Роль аутофагии в сохранении бета-клеток и патогенезе диабета

Введение: аутофагия как хранитель клеточного здоровья

Поддержание бета-клеток поджелудочной железы — единственного производителя инсулина в организме — имеет решающее значение для метаболической регуляции и профилактики диабета. Среди клеточных процессов, обеспечивающих долговечность и функцию бета-клеток, аутофагия выделяется как высококонсервативный механизм контроля качества. Аутофагия, буквально «самопожирающая», представляет собой катаболический путь, в котором клетки секвестрируют поврежденные органеллы, неправильно свернутые белки и другой цитоплазматический мусор в двухмембранные везикулы, называемые аутофагосомами, которые затем сливаются с лизосомами для деградации. Этот процесс не только обеспечивает строительные блоки для новых молекул, но и очищает потенциально токсичные компоненты, которые в противном случае поставили бы под угрозу целостность клеток.

В последние годы множество исследований установили, что аутофагия незаменима для здоровья бета-клеток. Нарушение аутофагического потока — скорости, с которой аутофагический груз доставляется лизосомам — было связано как с диабетом 1 типа, так и с диабетом 2 типа. И наоборот, вмешательства, которые усиливают аутофагию, по-видимому, сохраняют массу и функцию бета-клеток, предлагая многообещающий путь для терапевтического развития. Эта статья исследует молекулярные основы аутофагии, исследует ее защитную роль в бета-клетках, исследует, как ее дисрегуляция способствует патогенезу диабета, и выделяет новые стратегии использования аутофагии для лечения диабета.

Молекулярная техника автофагии

Аутофагия не является единым монолитным процессом, а скорее охватывает несколько различных путей, которые имеют общую цель доставки цитоплазматического материала в лизосомы. Понимание этих молекулярных деталей необходимо для понимания того, как могут возникнуть специфические для бета-клеток дефекты и где может быть нацелено вмешательство.

Макроаутофагия: главный маршрут

Макроаутофагия является наиболее широко изученной формой. Она начинается с зарождения фагофора, мембранной структуры в форме чашки, которая расширяет и поглощает часть цитоплазмы. Края фагофора затем сливаются, образуя полную аутофагосому. Этот этап организован серией белков, связанных с аутофагией (ATG). Например, комплекс ULK1 (ULK1-ATG13-FIP200) инициирует образование фагофора в ответ на сигналы питательных веществ; комплекс PI3K (VPS34-Beclin-1-ATG14L) генерирует фосфатидилинозитол-3-фосфат, который набирает эффекторы ниже по течению; и две системы конъюгации, подобные убиквитину (ATG12-ATG5-ATG16L1 и LC3-PE) необходимы для удлинения и закрытия мембран. Завершенная аутофагосома затем транспортирует свой груз в лизосому, где внешние мембранные плавки и внутренний пузырь — теперь называемый аутолизосомой — деградируют лизо

Селективная аутофагия: определение конкретных целей

Помимо объемного цитоплазматического оборота, клетки используют селективную аутофагию для нацеливания на конкретные органеллы или макромолекул. Митофагия избирательно удаляет поврежденные митохондрии через рецепторы, такие как PINK1/Parkin; ER-фагия устраняет части эндоплазматического ретикулума; и аггрефагия очищает белковые агрегаты. В бета-клетках митофагия особенно важна, потому что митохондрии обильны и очень активны для поддержки секреции инсулина, стимулируемой глюкозой. Дефектная митофагия приводит к накоплению дисфункциональных митохондрий, которые производят чрезмерно активные виды кислорода (ROS) и высвобождают проапоптозные факторы.

Средство для аутофагии с шапероном (CMA) и микроаутофагии

CMA включает прямую транслокацию растворимых цитозольных белков, содержащих KFERQ-подобный мотив, в лизосомы, опосредованные шапероном Hsc70 и лизосомным рецептором LAMP-2A. Микрозоматофагия, напротив, включает прямое вводимость лизосомальной мембраны для поглощения небольших частей цитоплазмы. Оба пути способствуют гомеостазу в бета-клетках, хотя их роли менее хорошо характеризуются, чем макроаутофагия. Исследования показали, что CMA снижается с возрастом и в определенных метаболических состояниях, потенциально сенсибилизируя бета-клетки к стрессу.

