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Evolución de la autofagia y la apoptosis.

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La autofagia y la apoptosis son ambas necesarias para la supervivencia de un organismo multicelular. Tengo información sobre la evolución de la autofagia y la apoptosis.
Sin embargo, la diferencia clave entre las vías me pareció: la autofagia es para la supervivencia personal, mientras que la apoptosis es para la supervivencia de la población. Dado esto, ¿es lógico suponer que la autofagia evolucionó antes que la apoptosis?

Edición 1:
Pensé en una razón para que la autofagia preceda a la apoptosis. Dado que la apoptosis requiere mitocondrias para su iniciación y se adquirió como endoimbiosis, supongo que:
$ 1) $ Los organismos primitivos que toman las mitocondrias primitivas eran eucariotas.
$ 2) $ Estos ya eran lo suficientemente sofisticados como para tener una autofagia preliminar.


En primer lugar, es importante señalar que, si bien la función principal de la autofagia es `` apagar '' la célula con la esperanza de que la función reducida ayude a su regreso a la homeostasis, existen pruebas de que se utiliza como método principal de muerte celular programada en ciertos casos. animales, donde se requieren períodos de eliminación celular masiva (por ejemplo, metamorfosis de insectos). Fuente (Nature Review)

Su pregunta es algo difícil de responder, ya que hay bastante investigación limitada en el área, que yo sepa. Para fines de extrapolación, también es necesario establecer lo que deberíamos considerar como autofagia y apoptosis en organismos simples: ¿qué tan similares deben ser los mecanismos de los procesos en forma rudimentaria en los organismos primitivos para calificar como tales? Existe evidencia de un proceso similar a la apoptosis, así como autofagia en una variedad de bacterias protozoarias. Artículo PLOS (Evolución de la muerte celular programada similar a la apoptosis en parásitos protozoarios unicelulares, Kaczanowski et. Al.) (Metamorfosis de la malaria: el papel de la autofagia en la diferenciación de parásitos, Isabelle Coppens) Además, según las investigaciones genómicas, es probable que la macro / micro autofagia esté presente en todos los eucariotas primitivos no parasitarios. (Origen y evolución del autoconsumo: autofagia Timothy Hughes y Tor Erik Rusten)

Según algunas lecturas que hice durante mi primer grado, es probable que tanto la apoptosis como la autofagia se hayan desarrollado a partir de un proceso precursor que estaba presente en los procariotas (algunas bacterias, como Myxobacteria, sufren un tipo de muerte celular programada). Un artículo de naturaleza más antiguo extrapola que, según investigaciones anteriores, es probable que los eucariotas hayan llegado a poseer los procesos rudimentarios de la apoptosis (y probablemente la autofagia) a través de la absorción de múltiples cepas de genomas bacterianos. (Origen y evolución de la apoptosis eucariota: la conexión bacteriana, E V Koonin y L Aravind)

En última instancia, creo que es difícil afirmar qué se desarrolló primero, si es que lo hicieron por separado. Suponiendo que se originaron a partir del mismo mecanismo inicial, lo que parece probable, existe una clara posibilidad de que se desarrollen uno al lado del otro. Si este es el caso, es como una situación de 'huevo y gallina' - ¿en qué punto consideraría la apoptosis apoptosis? Existe evidencia de que ambos ocurren en levaduras, así como en protozoos, por lo que asumiendo que estos procesos son de hecho precursores de lo que observamos en eucariotas multicelulares, el desarrollo simultáneo parece más probable.

Disculpe la publicación de los nombres de algunos artículos, en lugar de enlaces; tengo un uso limitado de ellos en este momento.


Diferencia entre autofagia y apoptosis

La autofagia y la apoptosis son procesos de autodegradación que ocurren naturalmente dentro de la célula, equilibrando el funcionamiento de los organismos multicelulares durante su vida. La autofagia ayuda a la célula a sobrevivir en condiciones estresantes como la deficiencia de nutrientes. Causas de la apoptosis muerte celular debido a un proceso fisiológico o patológico. los diferencia principal entre la autofagia y la apoptosis es que La apoptosis es un suicidio celular predefinido, donde la célula se autodestruye activamente, manteniendo un buen funcionamiento en el cuerpo, mientras que la autofagia es un proceso de autodegradación de sus propios componentes, equilibrando las fuentes de energía durante el desarrollo.


Abstracto

El descubrimiento de que ocurre una muerte celular programada (PCD) similar a la apoptosis en una amplia gama de parásitos protozoarios ofrece nuevas herramientas terapéuticas para tratar algunas de las enfermedades infecciosas más graves de los seres humanos, los animales de compañía, la vida silvestre y el ganado. Si bien la apoptosis es una parte esencial del desarrollo normal, el mantenimiento y la defensa en los organismos multicelulares, su aparición en los parásitos unicelulares parece contraria a la intuición y ha resultado muy controvertida: según la noción darwiniana de "supervivencia del más apto", se espera que los parásitos Desarrollar estrategias para maximizar su proliferación, no la muerte. La opinión predominante, y no probada, en la literatura es que los parásitos emplean la apoptosis para autorregular "altruísticamente" la intensidad de la infección en el huésped / vector. Sin embargo, la teoría de la evolución nos dice que, a lo sumo, esto solo puede ser parte de la explicación, y también deben probarse otras hipótesis no excluyentes entre sí. Aquí, explicamos los conceptos evolutivos que pueden explicar la apoptosis en parásitos unicelulares, resaltamos las preguntas clave y delineamos los enfoques necesarios para resolver la controversia sobre si los parásitos "se suicidan". Destacamos la necesidad de integración de enfoques próximos y funcionales en un marco evolutivo para comprender la apoptosis en parásitos unicelulares. Comprender cómo, cuándo y por qué los parásitos emplean la apoptosis es fundamental para abordar este proceso con intervenciones que sean sostenibles frente a la evolución del parásito.

Citación: Reece SE, Pollitt LC, Colegrave N, Gardner A (2011) El significado de la muerte: evolución y ecología de la apoptosis en parásitos protozoarios. PLoS Pathog 7 (12): e1002320. https://doi.org/10.1371/journal.ppat.1002320

Editor: Marianne Manchester, Universidad de California en San Diego, Estados Unidos de América

Publicado: 8 de diciembre de 2011

Derechos de autor: © 2011 Reece et al. Este es un artículo de acceso abierto distribuido bajo los términos de la Licencia de Atribución Creative Commons, que permite el uso, distribución y reproducción sin restricciones en cualquier medio, siempre que se acredite el autor y la fuente originales.

