オートファジー：それは細胞が自らを食べる世界

「自分喰い」にご興味がなければ、次の文章は読みたくはないでしょうが...あなたの細胞は、今まさに自分たちを食べているところです！1960年代、ノーベル賞を受賞した細胞学者であり生化学者であるChristian de Duve氏は、このプロセスに「オートファジー」という名前を付けました。ギリシャ語の「auto (自己)」と「phagein (食べる)」から来た名前です。「autophagy」と名付けたde Duve氏は、後に皆がその発音に悩まされるようになるとは思いもしなかったでしょう。「オートファジー」？それとも「オートファギー」？ちょっと、トメィトゥ (tomayto) なのか、トマァトゥ (tomahto) なのかに似ていますが、実はどちらも正しいのです。当のde Duve氏でさえ「名前を付けたのは確かだが、発音の仕方までは決めていない。」と述べています。

このブログでは、ストレスに誘導されるオートファジーのシグナル伝達における、オートファジーのメカニズムとULK1複合体、特にULK1の役割をご紹介します。

オートファジーのシグナル伝達とメカニズム

発音はどうであれ、オートファジーにより大量の細胞質内容物、異常なタンパク質凝集体、余剰あるいは損傷したオルガネラを分解します。この分解により発生する代謝産物は再利用されます。この分解は、「正常な」細胞ではホメオスタシスを維持するため一定の割合で発生しますが、栄養飢餓や酸素欠乏、小胞体 (ER) ストレスなどストレスの高い状態では、生存のための機構としても使用されます。このような状態にある間、細胞が必要とする十分な量の栄養を提供するためにオートファジーが誘導されます¹。 わかりやすく言えば、オートファジーとは、資源が不足したときに細胞が行う「削減、再利用、リサイクル」のことです。中でも特に重要なのは、「 再利用」と「 リサイクル」です!

ブログ： パーキンソン病におけるオートファジー-リソソーム経路の特性解析

細胞は、アミノ酸やグルコースの欠乏といった栄養飢餓のようなストレスに応答して、ファゴフォアと呼ばれる二十膜の構造体を細胞内に形成し、これは、特定の細胞質成分 (カーゴ) を取り囲むように伸長していきます。最終的に、カーゴを取り囲んだ膜が閉じ、オートファゴソームと呼ばれる構造を作ります。その後、オートファゴソームは、酸性条件下で最もよく働く酵素混合物を含む膜結合性オルガネラであるリソソームと融合し、オートリソソームまたはオートファゴリソソームを形成します。カーゴはリソソームの酵素によって分解され、細胞が再利用可能な栄養素となります。

これは、オートファジー経路を簡単に示した図です。完全な図をご希望の方は、CSTウェブサイト上のオートファジーシグナル伝達のインタラクティブパスウェイ図をご覧ください。 

歴史的にみると、哺乳類のオートファジーシグナル伝達に関する知識の大半は、酵母の研究から得られています²。 酵母と哺乳類のオートファジーメカニズムは、高度に保存されていることが分かっていたからです。 酵母の遺伝子スクリーニングにより、15種類のAutophagyーrelated (Atg) 遺伝子がみつかり、さらにこれらの遺伝子の変異がオートファジーの欠損の原因となることが分かりました³。今では、41種類以上のAtg遺伝子が酵母で報告されています⁴。哺乳類の多くのオートファジー関連タンパク質には、酵母に由来した名前が付けられており、それが哺乳類のオートファジー経路に含まれるタンパク質の名前に「AtgX」が付いている理由です。

未処理 (左) およびmTOR阻害剤Torin 1 #14379 で処理 (右) したHCT116 Atg14細胞を、Phospho-Atg14 (Ser29) (D4B8M) Rabbit mAb #92340 (緑) を用いて免疫蛍光染色して解析しました。この実験で取得した、リン酸化Atg14の発現レベルが低い左の画像は、オートファジーのスイッチが「オフ」の状態を指しています。Torin 1で処理すると、右の画像が示すように、Atg14のリン酸化およびmTOR活性の阻害が起こり、オートファジーののスイッチが「オン」になります。#92340のノックアウト検証試験などを含む、IFでの検証実験の詳細をご希望の方は、#92340の製品ページをご覧ください。

現在、オートファジーは、心血管や神経変性、代謝、筋骨格、肺、感染症などにおける多数の生理学的および病理学的イベントに関与していることが分かっており、オートファジーに関わる複雑で、高度に制御されたシグナル伝達に対する理解が深まりつつあります。

