Самопоедание: Самопоедание оказалось оружием борьбы гигантских водорослей с бывшими грибами

Содержание

Самопоедание оказалось оружием борьбы гигантских водорослей с бывшими грибами

Pedro Murúa et al. / New Phytologist, 2020

Бурая водоросль Macrocystis pyrifera защищается от своего паразита, оомицета Anisolpidium ectocarpii, с помощью аутофагии — комплекса процессов по переработке компонентов собственных клеток, сообщается в New Phytologist. Аутофагия выступает в роли двигателя локального и системного иммунного ответа у водоросли. Этот факт показан впервые. Вероятно, паразит и его хозяин также влияют на ход «клеточного самоедства» друг у друга.

Бурых водорослей много в холодных морях, и там они служат основными продуцентами — производителями органических веществ. Они нередко достигают внушительных размеров — до 50 метров в длину. Неудивительно, что у них, в частности у 

Macrocystis pyrifera (именно он держит рекорд величины среди водорослей), есть паразиты.

Один из таких паразитов — оомицет Anisolpidium ectocarpii. Раньше оомицет относили к грибам, но по новой систематике они принадлежат совсем другому царству (Chromista; интересно, что туда же входят и бурые водоросли), так как по строению жгутиков и многим другим параметрам от настоящих грибов очень далеки. Клеточные механизмы защиты от Anisolpidium у бурых водорослей не изучены, как и их ответ на присутствие паразитов в принципе.

Известно, что у животных, зеленых растений и грибов в ответе организма на патогены большую роль играет аутофагия — переваривание компонентов клеток за счет лизосом, которые в этих же клетках и содержатся. Однако у бурых водорослей и оомицет значение аутофагии практически не исследовали.

Ученые из Великобритании, Германии и Австрии под руководством Клэр Гашон (Claire M.M. Gachon) из Шотландской ассоциации морских исследований выращивали в лаборатории Anisolpidium ectocarpii и периодически заражали им здоровые женские гаметофиты (половое поколение) Macrocystis pyrifera.

Состояние клеток инфицированных водорослей и их паразитов раз в 1–5 дней оценивали с помощью конфокальной микроскопии. Для этого часть зараженных гаметофитов извлекали из аквариумов, промывали стерильной морской водой и добавляли различные флуоресцентные красители, которые позволяют отличить аутофагосомы (лизосомы, в которых содержатся разлагаемые компоненты клетки) от других лизосом, а также оценить кислотность содержимого вакуолей (этот параметр дает возможность оценить общее состояние клетки). Также биологи готовили срезы Macrocystis для трансмиссионной электронной микроскопии.

Выяснилось, что Anisolpidium ectocarpii внутри водоросли находится в виде синцития — клетки со множеством ядер под одной оболочкой. Этот синцитий никогда не мигрирует из клетки в клетку: функцию расселения на себя берут зооспоры. Вероятно, поэтому в пораженных анизольпидием клетках Macrocystis активируется аутофагия: в них становится больше лизосом, где перевариваются другие органеллы, а также синцитии Anisolpidium. Если такие клетки уничтожить или очистить от оомицета, это остановит локальное распространение инфекции. Клетки, в которых паразита нет, тоже претерпевают изменения: в них запускается переработка пластид, которая нарушается, если на водоросль подействовать ингибиторами аутофагии.

Вероятно, оомицет-паразит контролирует собственное размножение с помощью аутофагии. Сразу после заражения в водоросли преобладают анизольпидии с крупными липидными каплями в клетках, но с каждым днем таких организмов становится все меньше, так как липидные капли уменьшаются, а ядра в составе синцитиев все чаще находят внутри вакуолей. Некоторые споры погибают, видимо, чтобы сохранились наиболее жизнеспособные. Все эти процессы нарушаются в присутствии ингибиторов аутофагии.

Желтым показаны лизосомы в клетках Anisolpidium ectocarpii внутри нитей Macrocystis pyrifera на девятый и семнадцатый день после заражения. Масштабный отрезок 15 микрометров.

Pedro Murúa et al. / New Phytologist, 2020

Через 17 дней после инфицирования в составе
Anisolpidium
находят почти исключительно органеллы для переваривания других органелл, при том, что липидов в этих особях может быть много. Такие особи уже не могут размножаться. Паразиту невыгодно, чтобы размножение прекращалось при наличии ресурсов. Поэтому авторы предполагают, что макроцистис каким-то образом активирует самопоедание у заразившего его организма и этим тоже тормозит его распространение.