Fondos: Este trabajo fue financiado por Wellcome Trust (SER: WT082234MA http://www.wellcome.ac.uk/), NERC (LCP: beca), Royal Society of London (AG: University Research Fellowship http: // royalsociety .org /) y Balliol College, Universidad de Oxford (AG http://www.balliol.ox.ac.uk/). Los patrocinadores no tuvieron ningún papel en el diseño del estudio, la recopilación y el análisis de datos, la decisión de publicar o la preparación del manuscrito.

Conflicto de intereses: Los autores han declarado que no existen intereses en competencia.


Muerte celular: una revisión de las principales formas de apoptosis, necrosis y autofagia

Alguna vez se creyó que la muerte celular era el resultado de uno de dos procesos distintos, apoptosis (también conocida como muerte celular programada) o necrosis (muerte celular descontrolada) en los últimos años, sin embargo, se han descubierto varias otras formas de muerte celular que destacan que un La célula puede morir a través de varias vías diferentes. La apoptosis se caracteriza por una serie de cambios morfológicos característicos en la estructura de la célula, junto con una serie de procesos bioquímicos dependientes de enzimas. El resultado es la eliminación de las células del cuerpo, con un daño mínimo a los tejidos circundantes. Sin embargo, la necrosis se caracteriza generalmente por ser la muerte incontrolada de la célula, normalmente después de una agresión grave, que da como resultado el derrame del contenido de la célula en los tejidos circundantes y el posterior daño de la misma. La falla de la apoptosis y la acumulación resultante de células dañadas en el cuerpo pueden resultar en varias formas de cáncer. Por tanto, la comprensión de las vías es importante para desarrollar quimioterápicos eficaces. Recientemente ha quedado claro que existen varios subtipos de apoptosis y que existe una superposición entre apoptosis, necrosis y autofagia. El objetivo de esta revisión es proporcionar una descripción general del conocimiento actual relacionado con las diversas formas de muerte celular, incluidas la apoptosis, necrosis, oncosis, piroptosis y autofagia. Esto proporcionará a los investigadores un resumen de las principales formas de muerte celular y les permitirá comparar y contrastar entre ellas.


Evolución de la autofagia y la apoptosis - Biología

Conferenciante:
Prof. C. J. Peras

Clase 1: Muerte celular en evolución y desarrollo.

Funciones biológicas de la muerte celular. Importancia para el cáncer. Roles de desarrollo. Importancia evolutiva. Tipos de muerte celular y fenómenos relacionados: apoptosis, necrosis, autofagia. Enfoque principal en la apoptosis. Caspasas como efectores centrales de apoptosis. Bioquímica básica de caspasas y enzimas relacionadas. Disección genética de apoptosis. Uso del nematodo C. elegans como modelo de apoptosis. Disección genética, establecimiento de vía simple. Identificación de mecanismos reguladores y controles de desarrollo para eventos de muerte celular programada. Activación intrínseca y extrínseca de la muerte celular. Características conservadas. Regulación de la muerte celular en Drosophila: importancia de los IAP y microARN.

Clase 2: Mitocondrias y engullimiento.
Importancia de las mitocondrias en la apoptosis. Comparación de apoptosis en mamíferos, nematodos, insectos. Diferente papel de las mitocondrias. Importancia de las mitocondrias en la apoptosis de mamíferos a través de la vía intrínseca. Activación dual por señalización Fas, tanto extrínseca como intrínseca. Mecanismo básico de liberación mitocondrial. Familia BCL-2 como reguladores de la apoptosis: tres clases de proteínas BCL-2, tanto proapoptóticas como antiapoptóticas. MOMP (Permeabilización de la membrana externa mitocondrial) y MPT (Transición de la permeabilidad mitocondrial). Cinco proteínas proapoptóticas liberadas de las mitocondrias: citocromo c, Smac / DIABLO, HtrA2 / Omi, AIF / factor inductor de apoptosis, endonucleasa G. Citocromo cy formación de apoptosomas. Acción e importancia de otros factores. Activación extrínseca por granzimas y otras señales. Absorción apoptótica: importancia de la señalización intercelular. Externatización y reconocimiento de fosfatidilserina. Inmersión fagocítica en células de nematodos y mamíferos.

Clase 3: Otras formas de muerte celular.

Comparación de apoptosis, necrosis y autofagia. Características distintivas de la necrosis: hinchazón celular, permeabilidad comprometida. Papel de los lisosomas. Hipótesis de calpaína-catepsina. Reacción en cadena necrótica. Autofagia: sus funciones y formas variantes y mitofagia ndash, reticulofagia. Características de la autofagia y el fagoforo de vesículas de doble membrana ndash. Fusión con lisosoma y formación de autofagosoma maduro. Conservación de proteínas Atg (autofagia) y funciones en el ensamblaje de fagoforos. Proteínas Atg clave. Relación con las vías de ubiquitina y el tráfico de vesículas. Reconocimiento de carga. Regulación de la autofagia: desencadenantes que incluyen la privación de nutrientes y factores de crecimiento, niveles reducidos de energía, estrés celular y daño celular. Integración con el metabolismo. Señalización TOR. Muerte autofágica.


Interacción entre autofagia y apoptosis en células tumorales

A diferencia de las células normales, las células tumorales suelen existir en un entorno hipóxico que es bajo en nutrientes. Por un lado, la autofagia puede servir como un mecanismo supresor de tumores mediante el cual las células tumorales se “comen” progresivamente a sí mismas en estas condiciones metabólicas desfavorables. Por otro lado, uno de sus logros más notables es activar la autofagia en respuesta al estrés hipóxico, lo que permite su supervivencia a largo plazo, especialmente cuando la apoptosis es defectuosa. Con Bcl-2 mutado, las células tumorales pueden sobrevivir convenientemente a la quimioterapia mediante el empleo de mecanismos autofágicos protectores. Las células tumorales pueden comerse progresivamente a sí mismas bajo estrés prolongado, convirtiéndose en menos de un tercio de su tamaño normal, pero estas células tumorales "inactivas" retienen la capacidad de volver a su tamaño normal y reanudar la proliferación celular cuando se restablecen las condiciones normales de crecimiento. Por lo tanto, tanto la activación como la inhibición de la autofagia pueden ser prometedoras para mejorar la quimioterapia contra el cáncer.

