Autofagi, som bokstavligen betyder ”självätande”, är en cellulär utrensningsprocess som håller våra kroppar i gott skick, men överdriven autofagi kan vara för mycket av det goda.
Nu har forskare vid Weizmann Institute of Science avslöjat en dietkontrollanordning – en som hindrar det autofagiska maskineriets mun från att öppnas för mycket, vilket hindrar det från att äta allt inom synhåll. Studien är publicerad i Developmental Cell.
”Den mekanism vi upptäckt gör det möjligt för autofagi att sluka så mycket skadat material som behövs, men inte mer”, säger professor Zvulun Elazar vid Weizmanns institution för biomolekylära vetenskaper, som ledde forskargruppen.
Autofagins specialitet är att avlägsna stora strukturer, t.ex. skadade proteinaggregat eller fraktioner av organeller. I extrema situationer, t.ex. vid svält, kan autofagin bryta ner bitar av slumpmässigt cellmaterial för att förse cellen med viktiga byggstenar för att upprätthålla de pågående vitala processerna.
Eftersom autofagi är avgörande för så många kroppssystem, särskilt för att upprätthålla långlivade celler som inte längre delar sig, t.ex. nervceller, kan fel i denna cellulära hushållning leda till en mängd olika sjukdomar. Det är känt att defekter i autofagi till exempel bidrar till att nervceller dör i Parkinsons sjukdom och andra neurodegenerativa sjukdomar.
Den försämring av autofagi som sker med åldern tros också öka risken för sjukdomar, inklusive cancer. En bättre förståelse av de mekanismer som reglerar autofagi kan bidra till att utveckla nya behandlingar, men att helt enkelt öka autofagin är kanske inte alltid den bästa lösningen.
”Vid till exempel cancer är autofagi ett tveeggat svärd”, förklarar Elazar. ”Otillräcklig autofagi leder till ansamling av fria radikaler, vilket bidrar till cancer, men samtidigt är cancertumörer beroende av autofagi för att överleva.”
Den nya studien i Elazars labb, som leds av doktoranden Oren Shatz, syftade till att fastställa hur kroppen reglerar autofagi. Eftersom cellernas behov ständigt förändras byggs det autofagiska maskineriet – en organell som kallas autofagosomen – varje gång upp från grunden och bryts ned när dess uppgift är slutförd.
Membranet i autofagosomens förstadiestruktur, som kallas fagofor, slukar det material som ska tas bort och släpar över det till en ”soptipp”, lysosomen, där det bryts ned.
Vissa fagoforer sväljer allt som kommer i deras väg på ett icke-selektivt sätt. För andra är ätandet mycket selektivt, och då får de hjälp av proteiner som matar dem med sked och leder in specifika strukturer i munnen.
Hittills har den vedertagna uppfattningen varit att fagoforens mun i båda fallen öppnas maximalt för att sluka det som ska ätas. Resultaten av Weizmann-studien, som genomfördes på jäst, tyder på att denna uppfattning inte kommer i närheten av den genomsnittliga autofagosomens verkliga matvanor.
”Vi har upptäckt en mekanism som styr öppningen av fagoforens mun”, säger Shatz. ”Detta är särskilt viktigt när det gäller icke-selektiv autofagi, som är potentiellt farlig eftersom den av misstag kan äta upp hela cellen inifrån.”
Den nyligen avslöjade mekanismen säkerställer att autofagosomen vid icke-selektiv autofagi inte kan öppna gapande käkar för att svälja allt i sin väg. När membranet börjar byggas begränsas snarare storleken på dess öppning – vilket begränsar vad som kan sväljas – även om membranet i sig fortsätter att växa och expanderar tills tillräckligt med material för avlägsnande har fångats upp.
I motsats till den klassiska uppfattningen är fagoforer därför inte formade som en tekopp – det vill säga med en mun som tar upp hela omkretsen – utan mer som en amfora, en form som är mest bekant från gamla grekiska vaser, med en smal, halsliknande kant.
Oavsett hur stor ”vasen” är, förblir öppningen permanent smal tills autofagosomen har utfört sin plikt och återigen bryts ned. Med andra ord är autofagosomen inte en glupsk ätare utan en känslig matgäst, och ”maten” kommer in genom diffusion.
Forskarna visade vidare att inte ens vid selektiv autofagi, där extra försiktighet iakttas av de proteiner som plockar ut det farliga materialet, öppnar fagoforen sin mun okontrollerat. Öppningens storlek regleras av samma mekanism, även om den till slut blir bredare än i den icke-selektiva processen.
I slutändan, i båda typerna av autofagi, selektiv eller inte, när organellen har ätit sig mätt, demonteras denna mekanism så att öppningen kan stängas, membranet förseglas och det svälta materialet kan smältas inuti.
Shatz och hans kollegor avslöjade sedan de molekylära detaljerna i denna kontrollmekanism. Den involverar två stora proteinkomplex: ett som kallas Atg24-Atg20, som gör öppningen större, och ett annat, Atg2-Atg18, som gör den tätare.
Aktiviteten hos båda komplexen visade sig samordnas genom deras interaktion med PI3P, en väletablerad autofagisk signaleringskemikalie: De två komplexen konkurrerar om att binda till PI3P-molekylerna, som fungerar som klisterkuddar.
Efter att ha identifierat dessa huvudaktörer visade forskarna att de kunde manipulera dem för att på begäran förstora eller förminska fagoforöppningens storlek.
Vänster: Munnen (röd) på en fagophor (grön) hålls smal genom en samordnad verkan av två proteinkomplex, Atg2-Atg18 och Atg24-Atg20. Till höger: När forskarna minskade aktiviteten hos Atg2-Atg18-komplexet öppnades munnen på vid gavel. Kredit: Weizmann Institute of Science
Dessa avslöjanden möjliggjordes av ett antal sofistikerade framsteg som uppnåddes under studiens gång. Shatz utvecklade framför allt metoder för att öka aktiviteten i Atg24-Atg20-komplexet och minska aktiviteten i Atg2-Atg18-komplexet, i stället för att överuttrycka eller helt slå ut deras gener, vilket är vanligt inom molekylär cellbiologi.
Dessutom utvecklade han och hans kollegor ett innovativt sätt att märka flera proteiner med olika färger inom samma experiment.
Studiens resultat bidrar till en fördjupad förståelse av autofagi som i framtiden kan öppna vägen för medicinska tillämpningar. ”Om du vill laga en bil måste du känna till dess delar och exakt vad de gör”, säger Elazar. ”På samma sätt måste vi få en detaljerad kunskap om autofagimekanismerna för att en dag kunna justera dem till rätt nivåer i våra kroppar.”
Ytterligare information: Oren Shatz et al, Rim aperture of yeast autophagic membranes balances cargo inclusion with vesicle maturation, Developmental Cell (2024). DOI: 10.1016/j.devcel.2024.02.002
