Autophagy
모든 진핵 세포는 autophagy 또는 “self-eating”이라고 불리는 과정을 수행할 수 있다.
정의
Autophagy 동안:
- 세포질의 일부가 autophagosome이라는 막 구조로 포획됨
- Autophagosome이 lysosome과 융합
- Autophagosome의 내용물이 분해됨
Autophagy의 종류
1. Nonselective Autophagy
starvation 상태에서 아미노산과 에너지원 확보를 위해 cytoplasm의 일부 bulk portion이 autophagosome에 격리되어 분해된다.
2. Selective Autophagy
Autophagosome이 표식이 붙은 특정 cargo를 단단히 둘러싸고 주변 세포질을 대부분 제외한다. e.g. mitophagy
Autophagy의 역할
1. 세포 재구조화
정상적인 세포 성장과 발달 중:
- 분화하는 세포를 재구조화
- 원치 않는 organelle 또는 다른 세포 내용물 제거
2. 재활용 (Nonselective Autophagy)
세포가 stress나 starvation을 경험할 때:
- 기존 단백질과 거대분자를 building block으로 재활용
- 다른 우선순위에 사용
3. 선택적 분해 (Selective Autophagy)
다음을 분해하는 데 사용:
- 세포질을 침입하는 세균과 바이러스
- 손상된 단백질
- 단백질 응집체
- 손상된 전체 organelle
Autophagy 조절 이상의 질병
조절 이상 autophagy는 다양한 질병에 기여한다:
- 감염성 질환
- 신경 퇴행
- 암
Autophagosome 조립 절차
Autophagosome은 알려지지 않은 기원의 작은 vesicle의 융합으로 조립된다.
시작 단계
과정은 phosphoinositide lipid kinase complex (ATG1 complex)가 국소적으로 PI(3)P를 생성할 때 시작된다:
- 여러 autophagy-related factor의 모집을 위한 잠재적 막 site를 표시
ATG8의 역할
= autophagosome 쪽에 붙어있다가 표적과 autophagosme간에 어댑터 역할 autophagy-related factor는 다음을 촉매한다:
- 막 지질 phosphatidylethanolamine을 ubiquitin-like 단백질 ATG8에 공유적으로 부착
ATG8-marked vesicle은:
- 서로 homotypic fusion1을 겪음
- ATG9를 포함하는 vesicle과 heterotypic fusion2을 겪음
- ATG8과 다른 autophagy-related 단백질에 의해 identity가 제공되는 막의 확장이 발생
막 구조의 형성
Nucleation and extension
알려지지 않은 이유로, vesicle 융합에 의해 형성된 성장하는 막 구조는 구형이 아니다:
- Golgi apparatus cisterna와 유사한 납작한 disc
- Cup-shaped 구조로 말림
- 이 cup의 입술이 융합하여 내용물을 이제 두 개의 막으로 둘러싸인 구획 안에 포함
Fusion of the autophagosome with lysosome
Autophagosome의 외막은:
- SNARE-mediated process로 lysosome과 융합
- 내막과 포획된 cargo가 lysosome으로 방출됨
- Acid hydrolase에 의해 분해됨
Nonselective Autophagy의 조절
mTOR Complex 1에 의한 조절
ATG1 kinase complex의 활성은 엄격하게 조절된다.