La correlación entre autofagia y apoptosis es un tema de interés emergente, especialmente en el campo de la biología tumoral. Por un lado, la autofagia induce la muerte celular al degradar componentes esenciales, pero por otro, puede facilitar la supervivencia de las células cancerosas en condiciones metabólicas desfavorables. Varios estímulos que pueden inducir la apoptosis también pueden desencadenar la autofagia. En este caso, la autofagia puede preceder a la apoptosis y puede deberse a un menor grado de estrés. Cuando se suprime la apoptosis, puede conducir a una autofagia exacerbada. Por tanto, la autofagia se puede considerar como una estrategia mediante la cual las células hacen frente al estrés, pero si se inicia la apoptosis, la autofagia puede inactivarse. Se ha observado que la mitocondria es un cambio entre la apoptosis y la autofagia. Cuando se bloquea la autofagia y no se eliminan las mitocondrias dañadas, estas sufren una pérdida de potencial transmembrana (ΔΨm), lo que puede conducir a la apoptosis. Las mitocondrias se consideran el "campo de batalla" donde convergen las señales de supervivencia y muerte para determinar si las células sufren o no apoptosis. Marino et al (2014) sugieren que las mitocondrias son particularmente propensas a la apoptosis y su eliminación por autofagia puede aumentar el umbral para la inducción de la apoptosis.

Una reducción en ΔΨm se ha relacionado con una mayor ubiquitinación del canal aniónico dependiente de voltaje (VDAC) y Mitofusin 1 y 2, lo que conduce a una reducción de la mitofagia. También se sabe que la fragmentación mitocondrial a través de la fisión es esencial para la mitofagia, que evita la eliminación injustificada de mitocondrias funcionales y saludables. Las mitocondrias de las células hambrientas sufren disipación en su ΔΨm, pero no sufren fragmentación ni mitofagia.

En condiciones de estrés extremo cuando las células no logran realizar la autofagia, las caspasas se activan y se permite que prosiga la apoptosis. Las caspasas activadas digieren y eliminan varias proteínas relacionadas con la autofagia, como Atg3, Beclin-1 y AMBRA1, que pueden provocar una apoptosis acelerada. Además, como resultado de la fragmentación de proteínas de autofagia inducida por caspasa, los fragmentos seleccionados pueden adquirir funciones proapoptóticas. Por ejemplo, la escisión de Beclin-1 puede producir un fragmento carboxi-terminal que puede localizarse en las mitocondrias y provoca la liberación del citocromo c.


Introducción

La autofagia es un proceso catabólico inducido por estrés que involucra al lisosoma (o, en la levadura, la vacuola análoga), que se conserva en todos los eucariotas (Esclatine et al., 2009 Klionsky, 2005). Según las diferentes vías por las que la carga llega al lisosoma o vacuola, la autofagia se divide en tres tipos principales: autofagia mediada por chaperones (CMA), microautofagia y macroautofagia (Klionsky, 2005). CMA es un proceso que se ha caracterizado en eucariotas superiores pero no en levadura. En CMA, una proteína chaperona se une primero a su sustrato citosólico diana y luego a un receptor en la membrana lisosomal donde ocurre el despliegue de la proteína. Posteriormente, la proteína diana citosólica desplegada se transloca directamente al lisosoma para su degradación (Massey et al., 2004). La microautofagia traslada los materiales citoplasmáticos al lisosoma o vacuola para su degradación por invaginación directa, protrusión o tabicación de la membrana lisosomal o vacuolar (Wang y Klionsky, 2004). La macroautofagia se caracteriza por la formación de una vesícula citosólica de doble membrana, el autofagosoma. Durante la macroautofagia, las proteínas citoplasmáticas, orgánulos u otros materiales están rodeados de fagóforos, que se expanden y se cierran para formar autofagosomas. Estos autofagosomas se fusionan con lisosomas (o vacuolas) para formar autolisosomas, en los que las cargas citoplasmáticas son degradadas por hidrolasas residentes. Los productos de degradación resultantes luego se transportan de regreso al citosol a través de la actividad de las permeasas de membrana para su reutilización (Klionsky, 2007) (Fig. 1). En la levadura Saccharomyces cerevisiae, la microautofagia envuelve los materiales citosólicos a través de un tubo autofágico, que luego se corta dentro de la vacuola para liberar el contenido en una vesícula dentro de la luz vacuolar para su degradación (Uttenweiler y Mayer, 2008) procesos similares a la microautofagia, como un tipo de degradación selectiva de peroxisomas, son ligeramente diferentes e implican el secuestro selectivo de la carga (Dunn et al., 2005). El proceso y mecanismo de la microautofagia en células de mamíferos aún no está claro (Cuervo, 2004). Entre las tres formas principales de autofagia, la macroautofagia es el proceso más estudiado y mejor caracterizado. Por tanto, en esta revisión nos centraremos en la macroautofagia, en lo sucesivo denominada autofagia.

Aunque la autofagia generalmente se considera inespecífica, hay muchos ejemplos de autofagia selectiva, que incluyen mitofagia (para mitocondrias), ribofagia (para ribosomas), pexofagia (para peroxisomas) y reticulofagia (para el retículo endoplásmico, ER) (He y Klionsky, 2009). Por el contrario, la vía de dirección de citoplasma a vacuola de levadura (Cvt) es una vía biosintética utilizada para transportar las hidrolasas vacuolares α-manosidasa y aminopeptidasa I (Ape1) desde el citosol a la vacuola en condiciones normales de crecimiento. Como la vía Cvt comparte la maquinaria central de la autofagia, que está compuesta por 17 proteínas relacionadas con la autofagia (Atg) que se encuentran en todas las vías de autofagia, también se define como un tipo de autofagia selectiva (Inoue y Klionsky, 2010 Lynch-Day y Klionsky, 2010).

La función principal de la autofagia es proteger las células en condiciones de estrés, como la inanición. Durante los períodos de inanición, la autofagia degrada los materiales citoplásmicos para producir aminoácidos y ácidos grasos que pueden usarse para sintetizar nuevas proteínas o son oxidados por las mitocondrias para producir ATP para la supervivencia celular (Levine y Yuan, 2005) (Fig.1). Sin embargo, cuando la autofagia es excesivamente inducida, puede resultar en muerte celular autofágica, la llamada muerte celular programada (PCD) tipo II (Fig.1), que es distinta de la PCD tipo I (apoptosis) y de la necrosis (Chen et al. ., 2010 Levine y Yuan, 2005 Maiuri et al., 2007 Platini et al., 2010). Además del manejo del estrés, la autofagia está involucrada en el desarrollo normal (Levine y Klionsky, 2004), la senescencia (Young et al., 2009), la extensión de la vida útil (Vellai et al., 2009), la inmunidad y la defensa contra la invasión microbiana (Deretic y Levine, 2009). La autofagia también tiene un papel en muchas patofisiologías humanas, como el cáncer, las miopatías, la neurodegeneración, las enfermedades cardíacas y hepáticas y los trastornos gastrointestinales (Klionsky, 2005 Mizushima et al., 2008).

