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PLoS Biol. 2014 Oct; 12(10): e1001967.
Published online 2014 Oct 14. doi: 10.1371/journal.pbio.1001967
PMCID: PMC4196727
PMID: 25313680
Autophagy and Its Effects: Making Sense of Double-Edged Swords
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Abstract
Autophagy delivers cellular material to lysosomes for recycling. This article discusses why both good and bad effects arise because of autophagy and argues that exploiting this knowledge can treat disease.
오토파지는 세포 물질을 리소좀으로 전달하여 재활용합니다. 이 글에서는 오토파지로 인해 좋은 영향과 나쁜 영향이 모두 발생하는 이유를 설명하고, 이 지식을 활용하면 질병을 치료할 수 있다고 주장합니다.
Summary
Autophagy is the mechanism by which cellular material is delivered to lysosomes and degraded. This process has become a major focus of biological and biomedical research with thousands of papers published each year and rapidly growing appreciation that autophagy affects many normal and pathological processes. However, as we learn more about this evolutionarily ancient process, we are discovering that autophagy's effects may work for both the good and the bad of an organism. Here, I discuss some of these context-dependent findings and how, as we make sense of them, we can try to apply our knowledge for practical purposes.
오토파지는 세포 물질이 리소좀으로 전달되어 분해되는 메커니즘입니다. 이 과정은 매년 수천 편의 논문이 발표되고 오토파지가 여러 정상 및 병리 과정에 영향을 미친다는 인식이 급속히 확산되면서 생물학 및 생의학 연구의 주요 초점이 되었습니다. 그러나 진화적으로 오래된 이 과정에 대해 더 많이 알아가면서 오토파지의 효과가 유기체의 좋은 점과 나쁜 점 모두에 작용할 수 있다는 사실을 발견하고 있습니다. 이 글에서는 이러한 맥락에 따라 달라지는 몇 가지 연구 결과와 이를 이해하면서 실용적인 목적으로 지식을 적용할 수 있는 방법에 대해 설명합니다.
As I started on this essay, I googled “double-edged sword autophagy” and got pages of references to articles and books making the point that sometimes autophagy is good and sometimes it's bad. Most of the articles were linking the double-edged sword metaphor to diseases such as cancer, diabetes, infection, neurological disease, ischemic injury, etc. This implies that if we understand when autophagy is a good thing and when it's a bad thing, it will be feasible to improve treatment or prevention of these diseases by manipulating autophagy up or down. Attempts to do this in people are already underway. For example, we recently reported a deliberate attempt to inhibit autophagy in a child with a therapy-resistant brain tumor [1], and the first of dozens of ongoing Phase I and II clinical trials of autophagy inhibitors in cancer patients are starting to be reported [2]–[7]. Additionally, we know that we are often inadvertently manipulating autophagy when we treat people for various diseases. (This is because many currently used drugs affect autophagy—for example, cancer drugs often affect autophagy in addition to their intended targets [8]). If we understood how autophagy impacts on health and disease, could we improve disease treatment and prevention?
이 논을 쓰기 시작하면서 '양날의 검 오토파지'를 검색해 보니 오토파지가 때로는 좋고 때로는 나쁘다는 내용의 기사와 책이 수 페이지에 걸쳐 소개되어 있었습니다. 대부분의 기사는 양날의 검 비유를 암, 당뇨병, 감염, 신경계 질환, 허혈성 손상 등과 같은 질병과 연관시키고 있었습니다. 이는 오토파지가 언제 좋은 일이고 언제 나쁜 일인지 이해하면 오토파지를 증가 또는 감소시켜 이러한 질병의 치료 또는 예방을 개선할 수 있다는 것을 의미합니다. 사람을 대상으로 한 이러한 시도는 이미 진행 중입니다. 예를 들어, 최근 치료 저항성 뇌종양을 앓고 있는 어린이에게 의도적으로 자가포식을 억제하려는 시도가 보고되었고[1], 암 환자를 대상으로 진행 중인 수십 건의 자가포식 억제제 1상 및 2상 임상시험 중 첫 번째 결과가 보고되기 시작했습니다[2]-[7]. 또한, 우리는 다양한 질병을 치료할 때 의도치 않게 오토파지를 조작하는 경우가 많다는 것을 알고 있습니다. (현재 사용되는 많은 약물이 오토파지에 영향을 미치기 때문입니다. 예를 들어, 항암제는 의도한 표적 외에도 오토파지에 영향을 미치는 경우가 많습니다 [8]). 오토파지가 건강과 질병에 미치는 영향을 이해한다면 질병 치료와 예방을 개선할 수 있을까요?
