オートファジー：メカニズムと分子的な洞察
オートファジーは真核生物に見られる細胞のメカニズムであり、酵母からヒトに至るまで存在します。これは細胞内のタンパク質がタンパク質の蓄積を防ぐためのものです。オートファジーは、過剰なタンパク質合成、栄養不足、細胞内への病原微生物の侵入などの状況で、生体の恒常性を維持するために関与しています[1]。また、個体の発生過程でのプログラム細胞死やハンチントン病などの疾患、細胞がん化の抑制にも関与しています。
「オートファジー」という用語は、ギリシャ語の「自分自身」を意味する「auto」と、「食べること」を意味する「phagy」から派生し、1963年にクリスチャン・ド・デューブによって初めて定義されました[2]。これは「自食」とも訳されます。
歴史的背景: オートファジー遺伝子は、最初に出芽酵母での遺伝学的なスクリーニングによって同定されました。それに続いて、オートファジー遺伝子の機能的な特徴が発見され、さまざまな生物におけるオートファジー遺伝子のオルソログが同定され、研究されてきました。2022年現在、36のAtg（オートファジー関連）タンパク質がオートファジーに特に重要であり、そのうち18種類がオートファゴソームの形成に必須であると分類されています。
オートファジーの分子生物学: 哺乳動物では、アミノ酸、成長因子、活性酸素などの要因に基づいてmTORおよびAMPKといったプロテインキナーゼの活性がオートファジーを決定します。これらのキナーゼは、オートファジーを調節するためにUnc-51様キナーゼであるULK1およびULK2（Atg1の哺乳動物ホモログ）の抑制性リン酸化を介しています。オートファジーの誘導は、ULKの脱リン酸化と活性化をもたらします。活性化されたULKは、Atg13、Atg101、FIP200（Atg17の哺乳動物ホモログ）を含むタンパク質複合体の一部として、Beclin-1（Atg6の哺乳動物ホモログ）をリン酸化して活性化します。オートファジー誘導性のBeclin-1複合体[43]には、タンパク質PIK3R4（p150）、Atg14L、およびクラスIII PI3キナーゼであるVps34が含まれています。活性化されたULKやBeclin-1複合体は隔離膜に再局在し、下流のオートファジー成分の活性化に寄与します。
Vps34が活性化されると、ホスファチジルイノシトールをリン酸化して隔離膜の表面にリン酸化ホスファチジルイノシトール（PtdIns(3)P）を生成します。生成されたPtdIns(3)Pは、PtdIns(3)P結合モチーフを含むタンパク質のドッキングポイントとして使用されます。WIPI2はWIPIタンパク質ファミリーに属し、PtdIns(3)P結合タンパク質であり、最近Atg16L1に物理的に結合することが示されました。ATG16L1は、オートファゴソーム形成に不可欠な2つのユビキチン様結合システムの1つに関与するE3様タンパク質複合体のメンバーです。FIP200を含むゴルジ由来の膜はATG16L1陽性のエンドソーム膜と融合して、HyPAS（hybrid pre-autophagosomal structure）と呼ばれるファゴフォアを形成します。ATG16L1のWIPI2への結合は、ATG16L1の活性を媒介します。これにより、ユビキチン様結合システムを介して、プロファゴフォアがATG8陽性のファゴフォアに変換されます。
オートファジーに関与する2つのユビキチン様結合システムの1つ目は、ユビキチン様タンパク質Atg12をAtg5と共有結合させるものです。この結合タンパク質はその後、Atg16L1と結合し、2つ目のユビキチン様結合システムの一部として機能するE3様複合体を形成します。この複合体はAtg3を結合して活性化し、最もよく研究されているLC3タンパク質であるユビキチン様酵母タンパク質Atg8の哺乳類ホモログ（LC3A-C、GATE16、GABARAPL1-3）をオートファゴソーム表面の脂質ホスファチジルエタノールアミン（PE）に共有結合させます。こうして脂質化されたLC3はオートファゴソームの閉鎖に寄与し、特定の積み荷やセクエストソーム-1などのアダプタータンパク質のドッキングを可能にします。オートファゴソームはSNAREやUVRAGなどの複数のタンパク質の作用によってリソソームと融合し、融合後、LC3は小胞の内側に保持され、分解されます。一方で、外側に付着したLC3分子はAtg4によって切断され、リサイクルされます。オートリソソームの内容物はその後分解され、ビルディングブロックはパーミアーゼの作用によって小胞から放出されます。
サーチュイン1（SIRT1）はオートファジーに必要なタンパク質のアセチル化を防ぐことによってオートファジーを活性化し、これは培養細胞、胚、新生児組織で示されています。この機能は、サーチュイン遺伝子の発現と、カロリー制限による栄養制限に対する細胞応答とを関連付けています。
Autophagy: Mechanism and Molecular Insights
Autophagy is a cellular mechanism present in eukaryotic organisms, ranging from yeast to humans. It serves to degrade intracellular proteins, preventing the accumulation of abnormal proteins within cells. Autophagy is involved in maintaining the homeostasis of living organisms by recycling proteins during conditions such as excessive protein synthesis, nutrient deprivation, or the intrusion of pathogens into the cell [1]. It also plays a role in programmed cell death during individual development and is implicated in diseases like Huntington's disease, as well as in inhibiting cellular transformation into cancer cells.