La vía de la autofagia y su papel en la supervivencia y muerte celular. En presencia de un inductor de autofagia, los materiales citoplasmáticos, como los agregados de proteínas y los orgánulos, son secuestrados por una estructura de membrana pre-autofagosómica, el fagóforo. La membrana del fagóforo luego se expande y encierra su carga para formar una vesícula de doble membrana, el autofagosoma. El autofagosoma se fusiona con un lisosoma (o una vacuola en la levadura) para formar un autolisosoma, en el que la carga encerrada es degradada por hidrolasas ácidas. Una vez que las macromoléculas resultantes se transportan de regreso al citosol a través de las permeasas de membrana, pueden usarse para sintetizar proteínas o pueden ser oxidadas por las mitocondrias para generar ATP para la supervivencia celular. Sin embargo, cuando la autofagia ocurre en niveles excesivos o bajo ciertas condiciones fisiológicas, puede conducir a muerte celular programada tipo II (PCD tipo II). Consulte el texto para obtener detalles adicionales.

La vía de la autofagia y su papel en la supervivencia y muerte celular. En presencia de un inductor de autofagia, los materiales citoplasmáticos, como los agregados de proteínas y los orgánulos, son secuestrados por una estructura de membrana pre-autofagosómica, el fagóforo. La membrana del fagóforo luego se expande y encierra su carga para formar una vesícula de doble membrana, el autofagosoma. El autofagosoma se fusiona con un lisosoma (o una vacuola en la levadura) para formar un autolisosoma, en el que la carga encerrada es degradada por hidrolasas ácidas. Una vez que las macromoléculas resultantes se transportan de regreso al citosol a través de las permeasas de membrana, pueden usarse para sintetizar proteínas o pueden ser oxidadas por las mitocondrias para generar ATP para la supervivencia celular. Sin embargo, cuando la autofagia ocurre en niveles excesivos o bajo ciertas condiciones fisiológicas, puede conducir a muerte celular programada tipo II (PCD tipo II). Consulte el texto para obtener detalles adicionales.

Una conclusión fundamental que se puede extraer de la investigación sobre la autofagia es que este proceso debe estar estrictamente regulado; muy poca o demasiada autofagia puede ser perjudicial. En particular, si esperamos usar la autofagia con fines terapéuticos, será crucial comprender los detalles de sus procesos reguladores. La regulación de la autofagia ha sido ampliamente estudiada en los últimos años, y varias revisiones han resumido a fondo el progreso en esta área (Bassham, 2009 Cebollero y Reggiori, 2009 Esclatine et al., 2009 Fimia y Piacentini, 2010 He y Klionsky, 2009 Meijer y Codogno, 2009 Yang y Klionsky, 2010). Por tanto, en esta revisión, nos centraremos en algunas de las principales cuestiones pendientes.


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Hasta que la muerte nos separe: el matrimonio de la autofagia y la apoptosis

La autofagia es un proceso catabólico ampliamente conservado que es necesario para mantener la homeostasis celular en condiciones fisiológicas normales y hacer que la célula vuelva a este status quo en tiempos de inanición, hipoxia y estrés oxidativo. Las posibles similitudes y diferencias entre la autofagia basal y la autofagia inducida por estímulos aún se desconocen en gran medida. Ambos actúan eliminando material citoplasmático aberrante o innecesario, como proteínas mal plegadas, orgánulos supernumerarios y defectuosos. La relación entre las especies reactivas de oxígeno (ROS) y la autofagia es compleja. Las ROS celulares se derivan predominantemente de las mitocondrias. La autofagia se desencadena por este evento y, al eliminar los orgánulos defectuosos de manera efectiva, reduce las ROS celulares y, por lo tanto, restaura la homeostasis celular. Sin embargo, si no se puede alcanzar la homeostasis celular, las células pueden retroceder y elegir una respuesta de muerte celular regulada. Curiosamente, las máquinas de muerte autofágica y celular responden al mismo estrés y comparten proteínas reguladoras clave, lo que sugiere que las vías están intrincadamente conectadas. Aquí, la intersección entre autofagia y apoptosis se discute con un enfoque particular en el papel que desempeña ROS.

1. Introducción

La autofagia se descubrió en 1963 como un proceso de degradación mediado por lisosomas para componentes celulares no esenciales o dañados [1]. Desde entonces, el trabajo pionero en la levadura [2, 3] ha revelado que este proceso catabólico ampliamente conservado está altamente regulado y es un punto de integración crucial en la fisiología celular [4, 5]. Hay tres vías autofágicas principales que se ha demostrado que coexisten en células de mamíferos llamadas macroautofagia, microautofagia y autofagia mediada por chaperona (CMA). La macroautofagia implica la formación de una estructura de membrana doble llamada autofagosoma que se fusiona con el lisosoma transfiriendo así su contenido luminal para su degradación [6]. La microautofagia se refiere al proceso en el que las proteínas citosólicas son engullidas directamente por el lisosoma [7]. CMA, como su nombre indica, utiliza chaperonas citosólicas para llevar proteínas a la superficie de los lisosomas, después de lo cual se despliegan y cruzan la membrana lisosómica [8].

El tema de esta revisión es el proceso altamente conservado de macroautofagia, que de aquí en adelante se denominará "autofagia". Aunque más matizado en eucariotas superiores, muchos de los genes y procesos AuTophaGy (Atg) (descritos en la Figura 1) inicialmente definidos en la levadura se conservan [9, 10]. Este importante cuerpo de trabajo también ha dado lugar a la identificación de muchos tipos diferentes de autofagia selectiva. Por ejemplo, mitofagia, pexofagia y lipofagia representan la degradación lisosomal de mitocondrias, peroxisomas y lípidos, respectivamente. Dada esta amplia gama de sustratos, comprender los detalles moleculares de cómo se reconocen y procesan los diversos componentes está ahora a la vanguardia de la investigación de la autofagia [9]. Desafortunadamente, la reciente explosión de estudios publicados también ha dado lugar a una considerable confusión terminológica. Por ejemplo, el término autofagia canónica y no canónica se ha utilizado ampliamente en la literatura para describir eventos de autofagia que utilizan diferentes firmas moleculares [11-13]. Recientemente, los líderes en el campo han llegado a un consenso sobre cómo deberían llamarse estas firmas [10].