Получается, что аутофагия — очень консервативный способ борьбы с инфекцией и встречается не только у «классических» растений и грибов (а также животных), но и у других эукариот. Судя по всему, у Macrocystis он представляет последнюю линию обороны: полуразрушенные синцитии анизольпидия находили в погибших клетках макроцистиса. К тому же, проникновение оомицета в клетки водоросли порой останавливали утолщения клеточной стенки, которые эти клетки формировали.

Аутофагия известна уже более полувека, и сейчас мы знаем, что роль, которую она играет в самых разнообразных физиологических процессах, огромна. Особенно крупный вклад в изучение «клеточного самоедства» внес японский биолог Ёсинори Осуми. За открытие механизмов аутофагии (на примере дрожжей) он получил Нобелевскую премию по физиологии в 2016 году.

Светлана Ястребова

Нобелевка за «самопоедание» | Euronews

Обладателем первой премии Нобеля в этом году стал лауреат в области физиологии и медицины японец Йошинори Осуми. Премию он получил за исследование аутофагии-механизма самопоедания и утилизации клеток.

Академик оценил перспективы работы нобелевского лауреата Осумиhttps://t.co/uDSqYtEDoipic.twitter.com/333PH0h51F

— РИА Новости (@rianru) 3 octobre 2016

Об этом объявил секретарь Нобелевского комитета по физиологии и медицине Томас Перлман: “Нобелевский комитет при Каролинском институте сегодня решил наградить лауреата Нобелевской премии по медицине и физиологии 2016 года Йошинори Осуми за его открытие механизмов аутофагии”.

Биолог из Токийского Технологического университета Йошинори Осуми на протяжении всей своей карьеры изучал механизмы клеточной аутофагии. Сам феномен был открыт в 1960 годах, но именно благодаря серии экспериментов, проведенных биологом в 90е годы стал понятен принцип работы аутофагии. Для этого он сначала изучил и описал аутофагию в пекарских дрожжах, затем доказал, что подобный процесс происходит и в клетках человека.

Нобель за самоедство: Японский молекулярный биолог Есинори Осуми удостоен Нобелевской премии по физиологии и … https://t.co/z2df4Zy81x

— Новости Науки (@allscience_news) 3 octobre 2016

О том насколько важно это открытие для науки, рассказала Мария Масуччи, член Нобелевского комитета: “Путем уничтожения поврежденных органелл аутофагия обеспечивает обновление клеток. В то же время отсутствие аутофагии приводит к старению клеток, и многочисленным заболеваниям, таким как Альцгеймер и сахарный диабет второго типа. Впрочем, слишком большое количество аутофагии может иметь и побочные эффекты, например у больного раком аутофагия может вызвать увеличение количества раковых клеток и их устойчивость к химиотерапии “,

Осуми стал лишь 39-м лауреатом, удостоенным награды единолично. Чаще всего Нобелевскую премию получают коллективы ученых, а не отдельные исследователи. Осуми также стал шестым японцем в истории Нобелевской премии по медицине и 23-м японцем за 115 лет Нобелевской премии вообще.

Что такое аутофагия и почему она полезна

Аутофагия (дословно «самопоедание») – процесс, происходящий в клетках. Белки, которые «неправильно» свернулись, старые органеллы, вирусы и бактерии, которые могли поглотить клетки иммунной системы, попадают в лизосомы и подвергаются уничтожению. Лизосома напоминает пузырек внутри клетки с ферментами, которые уничтожают ненужное. Таким образом наши клетки «делают уборку».

 

Этот процесс происходит в теле постоянно, но слабо. Активирует аутофагию ряд факторов, среди которых – голодание, ограничение калорий и физические нагрузки. В 2016 году Нобелевскую премию по медицине получил Осуми Йошинори за открытие и описание молекулярных и физиологических механизмов автофагии.

 

Почему это важно

Аутофагия и голод, который ее запускает, оказались эффективными в облегчении болезней, связанных с воспалением, сердечно-сосудистых, нейродегенеративных и метаболических, ожирения и рака, замедлении процессов старения и увеличении продолжительности жизни. Аутофагия помогает уничтожать миелоидные бляшки в нейронах при болезни Альцгеймера. Периоды голодания помогают нормализовать вес и баланс холестерина.

 

Нарушение механизмов аутофагии наблюдается при нейродегенеративных заболеваниях. С возрастом и при регулярно высоких уровнях инсулина (то есть когда мы часто едим сладкое) аутофагии замедляется. И наоборот – когда мы голодны, когда нет инсулина, а вместо него есть гормон глюкагон, аутофагия запускается.