Аутофагия и сохранение бета-клеток

Бета-клетки поджелудочной железы сталкиваются с уникальными метаболическими проблемами. Они должны постоянно ощущать уровень глюкозы в крови и секретировать инсулин соответственно, высокоэнергетический процесс, который предъявляет большие требования к их ЭР и митохондриальным сетям. Следовательно, бета-клетки уязвимы к окислительному стрессу, ЭР-стрессу и апоптозу. Аутофагия служит фронтовой защитой от этих угроз.

Митохондриальный контроль качества и окислительный стресс

Митохондрии являются местом производства АТФ, вызванного глюкозой, что связывает доступность питательных веществ с экзоцитозом гранул инсулина. Однако активность электронной транспортной цепи неизбежно порождает РОС. В нормальных условиях антиоксиданты и митофагия сдерживают РОС. При нарушении митофагии накапливаются, повреждая митохондриальную ДНК, липидные мембраны и белки. Этот порочный круг еще больше ухудшает секрецию инсулина и может вызвать гибель клеток. Исследования с использованием бета-клеточных мышей, специфичных для ATG7, продемонстрировали глубокую непереносимость глюкозы, снижение секреции инсулина и накопление опухших, дисфункциональных митохондрий. Восстановление митофагии с помощью фармакологических или генетических средств спасает эти фенотипы.

Стресс и несформированный ответ белка

Эндоплазматический ретикулум является местом синтеза инсулина. В условиях высокого спроса — таких как резистентность к инсулину или ожирение — неправильное сворачивание проинсулина увеличивается, что приводит к стрессу ЭР. Развернутый белковый ответ (УПО) первоначально смягчает стресс, уменьшая трансляцию и повышая регуляции шаперонов, но хроническая активация УПО вызывает апоптоз. Аутофагия дополняет УПР, удаляя неправильно свернутые агрегаты проинсулина и поврежденные мембраны ЭР. Фактически, бета-клетки с дефицитом ATG5 демонстрируют преувеличенный стресс ЭР и повышенный апоптоз при воздействии высокой глюкозы или пальмитата. И наоборот, усиление аутофагии с такими агентами, как рапамицин или трегалоза, защищает от стресс-индуцированной бета-клеточной недостаточности ЭР.

Инсулин Гранулы Твернение и секреция

Бета-клетки хранят инсулин в плотно-основных гранулах, которые секретируются при стимуляции глюкозы. Эти гранулы имеют конечную продолжительность жизни; старые или дефектные гранулы должны быть очищены для поддержания отзывчивого пула. Было показано, что аутофагия избирательно нацелена на гранулы инсулина для деградации - процесс, называемый «кринофагией», - а также для удаления гранул, которые не созревают. В бета-клетках с дефицитом аутофагии оставшиеся гранулы все менее и менее реагируют на глюкозу, способствуя секреторной дисфункции, наблюдаемой при диабете.

Аутофагия и диабетический патогенез

Диабет характеризуется прогрессирующей потерей бета-клеток и / или дисфункцией. Десятилетия исследований показали, что аутофагическая активность заметно нарушается при обеих основных формах диабета, хотя основные причины различаются.

Диабет 1 типа: аутоиммунитет и разрушение бета-клеток

При диабете 1 типа аутоиммунная атака разрушает инсулин-продуцирующие бета-клетки. Интересно, что исследования на мышах с диабетом 1 типа, не страдающих ожирением, показали, что аутофагия активируется при инфильтрации иммунных клеток, а также в выживших бета-клетках. Аутофагия бета-клеток может служить защитным ответом против стресса, вызванного цитокинами. Однако чрезмерная или дисрегуляция аутофагии сама по себе может способствовать гибели бета-клеток, если она ухудшает основные компоненты. Недавние работы выявили, что регулятор аутофагии Atg16L1 уменьшается на островках у доноров с диабетом 1 типа, и его дефицит усугубляет апоптоз бета-клеток, вызванный цитокинами. Эти результаты свидетельствуют о нюансированной роли: умеренная аутофагия защищает, но ухудшение или чрезмерная активация могут подтолкнуть бета-клетки по краю.

