Белок 8, связанный с аутофагией ( Atg8 ), представляет собой убиквитиноподобный белок, необходимый для образования аутофагосомных мембран. Временная конъюгация Atg8 с аутофагосомальной мембраной через убиквитин -подобную систему конъюгации важна для аутофагии у эукариот . Несмотря на то, что у животных существуют гомологи (см., например, GABARAP , GABARAPL1, GABARAPL2 , MAP1LC3A , MAP1LC3B , MAP1LC3B2 и MAP1LC3C), в этой статье основное внимание уделяется его роли в низших эукариотах, таких как Saccharomyces cerevisiae .
Atg8 представляет собой мономер из 117 аминокислот и молекулярной массой 13,6 кДа. Он состоит из 5-нитевого β-листа, который окружен двумя α-спиралями с одной стороны и одной α-спиралью с другой стороны и имеет консервативный домен GABARAP . [2] Несмотря на то, что Atg8 не демонстрирует четкой гомологии последовательности с убиквитином , его кристаллическая структура обнаруживает консервативную убиквитиноподобную складку. [3] [4]
Atg8 является одним из ключевых молекулярных компонентов, участвующих в аутофагии , клеточном процессе, опосредующем лизосомно - вакуоль -зависимый оборот макромолекул и органелл. [5] Аутофагия индуцируется при истощении питательных веществ или лечении рапамицином и приводит к реакции более чем 30 известных на сегодняшний день генов, связанных с аутофагией (ATG), включая ATG8. Как именно регулируются белки ATG, все еще изучается, но ясно, что все сигналы, сообщающие о доступности источников углерода и азота, сходятся на сигнальном пути TOR и что белки ATG являются нижестоящими эффекторами этого пути. [6] Если запасов питательных веществ достаточно, сигнальный путь TOR гиперфосфорилирует определенные белки Atg, тем самым ингибируя образование аутофагосом. После голодания аутофагия индуцируется за счет активации белков Atg как на уровне модификации белка, так и на уровне транскрипции.
Atg8 особенно важен для макроаутофагии , которая является одним из трех различных типов аутофагии, характеризующихся образованием везикул , заключенных в двойную мембрану , которые изолируют части цитозоля , так называемых аутофагосом. Внешняя мембрана этих аутофагосом впоследствии сливается с лизосомой/вакуолью, образуя промежуточную мембрану (аутофагическое тельце), предназначенную для деградации . [5] Во время этого процесса Atg8 особенно важен для созревания аутофагосом (липидирования). [7]
Как и большинство белков Atg, Atg8 локализуется в цитоплазме и PAS в условиях, богатых питательными веществами, но становится ассоциированным с мембраной в случае индукции аутофагии. Затем он локализуется в месте зарождения аутофагосом, в месте сборки фагофора (PAS). [2] Нуклеация фагофора требует накопления набора белков Atg и комплексов фосфоинозитид-3-киназы класса III на PAS. Полагают, что последующее рекрутирование Atg8 и других белков, связанных с аутофагией, запускает расширение везикул согласованным образом, предположительно, обеспечивая движущую силу для искривления мембраны. [8] Временное конъюгирование Atg8 с мембранным липидным фосфатидилэтаноламином необходимо для расширения фагофора, поскольку его мутация приводит к дефектам в формировании аутофагосом. [9] Он распределен симметрично по обе стороны аутофагосомы, и предполагается, что существует количественная корреляция между количеством Atg8 и размером пузырька. [10] [11] [12] [13]
После завершения расширения пузырька аутофагосома готова к слиянию с лизосомой , и Atg8 может либо высвободиться из мембраны для переработки (см. Ниже), либо разложиться в аутолизосоме , если его оставить нерасщепленным.
ATG8 также необходим для другого процесса, связанного с аутофагией, называемого путем нацеливания цитоплазмы в вакуоли (Cvt). [14] Этот специфичный для дрожжей процесс действует конститутивно в условиях богатых питательными веществами и избирательно переносит гидролазы, такие как аминопептидаза I, в дрожжевую вакуоль. Путь Cvt также требует локализации Atg8 в PAS для образования везикул Cvt, которые затем сливаются с вакуолью для доставки гидролаз, необходимых для деградации.
