Autofagia de células β

La insuficiencia para mantener la homeostasis de la glucosa subyace a la diabetes tipo 1 (DT1) y la diabetes tipo 2 (DT2). Aunque estas dos formas de diabetes son muy diferentes, la insuficiencia y la muerte de células β juegan un rol clave en la patogénesis  de ambas enfermedades, provocando hiperglucemia debido a la reducida capacidad para producir insulina. En la DT1, la apoptosis de células β es el evento subyacente  que provoca la disglucemia, mientras en la DT2, la resistencia a la insulina provoca la incapacidad para responder a la demanda de insulina. El estrés oxidativo y el estrés de retículo endoplásmico (RE)  son los mayores contribuyentes de la disfunción y la muerte de células β bajo una variedad de condiciones en la DT1 y la DT2. Estudios recientes demuestran que la autofagia promueve la supervivencia de células β retardando la apoptosis y facilitando las respuestas adaptativas que mitigan los efectos perjudiciales del estrés de RE y el daño del ADN, éste último directamente relacionado con el estrés oxidativo.  

   La autofagia es un proceso catabólico que permite el reciclaje de los contenidos celulares dañados o en exceso, promoviendo la homeostasis y la supervivencia celular bajo condiciones de estrés. Durante la autofagia, los componentes celulares son tomados por lisosomas que contienen hidrolasas ácidas para su degradación. Hay cuatro mecanismos principales de captación de componentes celulares por los lisosomas: macroautofagia, microautofagia, crinofagia y autofagia mediada por chaperona. Generalmente, el término “autofagia” ha sido usado para describir el proceso de macroautofagia, el cual consiste en la formación de autofagosomas que contienen material celular que posteriormente se fusionan con los lisosomas para degradar la carga del autofagosoma. Este proceso es distinto a la microfagia, donde los componentes celulares son tomados directamente a través de la invaginación de la membrana lisosomal. La crinofagia es un mecanismo de captación directa en el lisosoma, donde las vesículas secretoras son captadas específicamente por los lisosomas. En la autofagia mediada por chaperona, las proteínas citoplasmáticas son conducidas a los lisosomas para su degradación a través del reconocimiento de secuencias específicas de aminoácidos por la proteína chaperona hsc70.

   La autofagia puede ser selectiva o no selectiva. La autofagia no selectiva es un tipo de degradación en el cual el autofagosoma simplemente toma materiales presentes en su ambiente adyacente. La privación de nutrientes a menudo estimula este tipo de autofagia en donde cualquier componente del citoplasma puede ser degradado. La autofagia también puede ser selectiva, en la cual  blancos específicos son reclutados para  degradación por  autofagosomas a través de interacciones con las proteínas adaptadoras de autofagia (también conocidas como receptores de autofagia) como la p62 (SQSTM1). Las proteínas adaptadoras de autofagia se unen específicamente a proteínas u organelos y los conducen hacia los autofagosomas a través de interacciones con moléculas LC3 localizadas en la membrana del fagoforo. Hasta el presente se han descrito más de 15 tipos de autofagia selectiva que funcionan para mantener o restaurar la homeostasis celular bajo condiciones de estrés y son definidos según el blanco específico que va ser degradado. Por ejemplo, lipofagia es la degradación autofágica de gotas de lípidos, mitofagia es la degradación de mitocondrias, REfagia es el reciclaje de RE y proteafagia es la degradación del proteasoma por autofagia. En respuesta a la privación de nutrientes, la lipofagia, la REfagia y la proteafagia funcionan para proporcionar energía y nutrientes así como también para contrarrestar el estrés inducido por el ayuno. La mitofagia previene y mejora el estrés oxidativo de la célula a través de la degradación de mitocondrias disfuncionales. En un ambiente de estrés oxidativo, como se observa en la patogenia de la DT1 y la DT2, la autofagia selectiva puede también mediar la activación de la respuesta antioxidante a través de la degradación de KEAP1, un inhibidor clave de la respuesta antioxidante. 

