Autofagia y longevidad

Una característica del envejecimiento es la acumulación  de varias formas de daño molecular que se manifiestan como  malfuncionamiento de organelos, enzimas defectuosas, agregados de proteínas o mutaciones de ADN. Concomitantemente aumenta la incidencia de enfermedades crónicas  como neurodegeneración, diabetes tipo II o cáncer. Por lo tanto, uno de los principales retos  para la medicina del futuro, más que proporcionar  tratamientos sintomáticos, es el desarrollo de estrategias para prolongar una vida saludable atacando la etiología  de los desordenes relacionados con la edad. En este contexto, una de las herramientas más prometedoras  en el camino  hacia un tratamiento causal del envejecimiento es la autofagia, un programa celular para la remoción de los componentes celulares dañados y la digestión  de macromoléculas intrínsecas de la célula en un estado de  reducción de recursos nutricionales. A partir de  la descripción  de los lisosomas en la década de 1950 se han descubierto diferentes rutas de degradación mediadas por lisosomas.  La macroautofagia (o simplemente  autofagia) constituye un mecanismo a través del cual  los organelos o moléculas citoplasmáticos   son secuestrados en vesículas de doble membrana llamadas autofagosomas que se fusionan  con los lisosomas para la digestión del contenido. Además  de su rol en la movilización de macromoléculas endógenas cuando los nutrientes extracelulares son escasos, la autofagia contribuye al mantenimiento  de la homeostasis  y a evitar el estrés proteotóxico, atenuando  o evitando por consiguiente   los procesos  asociados con la edad  y  favoreciendo la  protección celular. 

El descubrimiento de diferentes intervenciones genéticas y farmacológicas  que afectan la autofagia ha facilitado la descripción molecular detallada de la maquinaria autofágica, la cual es altamente  conservada  en un amplio espectro  de organismos eucariotes, desde levaduras Saccharomyces cerevisiae hasta metazoos  como Caenorhabditis elegans, Drosophila melanogaster y mamíferos. La identificación inicial de genes relacionados con la autofagia   se llevo a cabo en S. cerevisiae, en quien la autofagia es esencial para la respuesta  a la falta de nutrientes. El proceso de autofagia puede ser descrito en tres etapas: regulación, formación  y degradación. Primero, las señales extracelulares  son transmitidas a la maquinaria autofágica. En todos los organismos estudiados, la respuesta autofágica a la falta de nutrientes  es regulada por cascadas de señalización  que incluyen a las quinasas sensoras de nutrientes TOR, la proteína ribosomal  S6 quinasa (S6K) y la RAC-α serina/treonina proteína quinasa (Akt).  La regulación hacia abajo de  estas rutas  (por ejemplo,  en  condiciones de depleción de nutrientes y factores de crecimiento)  resulta en una regulación hacia arriba de la actividad autofágica. Otras quinasas como la sensora del estatus energético  celular AMPK y la desacetilasa sirtuina 1 (SIRT1) son reguladoras positivas  de la autofagia.

La restricción calórica (RC) es la estrategia más efectiva para inducir autofagia, pues activa múltiples rutas reguladoras. Por ejemplo, la RC provoca   la inhibición del complejo TOR1 (TORC1) y la activación  de AMPK, la cual a su vez activa al complejo quinasa 1  similar a Unc-51 (ULK1) y a la acetiltransferasa MEC-17 que estimula la maquinaria de transporte de microtúbulos, indispensable para la autofagia. Adicionalmente, la RC estimula  a la SIRT1, la cual desacetila -y por lo tanto activa- proteínas autofágicas esenciales. Por el contrario, las señales de crecimiento celular como el IGF-1 suprimen la autofagia a través  de la activación  de Akt, la cual inhibe al TSC1/2, represor de TORC1. El TORC1 activo  inhibe al complejo ULK1 y en paralelo desrreprime la translación de proteínas vía inactivación de S6K e inhibición  del represor de la translación, la proteína 1 de unión al factor de iniciación 4E (4E-BP1).