Atg8 существует в цитоплазматической и мембраносвязанной форме. [15] Мембранная ассоциация достигается путем связывания Atg8 с фосфатидилэтаноламином (PE), который является липидным компонентом плазматических мембран. Этот процесс посттрансляционной модификации, называемый липидацией, осуществляется системой конъюгации Atg8, включающей цистеиновую протеазу ATG4 (принадлежащую к семейству каспаз), а также белки ATG7 , ATG3 и комплекс ATG5 - ATG12 . [16]
Система конъюгации Atg8 работает аналогично системе убиквитинирования . Однако именно Atg8 представляет собой убиквитиноподобный белок (Ubl), переносимый на PE, в то время как ATG7 функционирует как фермент E1, ATG3 — как фермент E2, а комплекс ATG12-ATG5 — как лигаза E3 .
Процесс липидирования инициируется ATG4-зависимым посттрансляционным расщеплением последнего С-концевого аминокислотного остатка Atg8. После расщепления Atg8 обнажает C-концевой остаток глицина (Gly 116), с которым затем можно соединить PE на следующих этапах. На первом этапе остаток Gly116 Atg8 связывается с остатком цистеина ATG7 через тиоэфирную связь АТФ-зависимым образом. На втором этапе Atg8 переносится на Atg3 с использованием тиоэфирной связи того же типа. Наконец, Atg8 отделяется от Atg3 и соединяется с головной аминогруппой PE через амидную связь. Было обнаружено, что этот последний этап облегчается и стимулируется комплексом ATG5 - ATG12 . [17]
Оба белка, Atg5 и Atg12, первоначально были идентифицированы как часть другой системы конъюгации Ubl, которая способствует конъюгации ATG12 с ATG5 через ATG7 и Atg10. Это означает, что система конъюгации ATG12 и Atg8 на самом деле взаимозависимы.
У высших эукариот Atg8 не кодируется одним геном, как у дрожжей, а происходит из мультигенного семейства. Четыре его гомолога уже идентифицированы в клетках млекопитающих.
Одним из них является LC3 ( MAP1LC3A ), легкая цепь белка 1, ассоциированного с микротрубочками [18]. Как и Atg8, LC3 нуждается в протеолитическом расщеплении и липидировании, чтобы превратиться в активную форму, которая может локализоваться на аутофагосомной мембране. Подобно ситуации с дрожжами, процесс активации LC3 запускается при истощении питательных веществ, а также в ответ на гормоны. [11]
Изоформы LC3 млекопитающих содержат консервативный Ser/Thr12, который фосфорилируется протеинкиназой А для подавления участия в аутофагии/митофагии. [19]
Другими гомологами являются транспортный фактор GATE-16 (энхансер АТФазы, ассоциированный с аппаратом Гольджи массой 16 кДа) [20] , который играет важную роль в везикулярном транспорте внутри аппарата Гольджи, стимулируя активность АТФазы NSF ( N- этилмалеимид-чувствительный фактор) и взаимодействуя с Гольджи v-SNARE GOS-28 и GABARAP (белок, ассоциированный с рецептором γ-аминомасляной кислоты типа А) [21] [22] , который облегчает кластеризацию рецепторов GABAA в сочетании с микротрубочками.
Для всех трех белков характерны процессы протеолитической активации, в результате которых они липидируются и локализуются на плазматической мембране. Однако мембранная ассоциация GATE-16 и GABARAP, по-видимому, возможна даже для нелипидированных форм. Помимо LC3, GABARAP и GATE-16, самым последним, но менее хорошо охарактеризованным гомологом млекопитающих является ATGL8. Мало что известно о его фактическом процессе активации, за исключением его взаимодействия с одним из гомологов ATG4 млекопитающих, hATG4A . [23]