Диабет 2 типа: метаболическая перегрузка и аутофагия

При диабете 2 типа резистентность к инсулину первоначально вынуждает бета-клетки перепроизводить инсулин. Хроническая гипергликемия, гиперлипидемия и воспаление создают состояние метаболической перегрузки, которая в конечном итоге перегружает аутофагическую способность. Липотоксичность — обусловленная повышенными свободными жирными кислотами — является мощным супрессором аутофагии. Например, пальмитат нарушает слияние аутофагосомы с лизосомой в бета-клетках, в то время как высокая глюкоза снижает экспрессию лизосомальных ферментов, таких как катепсины В и Л. Результатом является накопление поврежденных митохондрий, мембран ER и белковых агрегатов, способствуя дедифференциации бета-клеток и апоптозу. Исследования на человеческих островках подтверждают, что аутофагический поток ниже в островках от диабетических доноров 2 типа по сравнению с недиабетическими средствами контроля, и что это снижение коррелирует с пониженной секрецией инсулина.

Аутофагия и резистентность к инсулину в периферических тканях

Проницательность в аутофагию бета-клеток также должна учитывать системный контекст. Нарушение аутофагии в печени, мышцах и жировой ткани способствует резистентности к инсулину всего тела, что, в свою очередь, создает дополнительную нагрузку на бета-клетки. Например, дефицит печеночной аутофагии приводит к стрессу и стеатозу, ухудшая системный метаболизм глюкозы. Таким образом, терапевтические стратегии, которые повышают аутофагию во всем мире, могут иметь двойные преимущества: улучшение чувствительности к инсулину при одновременной защите бета-клеток.

Ключевые результаты исследований и механистические идеи

Растущий объем экспериментальных данных, начиная от генетических моделей и заканчивая фармакологическими вмешательствами, укрепил центральную роль аутофагии в биологии бета-клеток.

Генетически модифицированные модели животных

Бета-клеточный нокаут основных генов аутофагии (ATG7, ATG5, Beclin-1 и т.д.) у мышей равномерно производит диабетический фенотип. Эти животные демонстрируют уменьшенную массу бета-клеток, нарушенную секрецию инсулина, стимулируемую глюкозой, и накопление агрегатов p62/SQSTM1 - маркер дефектной аутофагии. Интересно, что тяжесть зависит от генетического фона и метаболической проблемы. На диете с высоким содержанием жиров аутофагии-дефицитные бета-клетки не расширяются в ответ на резистентность к инсулину, что приводит к быстрому наступлению гипергликемии. Эти модели сыграли важную роль в картировании сигнальных путей: мишень рапамицина у млекопитающих (mTOR) отрицательно регулирует аутофагию, а гиперактивация mTOR в бета-клетках - часто наблюдаемая при переедании - воспроизводит многие особенности дефицита аутофагии.

Исследования островков человека

Передача результатов от грызунов человеку имеет решающее значение. Несколько групп исследовали аутофагические маркеры на островках, изолированных от умерших доноров органов. Иммуноохранение на LC3B и LAMP2 выявляет более низкие уровни аутофагосом и аутолизом в островках от доноров диабета 2 типа по сравнению с согласованными контрольными органами. Электронная микроскопия подтверждает повышенное присутствие аномальных митохондрий и многоламеллярных тел — признаки застопорившейся аутофагии. Более того, лечение in vitro островков человека аутофагией с аутофагически индуцирующими агентами, такими как рапамицин или дисахарид трегалоза, усиливает секрецию инсулина и снижает апоптоз после воздействия глюколипотоксических условий. Эти данные обеспечивают сильное обоснование для терапевтического нацеливания на аутофагию.

