Autofagia en enfermedades relacionadas con la edad

La autofagia es un proceso catabólico fisiológico en todos los eucariotes. Derivada de las palabras griegas “auto” y “fagia”, la autofagia fue considerada inicialmente un proceso de degradación, pero en la actualidad es un proceso natural altamente selectivo. Este mecanismo auto digestivo libera a la célula del estrés proteotóxico, genotóxico, oxidativo y de nutrientes, y ocurre en etapas que permiten el aclaramiento de constituyentes celulares dañados en el organelo degradativo, el lisosoma. La insuficiencia para completar este procedimiento ha sido implicada en muchas enfermedades relacionadas con la edad. Tres tipos principales de autofagia han sido caracterizados con detalle: macro-autofagia (referida simplemente como autofagia), la cual  requiere la formación de vesícula de doble membrana que se fusiona con los lisosomas; micro-autofagia donde hay una interacción directa entre el sustrato autofágico y el organelo lítico, y autofagia mediada por chaperona, donde los sustratos autofágicos son guiados por chaperonas hasta receptores específicos en el lisosoma para su degradación.

   La autofagia comprende tres etapas principales y consecutivas: iniciación, elongación y fusión autofagosoma/lisosoma. Aunque la autofagia basal ocurre en diferentes niveles, dependiendo del tejido, un estímulo particular como agregación de proteínas, daño de ADN, especies reactivas de oxígeno (ROS) y privación de nutrientes activan o regulan al alza la respuesta autofágica. Inicialmente, las estructuras autofágicas forman el pre-autofagosoma donde hay nucleación de la iniciación de la membrana formando el fagoporo. La expansión del fagoporo provoca la formación del omegasoma rico en PI(3)P, el cual forma la vesícula de doble membrana, el autofagosoma. Aunque el retículo endoplásmico (RE) es el principal sitio para la formación del autofagosoma, los sitios de contacto RE-mitocondria/membrana plasmática, la membrana plasmática por sí misma, el aparato de Golgi y los endosomas reciclados emergen como sitios de biogénesis de autofagosomas.

   Las señales ULK1 (Unc-51-like kinase 1) y PIKC3-C1 son activadas durante la inducción autofágica. Fisiológicamente, ULK1 y ATG13 fosforiladas son inactivas  se une a mTORC1 (regulador master del crecimiento celular). Durante el ayuno de aminoácidos, ULK1 es desfosforilada y liberada de mTORC1, lo cual a su vez activa a ATG13 y FIP200. La expansión del fagoporo involucra proteínas de la familia ATG8, las cuales son clivadas por proteasas ATG4 en su C-terminal y luego lipidadas. La activación de la ATG8 lipidada  la lleva a cabo la ATG7 con la ayuda de ATG5-ATG12. Esta actividad es localizada en el fagoporo por ATG16L, provocando la expansión del fagoporo. La maquinaria de fusión comprende proteínas SNARE, sintaxina 17 (STX17), proteína asociada a sinaptosoma (SNAP29) y membrana lisosomal (VAMP8) con la ayuda de la proteína de fusión homotípica (HOPS).

   La autofagia selectiva degrada productos con daño celular específico. Las mitocondrias defectuosas (mitofagia), agregados de proteínas (agrefagia) o bacterias patógenas (xenofagia) son blancos de autofagia selectiva. Las proteínas ATG8 interactúan y reclutan receptores autofágicos selectivos, los cuales contienen dominios LIR (W/F/Y-X-X-L/I/V) con residuos cargados negativamente para interacciones de mayor afinidad y modificaciones post-traslacionales como fosforilación. La ULK1 controla la autofagia selectiva independientemente de mTOR. La evidencia reciente sugiere que la interacción de ULK1 con huntingtina es requerida para la activación de la autofagia selectiva.

   Los mecanismos homeostáticos que responden al daño mitocondrial son menos eficientes durante el envejecimiento. La mitofagia es una ruta fisiológica que involucra la degradación de mitocondrias dañadas. Cuando la función mitocondrial normal es perturbada, resulta en la producción excesiva de ROS. Esto provoca disfunción celular y daño tisular. Una multitud de receptores y reguladores mitofágicos han sido identificados y son dependientes de  estrés. La mitofagia mediada por quinasa putativa 1 inducida por la fosfatasa y homólogo de tensina (PINK1) y 1-E3 ubiquitina ligasa Parkin es el tipo predominante de degradación autofagica de mitocondrias. En condiciones de no mitofagia, la PINK1 es transferida a la membrana mitocondrial interna, donde es clivada por proteasas y posteriormente degradada por el proteosoma. En la despolarización de la membrana, la fosforilación de PINK1 y la ubiquitinización mediada por Parkin de proteínas de la membrana mitocondrial externa inician una serie de intrincados eventos que provocan el reclutamiento de la maquinaria autofágica para la degradación de mitocondrias. Adicionalmente, la PINK1 indirectamente activa la proteína relacionada con dinamina 1 (DRP1), la cual a su vez promueve la fisión de mitocondrias defectuosas para facilitar su degradación autofágica.