대부분의 경우:
- mTOR complex 1에 의한 인산화로 인해 비활성 상태로 유지됨
- mTOR complex 1의 활성은 lysosome에서 단백질 재활용에 의해 생성된 특정 amino acid의 가용성에 의존
특정 amino acid가 제한적일 때:
- mTOR complex 1 활성 감소
- ATG1 complex에 대한 억제 해제
- ATG1 complex 활성화
- Nonselective autophagy 시작
- Lysosome에서 bulk 세포질 분해
- Amino acid 생성
- mTOR complex 1 활성화
이 feedback loop를 통해:
- Nonselective autophagy의 속도가 세포의 영양 상태에 의해 동적으로 조절됨
포유류에서의 중요성
포유류에서 starvation-induced nonselective autophagy는 특히 출생 직후 수 시간 동안 중요하다:
- 자궁에서의 지속적인 영양 공급이 갑자기 상실됨
- 입으로 먹이를 먹는 것이 아직 시작되지 않음
- Autophagy를 통한 빠른 amino acid 획득이 중요한 세포 기능을 유지하는 데 사용됨
- 어머니로부터 안정적인 음식 공급원이 확립될 때까지
추가 조절
포유류에서 autophagy의 속도는 mTOR complex 1 외에도 여러 다른 신호 경로에 의해 제어된다:
- Growth factor signaling
- ATP 수준
세포가 여러 외부 및 내부 신호를 세포질의 거대분자 재활용 속도에 대한 결정에 통합할 수 있게 한다.
Selective Autophagy
Cargo-specific Receptor
Selective autophagy는 분해될 cargo를 forming autophagosome 막의 오목한 표면으로 모집하는 specialized receptor 단백질에 의해 매개된다.
이러한 receptor는:
- Cargo를 인식
- Autophagosome-specific 단백질 ATG8에 대한 binding site 보유
다양한 Receptor
세포는 잠재적 cargo의 큰 범위를 수용하기 위해 수많은 cargo-specific autophagy receptor를 진화시켰다.
Ubiquitin Marking
대부분의 경우 autophagy receptor는 분해될 때만 cargo가 획득하는 mark를 통해 cargo를 인식한다:
- 가장 일반적으로 사용되는 mark는 ubiquitin
Bacteria의 Selective Autophagy
예를 들어, phagosome에서 탈출하여 세포질을 침입하는 세균:
- 세균 표면의 단백질을 ubiquitylate하는 세포질 단백질에 의해 인식됨
- 여러 cargo receptor가 ubiquitin과 다른 세균 특이적 단백질을 인식
- ATG8-containing vesicle을 recruit
- 이러한 vesicle이 함께 융합
- Forming autophagosome이 효과적으로 cargo 주위를 zipper처럼 둘러싸서 포획
- 과정에서 bulk 세포질을 trap하지 않음
Selective Autophagosome의 형태
Selective autophagy 동안 autophagosome의 모양은 일반적으로 cargo의 모양을 반영한다.
Mitophagy
손상되거나 닳은 mitochondria의 selective autophagy를 mitophagy라고 한다.
Mitochondria 품질 관리
정상적으로 기능하는 mitochondria:
- Inner mitochondrial membrane이 electrochemical H+ gradient에 의해 energize됨
- Gradient가 ATP 합성과 mitochondrial precursor 단백질 및 대사산물의 import를 추진
손상된 mitochondria:
- Gradient를 유지할 수 없음
- 단백질 import가 차단됨
Pink1과 Parkin의 역할
결과적으로 Pink1이라는 단백질 kinase:
- 정상적으로 mitochondria로 import됨
- 대신 mitochondria 표면에 유지됨
- 세포질에서 ubiquitin ligase Parkin을 recruit
Parkin:
- Mitochondrial outer membrane 단백질을 ubiquitylate
- Autophagy를 위한 ubiquitin-dependent cargo receptor의 mark 역할
Parkinson’s Disease
Pink1 또는 Parkin의 mutation:
- 조기 발병 Parkinson’s disease의 한 형태를 유발
- 중추 신경계의 퇴행성 장애
- 이 질병에서 조기에 죽는 neuron이 mitophagy에 특히 의존하는 이유는 알려지지 않음
Autophagosome의 이중막 구조
Autophagosome은 이중막으로 둘러싸여 있다:
- 외막: Lysosome과 융합
- 내막: Lysosome으로 방출되어 분해됨
이 구조는 autophagy가 다른 endocytic 경로와 구별되는 특징이다.