   La respuesta autofágica a estresores celulares como la carencia de aminoácidos, factores de crecimiento, oxígeno o ATP es integrada primariamente a través de la ruta de señalización del complejo blanco de rapamicina de mamíferos 1 (mTORC1). En condiciones normales, el mTORC1 es activo y regula negativamente el inicio de la autofagia a través de la fosforilación inhibidora de proteínas en el complejo ULK1. Hay múltiples moléculas que funcionan para conducir señales de nutrientes a través del mTORC1 en la regulación de la autofagia. En condiciones de ayuno o depleción de energía, la proteína quinasa activada por AMP (AMPK) responde a los cambios en la relación ATP/ADP y activa la autofagia a través de la inhibición del  mTORC1. En respuesta al ayuno y la hipoxia, la desacetilasa SIRT1 activa la autofagia a través de varios mecanismos incluyendo la inhibición de mTORC1 y la desacetilación de varios componentes de la maquinaria autofágica (Atg5, Atg7 y LC3). Los polimorfismos en la SIRT1 han sido asociados con incrementos en la incidencia de la DT1, lo cual sugiere la importancia de esta ruta de señalización en la supervivencia de las células β. Otros factores que regulan la autofagia a través del mTORC1 en respuesta a factores ambientales incluye a las proteínas Akt y  ERK1/2. Entonces, la inhibición del mTORC1 es un punto crítico en el cual convergen múltiples tipos de estresores celulares, lo cual resulta en la activación de la autofagia como una respuesta adaptativa para promover la supervivencia celular.

   La autofagia juega muchos roles importantes en la célula β, incluyendo el soporte  de la diferenciación durante el desarrollo y la contribución a la función de la célula β. La autofagia promueve la supervivencia de células β bajo condición de estrés que puede provocar la muerte celular, incluyendo depleción de nutrientes, estrés oxidativo, estrés de RE, daño mitocondrial e hipoxia.  La autofagia, además de su rol en la supervivencia de la célula β, juega un rol activo en la regulación de la homeostasis  de la insulina. La estimulación de la autofagia a través de la inhibición del mTORC1  reduce la secreción de insulina en islotes pancreáticos de humanos y roedores. La importancia de la regulación balanceada  de la autofagia para la supervivencia de la célula β  es resaltada por las observaciones  que indican que la activación y la inhibición  de la autofagia a través de la falta -o hiperactivación-  del mTORC1, respectivamente, provocan un incremento en la apoptosis  de células β y una disminución de la masa de células β. Estos datos demuestran que la autofagia juega un rol crítico en el mantenimiento de la función y la supervivencia de las células β a través de múltiples mecanismos.

   Un RE funcional es crítico para el acoplamiento estímulo-secreción  en la célula β, lo cual permite la secreción de insulina en respuesta a estímulos externos. La alta demanda para sintetizar y secretar insulina en respuesta a cambios ambientales hace a las células β particularmente susceptibles al estrés de RE. La célula β debe sintetizar rápidamente insulina en respuesta a los incrementos de glucosa mientras mantiene la capacidad para convertir proinsulina en la forma madura de insulina. Las alteraciones de este delicado balance pueden disparar la disfunción de células β. En estas condiciones, si la homeostasis normal del RE no es restaurada, las células β eventualmente experimentan apoptosis que es disparada por la respuesta a proteínas desdobladas. La elevación crónica de glucosa y ácidos grasos asociada con la DT2 dispara el estrés de RE en las células β  y las mutaciones en los componentes de la ruta de respuesta a proteínas desdobladas han sido relacionadas con el desarrollo de diabetes en humanos y roedores. Por otra parte, el estrés de RE ha sido implicado  como uno de los mecanismos que contribuyen al desarrollo de oligómeros del polipéptido amiloide del islote humano (hIAPP) a través de defectos en el procesamiento de la proteína precursora, prohIAPP, a hIAPP. El hIAPP es co-secretado con la insulina y juega un rol clave en la regulación de la glucemia. En humanos, el hIAPP puede formar agregados de amiloide, los cuales   han sido relacionados con la muerte de células β y el desarrollo de DT2. Estudios recientes proporcionan evidencia que la autofagia  es importante para mejorar los efectos citotóxicos del hIAPP. En las células β, el bloqueo de la autofagia incrementa la toxicidad del hIAPP. Estos datos sugieren que la autofagia juega un rol importante en el aclaramiento de oligómeros de hIAPP, lo cual previene la citotoxicidad del hIAPP, la insuficiencia/muerte de células β y el desarrollo de diabetes.  