This essay will provide a personal (and very selective) view of these issues, but first I should define what I mean by “good,” “bad,” and “autophagy.” When I say “good” and “bad,” I mean with respect to a host organism. So, when considering the roles of autophagy in cancer or infection, “good” means good for the host, not for the tumor cell or infectious organism. And, the term “autophagy” will refer to macroautophagy, which is by far the best understood of the various types of autophagy (the others are chaperone mediated autophagy and microautophagy). Macroautophagy (for review, see [9]) depends on the coordinated actions of autophagy-related proteins (ATGs) that recruit membranes to form a double membrane vesicle called an autophagosome. The autophagosome engulfs cytoplasmic material, including proteins and organelles. The intact autophagosome then fuses with the lysosome, thus allowing lysosomal hydrolases to degrade the engulfed material and macromolecular precursors to be recycled for use in metabolism and to build new macromolecules.
이 글에서는 이러한 문제에 대한 개인적인(그리고 매우 선별적인) 견해를 제시할 것이지만, 먼저 "좋은", "나쁜", "오토파지"의 의미를 정의해야 합니다. "좋다"와 "나쁘다"는 말은 숙주 유기체와 관련하여 의미합니다. 따라서 암이나 감염에서 자가포식의 역할을 고려할 때 "좋다"는 것은 종양 세포나 감염성 유기체가 아니라 숙주에게 좋다는 의미입니다. 그리고 "오토파지"라는 용어는 다양한 유형의 오토파지 중에서 가장 잘 이해되는 거시적 오토파지를 의미합니다(다른 유형으로는 샤프론 매개 오토파지와 미세 오토파지가 있습니다). 거시적 오토파지(자세한 내용은 [9] 참조)는 세포막을 모집하여 오토파지솜이라고 하는 이중 막 소포를 형성하는 오토파지 관련 단백질(ATG)의 조정된 작용에 의존합니다. 오토파지솜은 단백질과 소기관을 포함한 세포질 물질을 삼켜버립니다. 그런 다음 온전한 오토파지솜은 리소좀과 융합하여 리소좀 가수분해 효소가 삼켜진 물질과 거대 분자 전구체를 분해하여 신진대사에 사용하고 새로운 거대 분자를 만드는 데 재활용할 수 있도록 합니다.
Autophagy
There are many excellent review articles on autophagy and its regulation, so I won't go into great detail about the process here. Two important points are needed to follow my argument. First, autophagy is a dynamic process whereby autophagosomes are formed, engulf their cargo (this can be selective, such that specific cargos are delivered to the autophagosome, or non-selective, whereby anything in the vicinity finds itself inside the autophagosome), and fuse with lysosomes, then the contents of the autophagosome are degraded. Completion of the whole process is termed autophagic flux, and its dynamic nature sometimes causes problems in interpretation of experimental data. For example, an increase in autophagosome number can be achieved either by making more (i.e., increasing autophagy) or by degrading fewer of them (i.e., a decrease in autophagy). Some papers do not adequately distinguish between these two opposing possibilities, and it should be borne in mind that some conclusions about apparently competing effects of autophagy may be misinterpretations in which someone thinks they were getting more autophagy when in fact they were getting less, or vice versa. Second, distinct regulators that can be inhibited with pharmacological agents or genetic interventions (knockouts, knockdowns, and expression of dominant negative mutants) control each step in the process. Thus, if you want to inhibit autophagy at early steps, you might knock down BECN1, a scaffolding protein that is critical for the initial steps in autophagosome formation, whereas to prevent elongation of the autophagosomal membrane, you might target ATG7, which is required for protein conjugations needed to elongate the membrane. To block autophagy at later steps one might target the lysosome with a drug like chloroquine (CQ) or hydroxychloroquine (HCQ) that prevents lysosomal fusion with the autophagosome. An important caveat to bear in mind is that these interventions are not necessarily specific. For example, all the clinical trials mentioned above are testing the idea that autophagy inhibition by HCQ will increase tumor chemosensitivity to other anticancer drugs. However, tumor cells can also be chemosensitized by CQ through autophagy-independent mechanisms [10]. Similarly, although knockout or knockdown of ATGs can be a highly effective way to inhibit autophagy, many, perhaps all, ATGs have other functions as well [11]. This means that if your ATG knockout had a phenotype, it could be due to other functions of that protein rather than blocking autophagy.
With these definitions and caveats noted, I will try to make two points. (1) Autophagy is indeed both good and bad in different circumstances. (2) By understanding the mechanisms that underlie these divergent effects, we can start to see how we can apply this knowledge in a rational way to get outcomes that we want, such as effective treatments for the diseases where autophagy plays a role.