 

Ограничение калорий тем или иным способом – это модная и научно обоснованная диета. Для лучшего запуска аутофагии голодание должно продолжаться в течение 18–24 часов. То есть следует делать разгрузочный день или пропускать ужин и завтрак. Можно есть только в определенный период дня, например, с 11 по 18, – но не постоянно! Другим путем ограничения калорий является подход, когда мы питаемся, как обычно, но устраиваем дни очень ограниченного потребления пищи. Популярен вариант 5х2, когда мы пять дней едим, как всегда, и два дня потребляем не более 500–600 ккал в сутки. Вы можете выбрать приемлемый для себя способ ограничения калорий.

 

Противопоказания к интервальному голоданию:

  • Люди, привыкшие «заедать стресс», могут после дня аутофагии съесть гораздо больше, чем нужно.
  • Голодать и тренироваться не стоит. Возможны головокружение и очень низкая эффективность тренировок. Особенно это касается бега или плавания.
  • Диабет 1 и 2 типа и голодание несовместимы. Введение инсулина на фоне голода может критически снизить уровень сахара в крови.
  • Беременным женщинам также не стоит голодать, а придерживаться полноценного, хоть и не чрезмерного, питания.

 

На что обратить внимание:

  • Периоды голода полезны для здоровья, и стоит приучить себя регулярно «поститься», если у вас нет противопоказаний.
  • Вы можете помочь организму с аутофагией, если будете соблюдать режим питания и откажетесь от перекусов и сладостей.
  • Если вы не можете голодать, непременно занимайтесь интенсивными физическими нагрузками.
  • Проконсультируйтесь со своим семейным врачом, если планируете начать такую практику.

 

Источник

Нобелевская премия по физиологии присуждена за описание поглощения клеткой ее же компонентов

Годом ранее премия по медицине и физиологии была присуждена Уильяму Кемпбеллу и Сатоси Омуре за открытия, позволившие создать новое терапевтическое лечение инфекций, вызываемых паразитическими червями. Вторую часть премии присудили Юю Ту за ее открытия, позволившие разработать терапию против малярии.

Нобелевская премия по физиологии присуждена молекулярному биологу Ёсинори Осуми (родился в 1945 г. в Фукуоке, Япония) за открытие и описание механизмов деградации белков при аутофагии. Это решение Шведский нобелевский комитет принял 3 октября 2016 г.

Аутофагия в переводе с греческого означает «самопоедание». Ученые еще в 60-е гг. открыли, что клетка способна переработать содержащиеся в ней компоненты, обволакивая их мембраной и образуя пузырек — везикулу, которые затем переносятся в лизосому и там деградируются. Так клетка может переваривать белки при нехватке энергии или строительного материала.

Ёсинори Осуми с 1988 г. занимался изучением деградации белков в клетках дрожжей, найдя условия, при которых под микроскопом становятся видимыми аутофагсомы — органеллы, окружающие уничтожаемые органоиды и цитоплазму. В результате его исследований стало известно, что процесс аутофагии контролирует важный физиологический процесс, когда необходимо уничтожение или переработка компонентов клетки. Аутофагия может быстро обеспечить организм энергией, избавить его от ненужных органелл и обеспечить строительным материалом для восполнения недостающих компонентов клетки. После попадания в организм инфекции аутофагия помогает вывести из него ткани мертвых клеток и бактерии. Также аутофагия способствует развитию эмбрионов и дифференциации клеток, удаляя отработавший материал.

Аутофагия трудна для изучения, и до классических опытов профессора Осуми на культурах дрожжей, проведенных в 1990-х гг., ее генный механизм не был изучен. «Открытия Осуми привели к смене парадигмы в области понимания механизма переваривания клеткой собственного содержимого. Его открытия открыли путь к пониманию фундаментальной роли аутофагии во множестве физиологических процессов, в частности адаптации к голоданию и реакции на инфекции. Мутации в генах, ответственных за аутофагию, оказались причиной заболеваний, а сам процесс — важным компонентом раковых заболеваний и заболеваний нервной системы», — пишет Нобелевский комитет.

Нобелевскую премию по медицине дали за механизм клеточного самопоедания

Приз получил профессор Токийского технологического института Ёсинори Осуми, чьи работы не только позволили разобраться в механизме клеточной аутофагии, но и помогли осознать, какую большую роль она играет в нашей жизни.

