Нарушения аутофагии приводят к нейродегенерации

Аутофагия — процесс, необходимый для поддержания гомеостаза клетки. За счет аутофагии происходит очищение от нежелательных молекул и органелл, которые разрушаются клеткой при помощи аутофагосом, а продукты распада направляются в метаболические пути, что позволяет клетке получать энергию.

Ранее в экспериментах на мышах было продемонстрировано, что отключение ответственных за аутофагию генов, таких как Atg5 или Atg7, приводит к нейродегенерации. В исследовании, опубликованном в Cell Reports, было показано, какой именно механизм лежит в основе данного эффекта.

Чтобы выяснить это, ученые провели эксперименты на культуре эмбриональных стволовых клеток человека (hESC). Исследователи использовали систему редактирования генома TALEN (Transcription Activator-Like Effector Nuclease) для отключения гена ATG5, что позволило получить клетки с неспособные к аутофагии (ATG5-/-). Затем отредактированные стволовые клетки дифференцировали в нейроны, для чего использовался метод двойного ингибирования SMAD (dual-SMAD inhibition method). В этом методе одновременно применяют два ингибитора сигнальных путей, в которых SMAD является ключевым участником (Noggin блокирует сигналинг BMP, а SB431542 ингибирует сигнальный путь TGF-B. Одновременное воздействие на оба сигнальных пути, регулирующих дифференцировку клеток, направляет hESC по эктодермальному пути развития).

Таким образом была получена экспериментальная модель нейронов с нарушением процесса аутофагии. В таких нейронах не наблюдалось формирования аутофагосом, а также отмечалось накопление субстрата, который подвергался аутофагии в клетках дикого типа.

В клетках с нарушением аутофагии наблюдались метаболические дефекты и повышенная склонность к апоптозу. Чтобы понять, какой механизм лежит в основе данных нарушений, исследователи провели метаболомное профилирование нейронов, происходящих из клеток с нарушением аутофагии или клеток дикого типа.

ATG5-/-  клетки характеризовались истощением метаболитов, связанных с гликолизом и циклом трикарбоновых кислот, а также значительным истощением NAD/NADH. Недостаток последнего, вероятно, был вызван активацией NAD(H)-зависимых ферментов, например, белков семейства PARP и сиртуинов.

Дисбаланс NADH приводил к деполяризации внутренней мембраны митохондрий, а также к накоплению в клетке активных форм кислорода и росту уровня окислительного стресса. Поврежденные при этом митохондрии не подвергались аутофагии, поскольку модельные клетки не были к ней способны. Авторы предполагают, что именно дефицит NADH при нарушении аутофагии связывает описанный выше механизм с гибелью клеток.

Также было обнаружено уменьшение количества таких аминокислот, как глицин и L-триптофан, причем добавление дополнительного L-триптофана в ростовую среду восстанавливало уровень NAD(H) и улучшало жизнеспособность клеток.

Нарушение процесса аутофагии ассоциировано с развитием нейродегенеративных болезней человека и лизосомальных болезней накопления. Знание механизмов, лежащих в основе данных нарушений, может позволить подобрать новые варианты терапии нейродегенеративных заболеваний.

Доктор Сован Саркар, ведущий автор исследования, отмечает, что ингибиторы ферментов, потребляющих NAD, или добавки с предшественниками NAD (таких как никотинамид или никотинамидмононуклеотид), а также витамин B3, вероятно, позволят уменьшить возникающий дефицит и будут препятствовать нейродегенерации.

Цитата по пресс-релизу