   El estrés de RE resulta de la acumulación de proteínas desdobladas y mal plegadas y puede iniciar la apoptosis si las condiciones de estrés no son mejoradas. La estimulación de la autofagia puede degradar las proteínas mal plegadas o las regiones disfuncionales del RE y restaurar la integridad estructural y funcional del RE. Estudios recientes sugieren que el estrés de RE por sí mismo estimula la autofagia, posiblemente como un mecanismo de retroalimentación  para proteger la célula.  En este contexto, el bloqueo del estrés de RE bloquea la autofagia y el bloqueo de la autofagia incrementa el estrés de RE. Más aún, la pérdida de autofagia en las células β compromete la respuesta a proteínas desdobladas, lo cual resulta de un incremento en la incidencia de diabetes.

   Las células β son altamente susceptibles al estrés oxidativo. Algunas de las proteínas involucradas en la respuesta al estrés de RE, como eIF2α, también juegan un rol en la respuesta al estrés oxidativo. Las especies reactivas de oxigeno (ROS) son generadas durante el metabolismo de la glucosa y constituyen una importante señal para disparar la secreción de insulina y la expansión de células β en respuesta a los elevados niveles de glucosa. Sin embargo, la exposición crónica a ROS bajo condiciones de hiperglucemia puede provocar daño celular, alteración de la secreción de insulina estimulada por glucosa y, eventualmente, muerte celular. Entonces, la hiperglucemia durante la patogenia de la diabetes  puede exacerbar la apoptosis  de células β a través del estrés oxidativo disparado por las ROS. El factor de transcripción NRF2 es juega un rol clave en la ruta antioxidante  y tiene una función citoprotectora  en la célula β, en parte a través de estimulación de la autofagia. La activación de NRF2 estimula la expresión de sus genes blancos antioxidantes en los islotes pancreáticos de humanos e incrementa la supervivencia  de los islotes después de la inducción del estrés oxidativo. La expresión de NRF2 aumenta tempranamente en la diabetes  y tiene como funciones reducir la apoptosis, preservar la masa de células β y mantener la homeostasis de la glucosa. La autofagia también puede promover la activación de NRF2 a través de la proteína p62, la cual bloquea la interacción entre el NRF2 y su inhibidor KEAP1, conduciendo al KEAP1 al autofagosoma para su degradación. Por lo tanto, la autofagia y la respuesta antioxidante  participan en un asa de retroalimentación  en la cual mutuamente se refuerzan para promover la homeostasis y supervivencia  celular. 

   La autofagia también combate el estrés oxidativo a través de la degradación de mitocondrias disfuncionales  vía mitofagia. La mitofagia mediada por PINK1-PARKIN es estimulada por las elevaciones moderadas de ROS que provocan una reducción del potencial de membrana mitocondrial. La quinasa PINK1  se acumula en la membrana externa de la mitocondria despolarizada, lo cual resulta en el reclutamiento de su blanco PARKIN, una ligasa de ubiquitina E3. La PARKIN ubiquitiniza múltiples proteínas en la membrana externa mitocondrial, provocando el reclutamiento de proteasomas y autofagosomas para la degradación  de mitocondrias.  La hiperglucemia y la glucolipotoxicidad  pueden afectar la mitofagia. La hiperglucemia puede estimular altos niveles de ROS que alteran la maquinaria de mitofagia, lo cual resulta en acumulación de mitocondrias disfuncionales. La glucolipotoxicidad puede causar acumulación citoplasmática de p53, lo cual bloquea la translocación  de PARKIN e inhibe la mitofagia. Los pacientes con DT2 exhiben disminución  de la expresión  de componentes de la ruta de mitofagia y las mutaciones en los genes cuyos productos funcionan en la mitofagia, incluyendo PINK1, PARKIN, CLEC16A y PDX1, han sido asociadas  con DT1 y DT2. Uno de estos componentes de la mitofagia, CLEC16A, juega un rol clave  en la degradación de PARKIN mediada por proteasoma. PDX1, un gen asociado con DT2, regula la expresión de CLEC16A y la pérdida de PDX1 provoca un bloqueo de la mitofagia en el cual los autofagosomas que contienen mitocondrias fallan en la fusión con los lisosomas.  Estos datos sugieren que la autofagia juega un rol importante  como mecanismo adaptativo endógeno para mantener la función de células β, prevenir el estrés oxidativo y proteger contra el desarrollo de diabetes.