오토파지와 그 조절에 대한 훌륭한 리뷰 기사가 많이 있으므로 여기서는 그 과정에 대해 자세히 설명하지 않겠습니다. 제 주장을 이해하려면 두 가지 중요한 포인트가 필요합니다. 첫째, 오토파지는 오토파지좀이 형성되고, 운반물을 포집하고(특정 운반물만 오토파지좀으로 전달되는 선택적일 수도 있고, 주변의 모든 것이 오토파지좀 내부로 들어가는 비선택적일 수도 있습니다), 리소좀과 융합한 다음 오토파지좀의 내용물이 분해되는 역동적인 과정입니다. 전체 과정의 완성을 오토파지 플럭스라고 하며, 이러한 동적 특성으로 인해 때때로 실험 데이터 해석에 문제가 발생합니다. 예를 들어, 오토파지솜의 수는 더 많이 만들거나(즉, 오토파지 증가) 더 적게 분해하여(즉, 오토파지 감소) 증가시킬 수 있습니다. 일부 논문에서는 이 두 가지 상반된 가능성을 적절히 구분하지 않고 있으며, 오토파지의 상반된 효과에 대한 일부 결론은 실제로는 오토파지가 더 많이 생성되는 것으로 생각하거나 그 반대의 경우 오해일 수 있다는 점을 염두에 두어야 합니다. 둘째, 약리 작용제나 유전적 개입(녹아웃, 녹다운, 우성 음성 돌연변이 발현)으로 억제할 수 있는 별개의 조절 인자가 프로세스의 각 단계를 제어합니다. 따라서 초기 단계에서 자가포식을 억제하려면 자가포식체 형성의 초기 단계에 중요한 스캐폴딩 단백질인 BECN1을 녹다운시키고, 자가포식체 막의 연장을 막으려면 막 연장에 필요한 단백질 접합에 필요한 ATG7을 표적으로 삼을 수 있습니다. 이후 단계에서 자가포식을 차단하려면 클로로퀸(CQ) 또는 히드록시클로로퀸(HCQ)과 같은 약물로 리소좀을 표적으로 삼아 리소좀과 자가포식체의 융합을 방지할 수 있습니다. 염두에 두어야 할 중요한 주의 사항은 이러한 개입이 반드시 특정하지 않다는 것입니다. 예를 들어, 위에서 언급한 모든 임상시험은 HCQ에 의한 자가포식 억제가 다른 항암제에 대한 종양의 화학적 감수성을 증가시킬 것이라는 아이디어를 테스트하고 있습니다. 그러나 종양 세포는 또한 자가포식 독립적인 메커니즘을 통해 CQ에 의해 화학감작될 수 있습니다[10]. 마찬가지로, ATG의 녹아웃 또는 녹다운은 자가포식을 억제하는 매우 효과적인 방법이 될 수 있지만, 많은, 아마도 모든, ATG는 다른 기능도 가지고 있습니다 [11]. 즉, ATG 녹아웃이 표현형을 가지고 있다면 이는 오토파지를 차단하는 것이 아니라 해당 단백질의 다른 기능 때문일 수 있습니다.
이러한 정의와 주의 사항을 참고하여 두 가지 요점을 말씀드리겠습니다. (1) 오토파지는 실제로 상황에 따라 좋을 수도 있고 나쁠 수도 있습니다. (2) 이러한 다양한 효과의 근간이 되는 메커니즘을 이해함으로써 우리는 이 지식을 합리적으로 적용하여 오토파지가 중요한 역할을 하는 질병에 대한 효과적인 치료법과 같이 우리가 원하는 결과를 얻을 수 있는 방법을 알 수 있습니다.
Autophagy and Bacterial Infection
In the last decade, there has been much work on the role of autophagy in pathogen infection and antimicrobial immunity (see [12],[13] for recent reviews). Autophagy's roles in this area are complicated, involving direct degradation of microorganisms (a process called xenophagy, in which bacteria or viruses are engulfed in autophagosomes, then degraded by the lysosomal enzymes) as well as regulation of proinflammatory signaling, antigen presentation, adaptive immune responses, and secretion of immune mediators [12]. Even if we just consider what one might think of as a simple case, i.e. engulfment of bacteria by the autophagy machinery, sometimes this is good, and sometimes it's bad. The good side of xenophagy is obvious—pathogenic bacteria are selectively targeted to autophagosomes and degraded, providing a mechanism by which infection is reduced [13]. The importance of this for overall health of the host is nicely demonstrated by a recent study from Eileen White's lab, describing the first mouse with inducible full body knockout of autophagy. Adult mice in which autophagy is efficiently inhibited in all cells in the body (due to knockout of Atg7) display a marked two-step pattern of lethality due to autophagy inhibition. Some animals die straight away because they succumb to Streptococcus infection [14]. This makes sense because autophagic degradation of Streptococcus is known to occur [15]. Thus, autophagy and/or xenophagy is good for the mouse in this case. (The remaining mice die more slowly due to neurodegeneration. In this essay I'm going to steer away from autophagy in the brain, but the reader should be aware that this phenotype fits well with known protective effects of autophagy against neuronal cell death.) But, autophagy is not always a good thing when it comes to bacterial infection. Other intracellular bacteria have to be engulfed by the autophagy machinery in order to replicate. For example, Brucella, the bacteria responsible for brucellosis, use the core autophagy machinery to create an intracellular compartment [16] that is needed to complete the Brucella lifecycle and cell-to-cell spreading. Thus, the autophagy process has been used in this case to promote bacterial infection and is therefore bad for the host.
