Il digiuno a breve termine induce una profonda autofagia neuronale

L'autofagia. 2010 16 agosto; 6 (6): 702-710.

PMCID: PMC3106288

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Astratto

La disgregazione dell'autofagia - un processo omeostatico chiave in cui i componenti citosolici sono degradati e riciclati attraverso i lisosomi - può causare neurodegenerazione nella coltura tissutale e in vivo. La sovraregolazione di questo percorso potrebbe essere neuroprotettiva e si sta investendo molto nello sviluppo di farmaci che attraversano la barriera emato-encefalica e aumentano l'autofagia neuronale. Un modo ben noto di indurre l'autofagia è la restrizione del cibo, che aumenta l'autofagia in molti organi incluso il fegato; ma il dogma corrente sostiene che il cervello sfugge a questo effetto, forse perché è un sito metabolicamente privilegiato. Qui, abbiamo rivalutato questo principio usando un nuovo approccio che ci permette di rilevare, enumerare e caratterizzare gli autofagosomi in vivo. Per prima cosa convalidiamo l'approccio dimostrando che consente l'identificazione e la caratterizzazione di autofagosomi nel fegato di topi a dieta limitata. Usiamo il metodo per identificare autophagosomes costitutivi in ​​neuroni corticali e cellule di Purkinje, e mostriamo che il digiuno a breve termine porta ad una drammatica sovraregolazione nell'autofagia neuronale. L'aumentata autofagia neuronale è rivelata dai cambiamenti nell'abbondanza e nelle caratteristiche dell'autofagosoma e dalla diminuita attività mTOR neuronale in vivo, dimostrata da una riduzione dei livelli di proteina ribosomiale S6 fosforilata nelle cellule di Purkinje. La maggiore abbondanza di autofagosomi nelle cellule di Purkinje è stata confermata mediante microscopia elettronica a trasmissione. I nostri dati ci inducono a ipotizzare che il digiuno sporadico possa rappresentare un mezzo semplice, sicuro ed economico per promuovere questa risposta neuronale potenzialmente terapeutica.

Parole chiave: autofagia, digiuno, cellule di Purkinje, neuroni corticali, microscopia confocale, microscopia elettronica, neuroprotezione, inedia, CNS, corteccia

introduzione

L'autofagia è un meccanismo omeostatico chiave la cui importanza fisiologica si riflette nella sua conservazione attraverso l'albero filogenetico eucariotico, dal lievito ai mammiferi. Negli ultimi anni, l'autofagia è stata riconosciuta come un fondamentale meccanismo di difesa contro malignità, infezioni e malattie neurodegenerative.15 L'abrogazione dell'autofagia nei neuroni può portare a malattie neurodegenerative1,2,4 e l'autofagia può avere un ruolo nello sviluppo della malattia di Alzheimer; anzi, il potenziamento dell'autofagia è stato proposto come un possibile trattamento per questa prossima piaga.68 Di conseguenza, un consistente sforzo di ricerca è stato speso per tentativi di sviluppare farmaci in grado di sovraregolare l'autofagia neuronale nel SNC intatto. Qui forniamo prove a supporto della nozione che l'obiettivo fisiologico desiderato può essere raggiunto con un approccio alternativo semplice, sicuro ed economico: restrizione alimentare a breve termine.

