Una perspectiva autofágica del envejecimiento

La autofagia es un proceso catabólico en las células eucarióticas por medio del cual componentes intracelulares y material extracelular incorporado son manejados en los lisosomas, donde ocurre su degradación. Desde su descubrimiento, la autofagia ha sido asociada con el mantenimiento de la homeostasis celular así como con el proceso de control de calidad citoplasmático. La desregulación de la autofagia está relacionada con una diversidad de procesos patológicos o fisiológicos como desordenes neurodegenerativos, infecciones y enfermedades metabólicas. Varios estudios demuestran que la autofagia puede ser selectiva en sus procesos de degradación de los componentes intracelulares. En este contexto, tres tipos de autofagia han sido identificados: macroautofagia, microautofagia y autofagia mediada por chaperona (AMC).  La macroautofagia (o simplemente autofagia) comienza con la extensión de una membrana especializada, conocida como fagoporo, derivada del retículo endoplásmico (RE), las mitocondrias y el aparato  e Golgi. El fagoporo engloba las moléculas y los organelos  a ser eliminados, formando una vesícula de doble membrana llamada autofagosoma. Los autofagosomas se fusionan con los lisosomas y el material secuestrado es degradado y liberado en el citoplasma. En la microautofagia, el lisosoma secuestra directamente los componentes citoplasmáticos a través de una invaginación de la membrana lisosomal. Por otra parte, la AMC es un proceso que involucra el transporte directo de los componentes citoplasmáticos a través de la membrana lisosomal vía proteínas chaperonas. La AMC es un evento altamente regulado y degradativo que involucra al HSC70 (complejo de proteína de shock térmico 70) y la multimerización del receptor LAMP2A (proteína de membrana asociada a lisosoma tipo 2A). No todas las proteínas son capaces de ser sustrato de AMC. Las proteínas para ser degradadas por AMC  deben contener un motivo KFERQ en su secuencia de aminoácidos, el cual es necesario para unirse a la proteína chaperona HSC70. El sustrato y el complejo HSC70 pueden unirse a un dominio citoplasmático de 12 aminoácidos del LAMP2A. La multimerización de LAMP2A es necesaria para la translocación  de sustratos en la luz lisosomal. El HSC70 citoplasmático es liberado del complejo multimérico y entonces una chaperona HSC90 (localizada en la luz de la membrana lisosomal) interactúa con LAMP2A, estabilizando durante el proceso de translocación del sustrato. Una chaperona luminal HSC70 es requerida para finalizar el proceso de translocación y una vez internalizada, la proteína es degradada por las enzimas lisosomales.

   La autofagia puede ser inducida por una variedad de estresores, y la restricción de nutrientes es uno de los mayores estímulos, capaz de activar rápidamente el proceso autofágico con la concomitante inhibición de la síntesis de proteínas. Los estudios en levaduras y mamíferos han caracterizado al menos 40 genes relacionados con la autofagia (Atg) que codifican proteínas que participan en la autofagia. Adicionalmente, la ruta autofágica canónica incluye la inactivación del complejo blanco de rapamicina de mamíferos 1 (mTORC1), provocando la fosforilación y activación del complejo similar a quinasa Unc-51 (ULK1/2) con la consiguiente activación de otros miembros del complejo ULK como FIP200 y ATG13.  Otro importante complejo que es activado es el BECLINI, en el cual el VPS34, uno de sus miembros, es trasladado a las membranas de RE y produce altos niveles de fosfatidilinositol-3-fosfato, el cual es necesario para el reclutamiento de otros efectores como el WIPI2b. Este efector interactúa y recluta ATG16L, el cual se une al complejo ATG5-ATG12 para generar el complejo ATG5-ATG12-ATG16L. Este complejo es requerido para la unión a lípidos de la LC3 (proteína de cadena liviana asociada al microtúbulo) porque determina donde la LC3 será conjugada y activada como LC3-II. Más aún, la ATG3 (una proteína similar a E2) está asociada con LC3-1 y se une al complejo a través de ATG12, provocando la conjugación de LC3-I con fosfatidiletanolamina para generar LC3-II. La LC3-II está presente en las membranas interna y externa de los autofagosomas y es necesaria para la extensión del fagoporo, envolver las partículas y  cerrar la vesícula para formar el autofagosoma. Adicionalmente, la partícula es capaz de unirse a moléculas receptor/adaptador como p62, NDP52 y NIX. Estas proteínas contienen una región para interactuar con LC3 (LIR) que permite el reconocimiento de los elementos a ser atrapados por el fagoporo y eliminados de una manera autofágica.