지난 10년 동안 병원균 감염과 항균 면역에서 오토파지의 역할에 대한 많은 연구가 진행되었습니다(최근 리뷰는 [12],[13] 참조). 이 분야에서 오토파지의 역할은 미생물의 직접 분해(박테리아나 바이러스가 오토파지에 포획된 후 리소좀 효소에 의해 분해되는 이종 포식이라고 하는 과정)뿐만 아니라 염증 신호, 항원 제시, 적응 면역 반응, 면역 매개체의 분비 조절을 포함하는 복잡한 과정입니다[12]. 오토파지 기계에 의한 박테리아 포식이라는 단순한 사례만 생각해도 오토파지는 때론 좋고, 때론 나쁠 수 있습니다. 병원성 박테리아가 오토파지좀을 선택적으로 표적으로 삼아 분해되어 감염이 감소하는 메커니즘을 제공한다는 점에서 이종포식의 좋은 측면은 분명합니다[13]. 숙주의 전반적인 건강에 대한 오토파지의 중요성은 Eileen White 연구실의 최근 연구에서 오토파지의 전신 녹아웃을 유도할 수 있는 최초의 마우스에 대해 설명하면서 잘 입증되었습니다. Atg7의 녹아웃으로 인해 신체의 모든 세포에서 오토파지가 효율적으로 억제된 성체 마우스는 오토파지 억제로 인해 뚜렷한 2단계의 치사율 패턴을 보입니다. 일부 동물은 연쇄상구균 감염으로 인해 곧바로 사망합니다[14]. 이는 연쇄상구균의 자가포식 분해가 일어나는 것으로 알려져 있기 때문에 이해가 됩니다[15]. 따라서 이 경우 자가포식 및/또는 이종포식은 마우스에게 좋습니다. (나머지 생쥐는 신경 퇴화로 인해 더 천천히 죽습니다. 이 글에서는 뇌의 오토파지에 대해서는 다루지 않겠지만, 독자들은 이 표현형이 신경 세포 사멸에 대한 오토파지의 알려진 보호 효과와 잘 부합한다는 것을 알고 계실 것입니다.) 그러나 자가포식이 박테리아 감염과 관련하여 항상 좋은 것만은 아닙니다. 다른 세포 내 박테리아는 복제를 위해 오토파지 기계에 의해 삼켜져야 합니다. 예를 들어, 브루셀라증을 일으키는 박테리아인 브루셀라는 핵심 자가포식 메커니즘을 사용하여 브루셀라 수명 주기와 세포 간 확산을 완료하는 데 필요한 세포 내 구획을 만듭니다[16]. 따라서 이 경우 자가포식 과정은 박테리아 감염을 촉진하는 데 사용되었으므로 숙주에게는 좋지 않습니다.
The important point is this: when thinking about how we should manipulate autophagy in order to deal with intracellular bacterial infection, it is clear that one can't just say autophagy is good or it's bad. For some bacteria, autophagy is how our cells kill them, for others it's how they replicate and spread throughout a host. Similar effects are seen with viruses, too—some rely on the autophagy machinery to replicate; others are blocked by autophagy. So, we can't just say that more or less autophagy would be what we should aim for to treat or prevent infectious disease; we need to understand how autophagy impacts the infectious process and design manipulations accordingly.
중요한 점은 세포 내 박테리아 감염에 대처하기 위해 자가포식을 어떻게 조작해야 하는지에 대해 생각할 때 자가포식이 좋다, 나쁘다고 말할 수 없다는 것입니다. 일부 박테리아의 경우 자가포식은 우리 세포가 박테리아를 죽이는 방법이고, 다른 박테리아의 경우 자가포식은 박테리아가 복제되어 숙주 전체로 퍼지는 방법입니다. 바이러스도 비슷한 효과를 보이는데, 어떤 바이러스는 오토파지 기계에 의존하여 복제하고 어떤 바이러스는 오토파지에 의해 차단됩니다. 따라서 감염성 질환을 치료하거나 예방하기 위해서는 단순히 오토파지의 양을 늘리거나 줄이는 것이 목표라고 말할 수 없으며, 오토파지가 감염 과정에 어떤 영향을 미치는지 이해하고 그에 따라 조작을 설계해야 합니다.
Autophagy and Cancer
For some time, we've been talking about context-dependent effects and “doubled-edged swords” when it comes to autophagy and cancer [17]–[21]. Broadly speaking, autophagy may protect against cancer development, but be important for cancer progression and treatment. Thus, we might want to boost autophagy to prevent cancer but inhibit it as part of a cancer treatment strategy.