Gli studi sul lievito e sulla coltura tissutale hanno contribuito in modo significativo alla nostra comprensione degli eventi molecolari coinvolti nell'autofagia e nella sua regolazione. Tuttavia, è stato difficile osservare il processo in organi e tessuti intatti e soprattutto nel cervello.9 Ciò non è dovuto alla mancanza di modelli di mammiferi in vivo. Ad esempio, per facilitare l'identificazione e l'analisi dell'autofagia in vivo, è stato generato un topo transgenico10,11 che codifica per una fusione tra GFP e proteina leggera 1 associata a microtubuli (LC3). La forma lipidata di LC3 associa in modo specifico gli autofagosomi12 e questa proteina è, attualmente, il marker più utilizzato di autofagia nelle cellule di mammifero. Altri hanno usato questi topi GFP-LC3 per determinare gli effetti della restrizione del cibo in vivo. È noto che la restrizione alimentare induce l'autofagia in molti organi e tessuti,9,10 ma l'autofagia non è stata precedentemente rilevata nel cervello anche dopo 48 ore di restrizione del cibo; per questo motivo è stato proposto che il cervello sia metabolicamente privilegiato13,14 e che un insulto più grave - per esempio, una lesione diretta mediata da ischemia locale o trauma - può essere richiesto per innescare una risposta autofagica all'interno di questo organo.15,16 Qui, combiniamo due tecniche ben caratterizzate per studiare l'effetto di un breve periodo di restrizione del cibo sull'autofagia neuronale. Mostriamo che questo approccio identifica gli autofagosomi a una risoluzione che consente loro di essere non solo elencati, ma anche caratterizzati in qualche dettaglio. Inoltre, abbiamo usato un approccio standard - microscopia elettronica a trasmissione (TEM) - per confermare l'aumento dell'abbondanza di autofagosomi nei neuroni di topi con restrizioni alimentari. I nostri dati dimostrano che, contrariamente all'attuale dogma, la restrizione alimentare provoca una rapida e profonda sovraregolazione dell'autofagia nel cervello.

risultati

I topi maschi GFP-LC3 da sei a sette settimane erano soggetti a restrizioni alimentari per 24 o 48 ore, un processo noto per indurre cambiamenti fatali e autofagia nel fegato.9,10 L'acqua era disponibile ad libitum. Questi topi e topi di controllo non soggetti a restrizione alimentare sono stati sottoposti a eutanasia (con perfusione PBS) e sezioni di fegato e cervello vibrate sono state preparate e colorate come descritto nelle Procedure sperimentali. Le immagini confocali sono state catturate e analizzate.

La microscopia confocale delle sezioni del vibratomo identifica gli autofagosomi nei fegati dei topi con restrizioni alimentari.

Abbiamo prima convalidato il metodo analizzando il fegato, un organo in cui è noto che l'autofagia è indotta dalla restrizione del cibo. Le immagini confocali rappresentative del fegato sono mostrate in. Come previsto, essenzialmente nessun segnale GFP era presente nel fegato di un mouse C57BL / 6. Nei topi GFP-LC3 con alimentazione normale, il segnale GFP era rilevabile negli epatociti ed era distribuito in tutto il citosol.Dopo 24 ore di restrizione del cibo, gli autofagosomi individuali potevano essere rilevati come regioni discrete di alta fluorescenza e gli autofagosomi erano ancora più abbondanti dopo 48 ore. L'alta risoluzione dell'approccio ha permesso analisi quantitative di singoli autofagosomi. Siamo stati in grado di misurare non solo il numero di vescicole per cella, ma anche la loro area, perimetro, feret (il diametro più lungo all'interno di una forma irregolare chiusa) e circolarità (). La prima risposta alla restrizione alimentare, osservata a 24 ore, è stata un significativo aumento del numero. Anche le caratteristiche di autofagosoma sono cambiate, con aumenti nel perimetro e in feret, una diminuita circolarità e un leggero aumento dell'area. Tutti questi cambiamenti sono stati amplificati dopo 48 ore di restrizione alimentare. È importante sottolineare che le caratteristiche fisiche di questi autofagosomi sono simili a quelle precedentemente riportate usando i metodi convenzionali di microscopia elettronica, che hanno stabilito i diametri medi degli autofagosomi come 0,5-1,5 μm; questo convalida l'uso del nostro nuovo approccio per le analisi quantitative. Questi risultati possono essere visualizzati ad alta risoluzione in tre dimensioni nei video supplementari da 1 a 4. L'approccio successivo è stato applicato a due regioni del cervello in topi GFP-LC3 con alimentazione normale e a cibo limitato.