La segunda etapa de la autofagia involucra a las proteínas ATG que guían la generación de vesículas de doble membrana para ingerir al material citoplasmático. La evidencia actual sugiere que estos fagoporos  derivan de la interfase mitocondria-retículo endoplásmico. Adicionalmente, los endosomas reciclados  pueden liberar partes  de la membrana plasmática que son marcadas por la ATG16L1en la maquinaria autofágica. La elongación del fagoporo  involucra al aATG6 (también conocida como Beclin-1) que a través de su interacción con diferentes proteínas de unión constituye una plataforma  para la integración  de rutas de muerte celular programada y autofagia. Varias proteínas ATG que interactúan con la ATG16L1 como la ATG5 y la ATG12 contribuyen a estabilizar los fagoporos.

En la tercera etapa de la autofagia, el material celular seleccionado para su degradación es encerrado por los fagoporos, formando autofagosomas vesiculares que se fusionan  con los lisosomas  para llevar a cabo la digestión del material.  La carga del contenido autofágico es promovida por la familia de proteínas ATG8 similares a ubiquitina, incluyendo a la proteína 1 asociada a microtúbulos, cadena ligera 3 (LC3). La LC3, después de su lipidación bajo la guía de la ATG7, se incorpora al fagoporo  y dirige el atrapamiento  del material seleccionado para la degradación  mediante el reconocimiento de proteínas que contienen regiones que interactúan con LC3 (LIR). Una prominente proteína que contiene LIR es la sequestosoma 1 (o p62), la cual reconoce  proteínas poliubiquitinadas dañadas. La LC3 también se une a la cardiolipina  en la membrana externa  de mitocondrias defectuosas de neuronas en el proceso de autofagia selectiva  (conocida como mitofagia), la cual contribuye a la citoprotección por autofagia. 

La evidencia acumulada sugiere que las modificaciones post-translacionales, como la acetilación de proteínas,  representan otra forma de regulación  de la autofagia. Dos estudios recientes demuestran que la concentración en el núcleo y el citoplasma de acetil-CoA, el único donador de grupos acetil para la acetilación de proteínas, se correlaciona inversamente con la tasa de autofagia  en células humanas y de roedores. Los inductores comunes de la autofagia  como la rapamicina  y la RC fallan en las células con concentraciones nucleocitoplasmáticas elevadas de acetil-CoA y por lo tanto con acetilación de proteínas aumentada. Estos hallazgos acentúan el rol central  de la acetil-CoA como represor de la autofagia. La depleción de acetil-CoA, la cual puede ser activada fisiológicamente  por la RC o el ayuno, provoca autofagia  vía desacetilación de proteínas. Durante el ayuno de corta duración, las reacciones de desacetilación pro-autofágicas afectan principalmente proteínas citoplasmáticas  como las proteínas ATG. Mientras, en la RC de larga duración, la regulación transcripcional contribuye a los efectos pro-autofágicos  de la depleción de acetil-CoA.  Aunque las reacciones de desacetilación en general  favorecen la autofagia, hay proteínas individuales cuya acetilación  por acetiltransferasas favorece la autofagia.  Por ejemplo, la acetilación  de H4K16 por la histona acetiltransferasa KAT8 estimula la expresión  de niveles letales  de productos de los genes relevantes de la autofagia.  La autofagia también es controlada por  factores de transcripción específicos como el FOXO3A, el cual a su vez es controlado por  varias desacetilasas como SIRT1 e HDAC1. Las stem cells hematopoyéticas que carecen de FOXO3A  exhiben una respuesta autofágica reducida a los cambios metabólicos en el microambiente  de la medula ósea, lo que compromete su función a largo plazo y precipita su envejecimiento.