   Aunque la mitofagia dependiente de Parkin ocupa un gran porcentaje del reciclaje mitocondrial, hay otras rutas independientes de Parkin que involucran diferentes ubiquitina ligasas. Estas enzimas generan cadenas de ubiquitina para reclutar adaptadores autofágicos como optineurina (OPTN), proteína nuclear dot 52 (NDP52) y p62, las cuales interactúan directamente con LC3 a través de su LIR. Más aún, componentes autofágicos como la quinasa 1 activadora de autofagia similar a Unc  (ULK1) y la proteína 1 con doble dominio FYVE (DFCP1) están también localizadas cerca de las mitocondrias para aliviar la mitoagregación. Las proteínas de la membrana mitocondrial externa pueden actuar como receptores mitofágicos durante la homeostasis celular, diferenciación e hipoxia.  Específicamente, NIX (proteína X similar a NIP3), BNIP3 (proteína 3 interactuante con BCL2) y FUNDC1 (proteína que contiene dominio FUN14). NIX y BNIP3 regulan el reclutamiento de Parkin, la interacción PINK1-Parkin y receptores autofágicos. 

   La mitofagia defectuosa es evidente en una variedad de patologías relacionadas con la edad como neurodegeneración, síndromes metabólicos y miopatía. En la enfermedad de Alzheimer (EA), la expresión de PINK1 es extremadamente baja, mientras el número de mitocondrias y el estrés oxidativo aumentan. Las mutaciones en PINK1/Parkin han sido identificadas en la enfermedad de Parkinson, mientras la sobre expresión de NIX regula al alza la mitofagia en neuronas con deficiencia de PINK1/Parkin.  La mitofagia también es esencial para la función cardiaca y protege contra dieta rica en grasas y cardiomioptía inducida por diabetes. Varios compuestos farmacológicos activan la mitofagia y alivian los síntomas de enfermedades relacionadas con la edad que son dependientes de disfunción mitocondrial. La rapamicina activa la AMPK, mientras bloquea a mTOR, mantiene las demandas energéticas y previene los síntomas neurológicos como la neuroinflamación. La metformina inhibe la actividad de p53, induce Parkin y alivia los fenotipos diabéticos. El resveratrol activa la mitofagia y la biogénesis mitocondrial a través del eje sirtuina 1-PGC-1α. La urolitina A, un metabolito derivado de la microbiota intestinal, induce degradación y biogénesis mitocondrial e incrementa la salud de organismo como C. elegans.

   La agrefagia  degrada proteínas vía macro-autofagia. Estas proteínas forman agresomas cerca del núcleo, los cuales son rodeados por elementos intermedios del citoesqueleto  y posteriormente son degradados por autofagia. La agregación de proteínas usualmente ocurre debido a mal plegamiento y puede causar, entre otros, desregulación de la homeostasis del calcio, inflamación y neurotoxicidad. Enfermedades neurodegenerativas específicas representan ejemplos prominentes de agrefagia disfuncional. En EA, enfermedad de Parkinson y esclerosis lateral amiotrófica, la autofagia está perturbada. En estas patologías, las proteínas defectuosas se acumulan en agresomas que son identificados por su estatus de ubiquitinización y el receptor autofágico selectivo p62. En la EA, con agregados amiloide-beta en oligómeros, la autofagia es defectuosa y la formación y función de las sinapsis son perturbadas. El tamaño y solubilidad de los agregados determina la extensión de los efectos de toxicidad celular. El litio, usado para tratamientos de  desórdenes psiquiátricos, actúa vía inhibición de GSK-3β para retardar el declive cognitivo. La nicotinamida, la cual aumenta la acidificación del autofagosoma/autolisosoma, promueve el flujo autofágico y, por tanto, mejora la patología de EA en modelos de ratones. La curcumina previene el estrés oxidativo y la inflamación, mientras bloquea la agregación de α-sinucleína.