Identificazione e quantificazione di autofagosomi nel fegato di topi con restrizioni alimentari. I topi transgenici GFP-LC3 erano soggetti a restrizioni alimentari (cibo-riposo) per attivare l'autofagia, e 24 o 48 ore dopo, il fegato è stato raccolto e l'analisi dell'autofagia è stata analizzata in sezioni di taglio vibrato mediante microscopia confocale. (A) sono rappresentate immagini appiattite rappresentative del segnale GFP-LC3 negli epatociti; sezioni sono state colorate con falloidina e Hoechst 33342 per etichettare F-actina e nuclei, rispettivamente. Un'immagine fluorescente unita per ogni mouse è mostrata nella colonna di destra; GFP-LC3 (verde), F-actina (rosso), nuclei (blu). Sono stati inclusi due set di topi di controllo: topi C57BL / 6 wild-type sono stati utilizzati per determinare il livello di fondo della fluorescenza verde, che era molto basso (un vantaggio delle sezioni vibratome); e i topi GFP-LC3 con alimentazione normale hanno fornito una base per l'attività autofagica nel fegato. (B) Analisi quantitativa degli autofagosomi negli epatociti, incluso il numero di autofagosomi / cellule, nonché la loro area, perimetro, feret e circolarità [definita come 4π (area) / (perimetro)2]. I dati sono mostrati come la media + se di 80-134 cellule da 3 o 4 topi per gruppo; unp <0,001, Bp <0,01, cp <0,05.

Gli autofagosomi sono rilevabili nei neuroni corticali di topi nutriti normalmente, e la loro abbondanza e le loro caratteristiche sono marcatamente alterate dalla restrizione alimentare a breve termine.

e i video supplementari 5 e 6 mostrano le analisi della corteccia cerebrale dei topi GFP-LC3 con alimentazione normale e con cibo limitato. mostra immagini rappresentative appiattite; (B) presenta valutazioni quantitative di autofagosomi in corpi di cellule neuronali utilizzando i cinque criteri sopra descritti; e (C) mostra un rendering isosuperficiale dei nuclei, autofagosomi e processi dendritici di diversi neuroni corticali. Gli autofagosomi erano prontamente rilevabili nei neuroni corticali di topi con alimentazione normale (in alto). A nostra conoscenza, questa è la prima dimostrazione in vivo di autofagosomi nei neuroni corticali di mammiferi nutriti normalmente. Queste vescicole erano poche di numero e di piccole dimensioni (). La restrizione degli alimenti ha causato un marcato aumento sia del numero sia della dimensione degli autofagosomi neuronali nel corpo cellulare dei neuroni corticali; questi cambiamenti erano presenti dopo 24 ore di restrizione del cibo (, riga centrale) ed erano ancora più drammatici a 48 ore (e in basso). Come osservato nel fegato (), rispetto agli autofagosomi in topi con alimentazione normale, quelli presenti nei neuroni corticali dei topi che erano stati sottoposti a restrizioni alimentari per 48 ore hanno mostrato una ridotta circolarità, con concomitante aumento della feret e del perimetro (). Cambiamenti nel segnale GFP-LC3 sono stati osservati anche nei processi delle cellule neuronali (, riga centrale); rispetto ai topi con alimentazione normale, il segnale è aumentato di> 3 volte nei neuriti a 24 ore (p = 0,004, dati non mostrati), ma diminuito a livelli di riposo dopo 48 ore. Altri hanno proposto che gli autofagosomi neuronali siano presenti nei neuriti e che siano sottoposti a traslocazione retrograda nel corpo cellulare, dove si fondono con lisosomi neuronali che si trovano in una posizione di tipo juxtanucleare.17,18 Noi ipotizziamo che la restrizione alimentare rafforzi questo traffico retrogrado e che l'aspetto dopo 24 ore rappresenti un'istantanea in vivo di questo evento; e che potrebbe essere completato entro 48 ore. Per confermare che i neuroni corticali dei topi con restrizioni alimentari contenevano, in effetti, autofagosomi, abbiamo valutato le cellule mediante TEM. Un'immagine rappresentativa è mostrata in. Questi dati mostrano chiaramente che, contrariamente all'attuale dogma, la restrizione alimentare aumenta la formazione e / o l'accumulo di autofagi all'interno del cervello; e, specificamente, all'interno dei neuroni corticali. Abbiamo considerato importante determinare se questi cambiamenti erano limitati ai neuroni corticali o, al contrario, erano più diffusi all'interno del cervello. A tal fine, abbiamo valutato gli effetti delle restrizioni alimentari sulle cellule di Purkinje del cervelletto.

