La mitofagia es la degradación selectiva de las mitocondrias mediante la autofagia . A menudo ocurre en mitocondrias defectuosas después de daño o estrés. El proceso de mitofagia fue descrito por primera vez hace más de cien años por Margaret Reed Lewis y Warren Harmon Lewis . [1] Ashford y Porter utilizaron microscopía electrónica para observar fragmentos mitocondriales en los lisosomas del hígado en 1962, [2] y un informe de 1977 sugirió que "las mitocondrias desarrollan alteraciones funcionales que activarían la autofagia". [3] El término "mitofagia" estaba en uso en 1998. [4]
La mitofagia es clave para mantener la célula sana. Promueve la renovación de las mitocondrias y previene la acumulación de mitocondrias disfuncionales que pueden conducir a la degeneración celular. Está mediado por Atg32 (en levadura) y NIX y su regulador BNIP3 en mamíferos. La mitofagia está regulada por las proteínas PINK1 y parkin . Además de la eliminación selectiva de las mitocondrias dañadas, la mitofagia también es necesaria para ajustar el número de mitocondrias a las necesidades metabólicas celulares cambiantes, para el recambio mitocondrial en estado estacionario y durante ciertas etapas del desarrollo celular, como durante la diferenciación celular de los glóbulos rojos. [5]
Los orgánulos y fragmentos de citoplasma son secuestrados y seleccionados para ser degradados por el lisosoma para la digestión hidrolítica mediante un proceso conocido como autofagia. El metabolismo de las mitocondrias conduce a la creación de subproductos que provocan daños y mutaciones en el ADN. Por tanto, una población sana de mitocondrias es fundamental para el bienestar de las células. Anteriormente se pensaba que la degradación dirigida de las mitocondrias era un evento estocástico, pero la evidencia acumulada sugiere que la mitofagia es un proceso selectivo. [6]
La generación de ATP por fosforilación oxidativa conduce a la producción de varias especies reactivas de oxígeno (ROS) en las mitocondrias y partículas submitocondriales. La formación de ROS como producto de desecho mitocondrial eventualmente conducirá a citotoxicidad y muerte celular. Debido a su papel en el metabolismo, las mitocondrias son muy susceptibles al daño de las ROS. Las mitocondrias dañadas provocan un agotamiento de ATP y una liberación de citocromo c , lo que conduce a la activación de las caspasas y al inicio de la apoptosis . El daño mitocondrial no es causado únicamente por estrés oxidativo o procesos patológicos; Las mitocondrias normales eventualmente acumularán características de daño oxidativo con el tiempo, lo que puede ser perjudicial tanto para las mitocondrias como para la célula. Estas mitocondrias defectuosas pueden agotar aún más el ATP de la célula, aumentar la producción de ROS y liberar proteínas proapotópicas como las caspasas.
Debido al peligro de tener mitocondrias dañadas en la célula, la eliminación oportuna de las mitocondrias dañadas y envejecidas es esencial para mantener la integridad de la célula. Este proceso de recambio consiste en el secuestro y degradación hidrolítica por parte del lisosoma, proceso también conocido como mitofagia.