Como se indicó anteriormente, la autofagia mantiene la homeostasis celular en condiciones fisiológicas normales y en respuesta a estímulos exógenos.Los niveles elevados de especies de oxígeno reactivo intracelular (ROS) que surgen predominantemente de mitocondrias defectuosas también desencadenan la autofagia. A su vez, el aumento del flujo autofágico reduce las ROS mediante el consumo de orgánulos dañados (Figura 2). Por lo tanto, el exceso de ROS regula al alza el flujo autofágico y, a su vez, este proceso celular catabólico restaura los niveles fisiológicos de ROS. Como tal, la autofagia inducida por estímulos subyace y sostiene una respuesta adaptativa al estrés con funciones citoprotectoras. Sin embargo, cuando los niveles de ROS se vuelven abrumadores, se inicia una respuesta de muerte celular regulada no autofágica (RCD), lo que sugiere que las vías de autofagia y RCD están estrechamente vinculadas [14]. Actualmente no está claro cómo se realiza este cambio. En esta revisión, se discute la relación entre ROS, autofagia y muerte celular. Además, también se revisan los conocimientos actuales sobre la diafonía entre la autofagia y la apoptosis. Por último, las vías de muerte celular también han pasado por una clasificación de nomenclatura reciente [15]. A los efectos de esta revisión, se hará referencia al tipo de vía RCD por su subtipo. Por lo tanto, cuando me refiera a la apoptosis, a menos que se especifique lo contrario, me referiré a los mecanismos intrínsecos y extrínsecos.

2. El proceso de la autofagia

La palabra autofagia se deriva apropiadamente de las palabras griegas para uno mismo (auto) y comiendo (phagy). Es un proceso catabólico de múltiples pasos que actúa como una respuesta celular crítica a la privación de nutrientes y oxígeno. A partir de entonces, los aminoácidos libres, los ácidos grasos libres y el ATP se reciclan de nuevo al citoplasma para la síntesis de biomoléculas. En los mamíferos, hay cinco puntos de control clave, a saber, iniciación, nucleación, alargamiento y fusión lisosomal y degradación del contenido del autofagosoma. Estas etapas se describen en la Figura 1, y se remite al lector a muchas revisiones excelentes y recientes que brindan más detalles sobre el papel que desempeñan las proteínas individuales [16-18]. En resumen, la iniciación de las membranas preautofagosómicas, que pueden derivarse del retículo endoplásmico (RE) [19], comienza con la activación del complejo cinasa ULK1. Este complejo es activado por el estrés celular a través de la inhibición de mTORC y / o la activación de la proteína quinasa activada por AMP (AMPK) [20]. ULK1 fosforila Atg13 y Fip200 para formar un complejo ULK1 / 2-mAtg13-Fip200 que es estabilizado por Atg10 [16]. La activación de ULK1 promueve el reclutamiento de un complejo multiproteico con actividad de fosfatidilinositol 3-quinasa de clase III (PI3K). Este complejo consta de 4 proteínas que están estructuradas por Beclin-1, cuya función tras la liberación de la proteína antiapoptótica Bcl-2 es activar la proteína de clasificación vacuolar Vps34 [21]. La maduración de la membrana del autofagosoma en crecimiento requiere que los complejos recluten dos sistemas de conjugación similares a la ubiquitina. Ambos sistemas involucran el Atg7 similar a E1 [22, 23] que inicia la conjugación de LC3 con fosfatidiletanolamina (LC3 / PE) y Atg5 con Atg12. La incorporación de estos complejos en la membrana del autofagosoma es un proceso esencial. Asimismo, Atg4, la proteasa que escinde y por lo tanto activa LC3, requiere la formación del complejo LC3-PE [24]. Para finalizar el programa, el autofagosoma se fusiona con el lisosoma para formar el autofagolisosoma. La proteína SNARE Stx17 [25] es esencial para este proceso. Una vez completado, el contenido de los autofagosomas es degradado por las hidrolasas lisosomales que producen aminoácidos y lípidos para la síntesis y el metabolismo de proteínas y otros macromoleculares.

En la última década, se han revelado los mecanismos moleculares mediante los cuales se identifican los cargos y, en consecuencia, se secuestran dentro de los autofagosomas. Se comprende mejor el papel que desempeña la proteína adaptadora p62 en la mitofagia. Aquí, p62 se une a mitocondrias defectuosas y excedentes que están marcadas por ubiquitina, atrapándolas así en el autofagasoma uniéndose a la proteína marcadora del autofagosoma LC3 [26-28]. Más recientemente, se han caracterizado otros receptores selectivos de autofagia que incluyen Nbr1, Ndp52, Vcp y Optineurin y se remite al lector a revisiones recientes para obtener información más detallada [29, 30].

3. Balance ROS

No se comprende bien cómo las células deciden cambiar de la homeostasis celular a las vías apoptóticas tras el estrés de ROS. Comprender esto es fundamental, ya que muchos tipos de cánceres, especialmente los tumores establecidos, han adoptado la autofagia mejorada como un mecanismo para sobrevivir en entornos desfavorables. Como resultado, la inhibición autofágica representa una nueva herramienta terapéutica para conducir a las células a vías de muerte celular regulada (RCD) [31]. Sin embargo, una advertencia a este enfoque es que, aunque es raro, en algunos contextos, los componentes de la maquinaria de la autofagia se utilizan en las vías de muerte celular autofágica [15, 17, 32]. La muerte celular autofágica es otra área que se ha redefinido recientemente, cuyos detalles están más allá del alcance de esta revisión actual [10]. Dicho esto, esta reclasificación es importante ya que muchos estudios publicados sobre muerte celular autofágica pueden deberse a una maquinaria apoptótica defectuosa [33]. Sin embargo, la muerte celular autofágica, aunque rara, existe y se clasifica como un evento que debe ser retardado por inhibición farmacológica o genética de la autofagia. Dado el hecho de que múltiples componentes de la maquinaria de la macroautofagia tienen funciones independientes de la autofagia ([34] y ver más abajo), se recomienda que antes de atribuir etiológicamente un evento de muerte celular a la macroautofagia, la participación de al menos dos proteínas diferentes del aparato de macroautofagia se muestra que es obligatorio [10]. Hasta la fecha, tres tipos de muerte celular autofágica han cumplido con estos criterios más estrictos: autosis, ferroptosis y, más recientemente, necroptosis [17, 35, 36]. Paradójicamente, la pérdida de la autofagia también contribuye a la formación de tumores de novo, ya que la autofagia es necesaria para eliminar los materiales genotóxicos que previenen las transformaciones malignas [15]. De acuerdo con esta hipótesis, los modelos de ratón de caners impulsados ​​por oncogenes con autofagia defectuosa muestran un desarrollo tumoral acelerado. Sin embargo, los tumores eran benignos y la autofagia era esencial para la progresión a un estado más maligno [33]. El modelo preferido de estos estudios es que la autofagia inhibe el inicio de la tumorigénesis pero promueve la supervivencia de los tumores establecidos [37]. Más recientemente, sin embargo, en ciertos contextos, la presencia o ausencia de p53 y proteínas Atg clave dicta el crecimiento tumoral en ciertos modelos de ratón dirigidos por K-Ras [38]. Por lo tanto, la relación entre la autofagia, los genes supresores de tumores y los oncogenes ciertamente justifica estudios futuros.