Identificazione e quantificazione di autofagosomi nella corteccia cerebrale di topi con restrizioni alimentari. I topi transgenici GFP-LC3 erano soggetti a restrizioni alimentari per 24 o 48 ore, quindi il cervello era isolato e le sezioni sagittali tagliate con vibratome sono state analizzate mediante microscopia confocale. (A) Vengono mostrate immagini appiattite rappresentative del segnale GFP-LC3 nei neuroni corticali. Un'immagine fluorescente unita per ogni mouse è mostrata nella colonna di destra; GFP-LC3 (verde), nuclei (blu). (B) Analisi quantitativa degli autofagosomi nei neuroni corticali. I dati sono mostrati come la media + SE di 50 cellule da 2 o 3 topi per gruppo; unp <0,001, Bp <0,01, cp <0,05. Un rendering 3D di questi neuroni in topi con alimentazione normale e con cibo limitato è mostrato in (C). Lo strumento isosuperficiale è stato utilizzato per delimitare i nuclei (blu) e gli autofagosomi (verdi), mentre i neuriti sono stati tracciati con il filamento inseguitore, utilizzando il software IMARIS (Bitplane, Inc.). (D) Viene mostrata un'immagine TEM di una sezione di neurone corticale da un mouse a 48 ore con cibo limitato; l'area scatolata viene ingrandita per dimostrare meglio che la struttura racchiusa è a doppia membrana.

Le cellule di Purkinje nella cellula di topi con restrizioni alimentari contengono un numero maggiore di autofagosomi e mostrano una ridotta funzione mTOR.

Analisi del cervelletto (e Suppl. Video 7 e 8) hanno identificato piccoli autofagosomi nelle cellule di Purkinje di topi nutriti normalmente, forse indicativi del livello basale di autofagia che si pensa si verifichi in questo tipo di cellule.1,2,19 Inoltre, abbiamo osservato marcate alterazioni nell'accumulo di segnale GFP-LC3 nelle cellule di Purkinje in risposta a restrizioni alimentari; c'è stato un sostanziale aumento del segnale nei corpi cellulari dei neuroni di Purkinje sia a 24 che a 48 ore. Alcuni dei maggiori segnali GFP-LC3 nelle cellule di Purkinje erano più diffusi di quanto non fosse stato osservato nei neuroni corticali, formando un pattern retinico perinucleare che occupava una parte sostanziale del corpo cellulare. Questi risultati sono coerenti con la fusione di autofagosomi con lisosomi. La distribuzione perinucleare degli autofagosomi indotta dalla restrizione del cibo differisce notevolmente dai cambiamenti che sono stati riportati nei neuroni di Purkinje degenerati dei topi del lurcher.19 Oltre a questo schema perinucleare, potrebbe essere identificata una puncta verde discreta all'interno della cellula somata (e Suppl. Video 8). Successivamente, abbiamo valutato l'attività in vivo della proteina mTOR (target di mammiferi della rapamicina), che svolge un ruolo centrale nella regolazione dell'autofagia. mTOR esercita un effetto inibitorio sull'autofagia e l'attività mTOR è inversamente correlata con l'autofagia. mTOR è altamente attivo nelle cellule in un ambiente ricco di sostanze nutritive (in cui l'autofagia è a livello basale), ma la deprivazione di nutrienti diminuisce l'attività di mTOR, portando ad un aumento dell'autofagia. Pertanto, abbiamo studiato la possibilità che la restrizione alimentare potesse ridurre l'attività mTOR nelle cellule di Purkinje in vivo. La misurazione dell'attività di mTOR nelle cellule viventi è indiretta, basandosi sulla valutazione degli obiettivi a valle. mTOR attiva la chinasi p70 S6 che, a sua volta, fosforila il suo substrato ribosomale, S6RP; di conseguenza, l'abbondanza di fosfo-S6RP in una cellula vivente è direttamente correlata all'attività mTOR ed è inversamente correlata al livello di autofagia cellulare. confronta il cervelletto di un topo con alimentazione normale con quello di un animale a 48 ore con cibo limitato. L'aumento del segnale GFP-LC3 dopo restrizione alimentare è di nuovo evidente (colonna di sinistra) e vi è una drastica riduzione del livello di fosfo-S6RP nei corpi cellulari di Purkinje di topi a scarso valore alimentare (colonna centrale). L'immagine unita (colonna di destra) evidenzia l'aumento indotto da fame di autofagia che si verifica in questi neuroni.