El agotamiento mitocondrial reduce un espectro de efectores y fenotipos de senescencia al tiempo que preserva la producción de ATP mediante una glucólisis mejorada . [7]
Existen varias vías por las que se induce la mitofagia en células de mamíferos. La vía PINK1 y Parkin es, hasta ahora, la mejor caracterizada. Esta vía comienza descifrando la diferencia entre mitocondrias sanas y mitocondrias dañadas. Se ha implicado que una proteína de 64 kDa, la quinasa 1 inducida por PTEN (PINK1), detecta la calidad mitocondrial. PINK1 contiene una secuencia de direccionamiento mitocondrial (MTS) y se recluta en las mitocondrias. En las mitocondrias sanas, PINK1 se importa a través de la membrana externa a través del complejo TOM , y parcialmente a través de la membrana mitocondrial interna a través del complejo TIM , por lo que luego atraviesa la membrana mitocondrial interna. El proceso de importación a la membrana interna está asociado con la escisión de PINK1 de 64 kDa a una forma de 60 kDa. Luego, PARL escinde PINK1 en una forma de 52 kDa. Esta nueva forma de PINK1 es degradada por proteasas dentro de las mitocondrias. Esto mantiene bajo control la concentración de PINK1 en las mitocondrias sanas. [8]
En las mitocondrias enfermas, la membrana mitocondrial interna se despolariza. Este potencial de membrana es necesario para la importación de proteínas mediada por TIM. En las mitocondrias despolarizadas, PINK1 ya no se importa a la membrana interna, no es escindido por PARL y la concentración de PINK1 aumenta en la membrana mitocondrial externa. PINK1 luego puede reclutar Parkin, una ubiquitina ligasa citosólica E3 . [9] Se cree que PINK1 fosforila la ubiquitina ligasa de Parkin en S65, lo que inicia el reclutamiento de Parkin en las mitocondrias. [10] [11] El sitio de fosforilación de Parkin, en S65, es homólogo al sitio donde se fosforila la ubiquitina. Esta fosforilación activa Parkin al inducir la dimerización, un estado activo. [ cita necesaria ] Esto permite la ubiquitinación mediada por Parkin en otras proteínas. [10]
Debido a su reclutamiento mediado por PINK1 en la superficie mitocondrial, Parkin puede ubiquitilar proteínas en la membrana mitocondrial externa. [12] Algunas de estas proteínas incluyen Mfn1 / Mfn2 y mitoNEET . [11] La ubiquitilación de las proteínas de la superficie mitocondrial aporta factores iniciadores de la mitofagia. Parkin promueve enlaces de cadena de ubiquitina tanto en K63 como en K48. La ubiquitinación de K48 inicia la degradación de las proteínas y podría permitir la degradación mitocondrial pasiva. Se cree que la ubiquitinación de K63 recluta adaptadores de autofagia LC3/GABARAP que luego conducirán a la mitofagia. Todavía no está claro qué proteínas son necesarias y suficientes para la mitofagia, y cómo estas proteínas, una vez ubiquitiladas, inician la mitofagia.
Otras vías que pueden inducir la mitofagia incluyen los receptores de mitofagia en la superficie externa de la membrana mitocondrial. Estos receptores incluyen NIX1, BNIP3 y FUNDC1 . Todos estos receptores contienen secuencias consenso LIR que se unen a LC3/GABARAP, lo que puede provocar la degradación de las mitocondrias. En condiciones hipóxicas, BNIP3 está regulado positivamente por HIF1α . Luego, BNIP3 se fosforila en sus residuos de serina cerca de la secuencia LIR, lo que promueve la unión a LC3. FUNDCI también es sensible a la hipoxia, aunque está constitutivamente presente en la membrana mitocondrial externa durante condiciones normales. [10] La mitofagia también puede introducirse artificialmente mediante una serie de receptores de autofagia sintéticos [13] que están compuestos de fragmentos de anticuerpos para reconocer las proteínas de la membrana externa mitocondrial. [14]
En las neuronas , las mitocondrias se distribuyen de manera desigual por toda la célula hasta áreas donde la demanda de energía es alta, como en las sinapsis y los nodos de Ranvier . Esta distribución se mantiene en gran medida mediante el transporte mitocondrial mediado por proteínas motoras a lo largo del axón . [15] Si bien se cree que la mitofagia neuronal ocurre principalmente en el cuerpo celular , también ocurre localmente en el axón en sitios distantes del cuerpo celular; Tanto en el cuerpo celular como en el axón, la mitofagia neuronal se produce a través de la vía PINK1-Parkin. [16] La mitofagia en el sistema nervioso también puede ocurrir a nivel transcelular, donde las mitocondrias dañadas en los axones de las células ganglionares de la retina pueden pasar a los astrocitos vecinos para su degradación. [17] Este proceso se conoce como transmitofagia.