オートファジーの制御：ULK1複合体の役割

オートファゴソームの形成に先立ち、オートファジーシグナル伝達経路は、ULK1またはULK2、FIP200、Atg101およびATG13により構成されるULK1複合体 (酵母の場合はATG1複合体) の活性化によって引き起こされます⁵。このULK1複合体は、栄養素やエネルギーのセンサーであるmTOR (mammalian Target Of Rapamycin) およびAMPKが上流として機能する際に、下流でオートファゴソーム形成の間の橋渡しとしての役割を果たします。

関連ページ： AMPKシグナル伝達経路およびmTORシグナル伝達経路

ULK1およびULK2は、複数のリン酸化部位を介して高度に制御されています⁶。活性化すると、ULK1複合体はファゴフォアと結合し、ファゴフォア膜上にULK1の点状構造を形成します。このファゴフォア膜上には、その後いくつかの他の複合体もリクルートされますが、その過程はまだよく分かっていません⁷。

AMPKとmTORによるULK1のリン酸化

ULK1のリン酸化が、オートファジーの主な制御機構であることは、以前から分かっていました。最も受け入れられている仮説の1つが、栄養飢餓の細胞がAMPKを介してオートファジーを誘導する一方で、栄養豊富な条件下ではmTORがオートファジーを抑制するというものです。

mTOR阻害剤であるRapamycin #9904で処理 (左) またはmTORを活性化させるInsulinで処理 (右)したHeLa細胞 を、Phospho-mTOR (Ser2448) (D9C2) XP^® Rabbit mAb #5536 (緑) を用いて免疫蛍光染色し、解析しました。左の画像は、リン酸化mTORが欠失していることを示しており、オートファジーが「オン」の状態であると考えられます。右の画像は、Rapamycin処理後にmTORのSer2448がリン酸化されていることを示しており、オートファジーは抑制されている (つまりオフの状態) と考えられます。

AMPKがULK1のSer 317、Ser 467、Ser 555、Ser 574、Ser 638、Ser 777をリン酸化すると、ULK複合体は活性化し、オートファジーを促進または「スイッチをオン」にします。逆に、栄養が足りているときはAMPKは不活性化しており、mTORはULK1のSer757をリン酸化してAMPKによるULK1の活性化を防ぎます。これはオートファジーの「スイッチがオフ」の状態です ^8,9。

未処理 (左) またはmTOR阻害剤であるTorin 1 #14379で処理 (右) したMCF7細胞を、Phospho-ULK1 (Ser757) (D7O6U) Rabbit mAb #14202 (緑) を用いて免疫蛍光染色し、解析しました。この実験では、左の画像は、オートファジーが「オフ」の状態である乳がん細胞株のMCF7を示しています。mTORが抑制された後、オートファジーが「スイッチがオン」の状態となる様子を右の画像は示しています。

しかし、近年では、オートファジーを制御する別の方法に関する新たな仮説が発見され続けています。JM Parkらによる2023年の研究論文では、AMPKがULK1のThr 660をリン酸化することにより、ULK複合体の活性を阻害することが報告されました¹⁰。この発見は、AMPKの二重機能の可能性を示唆しており、ストレス条件下でのオートファジーのシグナル伝達と細胞恒常性についての理解を変える可能性があります。

ULK複合体は、オートファジーシグナル伝達の橋渡し役であるだけでなく、コアオートファジータンパク質の中で唯一のセリン/スレオニンキナーゼであることも注目されています。2015年、Egan らがあるULK1コンセンサスリン酸化モチーフを報告しました¹¹。著者らは、ULK1の基質を特定するためにヒトプロテオームを探索し、このモチーフが含まれるタンパク質を見つけようとしました。当然ながら、多数のコアオートファジータンパク質が見つかりました。

以下のULK1基質は、オートファジーを制御する最も信頼性の高い既知のリン酸化部位です： 

• Atg13 Ser355
• Atg14 Ser29
  
• Beclin-1 Ser15
• Beclin-1 Ser30

オートファジーのシグナル伝達経路を解明することは、細胞の恒常性維持におけるオートファジーの役割や、がん、糖尿病、神経変性などの疾患において、それがどのようにして制御不全となるかをより明確に理解するのに役立つ可能性があります。