Identificazione di autofagosomi e riduzione dell'attività di mTOR nel cervelletto di topi con restrizioni alimentari. (A) Le immagini appiattite a basso ingrandimento della fluorescenza GFP-LC3 sono state riassemblate per generare una sezione trasversale sagittale completa del cervelletto dai topi normali e soggetti a restrizioni alimentari (colonna di sinistra). Immagini di ingrandimento più elevate delle regioni in bianco mostrano la fluorescenza GFP-LC3 nelle cellule del Purkinje lungo il confine tra gli strati molecolari e granulari (seconda colonna). Inoltre, immagini rappresentative ingrandite dei corpi cellulari (in scatola) di Purkinje rivelano dettagli e localizzazione più fini del segnale GFP-LC3 (colonna all'estrema destra). Un'immagine fluorescente unita per ogni mouse è mostrata nella terza colonna; GFP-LC3 (verde), nuclei (blu), marker pan-neuronale (arancione), GFAP / marker astrocitario (rosso). (B) Le sezioni cerebellare sono state colorate con un anticorpo specifico per il fosfo-S6RP, una proteina la cui abbondanza varia direttamente con l'attività di mTOR e inversamente con l'autofagia (vedi testo).

L'aumento del numero e della dimensione degli autofagosomi nelle cellule di Purkinje cerebellare di topi a dieta limitata sono confermati da TEM.

Infine, abbiamo usato TEM per valutare i cambiamenti indotti dalla fame negli autofagosomi nelle cellule di Purkinje cerebellare. Nei topi con alimentazione normale, gli autofagosomi erano piccoli (diametro ~0.2 μm, parte sinistra), forse spiegando l'aspetto un po 'reticolare osservato dalla microscopia confocale (). Al contrario, le strutture a doppia membrana in topi sottoposti a restrizione alimentare a 48 ore erano più grandi (~ 0,5 micron di diametro, parti media e destra); questa dimensione è simile a quella della puncta verde che sono visibili in e in Supplementary video 8. Quindi, la restrizione alimentare sembra cambiare la dimensione degli autofagosomi nelle cellule di Purkinje; altera anche la loro abbondanza? Sono state esaminate sezioni TEM dei somati delle cellule di Purkinje e sono stati enumerati gli autofagosomi. Una sezione rappresentativa () mostra il soma di un singolo neurone di Purkinje da un topo che era stato sottoposto a restrizioni alimentari per 48 ore. In questa sezione sono visibili quattro autofagosomi (tutti con diametro di ~ 0,5 μm); sono racchiusi in riquadri colorati e sono fornite viste a ingrandimento maggiore; le frecce bianche indicano gli autofagosomi. Sia per i topi con alimentazione normale che per quelli con restrizioni alimentari, sono state esaminate circa 20 diverse cellule di Purkinje e sono stati elencati gli autofagosomi. Come mostrato in (grafico in basso a destra), vi è stato un aumento da 3 a 4 volte del numero di autofagosomi nelle cellule di Purkinje da animali a ridotto contenuto di cibo (p <0,0002). Questo aumento dell'abbondanza è simile in misura a quello osservato nei neuroni corticali usando il nostro nuovo approccio del sezionamento vibratomico e della microscopia confocale ().