   Además de la degradación, la autofagia o parte de su maquinaria, puede mediar una muerte celular regulada, llamada muerte celular dependiente de autofagia (ADCD), aunque también puede participar en otros tipos de muerte celular. A pesar del hecho que la muerte celular regulada de células malignas es un mecanismo pro-supervivencia a nivel del organismo completa, puede provocar degeneración tisular y pérdida de función, y esto puede reducir la capacidad del individuo viejo.

   El envejecimiento, evento natural que ocurre en todos los organismos vivos, puede ser definido como un deterioro de las funciones celulares debido al daño acumulado en el tiempo. Los organismos vivos tienen diferente longevidad, lo que indica que la evolución ha jugado un importante rol en la regulación y flexibilización del envejecimiento entre las especies. A pesar del concepto generalmente aceptado que el envejecimiento es un proceso multifactorial, varias teorías tratan de explicarlo a través de un simple cambio predominante relacionado con la edad. Una teoría popular es la “Teoría Estocástica” que sugiere que el envejecimiento resulta de la acumulación de daño. Esto puede deberse  a fuentes externas o internas a lo largo del tiempo, además de una insuficiencia en la capacidad  de reparación. Otras teorías apoyan la idea que el envejecimiento es un proceso regulado, principalmente por el código genético, como la longitud del telómero, el número de divisiones que una célula somática puede tener (“límite Hayflick”) y la regulación espacio-temporal de la expresión de genes. Por otra parte,  la Teoría de los Radicales Libres (o Estrés Oxidativo), la cual propone que una acumulación de especies reactivas de oxigeno (ROS) cusa un daño oxidativo de las biomoléculas con el consiguiente declive de la función celular. Un considerable cuerpo de evidencias apoya esta teoría, que puntualiza el incremento en el nivel celular de ROS durante el envejecimiento debido a una mayor producción y a la concomitante  falla de los sistemas antioxidantes.

   Varios modelos animales han contribuido al entendimiento de como la alteración de la autofagia y la homeostasis redox puede resultar en enfermedades relacionadas con la edad. De la misma manera, numerosos estudios de ablación genética o inducción de genes autofágicos han revelado la importancia de este proceso en el envejecimiento. La sobre expresión de Atg5 en ratones aumenta el proceso de autofagia y las propiedades antienvejecimiento. La vida media también aumentó, lo cual sugiere la importancia de la autofagia en longevidad de los ratones. Otro estudio revela que el aumento del receptor CMA puede prevenir el envejecimiento a nivel celular y de órgano. Adicionalmente, los ratones que sobre expresan Atg5 demuestran una mayor resistencia a la obesidad relacionada con la  edad y aumentan la sensibilidad a la insulina. Otra relación entre aumento de la autofagia y extensión de la vida ha sido reportada en humanos centenarios excepcionalmente sanos, quienes tienen niveles aumentados de BECLINI, en comparación con personas jóvenes. El “knockout” de genes Atg esenciales es letal en ratones. Específicamente, ratones Atg5 o Atg7 KO presentan neurodegeneración o anormalidades tisulares. Por otra parte, con el aumento de la edad, incrementa la incidencia de cáncer, probablemente debido al declive de los procesos homeostáticos y al aumento de la acumulación de moléculas potencialmente peligrosas como ROS y agregados de proteínas. La autofagia tiene un rol dual en la tumorigénesis, con acciones tanto en la supresión como en la progresión del tumor.