3.1. ROS

ROS se clasifica como un grupo heterogéneo de moléculas generadas naturalmente en el metabolismo celular a partir del oxígeno diatómico [39]. El grupo incluye los radicales libres de oxígeno altamente reactivos (anión superóxido O2 -, radical hidroxilo OH -) y el oxidante no radical "difusible" estable, el peróxido de hidrógeno (H2O2). Su formación comienza con la reducción univalente de oxígeno para producir el radical superóxido O2 - (ver Figura 3). Esto ocurre predominantemente en las mitocondrias como resultado de la fuga de electrones durante la respiración normal en la cadena de transporte de electrones [40]. O2 - también se produce a partir de otras fuentes: en peroxisomas a través de β-oxidación de ácidos grasos y actividad de flavina oxidasa [41] en el retículo endoplásmico (RE) por oxidación de proteínas de oxígeno molecular [42] y por reducción enzimática de oxígeno molecular con xantina / xantina oxidasa, óxido nítrico sintasas (NOS) desacoplado, citocromo Las isoformas P-450 y las oxidasas dependientes de NADPH (NOX) son contribuyentes clave [39]. Como O2 - es altamente reactivo con la capacidad de convertirse en el radical OH tóxico -, se convierte rápidamente en el ROS H más estable y difusible en la membrana2O2 [43]. Esto ocurre de forma espontánea o mediante las acciones de superóxido dismutasas (SOD1 y SOD 2 [44]).

3.2. Antioxidantes

Cómo las células procesan el H intracelular2O2 está íntimamente ligado a su destino celular. Se puede convertir en agua (desintoxicación de ROS) o el radical hidroxilo genotóxico por diferentes enzimas. Por último, se puede utilizar como molécula de señalización en un proceso denominado señalización redox (Figura 3). La desintoxicación de ROS es ejecutada por una variedad de enzimas, los actores clave son la catalasa, las glutatión peroxidasas (GPX), las peroxiredoxinas, las glutatión peroxidasas (GSH-Px o GPx) y la tiorredoxina (TXN). Mientras que los PRX están asociados con H2O2 barrido, la familia de proteínas GPX (GPX1–8) cataliza la reducción de H2O2 a H2O oxidando el glutatión reducido (GSH) a disulfuro de glutatión (GSSG). De acuerdo con esto, la oxidación de GSH a GSSG da como resultado un desequilibrio redox intracelular que se refleja en una disminución de la relación GSH: GSSG [45]. Otros antioxidantes son la vitamina C, la vitamina E y los carotenoides. Conversión de H2O2 a los dañinos radicales hidroxilo libres se produce por la reacción de Fenton donde el hierro libre (Fe 2+) reacciona con H2O2. Este radical insoluble tiene un fuerte potencial oxidante y causa un daño oxidativo irreversible a prácticamente cualquier macromolécula celular en las proximidades de su producción [46, 47]. Por tanto, los niveles celulares de H2O2 y OH - se mantienen mediante un equilibrio entre las respuestas oxidante y antioxidante.

3.3. Papel de los factores de transcripción

El factor de transcripción Nrf2 (factor nuclear 2 relacionado con el factor eritroide 2) [48] desempeña un papel clave tanto en la desintoxicación de ROS, como en la prevención de la producción de OH - y el equilibrio redox [49]. Después de la exposición a oxidantes o electrófilos, Nrf2 se acumula en el núcleo donde regula al alza cuatro grupos de genes que codifican la desintoxicación y las enzimas antioxidantes. Estos incluyen los necesarios para la biosíntesis y el mantenimiento de GSH [50], tiorredoxina citosólica (TXN), tiorredoxina reductasa (TXNRD) y sulfiredoxina (SRXN), todos los cuales reducen los tioles proteicos oxidados [51]. Además, los estudios genómicos han revelado que Nrf2 regula más de 600 genes [52], incluidos los necesarios para la inhibición de la inflamación y la reparación o eliminación de proteínas dañadas. Esto ha dado lugar a que Nrf2 sea denominado "el regulador maestro de las respuestas antioxidantes" [53]. Como corresponde a esta función principal, la propia Nrf2 está estrechamente controlada por la proteólisis mediada por ubiquitina que se inhibe después del estrés oxidativo (ver más abajo para más detalles) [54].

Vale la pena mencionar que Nrf2 ayuda indirectamente a modular los niveles de ROS regulando la homeostasis del Fe (II) libre. Esto se logra mediante la regulación positiva de genes que codifican miembros del complejo de ferritina, que desintoxica el Fe (II) convirtiéndolo en Fe (III). Este complejo también secuestra el hierro dentro de su propia estructura que evita que sea accedido por la reacción de Fenton, reduciendo así la producción de radicales OH - de ROS [55, 56]. Dado este papel, no sorprende que el exceso de hierro pueda promover significativamente la tumorigénesis [57, 58]. Esto ha llevado a la aparición del uso de anticuerpos neutralizantes del receptor de transferrina o quelación del hierro para tratar el cáncer [59]. Sin embargo, los mecanismos moleculares por los que el exceso de hierro promueve la tumorigénesis siguen sin estar claros. Recientemente, el supresor de tumores p53 fue identificado como una proteína que puede ligar el hierro hemo usando una cadena lateral de cisteína. Esto promueve la exportación y degradación nuclear de p53 por proteólisis mediada por ubiquitina [60]. Por último, aunque más allá del alcance de esta revisión, es importante mencionar que otras familias de factores de transcripción, por ejemplo, Forkhead box O (FoxO) y factor nuclear-κB (NF-κB), también regulan la expresión de genes antioxidantes [53].