The term "autophagy" is derived from the Greek words "auto" meaning "self" and "phagy" meaning "to eat," and it was first defined by Christian de Duve in 1963 [2]. It is also translated as "self-eating."
Historical Background: Autophagy genes were initially identified through genetic screening in budding yeast [31][32][33][34][35]. Subsequently, functional characteristics of autophagy genes were discovered, and orthologs of autophagy genes in various organisms were identified and studied [36][37]. As of 2022, 36 Atg (autophagy-related) proteins have been classified as particularly crucial for autophagy, with 18 of them being essential for autophagosome formation [38][39].
Molecular Biology of Autophagy: In mammals, the activity of the protein kinases mTOR and AMPK, which are regulated based on factors such as amino acids, growth factors, and reactive oxygen species, determines autophagy [37][40]. These kinases regulate autophagy through the inhibitory phosphorylation of Unc-51-like kinases ULK1 and ULK2 (mammalian homologs of Atg1) [41]. The induction of autophagy results from the dephosphorylation and activation of ULK. Activated ULK, as part of a protein complex including Atg13, Atg101, and FIP200 (mammalian homolog of Atg17), phosphorylates and activates Beclin-1 (mammalian homolog of Atg6) [42]. The autophagy-inducing Beclin-1 complex [43] contains the proteins PIK3R4 (p150), Atg14L, and the class III PI3 kinase Vps34 [44]. Activated ULK and the Beclin-1 complex relocate to the isolation membrane, contributing to the activation of downstream autophagic components [45][46].
When Vps34 is activated, it phosphorylates phosphatidylinositol to generate phosphatidylinositol 3-phosphate (PtdIns(3)P) on the surface of the isolation membrane. PtdIns(3)P serves as a docking point for proteins containing the PtdIns(3)P-binding motif. The PtdIns(3)P-binding protein WIPI2, belonging to the WIPI protein family, was recently shown to physically bind to Atg16L1 [47]. ATG16L1, a member of the E3-like protein complex involved in one of the two essential ubiquitin-like conjugation systems for autophagosome formation, fuses with membrane from the Golgi apparatus to form a pre-autophagosomal structure called HyPAS (hybrid pre-autophagosomal structure) [48]. The binding of ATG16L1 to WIPI2 [49] mediates the activity of ATG16L1, allowing the conversion of the pre-autophagosomal structure into an ATG8-positive phagophore through the ubiquitin-like conjugation system [48].
One of the two ubiquitin-like conjugation systems involved in autophagy first conjugates ubiquitin-like protein Atg12 to Atg5. This conjugated protein then binds to Atg16L1, forming an E3-like protein complex that functions as part of the second ubiquitin-like conjugation system [50]. This complex activates and binds Atg3, which in turn activates the most well-studied yeast ubiquitin-like protein, Atg8, in its mammalian homologs (LC3A-C, GATE16, GABARAPL1-3). LC3, once lipidated, contributes to the closure of the autophagosome [52] and facilitates the docking of specific cargoes and adapter proteins such as sequestosome-1 [53]. The autophagosome then fuses with the lysosome through the action of several proteins, including SNARE [54][55] and UVRAG [56]. After fusion, LC3 inside the vesicle is retained and degraded, while LC3 molecules attached to the outside are cleaved by Atg4 and recycled [57]. The contents of the autolysosome are subsequently broken down, and the resulting building blocks are released from the vesicle by the action of permeases [58].
Sirtuin 1 (SIRT1) activates autophagy by preventing the acetylation of proteins necessary for autophagy. This function has been demonstrated in cultured cells, embryos, and neonatal tissues [59]. The relationship between the expression of Sirtuin genes and cellular responses to nutrient restriction, such as calorie restriction, is associated with this function [60].