   Las ROS, metabolitos del oxígeno molecular durante la respiración celular, son muy reactivas debido a que poseen un electrón no apareado. Las mitocondrias son los mayores productores de ROS y al mismo tiempo el organelo más afectada por ellas. Para evitar los efectos perjudiciales de las ROS, existen dos procesos importantes: mitofagia y sistema antioxidante. Las ROS mitocondriales pueden disparar la ruta autofágica en el ayuno por la activación de Atg4, y esto a su vez provoca la degradación autofágica de mitocondrias (mitofagia) para reducir los niveles de ROS limitando el número de mitocondrias por célula. Adicionalmente, la hipoxia y el ejercicio también pueden disparar la autofagia dependiente de redox, lo cual sugiere que las ROS pueden regular la respuesta autofágica a varios estresores. Con relación al segundo proceso, el sistema antioxidante consiste de varias enzimas y moléculas que reaccionan con las ROS y las neutralizan. La sobre expresión de catalasa en ratones extiende la duración de la vida y reduce la cantidad total de ROS, reforzando la Teoría de Radicales Libres del Envejecimiento. Más aún, estos ratones muestran una reducción de las patologías relacionadas con la edad. Por otra parte, las ROS están implicadas en la proliferación y supervivencia bajo ciertas condiciones. Recientemente, ha surgido un nuevo concepto en el campo del envejecimiento, llamado “hormesis”, según el cual dosis bajas de un estresor pueden mejorar la respuesta celular a una condición perjudicial en el futuro.  Esto podría incrementar el tiempo de vida y la función celular. En este contexto, bajos niveles de ROS pueden ser beneficiosos porque disparan la respuesta homeostática, pero el aumento desproporcionado puede provocar daño o envejecimiento. Desde una perspectiva autofágica, si el aumento en los niveles de ROS y la disminución de la mitofagia ocurren simultáneamente, provocan envejecimiento.

   En los últimos años, el envejecimiento es visto como un proceso activo y altamente regulado. Los cambios relacionados con la edad a nivel celular incluyen un incremento en ROS, pérdida de la proteoestasis, inestabilidad genómica y acortamiento del telómero, entre otros. La autofagia juega un rol importante en algunas de estos cambios del envejecimiento, en la salud y la enfermedad. La proteoestasis es una de las principales funciones de la autofagia en los tejidos normales. El desbalance de la proteoestasis debido al envejecimiento provoca agregación de proteínas, acumulación de proteínas defectuosas y disfunción celular, entre otros. La carbonilación debida a estrés oxidativo es uno de los cambios que provocan pérdida de la proteoestasis. Para evitar la muerte o disfunción celular, se activan numerosos procesos homeostáticos, principalmente la autofagia y el sistema ubiquitina-proteasoma (UPS). Dado que la autofagia es considerada uno de los más importantes procesos homeostáticos intracelulares, una alteración o deterioro de esta ruta puede afectar el funcionamiento celular normal, incluyendo una variedad de enfermedades y la disminución de la fisiología celular normal. Los autofagosomas y lisosomas disminuyen de una manera dependiente de la edad en músculos, corazón y otros tejidos. Más aún, el receptor CMA ha sido implicado en la remoción de proteína oxidada y potencialmente dañina a través de la degradación lisosomal directa. La UPS está implicada en la degradación de proteínas defectuosas así como proteínas de  corta y larga vida por su ubiquitinización. Este proceso es activado gracias a tres proteínas que secuencialmente activan la ubiquitina (E1), la transferencia a una segunda enzima (E2) y la unión de la ubiquitina a una molécula blanco (E3 ligasa), la cual eventualmente alcanza el proteasoma para la degradación. La inhibición de la actividad proteasómica altera la proliferación celular y acorta el tiempo de vida, reforzando la importancia de una correcta proteoestasis en el envejecimiento sano y la longevidad.

