La proteína 8 relacionada con la autofagia ( Atg8 ) es una proteína similar a la ubiquitina necesaria para la formación de las membranas autofagosómicas. La conjugación transitoria de Atg8 a la membrana autofagosómica a través de un sistema de conjugación similar a la ubiquitina es esencial para la autofagia en eucariotas . Aunque existen homólogos en animales (ver por ejemplo GABARAP , GABARAPL1 , GABARAPL2 , MAP1LC3A , MAP1LC3B , MAP1LC3B2 y MAP1LC3C), este artículo se centra principalmente en su papel en eucariotas inferiores como Saccharomyces cerevisiae .
Atg8 es un monómero de 117 aminoácidos y un peso molecular de 13,6 kDa. Consiste en una lámina β de 5 cadenas, que está encerrada por dos hélices α en un lado y una hélice α en el otro lado y exhibe un dominio GABARAP conservado . [2] Aunque Atg8 no muestra una homología de secuencia clara con la ubiquitina , su estructura cristalina revela un pliegue conservado similar al de la ubiquitina. [3] [4]
Atg8 es uno de los componentes moleculares clave involucrados en la autofagia , el proceso celular que media el recambio dependiente de lisosomas / vacuolas de macromoléculas y orgánulos. [5] La autofagia se induce tras el agotamiento de nutrientes o el tratamiento con rapamicina y conduce a la respuesta de más de 30 genes relacionados con la autofagia (ATG) conocidos hasta ahora, incluido ATG8. Todavía se está investigando cómo se regulan exactamente las proteínas ATG, pero está claro que todas las señales que informan sobre la disponibilidad de fuentes de carbono y nitrógeno convergen en la vía de señalización TOR y que las proteínas ATG son efectores posteriores de esta vía. [6] En caso de que los suministros de nutrientes sean suficientes, la vía de señalización TOR hiperfosforila ciertas proteínas Atg, inhibiendo así la formación de autofagosomas. Después de la inanición, la autofagia se induce a través de la activación de las proteínas Atg tanto a nivel de modificación de proteínas como de transcripción.
La Atg8 es especialmente importante en la macroautofagia , que es uno de los tres tipos distintos de autofagia que se caracteriza por la formación de vesículas encerradas en una doble membrana que secuestran porciones del citosol , los llamados autofagosomas. La membrana externa de estos autofagosomas se fusiona posteriormente con el lisosoma/vacuola para liberar una membrana interna única (cuerpo autofágico) destinada a la degradación . [5] Durante este proceso, la Atg8 es particularmente crucial para la maduración del autofagosoma (lipidación). [7]
Al igual que la mayoría de las proteínas Atg, Atg8 se localiza en el citoplasma y en el PAS en condiciones ricas en nutrientes, pero se asocia a la membrana en caso de inducción de autofagia. Luego se localiza en el sitio de nucleación del autofagosoma, el sitio de ensamblaje del fagóforo (PAS). [2] La nucleación del fagóforo requiere la acumulación de un conjunto de proteínas Atg y de complejos de fosfoinosítido 3-quinasa de clase III en el PAS. Se cree que el reclutamiento posterior de Atg8 y otras proteínas relacionadas con la autofagia desencadena la expansión de vesículas de manera concertada, presumiblemente al proporcionar la fuerza impulsora para la curvatura de la membrana. [8] La conjugación transitoria de Atg8 con el lípido de membrana fosfatidiletanolamina es esencial para la expansión del fagóforo ya que su mutación conduce a defectos en la formación del autofagosoma. [9] Se distribuye simétricamente en ambos lados del autofagosoma y se supone que existe una correlación cuantitativa entre la cantidad de Atg8 y el tamaño de la vesícula. [10] [11] [12] [13]
Después de finalizar la expansión de la vesícula, el autofagosoma está listo para la fusión con el lisosoma y Atg8 puede liberarse de la membrana para su reciclaje (ver a continuación) o se degrada en el autolisosoma si no se escinde.
