспрессии инсулина [18].

Метаболические эффекты генетической гиперактивации аутофагии были изучены по транс- генной экспрессии Becn1F121A, который ингибирует связывание белков Becn1 и Bcl-2 и делает конститутивно активным Becn1, что приводит к устойчивой аутофагии в условиях отсутствия ее индукторов [3, 6].

Гетерозиготные и гомозиготные мыши с трансгенной экспрессией Becn1F121A, получавшие высококалорийное питание, показали улучшенную чувствительность к инсулину из-за уменьшения стресса эндоплазматического ретикулума в тканях-мишенях инсулина. Однако у тех же мышей развилась повышенная толерантность к глюкозе по сравнению с нетрансгенными мышами из-за снижения высвобождения инсулина из В-эндокриноцитов [6]. Такое явление было связано с деградацией гранул инсулина в результате гиперактивной аутофагии инсулоцитов, что было названо «везикофа-гией», аутофагической деградацией гранул инсулина. Предполагается, что везикофагия играет роль в ингибировании дополнительного высвобождения инсулина во время голодания и может отличаться от кринофагии, прямого слияния гранул инсулина с лизосомами [6].

Если недостаточность аутофагии в инсу-лоцитах является причиной снижения бетаклеточной массы, связанной с развитием сахарного диабета, усиление аутофагии с помощью фармакологических средств или других методов может быть перспективным способом его лечения или профилактики. Некоторые антидиабетические препараты, такие как метформин, розиглитазон или агонисты рецепторов глюкагооноподообного пептиида-1 вызывают улучшение метаболизма частично за счет усиления аутофагической активности [14].

Некоторые химические вещества способны улучшать метаболический профиль мышей с ожирением или сахарным диабетом, но стоит отметить, что их влияние в основном оказывается на инсулинорезистентность, а не на дисфункцию инсулоцитов. Недавние исследования с использованием высокопроизводительного скрининга малых молекул усилителей аутофагии выявили несколько агентов, которые могут усиливать аутофагическую активность за счет активации транскрипционного фактора Tfeb, главного регулятора экспрессии генов аутофагии и лизосом-ного биогенеза [5, 27].

Информация о новых маркерах, новых рецепторах или адаптерах аутофагии, связанных с селективной аутофагией, позволит изучать структурные особенности избирательной аутофагии, связанной с функционированием инсу-лоцитов при нарушении углеводного обмена. Этот факт актуализирует роль дисфункции органелл в патогенезе заболевания и составит базис для разработки новых подходов к терапии сахарного диабета [29].

unmediated // Cell Metabolism. – 2017. – Vol. 25 (5). – Р. 1160 – 1175.