Autofagia: mitä se on ja miten solut kierrättävät omaa materiaalia

Autofagia (joka tarkoittaa "itsensä syömistä") on yksi solujen perusmekanismeista. Se mahdollistaa sellaisten solun osien hallitun hajottamisen, jotka eivät toimi tai joita ei tarvita. Solun osat voidaan sitten kierrättää tarpeen mukaan.

Tämä tapahtuu monin eri tavoin. Kohteena olevat solun osat voidaan eristää muusta solusta autofagosomiin (kaksoiskalvopesikkeli). Autofagosomi sulautuu lysosomien kanssa, ja sisältö hajotetaan ja kierrätetään. Äärimmäisessä nälkiintymistilanteessa solun osien hajoaminen edistää solun selviytymistä ylläpitämällä solun energiatasoa.

Belgialainen biokemisti Christian de Duve keksi nimen "autofagia" vuonna 1963. Autofagiaan liittyvien geenien tunnistaminen hiivasta 1990-luvulla antoi tutkijoille mahdollisuuden selvittää autofagian mekanismeja. Tämä johti vuoden 2016 Nobelin fysiologian tai lääketieteen palkinnon myöntämiseen japanilaiselle tutkijalle Yoshinori Ohsumille.

Miten autofagia toimii käytännössä?

Autofagian perusvaiheet voidaan tiivistää seuraavasti:

• Vapaus ja tunnistus: Solu tunnistaa poikkeavat tai tarpeettomat komponentit (esim. vaurioituneet mitokondriot, proteiinikertymät).
• Alkamisesta kohti pesäkkeitä: Autophagy-initiaatio käynnistää kalvorakenteiden muodostumisen, josta muodostuu autofagosomi. Tähän osallistuu useita proteiini­komplekseja ja ATG-geeneistä peräisin olevia tuotteita.
• Paketoiminen: Kohde eristetään autofagosomiin.
• Sulautuminen ja hajotus: Autofagosomi sulautuu lysosomin kanssa, jolloin muodostuu autolysosomi. Lysosomin entsyymit hajottavat sisällön ja vapauttavat aineet takaisin solun käyttöön.

Autofagian eri muodot

• Makroautofagia – yleisin muoto, jossa muodostuu erillinen autofagosomi, joka kuljettaa kohteet lysosomeihin.
• Microautofagia – lysosomin tai vakuolin kalvo invaginoituu ja ottaa suoraan vastaan pieniä osasia.
• Chaperone-mediated autophagy (CMA) – selektiivinen prosessi, jossa tietyt proteiinit tunnistetaan chaperoni-proteiinien avulla ja siirretään suoraan lysosomin sisään kuljetusproteiinin avustuksella.

Selektiivinen autofagia: kohdistetut muunnokset

Autofagia voi olla myös erittäin selektiivistä. Esimerkkejä:

• Mitofagia – vaurioituneiden mitokondrioiden poisto.
• Pexofagia – peroksisomien kierrätys.
• Lipofagia – lipidivarastojen hajotus.
• Xenofagia – soluun päässeiden mikrobien tuhoaminen.

Säätely: mitä ohjaa autofagiaa?

Autofagian aktivaatio ja esto riippuvat solun energiatasapainosta ja ravitsemustilasta. Keskeisiä säätelijöitä ovat:

• mTOR (mechanistic target of rapamycin) – estää autofagiaa, kun ravinteita on runsaasti.
• AMPK – aktivoituu matalan energiatasapainon aikana ja edistää autofagiaa.
• Monimutkainen signalointi mukaan lukien ULK1-kompleksi, PI3K-luokka III -kompleksi ja LC3/Atg8-proteinien lipidointi, jotka ovat keskeisiä autofagosomin muodostumisessa ja kypsytyksessä.

Autofagian merkitys terveydessä ja sairauksissa

Autofagia on välttämätön solujen laadunvalvonnalle ja aineenvaihdunnalle. Sen häiriöt liittyvät moniin sairauksiin:

• Neurodegeneratiiviset sairaudet: Parkinsonin, Alzheimerin ja Huntingtonin taudeissa proteiinikertymät ja vaurioituneet organellit eivät poistu tehokkaasti, mikä edistää solukuolemaa.
• Syöpä: Autofagian rooli on kaksijakoinen: se voi estää kasvainten alkua poistamalla vahingoittuneita komponentteja, mutta vakiintuneissa kasvaimissa autofagia voi tukea syöpäsolujen selviytymistä stressissä.
• Tartunnat: Autofagia osallistuu mikrobien tuhoamiseen (xenofagia) ja immuunivasteen säätelyyn.
• Metabolinen terveys ja ikääntyminen: Autofagia edistää solujen puhdistumista ja aineenvaihdunnan sopeutumista; sen aktivaatiolla on liitettyjä etuja pitkäikäisyydessä ja insuliiniherkkyydessä.

Miten autofagiaa tutkitaan ja mitataan?

Tutkimuksessa käytetään erilaisia tekniikoita autofagian aktiivisuuden arvioimiseen:

• Immunoblotting ja merkkiproteiinit, kuten LC3-II:n määrä ja p62/SQSTM1:n kertyminen.
• Elektronimikroskopia autofagosomien näkyttämiseksi.
• Fluoresenssi­tagatut proteiinit ja live-kuvantaminen autofagosomien muodostumisen seuraamiseksi.

Voiko autofagiaa muuttaa elämäntavoilla tai lääkkeillä?

Joillakin elintavoilla ja yhdisteillä on vaikutusta autofagiaan:

• Paasto ja kalorirajoitus aktivoivat autofagiaa ja voivat parantaa solun puhdistumista.
• Liikunta lisää autofagiaprosesseja erityisesti lihaksissa ja maksassa.
• Farmakologisia vaikuttajia ovat esimerkiksi rapamysiini (mTOR:n estäjä), sekä aineet kuten spermidini ja metformiini, joita tutkitaan autofagian säätelemiseksi. Näiden käyttö lääketieteellisessä hoidossa vaatii kuitenkin huolellista tutkimusta ja kliinisiä kokeita.

Käytännön yhteenveto

Autofagia on keskeinen solujen huoltojärjestelmä, joka auttaa poistamaan vaurioituneita komponentteja, säätelee energiatasapainoa ja osallistuu immuunipuolustukseen. Sen toiminta on tarkasti säädeltyä ja tilanteesta riippuvaa. Autafagian luonnollinen aktivaatio esimerkiksi paaston tai liikunnan kautta voi edistää solujen terveyttä, mutta sen pitkäaikaisia vaikutuksia ja lääketieteellisiä hyötyjä tutkitaan yhä.

Kysymyksiä ja vastauksia

K: Mitä tarkoittaa autofagia?

K: Mikä on autofagian tarkoitus?

K: Miten solun osia hajotetaan autofagian avulla?

K: Missä ääritapauksessa solun osien hajoaminen edistää solun selviytymistä?

K: Kuka keksi termin "autofagia" ja milloin?

K: Milloin autofagiaan liittyvät geenit tunnistettiin hiivassa?

K: Kenelle myönnettiin vuoden 2016 Nobelin fysiologian tai lääketieteen palkinto autofagiaa koskevasta työstä?

Hae kirjaimella