ULK1などの必須タンパク質の不活性化によるオートファジーの阻害は、これらの疾患の治療法となり得るのでしょうか？新たな検討材料であることには間違いありません。

オートファジーのシグナル伝達研究用のAntibody Samplerキット

研究の前進に必要な試薬が含まれる、弊社のAntibody Samplerキットをご覧ください。

• Autophagy Induction (ULK1 Complex) Antibody Sampler Kit #46486
• ULK1 Substrate Antibody Sampler Kit #85493
• Autophagy Antibody Sampler Kit #4445
• Human Reactive Cell Death and Autophagy Antibody Sampler Kit #42867
• Mouse Reactive Cell Death and Autophagy Antibody Sampler Kit #48734
• ER Stress-induced Autophagy Antibody Sampler Kit #89947
• Autophagy Vesicle Nucleation Antibody Sampler Kit #70751
• Autophagy Atg8 Family Antibody Sampler Kit #64459
• Autophagy Vesicle Elongation (LC3 Conjugation) Antibody Sampler Kit #19848
• Autophagy Vesicle Elongation (Atg12 Conjugation) Antibody Sampler Kit #32345

その他のリソース

オートファジーシグナル伝達についてもっと詳しく知りたいですか？CSTの包括的な細胞の増殖および生存能力に関わるシグナル伝達パスウェイ図をご覧ください：オートファジーシグナル伝達、PI3K/Aktシグナル伝達、p53シグナル伝達、MAPKシグナル伝達、mTORシグナル伝達などが含まれます。

また、ソーク研究所のReuben Shaw博士による、オートファジーとULK1を治療の標的とする生物学的研究についてのオンデマンドのウェビナーもご視聴いただけます。

参考文献：

1. Shang L, Chen S, Du F, Li S, Zhao L, Wang X. Nutrient starvation elicits an acute autophagic response mediated by Ulk1 dephosphorylation and its subsequent dissociation from AMPK. Proc Natl Acad Sci U S A. 2011;108(12):4788-4793. doi:10.1073/pnas.1100844108
2. Yang Z, Klionsky DJ. Eaten alive: a history of macroautophagy. Nat Cell Biol. 2010;12(9):814-822. doi:10.1038/ncb0910-814
3. Tsukada M, Ohsumi Y (1993) Isolation and characterization of autophagy-defective mutants of Saccharomyces cerevisiae. FEBS Lett. 333(1-2), 169–74.
4. Kuma A, Komatsu M, Mizushima N. Autophagy-monitoring and autophagy-deficient mice. Autophagy. 2017;13(10):1619-1628. doi:10.1080/15548627.2017.1343770
5. Ganley IG, Lam du H, Wang J, Ding X, Chen S, Jiang X (2009) ULK1.ATG13.FIP200 complex mediates mTOR signaling and is essential for autophagy. J. Biol. Chem. 284(18), 12297–305.
6. Bach M, Larance M, James DE, Ramm G (2011) The serine/threonine kinase ULK1 is a target of multiple phosphorylation events. Biochem. J. 440(2), 283–91.
7. Itakura E, Mizushima N (2010) Characterization of autophagosome formation site by a hierarchical analysis of mammalian Atg proteins. Autophagy 6(6), 764–76.
8. ^{Kim J, Kundu M, Viollet B, Guan KL (2011) AMPK and mTOR regulate autophagy through direct phosphorylation of Ulk1. Nat. Cell Biol. 13(2), 132–41.}
9. Egan DF, Shackelford DB, Mihaylova MM, Gelino S, Kohnz RA, Mair W, Vasquez DS, Joshi A, Gwinn DM, Taylor R, Asara JM, Fitzpatrick J, Dillin A, Viollet B, Kundu M, Hansen M, Shaw RJ (2011) Phosphorylation of ULK1 (hATG1) by AMP-activated protein kinase connects energy sensing to mitophagy. Science. 331(6016), 456–61.
10. Park JM, Lee DH, Kim DH. Redefining the role of AMPK in autophagy and the energy stress response. Nat Commun. 2023;14(1):2994. Published 2023 May 24. doi:10.1038/s41467-023-38401-z

11. Egan DF, Chun MG, Vamos M, Zou H, Rong J, Miller CJ, Lou HJ, Raveendra-Panickar D, Yang CC, Sheffler DJ, Teriete P, Asara JM, Turk BE, Cosford ND, Shaw RJ (2015) Small Molecule Inhibition of the Autophagy Kinase ULK1 and Identification of ULK1 Substrates. Mol. Cell 59(2), 285–97.

12. Russell RC, Tian Y, Yuan H, Park HW, Chang YY, Kim J, Kim H, Neufeld TP, Dillin A, Guan KL (2013) ULK1 induces autophagy by phosphorylating Beclin-1 and activating VPS34 lipid kinase. Nat. Cell Biol. 15(7), 741–50.

このブログ記事の別版が2017年9月に発表されています。本ブログ記事は、2024年3月に改訂されました。