La mitofagia en la levadura se supuso por primera vez después del descubrimiento de los genes de escape mitocondrial de la levadura (yme), específicamente yme1. Yme1, al igual que otros genes de la familia, mostró un mayor escape de ADNmt, pero fue el único que mostró un aumento en la degradación mitocondrial. Mediante el trabajo con este gen que media el escape del ADNmt, los investigadores descubrieron que el recambio mitocondrial es desencadenado por proteínas. [18]
Se descubrió más sobre el control genético de la mitofagia después de estudios sobre la proteína UTH1. Después de realizar un cribado de genes que regulan la longevidad, se encontró en las cepas ΔUTH1 que existía una inhibición de la mitofagia, que se produjo sin afectar los mecanismos de autofagia. Este estudio también demostró que la proteína Uth1p es necesaria para mover las mitocondrias a la vacuola. Esto sugirió que existe un sistema especializado para la mitofagia. Otros estudios analizaron la AUP1, una fosfatasa mitocondrial, y descubrieron que Aup1 marca las mitocondrias para su eliminación. [18]
Otra proteína de levadura asociada con la mitofagia es una proteína de la membrana interna mitocondrial, Mdm38p/Mkh1p. Esta proteína es parte del complejo que intercambia iones K+/H+ a través de la membrana interna. Las deleciones en esta proteína provocan hinchazón, pérdida del potencial de membrana y fragmentación mitocondrial. [18]
Recientemente, se ha demostrado que ATG32 (gen 32 relacionado con la autofagia) desempeña un papel crucial en la mitofagia de la levadura. Está localizado en las mitocondrias. Una vez que se inicia la mitofagia, Atg32 se une a Atg11 y las mitocondrias asociadas a Atg32 se transportan a la vacuola. El silenciamiento de Atg32 detiene el reclutamiento de maquinaria de autofagia y la degradación mitocondrial. Atg32 no es necesario para otras formas de autofagia. [19] [20]
Es probable que todas estas proteínas desempeñen un papel en el mantenimiento de las mitocondrias sanas, pero las mutaciones han demostrado que la desregulación puede conducir a una degradación selectiva de las mitocondrias. Aún queda por dilucidar si estas proteínas funcionan en conjunto, son actores principales en la mitofagia o son miembros de una red más grande para controlar la autofagia.
Las mitocondrias juegan un papel importante en el funcionamiento del sistema inmunológico. Los patrones moleculares asociados al daño mitocondrial ( DAMP ), como partes de orgánulos dañados o ADNmt, son secretados por las células después de una inflamación estéril, desregulaciones en el metabolismo celular o una infección. Existe evidencia de que estos DAMP actúan como uno de los desencadenantes clave de la respuesta inmune innata. La mitofagia proporciona la eliminación de mitocondrias que no funcionan y mantiene la homeostasis mitocondrial. Por eso, puede considerarse una herramienta inmunomoduladora para mantener bajo control la respuesta inmunitaria. [21]
Además de las funciones inmunomoduladoras, la mitofagia puede regular el destino de las células madre hematopoyéticas ( HSC ). La alteración de la mitofagia debido a la eliminación de genes relacionados con la autofagia provocó una pérdida de la función de las HSC, más probablemente como resultado de un daño mitocondrial que estimuló la producción excesiva de ROS. Por el contrario, la inducción de mitofagia parecía proteger a las HSC y dirigía la diferenciación de células madre al linaje mieloide. [22]
La activación de las células inmunitarias y el cambio de fenotipo van seguidos de una reprogramación metabólica. Las células activadas, incluidos los macrófagos , favorecen la glucólisis , que también se acompaña de aclaramiento mitocondrial a través de la mitofagia. Por el contrario, los fenotipos reguladores de los macrófagos (M2) están asociados con la inducción de la fosforilación oxidativa , que depende de la biogénesis mitocondrial. [23] Esto resalta el importante papel de la mitofagia en la determinación del fenotipo de los macrófagos.