4. ROS como molécula de señalización

Desde la década de 1990, el modelo de que la producción de oxidante celular es inherentemente dañino ha sido reemplazado por un escenario más complejo en el que la producción de oxidante regulada funciona como importantes reguladores fisiológicos de las vías de señalización intracelular [61]. Estos incluyen la proliferación y diferenciación celular, así como los programas de respuesta al estrés [62]. Esta modificación postraduccional se logra mediante H2O2-Oxidación mediada por residuos de cisteína reactivos que se encuentran dentro de las proteínas de señalización sensibles a redox. Es importante destacar que esta reacción, en la que el grupo sulfhidrilo sufre desprotonación y oxidación, es reversible y se reduce fácilmente a cisteína reducida mediante sistemas enzimáticos (sistema tiorredoxina / tiorredoxina reductasa) o reacciones no enzimáticas (intercambio tiol / disulfuro). Esta reversibilidad proporciona el interruptor de encendido / apagado, un carácter que es esencial para la señalización. Un tema emergente es que las proteínas antioxidantes también participan activamente en la señalización redox [61]. Por ejemplo, catalizan la reducción de proteínas oxidadas, así como la unión a intermediarios de señalización, activando de ese modo efectores posteriores como p38 MAPK y la quinasa c-Jun N-terminal (JNK) [61]. Sin embargo, cuando los niveles de ROS no pueden alcanzar la homeostasis, el derivado de SOH reversible puede hiperoxidarse a SO irreversible y dañino.2Derivado de H [63].

Dado el potencial de esta modificación postraduccional para afectar una amplia gama de procesos celulares, se han utilizado enfoques proteómicos a gran escala para identificar proteínas que potencialmente poseen residuos de cisteína moduladores [64-66]. Los resultados identificaron muchas fosfatasas que son moléculas de señalización bien establecidas [67, 68]. Un estudio más reciente ha identificado que muchas proteínas mitocondriales contienen cisteínas potencialmente reactivas [69]. Curiosamente, aparte de la proteasa Atg4, no se identificaron otras proteínas de autofagia en estas pantallas. Sin embargo, dos grupos han propuesto que el superóxido actúa como una señal para activar la mitofagia al despolarizar la membrana interna mitocondrial. Estas mitocondrias despolarizadas se fragmentan y reclutan Park2, la ubiquitina ligasa mitofagia E3 [70, 71].

5. RNS como molécula de señalización

Aunque no es el tema de esta revisión, además de ROS, las células contienen especies reactivas de nitrógeno (RNS) principalmente en forma de óxido nítrico (NO -). El óxido nítrico es generado por las mitocondrias y actúa como una molécula de señalización celular en muchos procesos fisiológicos, incluida la biogénesis mitocondrial y la bioenergética [72, 73]. El NO - en sí mismo no es muy tóxico, ya que se elimina eficazmente mediante su rápida difusión a través de los tejidos hacia los glóbulos rojos, donde se convierte en nitrato por reacción con la oxihemoglobina [74]. Sin embargo, cuando tanto el superóxido O2 - y NO - se sintetizan dentro de unos pocos diámetros de células entre sí, se combinarán espontáneamente para formar peroxinitrito (ONOO -) que puede mediar el daño celular en una amplia gama de condiciones [75]. Pequeñas cantidades de peroxinitrito también pueden descomponerse espontáneamente para producir NO.2 - y el radical hidroxilo [76]. Al igual que ROS, el RNS puede añadir modificaciones postraduccionales a las proteínas mediante S-nitrosilación de cisteínas reactivas [77]. Es importante destacar que Drp1, la GTPasa que regula la fisión mitocondrial, se modifica postraduccionalmente de tal manera [78]. Además, varias proteínas que se unen a las proteínas centrales de fisión / fusión también contienen motivos sensibles a redox [79]. Tomados en conjunto, estos datos sugieren que RNS y ROS regulan la morfología mitocondrial a través de la modificación postraduccional.

6. Efecto directo de ROS sobre la autofagia

Está bien establecido que las ROS pueden inducir autofagia, ya que este es un mecanismo principal utilizado para desangrar las ROS celulares superfluas. A su vez, la autofagia reduce los niveles de ROS a medida que consume las mitocondrias dañadas, la principal fuente de ROS. Este "pas de deux" representa un mecanismo de retroalimentación negativa finamente ajustado por el cual la autofagia elimina la fuente de estrés oxidativo y protege a la célula del daño oxidativo. El aumento de ROS intracelulares que se acompaña de un aumento del flujo autofágico es desencadenado por muchos factores que incluyen inanición, hipoxia, TNFα (factor de necrosis tumoral α) y privación de NGF (factor de crecimiento nervioso) [80, 81]. De acuerdo con esto, los estudios han demostrado que el tratamiento de las células productoras con el eliminador de ROS N-acetilcisteína (NAC) disminuye tanto la producción celular de ROS como la autofagia, lo que implica la señalización del tiol redox como un importante regulador de la autofagia. Asimismo, exógenos H2O2 y suprimido NF-κLa activación B de mTOR imita estos efectos [82]. Estos hallazgos son consistentes con H2O2 los efectos están mediados por la producción de ROS y la señalización redox. Sin embargo, los detalles moleculares precisos sobre cómo ROS se cruza con la maquinaria autofágica aún no están claros. En los últimos años, ha surgido que el desequilibrio redox tiene un papel fundamental en la conducción del proceso. De acuerdo con esto, dos proteínas Atg4 y Keap1, que tienen papeles opuestos en la promoción o inhibición de la autofagia, respectivamente, están reguladas por señalización redox. Por último, la AMPK, que es un importante inductor de autofagia en respuesta a la inanición, también puede desempeñar un papel indirecto (ver Figura 4).

6.1. ATG4

Atg4 es la única proteína de mamífero cuya regulación redox ha demostrado ser necesaria para la progresión de la autofagia [24]. Atg4 es una proteasa que está activa en un entorno reductor donde escinde el dominio C-terminal de LC3. Esto permite la conjugación de LC3 con fosfoetanolamina (PE), que es un sello distintivo y necesario para la formación de autofagosomas. Tras la oxidación de un residuo de cisteína activo (C81), se inhibe la actividad de la proteasa, lo que aumenta la autofagia. Estos resultados se obtuvieron en 2007, y aunque también se ha especulado que otras enzimas involucradas en las etapas de iniciación y elongación de la formación de autofagosomas también pueden estar reguladas por señalización redox, no se ha reportado evidencia concreta.