   Varios estudios sobre enfermedades degenerativas relacionadas con el envejecimiento y la autofagia reportan acumulación de ROS, proteínas defectuosas y organelos dañados, con el envejecimiento como principal factor de riesgo. Esta acumulación interfiere con el tráfico axonal y aumenta la neurotoxicidad. La autofagia y el daño de receptores CMA alteran la correcta degradación de los agregados de proteínas y la remodelación de dendritas y axones, disminuyendo la plasticidad neuronal. En la enfermedad de Parkinson (EP), los agregados citoplasmáticos son formados por α-sinucleína y ubiquitina (cuerpos de Lewy) en neuronas dopaminérgicas de la sustancia negra, provocando su muerte. De la misma manera, la enfermedad de Alzheimer (EA), se caracteriza por la acumulación intracelular de proteína tau y β-amiloides (A-β) derivados de la proteína precursora amiloide. Esta formación de agregados altera la función celular, provocando la muerte celular. Adicionalmente, las placas Aβ) extracelulares secretadas por los autofagosomas pueden interrumpir la comunicación intercelular, otra característica del envejecimiento. Otras enfermedades neurodegenerativas implican alteraciones en el proceso autofágico. En estos casos, la carencia de una adecuada degradación por la autofagia promueve la agregación de varias proteínas  y el consiguiente mal funcionamiento del transporte axonal. Con relación a las enfermedades metabólicas y la autofagia, es bien conocido que los depósitos de amiloide en los islotes provocan diabetes tipo 2 en humanos debido a las propiedades amiloidogénicas del polipéptido amiloide de los islotes humanos (hIAPP). Por otra parte, la sarcopenia se caracteriza por una progresiva pérdida de masa y fuerza muscular gracias a  un desbalance entre producción y degradación de proteínas. La disminución de la autofagia relacionada con la edad promueve la sarcopenia porque la acumulación de proteínas interfiere con la función normal de las miofibrillas y una exacerbación de la autofagia puede resultar en estrés celular  y muerte celular.

   La mitofagia, un proceso involucrado en la degradación autofágica de mitocondrias, es necesaria en la diferenciación normal de ciertos tipos de células como los eritrocitos, en la embriogénesis, la respuesta inmune, la programación celular y la muerte celular. La mitofagia es requerida no solo para remover mitocondrias deñadas, sino también para promover la biosíntesis de nuevas mitocondrias, apoyando el control de calidad mitocondrial. Dado que las mitocondrias están involucradas en la bioenergética y la producción de ROS, la mitofagia juega un rol importante en la homeostasis celular. La disminución de la autofagia se observa en animales viejos y esto contribuye al fenotipo envejecido. La mitofagia es disparada por la exposición citoplasmática de proteínas de la membrana externa  mitocondrial (MOM), las cuales tienen un dominio LIR, y es regulada por varias proteínas como NIX y BNIP, entre otras. La activación de NIX está asociada con un incremento en la degradación mitocondrial. La proteína NIX tiene un dominio LIR que se une a LC3 una vez que es activado por fosforilación. Adicionalmente, PINK1 y PARKIN han sido involucradas en el desbalance que dispara rutas involucradas en la activación de proteínas pro-apoptosis de la familia Bcl2 como BAX y BAK, lo cual resulta en un daño de las proteínas MOM y la consiguiente liberación de citocromo C y SMAC (second mitochondrial-derived activator of caspace) al citoplasma, activando la ruta apoptósica intrínseca a través de la caspasa 9. La disrupción de la mitofagia, y por tanto de la homeostasis redox, puede producir diferentes patologías cardiovasculares.

   La respuesta celular a la privación de nutrientes implica alguna clase de sensor intracelular, capaz de disparar los correspondientes mecanismos de supervivencia. Varias rutas de señalización relacionadas con nutrientes convergen en mTOR (mammalian Target Of Rapamycin), el cual dispara la respuesta a cambios en factores de crecimiento, energía, glucosa o aminoácidos. La quinasa mTOR es capaz de relacionar las condiciones ambientales con la reproducción y el mantenimiento somático, influyendo en el tiempo de vida individual. La proteína p62, adaptadora autofágica,  estabiliza la actividad del complejo mTORC1 en la superficie de los lisosomas.  Debido a que la autofagia es un mecanismo catabólico, puede estar implicada en el metabolismo celular y sistémico. La respuesta al estrés metabólico  podría ser comprometida por una disminución en la actividad autofágica. La hiperactivación de mTOR ha sido reportada en varias enfermedades como obesidad, síndrome metabólico y diabetes tipo 2, lo cual apoya la importancia de la regulación de la autofagia y las rutas sensoras de nutrientes. Dado que el mTOR es capaz de “sensar” el estado nutricional de la célula, se propone que podría jugar un rol  importante  en la terapia de restricción calórica (RC). La ruta de señalización mTOR media la extensión del tiempo de vida por RC. En efecto, la pérdida de peso ha sido sugerida como prevención para una variedad de enfermedades relacionadas con la edad.