También es importante mencionar que el deterioro de la mitofagia en los macrófagos es bastante común en las primeras etapas de diferentes estados patológicos. Los macrófagos juegan un papel importante en la respuesta inmune innata. Sin embargo, las condiciones que conducen a la parálisis inmune, por ejemplo, la sepsis , los hacen incapaces de una eliminación bactericida eficiente. De ahí que algunos estudios resaltaran el papel de la mitofagia como biomarcador de diferentes etapas de la sepsis, ya que se inhibe en la etapa temprana y se induce posteriormente. [24] Otros informes mostraron mitofagia comprometida en fibrosis renal humana y experimental . Algunas moléculas asociadas a la mitofagia, como Mfn2 y Parkin, están reguladas negativamente en este estado patológico. En consecuencia, la frecuencia de macrófagos M2 profibróticos reguladores fue mayor, lo que confirma el papel de la mitofagia en la inducción del fenotipo proinflamatorio M1 . [24] [25]
Muchos estudios demuestran que la liberación de mtROS y mtDNA como DAMP juega un papel crucial en la activación del inflamasoma y después de la inflamación mediada por IL-1β . Se ha informado que NF-κB , un complejo proteico que es importante para la señalización de las células inmunitarias, pero que también desempeña un papel importante en la inducción de la mitofagia, controla la activación del inflamasoma mediante la adopción de la vía p62-mitofagia. [26]
La importancia de la mitofagia quedó demostrada por la eliminación de los genes asociados a la autofagia Beclin 1 y LC3b en macrófagos derivados de la médula ósea (BMDM). La mitofagia defectuosa y la acumulación de mitocondrias dañadas condujeron a una mayor producción de mtROS y a la liberación de ADNmt citosólico. Como resultado, aumentó la activación del inflamasoma NLRP3 . [26] Recientemente, se demostró que la deficiencia de Parkin también desencadenó la activación de NLRP3 de una manera dependiente de mtROS y, como resultado, promovió la eliminación viral. [21] [27] Además, la deficiencia de Pink1 y Parkin en un modelo de sepsis polimicrobiana indujo la activación del inflamasoma y pareció ser fundamental en la protección del huésped. [28] De acuerdo con estos informes, también hay estudios que describen la pérdida de la proteína de autofagia Atg16L1 que indujo la escisión de IL-1β por caspasas asociadas con NLRP3. [21] Se sabe que muchas otras proteínas modulan la mitofagia. Algunos son específicos de células, por ejemplo, los macrófagos producen proteínas inducidas por el estrés que se sabe que inducen mitofagia seguida de la inhibición del ensamblaje del inflamasoma NLRP3. [21] [29] En general, se puede decir que muchas respuestas inflamatorias patológicas son el resultado de un desequilibrio en la interacción entre el inflamasoma y la mitofagia.
Se sabe que algunos virus pueden modular la mitofagia (directa o indirectamente) utilizando diferentes mecanismos y, como resultado, provocar un desequilibrio en la respuesta inmune innata. [21] El ADNmt que sale de las mitocondrias dañadas actúa como uno de los desencadenantes de la producción de interferón tipo I (IFN I). Algunos virus pueden inducir mitofagia y, por tanto, inhibir la producción de estas citoquinas antivirales cruciales. Hay informes de proteínas virales que interactúan directa o indirectamente con proteínas asociadas a la autofagia y la mitofagia, como LC3 o Pink1-Parkin, y las usurpan para desencadenar la mitofagia y posteriormente inhibir las respuestas de IFN I. [21] [30]
Las mitocondrias son una estructura dinámica que regula su morfología mediante fisión y fusión constantes dependientes del contexto. La fisión es crucial para la mitofagia, ya que corta una pequeña parte mitocondrial que puede ser engullida aún más por el autofagosoma . [31] Los virus de la hepatitis B (VHB) y la hepatitis C (VHC) aprovechan este mecanismo induciendo la fisión mitocondrial y siguiendo la mitofagia. El VHB estimula la fosforilación de Drp1 , una molécula de GTPasa promotora de la fisión , y la expresión y reclutamiento de Parkin. Se sabe que el VHC promueve la mitofagia al inducir la producción de ROS. Otros virus, como el de la parainfluenza humana (HPIV3), regulan las respuestas inmunitarias del huésped eliminando la proteína de señalización antiviral mitocondrial (MAVS) ubicada en la membrana mitocondrial externa. Existen proteínas específicas producidas por HPIV3 que inducen mitofagia en la célula infectada, promoviendo así la degradación de MAVS y la correspondiente inhibición de la producción de IFN I. La misma estrategia la utiliza la proteína ORF-9b codificada por el SARS-CoV , que desencadena la degradación de varias proteínas mitocondriales, incluida MAVS. [32] [33]