Evidence in favor of autophagy functioning as a tumor suppressor comes mostly from discoveries that inactivation of certain autophagy regulators causes cancer in mice and that some human tumors display loss of these regulators. For example, allelic loss of Becn1 causes increased tumor development in mice [22],[23], and the BECN1 gene is deleted in human tumors [24]. These data appear to suggest that autophagy suppresses development of malignant tumors. A slightly different interpretation comes from deletion of other essential autophagy genes. For example, systemic mosaic deletion of the Atg5 or Atg7 genes in mice doesn't lead to true malignancy. Instead, only benign adenomas are found in these mice, and only in the liver [25]. This result implies that autophagy may be capable of suppressing only the very earliest stages of tumor development, not the appearance of true malignant tumors. It should also be noted that a recent analysis of thousands of human tumors found no evidence of specific BECN1 deletions or somatic mutations but instead concluded that the apparent loss of BECN1 in human cancer is most likely due to deletion of the adjacent BRCA1 gene, which is a well-known tumor suppressor [26]. I think there are two important points to consider here. First, we need to be careful not to jump to the conclusion that just because a gene is important for controlling autophagy and also for suppressing cancer, that this necessarily means that autophagy is important for suppressing cancer. A potential explanation for the Becn1 gene deletion effects in mice compared with the milder tumorigenic effects of Atg5 or Atg7 deletions might be that other functions of the BECN1 protein independent of its role in autophagy are causing the tumor phenotype. Second, even if autophagy is preventing cancer development, the results of Takamura et.al. show that there may be marked differences in different tissues [25] —sometimes it's good, sometimes not.
한동안 우리는 오토파지와 암에 관한 맥락 의존적 효과와 "양날의 검"에 대해 이야기해 왔습니다[17]-[21]. 대체로 오토파지는 암 발생을 예방할 수 있지만, 암 진행과 치료에도 중요할 수 있습니다. 따라서 암을 예방하기 위해 오토파지를 활성화하고 암 치료 전략의 일부로 오토파지를 억제할 수 있습니다.
오토파지가 종양 억제제로 기능한다는 증거는 주로 특정 오토파지 조절 인자의 비활성화가 생쥐에서 암을 유발하고 일부 인간 종양에서 이러한 조절 인자가 손실된다는 사실을 발견한 데서 비롯됩니다. 예를 들어, Becn1의 대립유전자 손실은 생쥐에서 종양 발생을 증가시키고[22],[23], 인간 종양에서 Becn1 유전자가 결실됩니다[24]. 이러한 데이터는 오토파지가 악성 종양의 발생을 억제한다는 것을 시사하는 것으로 보입니다. 다른 필수 오토파지 유전자의 결실은 약간 다른 해석을 가능하게 합니다. 예를 들어, 생쥐에서 Atg5 또는 Atg7 유전자의 전신 모자이크 결실은 실제 악성 종양으로 이어지지 않습니다. 대신, 이 마우스에서는 양성 선종만 발견되며 간에서만 발견됩니다 [25]. 이 결과는 오토파지가 실제 악성 종양의 출현이 아닌 종양 발생의 가장 초기 단계만을 억제할 수 있음을 의미합니다. 또한 최근 수천 개의 인간 종양을 분석한 결과 특정 BECN1 결실이나 체세포 돌연변이의 증거는 발견되지 않았으며, 대신 인간 암에서 BECN1의 명백한 손실은 잘 알려진 종양 억제자인 인접한 BRCA1 유전자의 결실 때문일 가능성이 가장 높다는 결론을 내렸습니다[26]. 여기서 고려해야 할 두 가지 중요한 점이 있다고 생각합니다. 첫째, 특정 유전자가 오토파지를 조절하고 암을 억제하는 데 중요하다고 해서 이것이 반드시 오토파지가 암 억제에 중요하다는 것을 의미한다고 섣불리 결론을 내리지 않도록 주의할 필요가 있습니다. 생쥐에서 Becn1 유전자 결실 효과에 대한 잠재적 인 설명은 Atg5 또는 Atg7 결실의 경미한 종양 유발 효과와 비교하여 자가 포식에서의 역할과 무관 한 BECN1 단백질의 다른 기능이 종양 표현형을 유발하는 것일 수 있습니다. 둘째, 오토파지가 암 발생을 예방하더라도 조직에 따라 현저한 차이가 있을 수 있다는 Takamura 등의 연구 결과[25]에 따르면 오토파지가 좋은 경우도 있고 그렇지 않은 경우도 있습니다.