En condiciones de laboratorio, la vida de organismos como levadura, C elegans y Drosophila puede ser extendida por manipulaciones nutricionales, farmacológicas o genéticas. Estas manipulaciones usualmente fallan si se inactiva la autofagia. Por ejemplo, el tratamiento con espermidina,  un inhibidor de la acetiltransferasa,  falla si los genes esenciales de la autofagia son inactivados. Más aún, la extensión de la vida  disparada por la RC en C elegans depende de la expresión de SIRT1 y de una autofagia funcional.  Por otra parte, en humanos y ratones, el bajo consumo de proteínas   está asociado con un menor riesgo   de enfermedades relacionadas con la edad y mortalidad, probablemente a través de la reducción  de la señal IGF-1, un importante regulador negativo de la autofagia.  El aporte reducido del aminoácido metionina  incrementa la longevidad en varias especies, posiblemente por la activación  de un estado similar a la RC y en levaduras, la restricción de metionina extiende la vida de una manera dependiente de autofagia.

La demostración que la deficiencia de autofagia puede acelerar el envejecimiento  sugiere que una actividad autofágica aumentada puede prolongar la  vida sana, especialmente  si los niveles fisiológicos de autofagia son insuficientes para contrarrestar  el daño celular asociado con la edad. Las manipulaciones genéticas  diseñadas para incrementar la autofagia son capaces de extender la vida en varias especies. Por ejemplo, en ratones, la sobreexpresión  de ATG5 debida técnicas transgénicas aumenta el tiempo de vida y mejorar varias características del envejecimiento, incluyendo la sensibilidad a la insulina.  La sobreexpresión de otros elementos claves de la maquinaria autofágica  como ATG12 o LC3/ATG8 contribuye a mejorar la duración de la vida y el mantenimiento mitocondrial en modelos in vitro del envejecimiento humano, lo cual sugiere que los efectos beneficiosos de la expresión sostenida de proteínas pro-autofágicas puede ser corroborada  en el sistema humano, o al menos en células humanas.

La RC es una intervención nutricional simple que estimula la autofagia de una manera muy potente, pero generalmente  es contraindicada porque causa pérdida de peso, pobre cicatrización de las heridas  y disconfort general.  En su lugar,  se prefiere la inducción farmacológica de la autofagia para el tratamiento  de patologías relacionadas con la edad, particularmente  enfermedades  neurodegenerativas. La rapamicina, inhibidor del TOR, es un potente inductor de la autofagia  (a través de  la inhibición del TORC1) que extiende la duración de la vida en una variedad de organismos, pero presenta severos efectos colaterales como resistencia a la insulina, intolerancia a la glucosa, degeneración testicular y cataratas.  La mayoría de estos efectos colaterales han sido atribuidos a la inhibición crónica del TORC1.

El fenol natural resveratrol, activador de desacetilasas (en particular SIRT1), induce  autofagia y extiende la duración de la vida de levaduras, moscas y nematodos. Aunque el resveratrol no promueve la longevidad en ratones con una alimentación estándar, puede mejorar la salud e incrementar el tiempo de vida  de ratones alimentados con dietas ricas en grasas. Por otra parte, la administración de café (rico en polifenoles) a ratones induce autofagia con una concomitante disminución  en la acetilación de proteínas.  Las poliaminas naturales inhiben la acetiltransferasa y  median efectos beneficiosos que extienden la longevidad. Por ejemplo, la espermidina prolonga el tiempo de vida de levaduras, moscas y nematodos de una manera dependiente de autofagia. La ingeniería genética  de la microbiota intestinal con la finalidad  de incrementar la síntesis de poliaminas en el intestino también prolonga  la vida de ratones. En general, los agentes que favorecen la desacetilación de proteínas (como el resveratrol) o que inhiben  la acetiltransferasa  (como la espermidina) pueden extender la longevidad de una variedad de organismos.