Узлы сигнализации: mTOR, AMPK и Sirtuins

Расшифровка регуляторной сети, контролирующей аутофагию в бета-клетках, выявила несколько лекарственных узлов. АМФ-активированная протеинкиназа (AMPK), клеточный датчик энергии, активирует аутофагию путем ингибирования mTOR и прямого фосфорилирования ULK1. Метформин, препарат для лечения диабета первой линии, активирует AMPK и, как было показано, стимулирует аутофагию в бета-клетках, что может способствовать ее клиническим преимуществам помимо снижения выхода глюкозы в печени. Sirtuin 1 (SIRT1), NAD+-зависимый деацетилазы, также способствует аутофагии путем деацетилирования белков ATG и факторов транскрипции FOXO. Калорическое ограничение и ресвератрол усиливают активность SIRT1, тем самым повышая аутофагию бета-клеток. И наоборот, mTOR — активируемые аминокислотами и факторами роста — подавляют аутофагию; ингибиторы mTOR, такие как рапамицин (сиролимус),

Потенциальные терапевтические последствия

Учитывая сильную связь между дефицитом аутофагии и отказом бета-клеток, вмешательства, усиливающие аутофагический поток, представляют собой многообещающую стратегию сохранения эндогенной выработки инсулина.Эти стратегии можно широко разделить на фармакологические, пищевые и жизненные подходы.

Фармакологические агенты

Метформин: Помимо первичного действия в качестве активатора AMPK, метформин индуцирует аутофагию в бета-клетках через AMPK-зависимые и независимые пути.Необходимы клинические исследования, чтобы определить, способствует ли это сохранению функции бета-клеток при диабете 2-го типа на ранней стадии.
Рапамицин и ингибиторы mTOR: Хотя рапамицин является мощным индуктором аутофагии, хроническое использование связано с резистентностью к инсулину и непереносимостью глюкозы из-за ингибирования mTOR в других тканях. Исследуются ингибиторы mTOR более короткого действия или селективные по тканям ингибиторы mTOR (например, аналоги эверолимуса) для максимизации защиты бета-клеток при минимизации неблагоприятных эффектов.
Трегалоза: Этот природный дисахарид активирует аутофагию независимо от mTOR, вызывая мягкий лизосомальный стресс. В исследованиях на грызунах и островках человека трегалоза снижает стресс и апоптоз ER и улучшает секрецию инсулина, стимулируемую глюкозой. Клинические испытания проводятся для различных нейродегенеративных заболеваний, и могут последовать показания к диабету.
Литий и стабилизаторы настроения: Литий, используемый при биполярном расстройстве, стимулирует аутофагию, ингибируя монофосфатазу инозитола и снижая уровни IP3. Хотя он не практичен для диабета из-за узкого терапевтического окна, он демонстрирует принцип, что аутофагия может безопасно регулироваться.
Ингибиторы гистоновой деацетилазы : Соединения, такие как субэройланилид гидроксамовая кислота (SAHA), индуцируют аутофагию путем увеличения транскрипции генов аутофагии, а некоторые из них показали эффекты снижения уровня глюкозы у мышей с диабетом.

Вмешательства в питание и образ жизни

Модификации образа жизни остаются краеугольным камнем управления диабетом, и многие из их преимуществ опосредуются через аутофагию.

Калорное ограничение и прерывистое голодание: Энергетическое ограничение снижает активность mTOR и увеличивает AMPK и SIRT1, сильно повышая аутофагию. В моделях на животных прерывистое голодание сохраняет массу и функцию бета-клеток. В ходе испытаний на людях была обнаружена улучшенная чувствительность к инсулину и секреция у преддиабетических лиц.
Упражнения: Острые физические упражнения активируют AMPK и индуцируют аутофагию в скелетных мышцах и других тканях, включая поджелудочную железу. Регулярная физическая активность связана с более низким риском диабета и может непосредственно поддерживать выживаемость бета-клеток.
Диетические составы Диеты, богатые полифенолами (например, ресвератрол в винограде, куркумин в куркуме) и полиненасыщенными жирами (омега-3 жирные кислоты) могут стимулировать аутофагию. И наоборот, диеты с высоким содержанием сахара и высоким содержанием насыщенных жиров подавляют его.

Вызовы и пещеры

Несмотря на обещание, остаются несколько препятствий. Во-первых, аутофагия — обоюдоострый меч: чрезмерная активация может привести к гибели аутофагических клеток, в то время как чрезмерное ингибирование вызывает токсическое накопление. Поэтому поддержание оптимального уровня потока имеет решающее значение. Во-вторых, бета-клетки существуют в сложной эндокринной микросреде; системная модуляция аутофагии может иметь непреднамеренные последствия в других тканях, например, способствуя выживанию раковых клеток. В-третьих, изменчивость человека в генетике, возрасте и стадии заболевания, вероятно, потребует персонализированных подходов. Наконец, надежные биомаркеры аутофагического потока у людей по-прежнему отсутствуют, что затрудняет мониторинг эффективности лечения неинвазивно.