After a malignant tumor is formed, autophagy's roles are still complicated. A great deal of work has focused on how autophagy affects response to cancer therapy [8] and as noted at the beginning of this essay, this is where we are furthest along in clinical application of autophagy manipulation. Here I want to focus on one particular complication: different tumor cells behave differently when autophagy is inhibited. In a recent paper [27], my group reported that different breast cancer cells behave quite differently when autophagy is inhibited either genetically or pharmacologically. For some cells, autophagy inhibition has little effect or merely slows their growth a bit. For other breast cancer cells, autophagy is essential for survival even in the absence of any added stress. For these cells, simply inhibiting autophagy is sufficient to cause the tumor cells to die. This suggests that some tumor cells are dependent on autophagy, but others are not. Moreover, we also found that it is only for the autophagy-dependent cells that combining autophagy inhibitor with another anticancer drug is synergistic. In fact, such combinations in autophagy-independent tumor cells were more likely to be antagonistic than to show synergy. Similar results were found when we tried to inhibit autophagy along with other anticancer drugs in brain cancer cells; only autophagy-dependent cells displayed synergy [1]. Thus, when it comes to treatment with other drugs, autophagy in some tumors is good and in others, bad because if we inhibit autophagy at the same time as treating with other drugs, this can increase tumor cell death only in some tumor cells, while in others it may actually lead to less tumor cell death. This work from our lab complements a number of prior papers from other groups showing that certain tumors, most notably those where the RAS pathway is mutated, are especially sensitive to autophagy inhibition [14],[28]–[31]. In these studies, too, it is clear that some tumor cells rely more on autophagy than others. It should be noted that in our breast cell study we mostly examined tumor lines with no RAS pathway mutations. This means that mutations in this pathway are not the only way that tumors may become highly dependent upon autophagy. However, the general concept remains: autophagy has competing effects in different contexts. This work highlights the importance of identifying the mechanisms by which tumor cells acquire autophagy-dependence or autophagy-independence and determining whether these characteristics are stable—e.g., if a tumor cell that is not initially autophagy-dependent can become dependent as it evolves in response to selective pressures such as drug treatment.
Autophagy and Cell Death
To end this essay, let's consider what might seem like a much simpler case of a single fundamental biological response—cell death. Does autophagy promote or inhibit cell death? There has been much confusion and discussion over the years about whether autophagy can cause a form of programmed cell death [32],[33] and whether it prevents or promotes apoptosis [34]. The reason I want to finish up by considering how autophagy can be both good and bad when it comes to cell death is that I think our efforts to understand how such apparently divergent responses come about may serve as a model for how to make sense of competing effects in other situations too.
이 글을 마무리하기 위해 훨씬 더 간단한 생물학적 반응인 세포 사멸에 대해 생각해 보겠습니다. 오토파지는 세포 사멸을 촉진할까요, 억제할까요? 오토파지가 일종의 프로그램된 세포 사멸을 일으킬 수 있는지[32],[33], 세포 사멸을 예방하거나 촉진하는지[34] 여부에 대해서는 수년 동안 많은 혼란과 논의가 있었습니다. 세포 사멸과 관련하여 오토파지가 어떻게 좋을 수도 있고 나쁠 수도 있는지에 대한 고찰로 글을 마무리하고자 하는 이유는 이처럼 서로 다른 반응이 어떻게 나타나는지 이해하려는 우리의 노력이 다른 상황에서도 상반된 효과를 이해하는 데 도움이 될 수 있다고 생각하기 때문입니다.
A recent study from our group [35] provided a surprising example of competing effects of autophagy. We developed a method to separate living cells from a genetically homogeneous population based on differences in their level of autophagic flux and discovered that even under conditions in which there is no external inducer of autophagy, some cells in a population are undergoing much more autophagy than others. This variation is transient, such that cells that are doing high autophagy and those that are doing low autophagy remain high or low for 4–8 hours, but over time the population distribution reverts to that of the original population. The interesting discovery was that high or low autophagy predicted the subsequent likelihood of the cell dying when treated with an apoptotic stimulus. So, when we purified the highest autophagy quartile and the lowest autophagy quartile from the total cell population, they differed markedly in their sensitivity to subsequent treatment with an apoptotic stimulus. Surprisingly, however, high autophagy cells were more sensitive than the starting population to one apoptosis inducer but less sensitive to another. This was particularly surprising because the two apoptosis stimuli that we used (Fas Ligand and TRAIL) work in very similar ways. They are both death receptor agonists that activate well-understood signaling pathways involving the same sets of downstream signaling proteins to induce apoptosis. How can we make sense of this? We isolate cells from a population based on the amount of autophagy they are doing. This amount of autophagy predicts whether or not they will die when treated hours later with an apoptotic stimulus, but two very similar apoptotic stimuli behave in completely opposite ways in the same isolated cells. To add further confusion, these effects were cell-type specific. In some cells, high autophagy made them more sensitive to Fas Ligand–induced apoptosis but less sensitive to TRAIL while, in other cells, high autophagy cells were less sensitive to both Fas Ligand and TRAIL. What we have here is a cell-level example of autophagy sometimes being good and sometimes bad. The explanation is that a negative regulator of Fas signaling called FAP1 is selectively degraded by autophagy. The important point is that FAP1 doesn't affect TRAIL. Moreover, FAP1 is expressed only in some cells, and it is only these cells in which autophagy promotes Fas Ligand-induced apoptosis. FAP1 degradation therefore explains why autophagy sometimes promotes Fas-induced apoptosis and sometimes doesn't, and why autophagy only promotes Fas and not TRAIL-induced apoptosis in this case. If FAP1 is not expressed in a cell, it can't be degraded by autophagy, and, even if it is expressed, FAP1 degradation will only affect signaling pathways that FAP1 regulates. This allows us to make sense of our otherwise confusing results—the opposing effects and cell-type specificity of autophagy's effects are explained by what autophagy is degrading. Another paper explained at least part of the reason why autophagy was protective against TRAIL—this was due to autophagy's ability to selectively regulate the levels of a different apoptosis regulator, PUMA, which is needed to increase the efficiency of apoptosis [36].