A partir de 2020, el papel de la mitofagia en el cáncer no se comprende completamente. Algunos modelos de mitofagia, como la mitofagia mediada por PINK1 o BNIP3 , se han asociado con la supresión de tumores en humanos y ratones. La mitofagia asociada con NIX , por el contrario, se asocia con la promoción de tumores. [34] En 1920, Otto Warburg observó que ciertos tumores cancerosos mostraban un cambio metabólico hacia la glucólisis . Esto se conoce como el " efecto Warburg ", en el que las células cancerosas producen energía mediante la conversión de glucosa en lactato, incluso en presencia de oxígeno (glucólisis aeróbica). A pesar de casi un siglo desde que se describió por primera vez, muchas preguntas siguen sin respuesta sobre el efecto Warburg. Inicialmente, Warburg atribuyó este cambio metabólico a la disfunción mitocondrial en las células cancerosas. Otros estudios en biología tumoral han demostrado que el aumento de la tasa de crecimiento de las células cancerosas se debe a un exceso de glucólisis (cambio glucolítico), que conduce a una disminución de la fosforilación oxidativa y de la densidad mitocondrial. Como consecuencia del efecto Warburg, las células cancerosas producirían grandes cantidades de lactato. El exceso de lactato luego se libera al ambiente extracelular lo que resulta en una disminución del pH extracelular. Esta acidificación del microambiente puede provocar estrés celular, lo que conduciría a la autofagia. La autofagia se activa en respuesta a una variedad de estímulos, incluido el agotamiento de nutrientes, la hipoxia y los oncogenes activados. Sin embargo, parece que la autofagia puede ayudar a la supervivencia de las células cancerosas en condiciones de estrés metabólico y puede conferir resistencia a terapias anticancerígenas como la radiación y la quimioterapia. Además, en el microambiente de las células cancerosas, hay un aumento del factor de transcripción 1-alfa inducible por hipoxia ( HIF1A ), que promueve la expresión de BNIP3 , un factor esencial para la mitofagia. [35]
La enfermedad de Parkinson es un trastorno neurodegenerativo caracterizado patológicamente por la muerte de las neuronas productoras de dopamina en la sustancia negra . Hay varias mutaciones genéticas implicadas en la enfermedad de Parkinson, incluida la pérdida de función PINK1 [36] y Parkin. [9] La pérdida de función en cualquiera de estos genes da como resultado la acumulación de mitocondrias dañadas y la agregación de proteínas o cuerpos de inclusión , lo que eventualmente conduce a la muerte neuronal.
Se cree que la disfunción mitocondrial está implicada en la patogénesis de la enfermedad de Parkinson. En la enfermedad de Parkinson espontánea, generalmente relacionada con el envejecimiento (no vinculada genéticamente), la enfermedad comúnmente es causada por mitocondrias disfuncionales, estrés oxidativo celular, alteraciones autofágicas y agregación de proteínas. Estos pueden provocar inflamación y despolarización mitocondrial. Es importante mantener reguladas las mitocondrias disfuncionales, porque todos estos rasgos podrían ser inducidos por una disfunción mitocondrial y pueden inducir la muerte celular. [37] Los trastornos en la creación de energía por las mitocondrias pueden causar degeneración celular, como las que se observan en la sustancia negra. [31]
La tuberculosis es una enfermedad contagiosa causada por la infección con el patógeno transmitido por el aire Mycobacterium tuberculosis . Investigaciones recientes han demostrado que la infección crónica por Mycobacterium tuberculosis en los pulmones o la infección ex vivo por micobacterias no patógenas ( M.bovis ) provoca la activación de la vía mediada por receptores para la mitofagia. Aquí, las vías de mitofagia mediadas por receptores se desencadenan a través de NIX que se regula positivamente durante la infección por M. tuberculosis. Provocó el reclutamiento del receptor NIX/BNIP3L de moléculas LC3 que median la formación de fagóforos que engullen directamente las mitocondrias defectuosas [38]
En múltiples modelos de senescencia, la ausencia de mitocondrias redujo un espectro de efectores y fenotipos de senescencia al tiempo que preservaba la producción de ATP mediante una glucólisis mejorada.