   El reciclaje de peroxisomas también es regulado por la autofagia. Estos organelos de la membrana regulan la oxidación de  ácidos  grasos, la producción de ácidos biliares y otros lípidos, mientras también producen ROS, los cuales son neutralizados por catalasas. Los peroxisomas interactúan con otros componentes celulares como lípidos, RE y mitocondrias. La biogénesis de peroxisomas puede ser estimulada por ácido oleico, metanol o aminas en diferentes especies de levaduras. Adicionalmente, la pexofagia es disparadas en levaduras de la alimentación con fuentes de carbono independientes de peroxisomas, mientras es inhibida cuando los ácidos grasos de cadena larga son abundantes. La pexofagia y la biogénesis de peroxisomas han sido implicadas en enfermedades. Durante el envejecimiento, la proteína de señal peroxisomal 1 (PTS1) se deteriora y la función de la catalasa disminuye. Los peroxisomas son más abundantes y PEX5 se acumula en sus membranas. Esto causa producción de ROS, las cuales bloquean las proteínas peroxisomales y contribuyen al envejecimiento. Adicionalmente, la catalasa gradualmente es excluida de los peroxisomas, durante la senescencia celular. El incremento en la producción de ROS es un denominador común de las perturbaciones en el reciclaje de peroxisomas y la mitofagia durante el envejecimiento. La inducción de la producción de ROS en los peroxisomas causa fragmentación mitocondrial, mientras la inhibición de la función de la catalasa causa disturbios del potencial redox mitocondrial. La disfunción de los peroxisomas puede preceder la disfunción mitocondrial en ciertas enfermedades relacionadas con la edad.

   El reciclaje autofágico del núcleo, o nucleofagia, comprende la degradación de múltiples compartimentos del núcleo, desde partes de nucleolo hasta la lámina nuclear. La nucleofagia ha sido descrita en el contexto del cáncer y la  neurodegeneración, las cuales son patologías relacionadas con la edad. El tamaño del nucléolo ha sido establecido como un biomarcador seguro del envejecimiento en mamíferos. La fibrilarina es un componente del nucléolo y un marcador nucleolar. La reducción de los niveles de fibrilarina causa contracción nucleolar y extiende el tiempo de vida de gusanos. Por el contrario, el incremento en la expresión de fibrilarina, a través de la represión del inhibidor translacional de fibrilarina NCL-1, acorta el tiempo de vida del animal. Aunque la nucleofagia no ha sido implicada directamente en el envejecimiento, varias alteraciones de la envoltura nuclear y el nucleoplasma son observadas en animales viejos. El estrés oncogénico  es agravado durante el envejecimiento. La nucleofagia puede servir como un mecanismo para mitigar el daño en este contexto. Adicionalmente, el ADN dañado que progresivamente se acumula durante el envejecimiento es reciclado a través de la autofagia y la enzima lisosomal  Dnasa2a. Este tipo de nucleofagia puede proteger contra el daño del ADN que contribuye directamente al envejecimiento. Además del cáncer, la degradación de la lámina nuclear ha sido implicada en enfermedades neurodegenerativas, como las ataxias que se caracterizan por defectos en varios tipos de autofagia.

   La RE-fagia es la degradación selectiva de partes del RE que contribuye al mantenimiento y recuperación de la homeostasis del RE después del estrés de RE. Sin embargo, la asociación de RE-fagia con el proceso de envejecimiento no es bien entendida. La desintegración lisososmal ocurre durante el envejecimiento. Los defectos en la lisofagia, el reciclaje de lisosomas, puede activar diversas rutas de muerte celular como apoptosis, necroptosis, piroptosis y ferroptosis. En EA, el pH lisosomal es elevado, alterando la función del organelo. La actividad de la captepsina D lisosomal es requerida para un eficiente aclaramiento de α-sinucleína en la enfermedad de Parkinson. Varios compuestos farmacológicos que modulan la lisofagia mejoran desórdenes metabólicos como diabetes y enfermedad asociada al riñón.

   En conclusión, la progresiva acumulación de constituyentes celulares dañados contribuye a las enfermedades relacionadas con la edad. La autofagia es el principal proceso catabólico que recicla materiales celulares en múltiples órganos y tejidos. La autofagia es activada por la privación de nutrientes y estímulos oncogénicos, calor o estrés oxidativo. La especificidad del proceso autofágico es mantenida a través de la precisión de interacciones de receptores o adaptadores autofágicos y sustratos mediante una intrincada orquestación de estímulos especializados. La evidencia experimental demuestra el significado de la degradación autofágica en el mantenimiento de la homeostasis del organismo, particularmente en tejidos altamente especializados como el sistema nervioso. La inducción de autofagia selectiva por intervención genética o la administración de compuestos químicos son actualmente investigadas en múltiples enfermedades como potencial recurso terapéutico.

Fuente: Papandreou ME, Tavernarakis N (2021). Selective autophagy as a potencial therapeutic target in age-associated pataje hologies. Metabolites 11: 588.