Будущие направления и открытые вопросы

Область аутофагии при диабете быстро развивается. Несколько ключевых вопросов будут формировать будущие исследования и клинический перевод:

Можем ли мы разработать селективные усилители аутофагии, которые нацелены на бета-клетки, не затрагивая другие ткани? Может быть осуществима бета-клеточная доставка с использованием наночастиц или вирусных векторов.
Какова роль аутофагии в регенерации бета-клеток? Некоторые исследования показывают, что аутофагия регулирует переход клеток-предшественников в клетки, продуцирующие инсулин, что имеет последствия для регенеративной медицины.
Как аутофагия взаимодействует с иммунной системой при диабете 1 типа? Модулирование аутофагии в дендритных клетках или Т-клетках может изменить аутоиммунный ответ.
Какова связь между аутофагией и дифференциацией бета-клеток? Недавние данные свидетельствуют о том, что неэффективные бета-клетки при диабете 2 типа возвращаются в состояние, подобное прогениторному; аутофагия может влиять на этот процесс.
Можем ли мы использовать искусственный интеллект для скрининга новых аутофагии-модулирующих соединений с высокой специфичностью для островков поджелудочной железы?

Масштабные продольные исследования, сочетающие меры маркеров аутофагии (например, p62, LC3B в плазме или ткани) с метаболическими результатами, будут иметь важное значение для проверки терапевтического потенциала. Совместные консорциумы, такие как Исследовательская сеть островков человека (HIRN), уже интегрируют аутофагическое профилирование в свои платформы.

Заключение

Аутофагия является фундаментальным цитопротекторным процессом, который особенно важен для долгосрочного здоровья бета-клеток поджелудочной железы. От очистки поврежденных митохондрий и снижения стресса ЭР до оркестрации оборота гранул инсулина аутофагия защищает механизм, необходимый для адекватной секреции инсулина. Когда аутофагия колеблется — из-за метаболической перегрузки, аутоиммунного нападения или генетической предрасположенности — бета-клетки ухудшаются, ускоряя прогрессирование диабета. И наоборот, стратегии, которые восстанавливают или усиливают аутофагический поток, будь то с помощью лекарств, диеты или физических упражнений, имеют существенные перспективы для сохранения массы и функции бета-клеток.

Путь от скамейки до постели все еще разворачивается, но сближение фундаментальной науки, доклинических моделей и ранних клинических испытаний рисует обнадеживающую картину. Понимание нюансов аутофагической регуляции в бета-клетках не только углубит наши знания о патогенезе диабета, но и откроет новые возможности для вмешательств, которые используют собственную команду по очистке клеток организма для борьбы с одним из самых неотложных метаболических заболеваний нашего времени.

Ссылки

Mizushima, N., & Komatsu, M. (2011). Аутофагия: обновление клеток и тканей. Cell, 147(4), 728–741. doi:10.1016/j.cell.2011.10.026
Юнг, H. S., и др. (2008). Потеря аутофагии уменьшает массу и функцию бета-клеток поджелудочной железы. Метаболизм клеток , 8(4), 318-324. doi:10.1016/j.cmet.2008.08.013
Ebato, C., et al. (2008). Аутофагия важна при островковом гомеостазе и компенсаторном увеличении массы бета-клеток. Метаболизм клеток , 8(4), 325–332. doi:10.1016/j.cmet.2008.08.009
Masini, M., et al. (2009). Аутофагия в бета-клетках поджелудочной железы 2 типа человека. Диабетология , 52(6), 1083-1086. doi:10.1007/s00125-009-1347-6
Barlow, A. D., & Thomas, D. C. (2015). Аутофагия при диабете: дисфункция β-клеток, резистентность к инсулину и осложнения. Фронтиеры в эндокринологии , 6, 179. doi:10.3389/fendo.2015.00179