Identificazione TEM e quantificazione di autofagosomi in cellule di Purkinje di topi nutriti con alimentazione normale e con restrizioni alimentari.(A) Le immagini provenienti da cellule di Purkinje di topi nutriti con alimentazione normale (sinistra) o 48 ore (media e destra) sono mostrate. (B) Viene mostrata una singola cellula di Purkinje da un mouse con restrizioni alimentari a 48 ore. Gli autofagosomi sono racchiusi in scatole colorate e sono fornite immagini ad ingrandimento maggiore di ciascuna, con autofagosomi indicati da frecce bianche. Sia per i topi con alimentazione normale che per quelli con cibo limitato, gli autofagosomi sono stati elencati in sezioni TEM di circa 20 diverse cellule di Purkinje; sezioni da topi con cibo limitato hanno mostrato un aumento di circa 4 volte del numero di autofagosoma (grafico, in basso a destra; p <0,0002 dal test t di Student).

Il digiuno a breve termine induce una profonda autofagia neuronale

(Nota: se sei un normale lettore, saprai che mi piace etichettare i miei blog in base agli argomenti - ad esempio, ci sono 40 post su digiuno, 30 post dispari sul diabete, 50 post dispari sull'obesità / Calorie, lo faccio perché blog su ciò che mi interessa in quel momento e può rimbalzare un po 'Questa nuova sezione, che copre mTOR, autophagy e malattia mitocondriale, che vedrai in seguito, si lega strettamente con le origini di cancro).

In tutta la storia documentata dell'umanità, il digiuno è stato un caposaldo delle pratiche di salute e di cura tradizionali. Questo è vero per praticamente tutte le regioni della terra e praticamente tutte le religioni del mondo. Le radici di questa antica tradizione di guarigione possono risiedere nel processo di pulizia subcellulare dell'autofagia, che solo ora viene svelato dalla scienza. L'autofagia è uno dei percorsi più evolutivamente conservati che esistano e può essere visto in quasi tutti gli organismi multicellulari e in molti organismi monocellulari. L'autofagia si riferisce alla risposta del corpo a una mancanza di cibo (il digiuno) che stimola un percorso di degradazione dei componenti subcellulari.

Digestando le proprie parti, la cella fa due cose. Dapprima si sbarazza delle proteine ​​inutili che potrebbero essere danneggiate o altrimenti malfunzionanti. In secondo luogo, ricicla quei 'pezzi di ricambio' di amminoacidi in nuovi componenti cellulari. Questo è uno dei grandi fraintendimenti del normale ricambio proteico - che queste proteine ​​scomposte sono in qualche modo semplicemente spazzate via dal corpo anche se una persona è completamente malnutrita. Questo porta ai ritornelli isterici che "Il digiuno brucia i muscoli". OH MIO DIO. Se non mangi 96 pasti al giorno, ti aggrovigli e muori! Morire! Il tuo corpo immagazzina l'energia del cibo come grasso, ma non appena mangi, brucia i muscoli. Morirai!

In verità, i nostri corpi non sono mai così stupidi. Una volta che queste vecchie proteine ​​sono degradate in amminoacidi componenti, i nostri corpi decidono se queste proteine ​​vengono scaricate nei reni come prodotti di scarto o trattenute per produrre nuove proteine. Le proteine ​​sono costituite da blocchi chiamati amminoacidi. È come Lego. Puoi abbattere il tuo vecchio aereo Lego dalla forma strana e costruirne uno nuovo e migliore usando gli stessi elementi costitutivi. Ciò vale anche nei nostri corpi. Possiamo rompere vecchie proteine ​​scadenti negli aminoacidi componenti e usarle per ricostruire nuove proteine ​​più funzionali.

