Autophagie: Ablauf, Funktion und Klinik

Bei der Autophagie, beziehungsweise Autophagozytose werden zelleigene Stoffe abgebaut und recyclet. Dieser Prozess, der quasi die körpereigene Müllabfuhr darstellt, reinigt die Zelle und bewahrt so ihre Funktion. Dieser Artikel soll über die Physiologie, Funktion und klinische Relevanz der Autophagie aufklären.

Autophagie – Definition

Die Autophagie ist ein lebenswichtiger zellulärer Reinigungsprozess, bei dem die Zelle ihre eigenen beschädigten oder überflüssigen Bestandteile, wie defekte Proteine, Zellorganellen oder Krankheitserreger, abbaut und recycelt.

Autophagie – Ablauf und Physiologie

Um den Prozess der Autophagie zu verstehen, sollte zunächst verdeutlicht werden, in welchen Kompartimenten der Zelle dieser Prozess überhaupt abläuft und wie er mit anderen Prozessen zusammenhängt.

Lysosomen

Die Autophagie läuft in den Zellen hauptsächlich in den Lysosomen ab. Diese Zellorganellen sind von Membran umgebene, kugelförmige Gebilde. Sie können in sehr variablen Größenverhältnissen vorliegen und reichen dabei von 100 Nanometern bis zu einem Mikrometer. In ihrem Inneren herrscht ein saures Milieu, das einen ungefähren pH-Wert von vier bis fünf erreicht. Außerdem befinden sich dort zahlreiche Enzyme, die andere Moleküle spalten und verdauen können. Zu diesen Enzymen gehören Proteinasen, Lipasen, Nucleinasen und einige andere mehr.

Diese lysosomalen Enzyme sind an den Ribosomen des rauen endoplasmatischen Retikulums hergestellt. Danach werden sie durch den Golgi-Apparat geschleust, wo sie mit einem Mannose-6-Phosphat markiert werden. Vom Golgi-Apparat aus schnüren sich Vesikel mit den markierten Enzymen ab und fusionieren mit späten Endosomen. Die Vesikel, welche primäre Lysosomen heißen, werden zu sekundären Lysosomen.

Phagozytose

Das sekundäre Lysosom entsteht, indem es mit einem späten Endosom fusioniert. Aber wobei handelt es sich dabei überhaupt?

Ein Endosom ist ein Vesikel, das sich von der Zellmembran abschnürt. Dabei wird von außen über die Endozytose Material in die Zelle aufgenommen. Das Endosom verschmilzt mit dem primären Lysosom und das aufgenommene Material kann über die lysosomalen Enzyme abgebaut werden.

Allerdings handelt es sich bei der Phagozytose um zellfremdes Material das beseitigt wird. Die Autophagozytose (Autophagie) beschäftigt sich mit dem Abbau zelleigener Substanzen.

Makroautophagozytose

Die Makroautophagie sorgt dafür große Bestandteile, wie ganze Zellorganellen abzubauen. Dafür bilden sich Zisternen, die aus Membranen bestehen einen Kreis um das abzubauende Material und “sperren es ein”. Sogenannte ATG-Proteine helfen den Zisternen sich zusammen zu schließen. Dieser Komplex wir als Autophagosom bezeichnet. Das Autophagosom verschmilzt mit einem Lysosom, wodurch es das Innere verdaut und abbaut.

Mikroautophagozytose

Kleineres Material, das sich im Zytosol befindet, wird über die Mikroautophagozytose abgebaut und verdaut. Dieses kleinere Material wird von späten Endosomen aufgenommen, die im Verlauf mit den primären Lysosomen fusionieren.

Chaperonvermittelte Autophagozytose

Gewisse Proteine im Zytosol einer Zelle besitzen Signalsequenzen, die das Hsp-70-Chaperon Hsc70 erkennt. Lysosomale Chaperone entfalten diese Proteine und helfen beim Transport des Proteins in das Lysosom, wo es abgebaut werden kann.

Regulation

Eine vermehrte Aktivierung der Autophagie erfolgt unter verschiedenen Stresssituationen, die der Körper erfährt. Nach langer Zeit ohne Nahrungszufuhr will die Zelle einem Mangel an Aminosäuren entgegenwirken und erreicht dies durch vermehrten lysosomalen Abbau zelleigener Proteine.

Autophagie – Funktion

Die Funktion der Autophagie besteht primär in der Aufrechterhaltung der zellulären Homöostase, indem sie defekte oder überflüssige Zellbestandteile beseitigt und so toxischen Ansammlungen entgegenwirkt. Sie spielt eine zentrale Rolle bei der Anpassung an Stresssituationen wie Nährstoffmangel, indem sie gespeicherte zelluläre Komponenten recycelt und dadurch Energie und Bausteine zur Verfügung stellt. Darüber hinaus ist die Autophagie essenziell für die Zelldifferenzierung, Entwicklung und Immunantwort, da sie unter anderem pathogene Strukturen eliminiert und Antigenfragmente zur Präsentation bereitstellt.

Autophagie – Klinik

Viele neurodegnerative Erkrankungen wie Morbus Alzheimer oder Morbus Parkinson entstehen durch Ablagerung von unlöslichen Protein-Plaques. Es gibt Hinweise darauf, dass ein gestörter autophagischer Abbau solcher Proteine mit Schuld am Entstehen der Erkrankungen sein kann.