   Múltiples factores estimulan la autofagia en la célula β, incluyendo componentes de la dieta, citoquinas y GLP-1. Estos factores pueden contribuir a la regulación de la autofagia  de células β durante la patogenia de DT1 y DT2. El ayuno y la privación de aminoácidos  son activadores de la autofagia en múltiples tipos de células. En las células β, los  períodos cortos de privación nutrientes pueden estimular la crinofagia, mientras el ayuno de larga duración  puede ser requerido para estimular la macroautofagia. La exposición excesiva y crónica  a glucosa y ácidos grasos  puede bloquear  el mecanismo adaptativo endógeno por el cual las células β podrían protegerse del estrés y la toxicidad, lo cual contribuye  al desarrollo de la diabetes. Por otra parte, tanto el exceso como la restricción calórica estimulan la autofagia en la célula β. Las células β responden al estrés provocado por los cambios drásticos en los niveles de nutrientes  activando la autofagia para promover la supervivencia celular y los efectos mediados  por el NRF2 juegan un rol clave  en este proceso. Varios estudios recientes  han identificado vitaminas específicas  y otros componentes de la dieta  que promueven la autofagia en las células β y juegan un rol protector en la respuesta al estrés. Por ejemplo, la vitamina D y los ácidos omega-3 tienen roles protectores en las células β a través de la  estimulación de la autofagia.

   Las citoquinas pro-inflamatorias como el factor de necrosis tumoral-α (TNF-α), la interleuquina (IL)-1β y el interferón (INF)-γ han sido asociadas con la patogenia de DT1 a través de mecanismos que involucran niveles elevados de ROS y la inducción de estrés de RE. La IL-1β y el INF-γ estimulan las fases iniciales de la autofagia a través de la activación dependiente de estrés de RE de la AMPK, pero también inhiben el flujo autofágico debido a alteración de la función lisosomal, lo cual contribuye a la apoptosis de células β. Otras citoquinas, como la IL-6,  estimulan la autofagia  bajo condiciones basales y protegen  a las células β de la apoptosis  inducida por TNF-α, IL-1β e INF-γ.

   Los reportes recientes en modelos de diabetes han demostrado que el rol protector del GLP-1 (Glucagon like peptide-1) en la célula β puede ser mediado en parte por la estimulación de la autofagia. Además de su rol crítico en la estimulación de la secreción de insulina, el GLP-1 juega un rol en el incremento de la proliferación de células β. El GLP-1 restaura la actividad lisosomal normal y la autofagia es requerida para su efecto protector en la célula β.

   En conclusión, la autofagia es un proceso catabólico que promueve la homeostasis y la supervivencia celular en condiciones de estrés. En las células β, la autofagia, a través de múltiples mecanismos,  retarda la apoptosis y promueve respuestas adaptativas para atenuar los efectos perjudiciales del estrés de RE y el daño del ADN relacionado con el estrés oxidativo.

Fuente: Marasco MR, Linnemann AK (2018). β-cell autophagy in diabetes pathogenesis. Endocrinology 159: 2127-2141.