Yoshinori Ohsumi, 2016 premio Nobel per la Medicina per la ricerca sulle autofagia intitolato sua lezione Nobel “autofagia - Un Sistema intracellulare Riciclaggio”, non “autofagia - come il corpo umano vampate di proteine ​​disperato bisogno nel gabinetto perché Madre Natura è molto, molto stupido ”. Se hai bisogno di proteine, allora il tuo corpo recupererà gli aminoacidi analizzati per creare nuove proteine.

Naturalmente, se il tuo corpo ha più proteine ​​del necessario, allora può certamente espellere gli aminoacidi in eccesso o convertirli in energia. Mentre molte persone pensano che la crescita sia sempre buona, la verità è che negli adulti la crescita è quasi sempre cattiva. Il cancro è troppa crescita. La malattia di Alzheimer è l'accumulo di troppe proteine ​​spazzatura (grovigli neurofibrillari) nel cervello. Attacchi di cuore e ictus sono causati da placche ateromatose. Si tratta di un accumulo eccessivo di molte cose, ma in primo piano, cellule muscolari lisce, tessuti connettivi e materiali degenerativi. Sì. Troppa crescita della muscolatura liscia è strumentale nel causare aterosclerosi che causa attacchi di cuore. Le malattie policistiche come i reni e le ovaie sono troppe crescita. L'obesità è troppa crescita.

Alcuni tipi di stress cellulare, tra cui la deprivazione di nutrienti, l'aggregazione o lo sviluppo di proteine ​​(ciuffi di proteine) o le infezioni attiveranno l'autofagia per contrastare questi problemi e mantenere la cellula in buone condizioni. Inizialmente si pensava che questo processo fosse non selettivo, ma in seguito è stato dimostrato che era in grado di indirizzare gli organelli bersaglio bersaglio (componenti subcellulari) e gli agenti patogeni invasori. Il processo è stato descritto nei mammiferi, ma anche negli insetti e nei lieviti, dove gran parte del lavoro del Dr. Ohsumi è stato svolto distruggendo i geni correlati all'autofagia (ATG). Ha confermato che questo percorso di purificazione e riciclaggio è stato conservato per gran parte della vita sulla terra, dagli organismi unicellulari agli esseri umani.

L'autofagia si verifica a livello basale basso in quasi tutte le cellule, essendo importante nel turnover delle proteine ​​e degli organelli. Tuttavia, potrebbe essere up-regolato per generare sostanze nutritive ed energia. Cioè, le proteine ​​possono essere bruciate per l'energia nel processo di gluconeogenesi, se necessario. Lo stato nutritivo, gli ormoni, la temperatura, lo stress ossidativo, l'infezione e gli aggregati proteici possono tutti influire sull'autofagia in modi diversi.

Il principale regolatore di autofagia è l'obiettivo della chinasi di rapamicina (TOR). Questo è indicato anche come TOR dei mammiferi (mTOR) o TOR meccanicistico. Quando mTOR sale, interrompe l'autofagia. mTOR è squisitamente sensibile agli aminoacidi dietetici (proteine).

L'altro principale regolatore è la chinasi di proteina attivata da 5 'AMP (AMPK). Questo è un sensore di energia intracellulare, che è noto come adenosina trifosfato o ATP. Quando la cella ha un sacco di energia immagazzinata, ha un sacco di ATP, che è una sorta di valuta energetica. Se hai molti dollari, sei ricco. Se hai un sacco di ATP, la tua cella ha un sacco di energia per fare cose.