Любой клетке нужно время от времени убирать накопившийся в ней мусор – испорченные биомолекулы, куски мембран, а то и целые органеллы, пришедшие в негодность. Существует несколько мусороуборочных механизмов, и один из основных – это аутофагия, или самопоедание. Для аутофагии нужны ферменты, которые, очевидно, должны храниться в каких-то специальных местах, и такие места действительно есть: Кристиан де Дюв в 1974 году получил Нобелевскую премию по медицине за открытие лизосом – внутриклеточных органелл с ферментами, расщепляющими липиды, углеводы и другие белки. Но сами по себе лизосомы ничего не дают, нужно ведь как-то ещё собирать молекулярно-клеточный мусор и подтаскивать его к ферментной «топке». В дальнейшем удалось найти ещё одни особые структуры, названные аутофагосомами – они представляют собой мембранные контейнеры, которые собирают разнообразный мусор, а потом сливаются с лизосомой.

Ёсинори Осуми. (Фото Tokyo Institute of Technology.)

Схема аутофагии: от формирования аутофагосомы до её слияния с лизосомой (Фото brian jaski / www.flickr.com/photos/[email protected]/13234239863.)

Клетка-фибробласт человека с окрашенными оранжевым лизосомами – хранилищами переваривающих ферментов для аутофагии. (Фото Rachael Dunlop / www.flickr.com/photos/scepdoll/2863141012.)

Однако конкретный механизм процесса долгое время оставался скрыт – после открытия лизосом и аутофагосом биологи переключились на другие предметы. Новая волна интереса к аутофагии возникла в связи с работами нынешнего нобелевского лауреата Ёсинори Осуми (Yoshinori Ohsumi) из Токийского технологического института, который в 1988 году получил собственную лабораторию и начал плотно изучать деградацию белков в клетке. Объектом исследования Осуми были дрожжи. В клетках дрожжей есть специальный орган, называемый вакуоль – она похожа на лизосомы животных клеток, однако до поры до времени было непонятно, происходят ли у дрожжей другие этапы аутофагии, то есть формирование аутофагосом, их транспорт к вакуоли и т. д. Чтобы это узнать, Осуми и его сотрудники отключили в дрожжевых клетках гены, отвечающие за синтез вакуолярных ферментов, и в результате в вакуолях стали накапливаться крохотные пузырьки – то были аутофагосомы, которые некому было расщеплять.

То есть у дрожжей аутофагия всё-таки есть, а значит, их можно использовать как модель для её дальнейшего изучения. Внося мутации в разные гены дрожжей и затем подталкивая их к аутофагии (сделать это можно, посадив клетки на голодную диету – самопоедание включается не только для уборки мусора, но и при нехватке питательных веществ вокруг), Осуми с коллегами удалось идентифицировать 15 генов, которые контролируют клеточное самопоедание, и восстановить последовательность его этапов.

Работы Осуми, как было сказано выше, привлекли всеобщее внимание к аутофагии, и её снова стали активно изучать. Теперь мы знаем, что самопоедание – один из самых фундаментальных и консервативных процессов, свойственных живым организмам: почти те же самые события, которые происходят у дрожжей при аутофагии, имеют место и в человеческих клетках, несмотря на то, что эволюционная дистанция между человеком и дрожжами весьма велика. Что до фундаментальности, то способность поедать что-то внутри себя нужна не только во время голода и не только при необходимости избавиться от отработанных молекул. Например, аутофагия включается, чтобы справиться с бактериями и вирусами, проникшими в клетку. С её помощью можно вернуть в оборот молекулярные строительные блоки – аминокислоты, нуклеотиды и пр., из которых можно создать новые, «здоровые» биомолекулы. На уровне организма без клеточного самопоедания тоже никак не обойтись: во время развития эмбриона и клеточной дифференцировки, во время формирования тканей и органов требуется постоянная перестройка внутриклеточных структур и удаление отработавших своё клеток. Аутофагия – один из основных процессов, запускающихся в ответ на стресс, и один из способов контролировать состояние клетки, её функциональность, и естественно, что неполадки в ней чреваты серьёзными неприятностями. Известно, что мутации в генах, управляющих аутофагией, приводят к генетическим заболеваниям, и что нарушения в механизме самопоедания связаны с такими болезнями, как синдром Паркинсона, диабет 2 типа, рак. Можно сказать, что Ёсинори Осуми получил Нобелевскую премию не только за расшифровку механизма аутофагии, но и за то, что благодаря его работам все поняли, насколько это важный процесс и насколько важно знать о нём как можно больше.

Нобелевскую премию по физиологии и медицине присудили за исследование «самопоедания» клеток

В этом году лауреатом Нобелевской премии по физиологии и медицине стал японский ученый Ёсинори Осуми [Yoshinori Ohsumi] за исследования механизмов аутофагии. Сам термин «аутофагия» появился еще в 60-х годах прошлого века. Его стали использовать в отношении клеточных механизмов очистки организма от деградировавших белков. Ученые выяснили, что при помощи этого процесса клетка очищается от внутриклеточного мусора, отправляя его в лизосомы. Лизосома (от греч. λύσις — растворяю и sōma — тело) — окружённый мембраной клеточный органоид, в полости которого поддерживается кислая среда и находится множество растворимых гидролитических ферментов. Лизосома отвечает за внутриклеточное переваривание макромолекул, в том числе при аутофагии.