   Varios estudios recientes demuestran que la autofagia o moléculas relacionadas con la autofagia actúan como factor de seguridad  de la estabilidad genómica, directamente (modulación de la reparación del ADN) o indirectamente (actuando como una respuesta homeostática). La autofagia emerge como importante proceso en el mantenimiento del genoma. En este contexto, la deficiencia de autofagia provoca inestabilidad genómica bajo condiciones de estrés metabólico. La proteína p62 ha sido implicada en la inestabilidad genómica en varios estudios. La acumulación de p62 provoca la activación de la respuesta al daño del ADN. Por el contrario, la sobre expresión de p62 (o deficiencia de autofagia) suprime dicha respuesta por interacción inhibidora directa con la RNF168, una importante E3 ligasa para la ubiquitinización de histonas H2A y la respuesta al daño del ADN.

   Los cambios epigenéticos debidos a factores externos o internos manejan varios procesos, incluyendo al desarrollo y el envejecimiento. En “stem cells” musculares y hematopoyéticas, diferentes modificaciones de histonas ayudan a establecer el estado de quiescencia con la edad. Además, las alteraciones epigenéticas  provocan diferentes respuestas en el envejecimiento y la longevidad en modelos de ratones. Los macrófagos de ratones viejos tienen hipermetiladas las regiones promotoras LC3 y Atg5, en comparación con ratones jóvenes, promoviendo el declive de la autofagia en el envejecimiento. El polifenol natural resveratrol es un inductor autofágico que ejerce su acción a través del receptor de inositol 1,4,5-trifosfato (IP₃R) y por disminución de la acetilación de proteínas. El balance entre los diferentes grados de acetilación de proteínas es importante para la autofagia. Los altos niveles de acetil-CoA, la cual sirve como donadora de grupo acetil, promueven la hiperacetilación de histonas, regulan a la baja la expresión de Atg y, por tanto, inhiben la autofagia y acortan la duración de la vida. Por el contrario, la desacetilación de proteínas relacionadas con el metabolismo, activa la autofagia. Otro inductor autofágico, espermidina, es una poliamina estudiada como agente anti-envejecimineto. La espermidina, como el resveratrol, puede inducir cambios en la acetilación y desacetilación de proteínas que promueven rutas autofágicas vía señal de quinasas dependientes de AMP.

   Los telómeros son secuencias repetitivas específicas en el extremo de los cromosomas, la telomerasa es la polimerasa especial involucrada en la elongación de esta zona protectora y es altamente regulada de una manera espacio-temporal. En cada ciclo celular, el telómero se acorta provocando la vulnerabilidad del extremo del cromosoma. El acortamiento del telómero puede causar inestabilidad genómica que contribuye a enfermedades relacionadas con la edad. La respuesta autofágica evita la inestabilidad genómica y la disfunción telomérica y, por tanto, promueve la supervivencia celular.  Por otra parte, la senescencia celular puede ser inducida por daño del ADN, acortamiento del telómero u otras señales de estrés, con la consiguiente detención del ciclo celular. Varios estudios proponen que el tipo de autofagia, el momento exacto cuando actúa y el lugar donde ocurre pueden definir el rol pro o anti-senescencia de la autofagia.  Otra importante característica del envejecimiento es el agotamiento de stem cells con la consiguiente disminución del potencial de reparación tisular. La autorenovación es importante para mantener la población de stem cells a través de la vida. En el envejecimiento disminuye la actividad de las stem cells. La autofagia es necesaria para la preservación y quiescencia de las stem cells hematopoyética.

   En conclusión, el envejecimiento involucra varios hechos que promueven  el desarrollo de una variedad de desórdenes como enfermedades neurodegenerativas, cardiacas, metabólicas y cáncer. Estas características relacionadas con la edad involucran un gradual incremento en la producción de ROS, inestabilidad genómica, disminución de antioxidantes, reparación de ADN y sistemas proteostáticos. La autofagia como un proceso homeostático, juega un  rol importante en el mantenimiento de la fisiología celular y para evitar cualquier daño que eventualmente podría aparecer.  La actividad autofágica disminuye con la edad, lo cual contribuye a la acumulación de macromoléculas y organelos dañados durante el envejecimiento. Rapamicina, resveratrol y espermidina son inductores autofágicos clínicamente disponibles que podrían mejorar el envejecimiento y los desórdenes relacionados con la edad.

Fuente: Barboza MC et al (2019). Hallmarks of aging: an autophagic perspective. Frontiers in  Endocrinology 9: 790.