AMPK rileva il rapporto AMP / ATP e quando questo rapporto è elevato (livelli di energia cellulare bassi), viene attivato AMPK. Energia cellulare bassa = AMPK elevato, quindi si tratta di una sorta di indicatore del carburante inverso sullo stato dell'energia cellulare. Quando AMPK è alto (a basso contenuto di carburante), questo blocca la sintesi degli acidi grassi e attiva l'autofagia. Questo ha senso.Se le tue cellule non hanno energia, non vorranno immagazzinare energia (ingrassare), ma preferiranno attivare l'autofagia - eliminando le proteine ​​in eccesso e bruciandole per l'energia.

Una volta attivata l'autofagia (diminuzione di mTOR o aumento di AMPK), vengono attivati ​​circa 20 geni (ATG) per eseguire il processo di pulizia. Queste codificano le proteine ​​che eseguono il processo attuale. Poiché mTOR è un potente inibitore dell'autofagia (mTOR agisce come un freno all'autofagia), il blocco di mTOR aumenta l'autofagia (cioè togliendo il piede dai freni). Puoi farlo usando la droga, la rapamicina, usata per la prima volta come agente bloccante nel trapianto. Questo farmaco è stato scoperto nel 1972, isolato da un batterio Streptomyces Hygroscopicus dell'isola di Pasqua, noto anche come Rapa Nui (da cui il nome rapamicina). E 'stato sviluppato come un anti fungo, ma alla fine ha scoperto di avere proprietà di soppressione immunitaria così ottenuto l'uso come un farmaco anti-rigetto.

Quasi tutti i farmaci antirigetto aumentano il rischio di cancro. Il sistema immunitario si aggira come guardie di sicurezza, giorno dopo giorno in cerca di cellule cancerose errate e uccidendole. Non chiamano queste celle Natural Killer per niente, lo sai. Se butti fuori le guardie di sicurezza con potenti farmaci anti-rigetto, allora il cancro può diffondersi come un matto. E questo è esattamente quello che succede con la maggior parte di queste medicine.

Ma non la rapamicina. È interessante notare che questo farmaco diminuita il rischio di cancro Il meccanismo della sua azione, al momento della sua ampia introduzione negli anni '90 era in gran parte sconosciuto. Alla fine, usando i modelli di lievito, fu identificato l'obiettivo della rapamicina (TOR), e la controparte umana fu presto scoperta - da qui il nome mammiferi TOR, ora dato il moniker accattivante - mTOR.

mTOR si trova praticamente in tutti gli organismi multicellulari e in effetti, molti organismi monocellulari come il lievito (dove viene svolta gran parte della ricerca sull'autofagia). Questa proteina è così importante per la sopravvivenza che nessun organismo vivo funziona senza di essa. Il termine tecnico per questo è "evolutivamente conservato". Che cosa fa? In poche parole: è un sensore di sostanze nutritive.

Uno dei compiti più importanti per la sopravvivenza è quello di collegare i nutrienti disponibili nell'ambiente e la crescita della cellula o dell'organismo. Cioè, se non c'è cibo, allora le cellule dovrebbero smettere di crescere e andare in uno stato dormiente (come il lievito). Se i mammiferi percepiscono che non c'è cibo, fermano anche la crescita eccessiva delle cellule e iniziano a rompere alcune proteine. Se non l'hai fatto, non sei sopravvissuto.

mTOR integra i segnali tra cibo (disponibilità di nutrienti) e crescita cellulare. Se il cibo disponibile, poi crescere. Se non c'è cibo disponibile, smetti di crescere. Questo è un compito di vitale importanza che è alla base dell'intero spettro di malattie di "troppa crescita" di cui abbiamo parlato in precedenza. È simile a, ma molto più vecchio di un altro sensore di nutrienti di cui abbiamo parlato molto: l'insulina.

Ma questa conoscenza apre un potenziale terapeutico completamente nuovo. Se abbiamo molte malattie di "troppa crescita" (cancro, aterosclerosi, obesità, ovaie policistiche), allora abbiamo un nuovo obiettivo. Se possiamo arrestare i sensori di nutrienti, possiamo fermare gran parte di questa crescita che ci sta facendo ammalare. Una nuova alba si rompe.

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