ATG8 también es necesaria para un proceso diferente relacionado con la autofagia llamado vía de orientación del citoplasma a la vacuola (Cvt). [14] Este proceso específico de la levadura actúa de manera constitutiva en condiciones ricas en nutrientes y transporta selectivamente hidrolasas como la aminopeptidasa I a la vacuola de la levadura. La vía Cvt también requiere Atg8 localizado en el PAS para la formación de vesículas Cvt que luego se fusionan con la vacuola para entregar las hidrolasas necesarias para la degradación.
Atg8 existe en forma citoplasmática y asociada a la membrana. [15] La asociación a la membrana se logra mediante el acoplamiento de Atg8 a la fosfatidiletanolamina (PE), que es un componente lipídico de las membranas plasmáticas. Este proceso de modificación postraduccional, llamado lipidación, lo realiza el sistema de conjugación de Atg8 que comprende la cisteína proteasa ATG4 (perteneciente a la familia de las caspasas), así como las proteínas ATG7 , ATG3 y el complejo ATG5 - ATG12 . [16]
El sistema de conjugación Atg8 funciona de manera análoga al sistema de ubiquitinación . Sin embargo, es Atg8 en sí mismo el que representa la proteína similar a la ubiquitina (Ubl) que se transfiere a PE, mientras que ATG7 funciona como una enzima E1, ATG3 como una enzima E2 y el complejo ATG12-ATG5 como una ligasa E3 .
El proceso de lipidación se inicia mediante una escisión postraduccional dependiente de ATG4 del último residuo de aminoácido C-terminal de Atg8. Después de la escisión, Atg8 expone un residuo de glicina C-terminal (Gly 116) al que se puede acoplar PE durante los pasos siguientes. En el primer paso, el residuo Gly116 de Atg8 se une a un residuo de cisteína de ATG7 a través de un enlace tioéster de una manera dependiente de ATP. Durante el segundo paso, Atg8 se transfiere a Atg3 asumiendo el mismo tipo de enlace tioéster. Finalmente, Atg8 se separa de Atg3 y se acopla al grupo de cabeza de amina de PE a través de un enlace amida. Se descubrió que este paso final era facilitado y estimulado por el complejo ATG5 - ATG12 . [17]
Ambas proteínas, Atg5 y Atg12, se identificaron originalmente como parte de otro sistema de conjugación de Ubl que promueve la conjugación de ATG12 con ATG5 a través de ATG7 y Atg10. Esto implica que los sistemas de conjugación de ATG12 y Atg8 son, en realidad, interdependientes.
En los eucariotas superiores, Atg8 no está codificado por un único gen como en la levadura, sino que deriva de una familia multigénica. Cuatro de sus homólogos ya han sido identificados en células de mamíferos.
Una de ellas es la LC3 ( MAP1LC3A ), una cadena ligera de la proteína 1 asociada a los microtúbulos [18]. Al igual que Atg8, la LC3 necesita ser escindida proteolíticamente y lipidada para convertirse en su forma activa, que puede localizarse en la membrana autofagosómica. De manera similar a la situación en la levadura, el proceso de activación de la LC3 se desencadena por el agotamiento de nutrientes, así como en respuesta a las hormonas. [11]
Las isoformas LC3 de mamíferos contienen una Ser/Thr12 conservada, que es fosforilada por la proteína quinasa A para suprimir la participación en la autofagia/mitofagia. [19]
Otros homólogos son el factor de transporte GATE-16 (potenciador de la ATPasa asociada al Golgi de 16 kDa) [20] que desempeña un papel importante en el transporte vesicular intra-golgi estimulando la actividad de la ATPasa NSF ( factor sensible a N -etilmaleimida) e interactuando con el Golgi v-SNARE GOS-28, y GABARAP (proteína asociada al receptor de ácido γ-aminobutírico tipo A) [21] [22] que facilita la agrupación de los receptores GABAA en combinación con los microtúbulos.
Las tres proteínas se caracterizan por procesos de activación proteolítica mediante los cuales se lipidan y se localizan en la membrana plasmática. Sin embargo, en el caso de GATE-16 y GABARAP, la asociación a la membrana parece ser posible incluso para las formas no lipidadas. Aparte de LC3, GABARAP y GATE-16, el homólogo mamífero más reciente pero menos bien caracterizado es ATGL8. Se sabe poco sobre su proceso de activación real, excepto por su interacción con uno de los homólogos mamíferos de ATG4, hATG4A . [23]