Несмотря на то, что процесс был известен ученым уже давно, детали его оставались неизученными. Для того, чтобы изучить процесс аутофагии во всех подробностях, Осуми провел несколько остроумных экспериментов. Практически все свои опыты он проводил на пекарских дрожжах, стараясь идентифицировать гены, которые отвечают за аутофагию. Далее он сравнил механизм аутофагии в клетках дрожжей с аналогичным механизмом в клетках человека. Японцу удалось показать, что в наших собственных клетках процесс происходит примерно по такому же сценарию.

Также японский ученый сделал несколько открытий, показав, что аутофагия очень важна в различных физиологических процессах. Мутации в генах, отвечающих за механизм аутофагии могут приводить к появлению заболеваний, включая рак и нейрологические заболевания. Другие ученые, воспользовавших результатами работы Осуми, выяснили, что нарушения в механизме аутофагии могут приводить к появлению болезни Паркинсона, диабета второго типа и других болезней. Плюс ко всему, аутофагия играет значительную роль в процессе развития эмбрионов многих существ. Нужна она и в случае борьбы организма как с бактериальными, так и вирусными инфекциями.

Дрожжи были выбраны японцем о той причине, что их можно рассматривать, как простейшую эукариотическую систему. Здесь, как и говорилось выше, очень мало отличий в механизмах аутофагии с теми, что работают в клетках человека.


Осуми утверждает, что есть два основных пути, по которым происходит аутофагия. Первый — это деградация в протеасоме. Так называют крупную мультисубъединичную протеазу, присутствующую в клетках эукариот, архей и некоторых бактерий. В эукариотических клетках протеасомы содержатся и в ядре, и в цитоплазме. Основная задача протеасомы в организме — протеолитическая деградация ненужных и повреждённых белков до коротких пептидов (4—25 аминокислотных остатков), которые затем могут быть расщеплены до отдельных аминокислот. Работа протеасом была изучена в 70-х/80-х годах прошлого века. В 2004 году за прояснение деталей процесса деградации белков в протеасомах Нобелевскую премию получили Аарон Чихановер [Aaron Ciechanover], Аврам Хершко [Avram Hershko] и Ирвин Розе [Irwin Rose].

Второй путь уже упоминался выше — это разрушение белков в специальных органеллах, которые представляют собой окруженные мембраной пузырьки. Такие органеллы называются лизосомы. Лизосомы были открыты в середине 50-х годов прошлого века. За открытие лизосом была присуждена Нобелевская премию по физиологии и медицине, которую в 1974 году получил бельгийский ученый Кристиан де Дюв [Christian de Duve]. Этот ученый первым ввел термин «аутофагия».

Ёсинори Осуми смог вывести особый вид дрожжей, которые накапливали аутофагосомы в процессе голодания. После этого он воздействовал на генетический аппарат дрожжей определенным химическим веществом, вызывающем случайные мутации, и не давал дрожжам достаточного количества питательных веществ. В нормальной клетке выведенных японцем дрожжей в этом случае запускался процесс аутофагии. В клетках, подвергшихся мутации, этот процесс иногда не срабатывал. Ученый предположил, что в этом случае был поврежден ген, отвечающих за аутофагию. В результате Осуми удалось отключать разные гены ДНК дрожжей, наблюдая за последствиями отключения. Методом проб и ошибок ему удалось найти те гены, без которых клетки уже не запускали механизм «самопоедания». Как оказалось, в генотипе дрожжей таких генов пятнадцать. Во всяком случае, это все, что удалось обнаружить.

Исследования японского ученого были признаны Каролинским институтом, вручающим Нобелевскую премию, выдающимися. «Открытия Осуми смогли дать нам понимание того, как клетки перерабатывают сами себя и как они очищаются от белкового мусора. Работы ученого открыли новое направление в понимании аутофагии как части самых разных физиологических процессов, включая реакцию на заражение и приспособление к голоду», — говорится в пресс-релизе Каролинского института.

Исследования Ёсинори Осуми спровоцировали бурный рост исследований по аутофагии и соответствующий рост количества публикаций этой тематики. О том, насколько сильное влияние оказали работы Осуми, можно судить по графику, представленному выше.

Ученые выяснили, как хронический стресс влияет на нервные клетки мозга