Los mecanismos que median los efectos pro-supervivencia de la autofagia son: proteostasis,  metabolismo, muerte celular programada, hormesis, inflamación y oncogénesis. (1) La proteostasis es la función citoprotectora de la autofagia relacionada  con su capacidad para remover agregados proteotóxicos que se acumulan con el envejecimiento.  Varios desordenes neurodegenerativos  asociados con la edad como la enfermedad de Alzheimer y la enfermedad de Parkinson  están relacionadas con la acumulación de restos proteináceos.  Los programas celulares  que favorecen un estado euproteómico, como el sistema proteasoma-ubiquitina que degrada proteína, solamente  eliminan oligomeros  relativamente pequeños. Por el contrario, la autofagia tiene la capacidad para remover agregados de proteínas más grandes.  (2) Además de su rol en la proteostasis, hay evidencia que la autofagia está involucrada en el metabolismo. Por ejemplo,  está demostrado que las gotas de lípidos, organelos celulares que  regulan la homeostasis de los lípidos,  pueden ser degradadas por la maquinaria autofágica en un proceso  llamado lipofagia. Dado que los niveles de autofagia disminuyen con la edad, la reducción de la movilización de los depósitos de lípidos puede contribuir a la acumulación de lípidos en el hígado  y patologías relacionadas como la esteatosis hepática. A su vez, los excesivos niveles de lípidos, especialmente ácidos grasos libres, inhiben la autofagia  al impedir la fusión de los autofagosomas con los lisosomas. Asimismo,  se ha reportado que los lípidos de la dieta alteran el perfil lipídico lisosomal y por lo tanto interfieren con las rutas autofágicas.  Las alteraciones de la autofagia disparadas por lípidos  pueden ser tejido específicas, algunos estudios han demostrado elevados niveles de autofagia en tejido adiposo  de pacientes obesos. (3) En la autofagia se libera la proteína anti-apoptosis Bcl-2 a partir de Beclin-1. Este mecanismo asegura que el daño celular pueda ser aclarado por autofagia antes de inducir muerte celular. La maquinaria autofágica  puede detectar  -y disponer de- mitocondrias dañados que liberan factores pro-apoptosis y especies reactivas de oxigeno. Este mecanismo puede contribuir al incremento de la autofagia que comúnmente se observa  en las miopatías. La autofagia puede actuar como un mecanismo de mantenimiento  de la masa muscular y contrarrestar  la atrofia muscular relacionada con la edad.  El ejercicio, que generalmente protege contra las enfermedades relacionadas con la edad, induce autofagia en el músculo esquelético por un mecanismo controlado por la Bcl-2. (4) La hormesis  es un fenómeno que se observa cuando la exposición a dosis bajas de un estresor induce resistencia  a dosis mayores del mismo estresor.  Este efecto protector es mediado por la autofagia, la cual puede gobernar la destoxificación celular que proporciona a la célula más resistencia  a estresores relacionados con la edad como agregados de proteínas o especies reactivas de oxígeno. (5) La reducción  relacionada con la edad en la autofagia  se correlaciona con una variedad de síntomas relacionados con el envejecimiento  incluyendo un incremento general  en la inflamación. La autofagia puede  facilitar el aclaramiento  de células dañadas y potencialmente peligrosas  reduciendo la propensión  de los leucocitos para producir citoquinas pro-inflamatorias. (6) Los defectos en la autofagia han sido relacionados con el desarrollo de cáncer. Esto ha sido extensamente documentado en ratones que expresan niveles reducidos  de genes relevantes para la autofagia como aquellos que codifican a la Beclin-1.

En conclusión, la vida puede ser prolongada por limitación calórica o por agentes farmacológicos que lleven a cabo los efectos de la restricción calórica. Tanto el ayuno como la inactivación genética de las señales de los nutrientes  convergen en la inducción de la autofagia, un proceso de reciclaje  citoplasmático que contrarresta la acumulación relacionada con la edad de proteínas y organelos  dañados en las células. La inhibición de rutas de señalización relacionadas con el crecimiento,  así como la regulación hacia arriba de rutas anti-envejecimiento, favorece la extensión de la vida  a través de la inducción de la autofagia. Tres son las principales funciones de la autofagia en la citoprotección: atenuar el estrés celular en condiciones  de disponibilidad fluctuante de nutrientes, remover organelos disfuncionales y peligrosos, y aclaramiento  de agregados de proteínas potencialmente tóxicos. La autofagia no solo es necesaria  sino que, en algunos casos, suficiente para incrementar la longevidad.

Fuente: Madeo F et al (2016). Essential role for autophagy in life span extension. The Journal of Clinical Investigation 125: 85-93.