우리 그룹의 최근 연구[35]는 오토파지의 상반된 효과에 대한 놀라운 예를 제시했습니다. 우리는 유전적으로 동질적인 집단에서 살아있는 세포를 오토파지 플럭스 수준의 차이에 따라 분리하는 방법을 개발했으며, 외부에서 오토파지를 유도하지 않는 조건에서도 집단 내 일부 세포가 다른 세포보다 훨씬 더 많은 오토파지를 수행한다는 사실을 발견했습니다. 이러한 변화는 일시적인 것으로, 오토파지를 많이 하는 세포와 적게 하는 세포는 4~8시간 동안 높게 또는 낮게 유지되지만 시간이 지나면 개체군 분포는 원래 개체군의 분포로 되돌아갑니다. 흥미로운 발견은 오토파지가 높거나 낮으면 세포 사멸 자극을 받았을 때 세포가 죽을 가능성을 예측할 수 있다는 것입니다. 따라서 전체 세포 집단에서 오토파지가 가장 높은 사분위수와 가장 낮은 사분위수를 정제했을 때, 세포 사멸 자극에 대한 민감도가 현저하게 달랐습니다. 그러나 놀랍게도 오토파지가 높은 세포는 한 세포 사멸 유도제에 대해서는 시작 집단보다 더 민감했지만 다른 세포 사멸 유도제에는 덜 민감했습니다. 이는 특히 놀라웠는데, 우리가 사용한 두 가지 세포사멸 자극(Fas 리간드 및 TRAIL)이 매우 유사한 방식으로 작용하기 때문입니다. 이 두 가지 자극은 모두 세포 사멸을 유도하기 위해 동일한 하류 신호 단백질 세트와 관련된 잘 알려진 신호 경로를 활성화하는 사멸 수용체 작용제입니다. 이를 어떻게 이해할 수 있을까요? 우리는 세포가 수행하는 자가포식의 양에 따라 집단에서 세포를 분리합니다. 이 자가포식의 양에 따라 몇 시간 후 세포 사멸 자극으로 처리했을 때 세포가 죽을지 여부를 예측할 수 있지만, 매우 유사한 두 가지 세포 사멸 자극이 같은 분리된 세포에서 완전히 반대되는 방식으로 작용합니다. 혼란을 더하기 위해 이러한 효과는 세포 유형에 따라 다릅니다. 일부 세포에서는 자가포식이 높은 세포가 Fas 리간드에 의한 세포 사멸에는 더 민감하지만 TRAIL에는 덜 민감한 반면, 다른 세포에서는 자가포식이 높은 세포가 Fas 리간드와 TRAIL 모두에 덜 민감한 것으로 나타났습니다. 이는 오토파지가 때때로 좋은 역할을 하고 때때로 나쁜 역할을 하는 세포 수준의 예입니다. 설명은 FAP1이라는 Fas 신호의 음성 조절자가 오토파지에 의해 선택적으로 분해된다는 것입니다. 중요한 점은 FAP1이 TRAIL에 영향을 미치지 않는다는 것입니다. 또한 FAP1은 일부 세포에서만 발현되며, 이러한 세포에서만 자가포식이 Fas 리간드에 의한 세포 사멸을 촉진합니다. 따라서 FAP1의 분해는 오토파지가 때때로 Fas에 의한 세포 사멸을 촉진하고 때때로 촉진하지 않는 이유와 이 경우 오토파지가 TRAIL에 의한 세포 사멸이 아닌 Fas만 촉진하는 이유를 설명해 줍니다. FAP1이 세포에서 발현되지 않으면 오토파지에 의해 분해될 수 없으며, 발현되더라도 FAP1 분해는 FAP1이 조절하는 신호 경로에만 영향을 미칩니다. 이를 통해 오토파지의 효과에 대한 상반된 효과와 세포 유형별 특이성이 오토파지가 분해하는 대상에 의해 설명된다는 혼란스러운 결과를 이해할 수 있습니다. 또 다른 논문에서는 오토파지가 TRAIL에 대해 보호하는 이유의 적어도 일부를 설명했는데, 이는 오토파지가 세포 사멸의 효율성을 높이는 데 필요한 다른 세포 사멸 조절 인자인 PUMA의 수준을 선택적으로 조절하는 능력 때문이라고 합니다[36].
