Ultrastructural analysis and quantification of autophagic vacuoles in wild-type and atg5 knockout mouse embryonic fibroblast cells

Autophagy is a cellular process whereby cytosolic materials or organelles are taken up in a double-membrane vesicle structure known as an autophagosome and transported into a lysosome for degradation. Although autophagy has been studied at the genetic, cellular, or biochemical level, systematic ultrastructural quantitative analysis of autophagosomes during the autophagy process by using transmission electron microscopy (TEM) has not yet been reported. In this study, we performed ultrastructural analysis of autophagosomes in wild-type (WT) mouse embryonic fibroblasts (MEFs) and autophagy essential gene (atg5) knockout (KO) MEFs. First, we performed ultrastructural analysis of autophagosomes in WT MEFs compared to atg5 KO MEFs in basal autophagy or starvation-induced autophagy. Although we observed phagopore, early, late autophagosomes, or autolysosomes in WT MEFs, atg5 KO MEFs had immature autophagosomes that showed incomplete closure. Upon starvation, late autophagosomes accumulated in WT MEFs while the number of immature autophagosomes significantly increased in atg5 KO MEF indicating that atg5 plays an important role in the maturation of autophagosomes. Next, we examined autophagosomes in the cell model expressing polyQ-expanded N-terminal fragment of huntingtin. Our TEM analysis indicates that the number of late autophagosomes was significantly increased in the cells expressing the mutant huntingtin, indicating that improving the fusion of autophagosome with lysosome may be effective to enhance autophagy for the treatment of Huntington's disease. Taken together, the results of our study indicate that ultrastructural and quantitative analysis of autophagosomes using TEM can be applied to various human cellular disease models, and that they will provide an important insight for cellular pathogenesis of human diseases associated with autophagy.

정상 및 atg5 유전자 제거 섬유아세포에서 자가포식체의 미세구조 및 이들의 정량적 분석

자가소화작용은 세포 내 물질들을 이중막 구조의 자가포식체를 형성하여 라이소좀(lysosome)과 융합한 후 이들을 분해시키는 과정이다. 자가소화작용은 유전적, 세포적, 생화학 수준에서 연구가 진행되어왔지만, 자가포식체의 미세구조 분석 및 정량적 분석은 체계적으로 이루어지지 않았다. 본 연구에서는 먼저, 기초 자가소화작용이 진행되는 환경과 기아상태로 자가소화작용을 유도한 환경의 세포에서 각각 자가포식체 막 형성에 중요한 역할을 하는 ATG5가 결핍된 섬유아세포와 정상 섬유아세포에서의 자가포식체의 미세구조를 비교 관찰 하였다. 정상 섬유아세포에서는 초기 패고포어, 초기 및 후기 자가포식체, 오토라이소좀과 같은 자가포식체의 단계별 미세구조를 확인한 반면, ATG5가 제거된 섬유아세포에서는 이중막 구조가 완성되지 않은 자가포식체 구조가 증가한 것을 확인하여 ATG5가 자가포식체 성숙에 중요한 역할을 함을 다시 한번 검증할 수 있었다. 본 연구를 통해 구축한 자가포식체 미세구조 분석법을 활용하여 확장된 폴리글루타민을 가지는 N-말단 헌팅틴 유전자를 발현시키는 헌팅턴병의 세포학적 모델에서 단계별 자가포식체를 분석하였다. 그 결과, 흥미롭게도 헌팅틴 단백질이 발현된 세포에서 후기 자가포식체가 증가하는 것을 확인할 수 있었으며, 이를 통해 헌팅틴 돌연변이 단백질 응집체 제거에 필요한 자가소화작용 활성화를 위해서 자가포식체와 라이소좀의 결합 단계를 촉진하는 것이 효과적일 가능성에 대해서 유추할 수 있었다. 결론적으로 전자현미경을 활용한 자가포식체의 단계별 미세구조 관찰 및 정량 분석이 다양한 인간 질병모델에 적용되고, 자가소화작용과 연관된 병리 메커니즘 연구에 기여할 수 있을 것으로 생각된다.