Therefore, in one case autophagic degradation of a negative regulator of a cell death pathway makes autophagy a promoter of apoptosis, while in other contexts autophagy is causing a reduction in a positive regulator of apoptosis and this makes the process protective against cell death. What does this mean for other apparently contradictory effects of autophagy—e.g., why autophagy protects tumor cells against chemotherapy in some circumstances but not others or is critically important for survival in only some tumor cells? I suspect that this too will be due to differences in what autophagy is degrading under these specific circumstances. This is a pretty trivial and straightforward hypothesis—the effects of a process that degrades cellular material depend on what it degrades. The difficult thing is testing the hypothesis and then using this knowledge to make predictions about autophagy being good or bad. To test the hypothesis we need to find out what gets degraded under different circumstances—e.g., tumor cells in which autophagy is critical, compared to those in which it is not, and tissues in which autophagy protects against cancer development and those in which it doesn't. A recent paper from the Kimmelman and Harper laboratories suggests a way to identify selectively degraded proteins [37]. In this paper the authors developed a method for quantitative proteomic analysis of autophagy cargos and, using this approach, discovered another example whereby selective autophagy of specific proteins (in their case, ferritin) is achieved. I think this is an important advance because it will allow us to identify more substrates of autophagy and discover under what circumstances they are or are not targeted for degradation. This may be the key to determining when autophagy is good or bad and then applying that knowledge. For example, if we can identify the important substrates whose degradation makes certain tumor cells more or less dependent on autophagy, this may provide a way to decide which tumors should or shouldn't be treated with autophagy inhibitors.
As is often the case, the promise of manipulation of a biological process relies on understanding how the process really works. Also, we need basic mechanistic understanding of biological processes if we want to apply them for clinical benefit or other practical application. Given the rapid progress in understanding autophagy and what it does, I think such applications are becoming more feasible.
따라서 어떤 경우에는 세포 사멸 경로의 음성 조절 인자의 자가포식 분해가 세포 사멸을 촉진하는 반면, 다른 맥락에서는 자가포식이 세포 사멸의 양성 조절 인자의 감소를 유발하여 세포 사멸을 방지하는 과정을 만들기도 합니다. 오토파지가 어떤 상황에서는 화학 요법으로부터 종양 세포를 보호하지만 다른 상황에서는 그렇지 않은 이유, 또는 일부 종양 세포에서만 생존에 매우 중요한 이유 등 겉으로 보기에 모순되는 오토파지의 다른 효과는 무엇을 의미할까요? 이 역시 이러한 특정 상황에서 자가포식이 저하되는 것의 차이 때문일 것으로 생각합니다. 세포 물질을 분해하는 과정의 효과는 분해하는 대상에 따라 달라진다는 매우 사소하고 간단한 가설입니다. 어려운 점은 이 가설을 테스트하고 이 지식을 사용하여 오토파지가 좋은지 나쁜지에 대한 예측을 하는 것입니다. 가설을 테스트하려면 오토파지가 중요한 종양 세포와 그렇지 않은 종양 세포, 오토파지가 암 발생으로부터 보호하는 조직과 그렇지 않은 조직 등 다양한 상황에서 무엇이 분해되는지 알아내야 합니다. Kimmelman과 Harper 연구소의 최근 논문은 선택적으로 분해되는 단백질을 식별하는 방법을 제시합니다[37]. 이 논문에서 저자들은 오토파지 화물의 정량적 단백질체 분석 방법을 개발했으며, 이 접근법을 사용하여 특정 단백질(이 경우 페리틴)의 선택적 오토파지가 이루어지는 또 다른 예를 발견했습니다. 이는 더 많은 자가포식의 기질을 식별하고 어떤 상황에서 분해 대상이 되는지 또는 분해 대상이 되지 않는지를 발견할 수 있게 해준다는 점에서 중요한 진전이라고 생각합니다. 이는 오토파지가 언제 좋은지 나쁜지를 결정하고 그 지식을 적용하는 데 중요한 열쇠가 될 수 있습니다. 예를 들어, 특정 종양 세포의 분해가 오토파지에 어느 정도 의존하게 만드는 중요한 기질을 식별할 수 있다면 어떤 종양을 오토파지 억제제로 치료해야 할지 또는 치료하지 말아야 할지 결정할 수 있습니다.
종종 그렇듯이 생물학적 과정을 조작할 수 있는 가능성은 그 과정이 실제로 어떻게 작동하는지를 이해하는 데 달려 있습니다. 또한 임상적 혜택이나 기타 실용적인 응용을 위해 적용하려면 생물학적 과정에 대한 기본적인 기계론적 이해가 필요합니다. 오토파지와 오토파지가 하는 일에 대한 이해가 빠르게 진전되면서 이러한 응용이 점점 더 실현 가능성이 높아지고 있다고 생각합니다.
Funding Statement
NIH grants CA111421, CA150925. The funders had no role in study design, data collection and analysis, decision to publish, or preparation of the manuscript.
References
1. Levy JMM, Thompson JC, Griesinger AM, Amani V, Donson AM, et al. (2014) Autophagy Inhibition Improves Chemosensitivity in BRAFV600E Brain Tumors. Cancer Discov 4: 773–780. [PMC free article] [PubMed] [Google Scholar]
2. Barnard RA, Wittenbur
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