6.2. AMPK

AMPK un regulador indirecto establecido de la autofagia [20, 83, 84]. Durante condiciones fisiológicas normales, la homeostasis celular se mantiene al igualar estrictamente la generación y el consumo de ATP. Cuando los niveles de ATP bajan, se reponen mediante el reciclaje autofágico de material citoplásmico innecesario, como proteínas mal plegadas, supernumerarios o orgánulos defectuosos [18]. La AMPK es fundamental para este proceso, ya que es un sensor de energía, que se activa al aumentar los niveles de ADP y AMP [84, 85]. Este desequilibrio AMP: ATP puede ser estimulado por múltiples tensiones, incluida la inanición de aminoácidos, la abstinencia de glucosa, la hipoxia y el H2O2 [86]. Dado este papel, no es sorprendente que AMPK esté regulada por el estado redox intracelular, siendo activada por Trx1 durante la falta de energía, lo que promueve el acceso de AMPK a dos residuos de cisteína clave en la subunidad catalítica [87]. Una vez activada, AMPK puede iniciar la autofagia de varias formas. Regula negativamente los componentes de la cascada de señalización de mTOR [88, 89] y activa directamente la quinasa ULK1 [90] (Figura 1). Además, en la levadura, se ha demostrado recientemente que después de la inanición de glucosa, el homólogo de AMPK Snf1 se recluta en la membrana mitocondrial externa, donde fosforila el homólogo de Atr Mec1. Esto es necesario para el reclutamiento de Atg1 (homólogo de ULK1), lo que permite que el módulo Snf1-Mec1-Atg1 mantenga la respiración mitocondrial iniciando la autofagia durante la inanición de glucosa [91]. Aunque los mecanismos moleculares aún no están claros, Atg1 puede mantener la respiración mitocondrial mediante la fosforilación directa o indirecta de proteínas mitocondriales clave que son esenciales para la respiración [91].

La inducción muy rápida de la autofagia después de la exposición a ROS sugiere que un cambio molecular rápido de encendido / apagado puede regular el inicio de la autofagia.Algunas investigaciones han implicado que la AMPK podría desempeñar un papel ya que, después de la hipoxia, se activa de forma independiente de AMP: ATP [92, 93]. En apoyo de un cambio rápido, está la observación de que después de la inducción de ROS, el GSH se excluye de las células. En consecuencia, esto permite la acumulación de proteínas sensibles a redox en su forma oxidada. Además, el GSH químicamente oxidado puede inducir autofagia en ausencia de un estímulo autofágico [94, 95]. Este resultado sirve para fortalecer el papel clave que juega la homeostasis redox en el compromiso de autofagia.

6.3. Otros

Otras proteínas también responden indirectamente al aumento de ROS celular. Estos incluyen el cuadro de grupo de alta movilidad 1 (Hmgb1, una proteína nuclear que se libera extracelularmente en respuesta a las citocinas), Ras y varias quinasas, Atm, Akt, Erk, JNK y Perk, por nombrar algunas [96]. En los últimos años, el papel que desempeñan estas proteínas en la regulación de la autofagia se ha vuelto cada vez más importante, ya que sus capacidades de señalización se han relacionado con la progresión de las células cancerosas [97]. Un ejemplo clásico es la señalización de Kras oncogénica, que es un impulsor establecido del adenocarcinoma ductal pancreático (PDAC). Más recientemente, se ha demostrado que el crecimiento tumoral depende de las entradas del estroma que se derivan de los fibroblastos del microambiente del tumor pancreático [98]. Estas observaciones han iniciado terapias de prueba que combinan un inhibidor de la autofagia establecido (cloroquina) con inhibidores de la quinasa [33].

6.4. Keap1 y p62

A diferencia de Atg4, la proteína 1 asociada a ECH similar a Kelch (Keap1) es una proteína sensible a redox que regula indirectamente de forma negativa la autofagia en respuesta a ROS [99]. Keap1 sirve como una proteína adaptadora de sustrato para el complejo de ubiquitina ligasa (Keap1) -Cullin 3 (Cul3) E3 [100]. En condiciones fisiológicas normales, este complejo es responsable de la rápida renovación del factor de transcripción Nrf2. Sin embargo, Keap1 está equipado con residuos de cisteína reactivos que, tras la exposición a oxidantes, provoca un cambio conformacional que deteriora su capacidad para atrapar Nrf2 para ubiquitilación y degradación [101]. La Nrf2 estable resultante luego se transloca al núcleo donde regula al alza los genes antioxidantes [102]. También se puede crear Nrf2 estable mediante la unión competitiva de p62 al sitio de unión de Nrf2 en Keap1. p62, como se mencionó anteriormente, es la proteína adaptadora autofágica que trae mitocondrias disfuncionales al fagosoma [103]. Por tanto, el aumento de los niveles de p62 libre activa la vía Nrf2. p62 es también un gen diana Nrf2, creando así un bucle regulador positivo [104]. p62 también promueve la expresión de otras proteínas de señalización, incluida la NF-κB y mTor1 [105, 106] y, por lo tanto, ha ganado notoriedad como centro de señalización [107]. Curiosamente, ninguna de estas funciones depende de los dominios de la región de p62 asociados con la ubiquitina o de interacción con LC3 [105], pero están vinculados a los niveles citosólicos de p62 que están regulados por autofagia a través de su dominio LIR que se une a LC3 en membranas autofagasómicas [105]. ]. Como los estudios in vivo han demostrado que la sobreexpresión de p62 es carcinogénica en el carcinoma hepatocelular [108], se ha sugerido que los niveles de p62 citosólico de mantenimiento homeostático contribuyen al resultado final del proceso tumorigénico [107]. Esto ha llevado a la idea de que un papel fundamental de la autofagia es prevenir el inicio de tumores impulsados ​​por p62 y la transformación maligna.

7. Autofagia y apoptosis: hasta que la muerte nos separe

Tanto la autofagia como la apoptosis responden a tensiones similares. Sin embargo, los mecanismos moleculares que dictan las decisiones sobre el destino de las células apenas están emergiendo. Lo sorprendente es que ahora se ha demostrado que las proteínas que originalmente se pensaba que eran necesarias para una sola vía desempeñan un papel en ambas. Por lo tanto, la decisión de cometer un suicidio celular después de un estrés puede estar controlada por muchos factores en lugar de un simple cambio molecular. Lo que también es evidente es que nuestra comprensión de cómo la apoptosis reutiliza la maquinaria ATG para promover la muerte celular supera con creces el conocimiento actual de cómo la autofagia inhibe la apoptosis. Esto es algo sorprendente ya que hay un gran número de ejemplos en la literatura en los que la autofagia protege contra la apoptosis. Los puntos sobresalientes de esta relación simbiótica se analizan a continuación y se resumen en la Figura 5. Se pueden encontrar más detalles en muchas revisiones excelentes y artículos originales citados allí [14, 109-112]. La abrumadora explosión reciente de datos ha servido para enfatizar que, como todos los matrimonios, la relación es compleja. Sin embargo, lo que está quedando claro es que, de manera narcisista, cada vía roba y adapta proteínas de la otra vía para promover su propio mecanismo.

7.1. Breve descripción de la apoptosis

El elenco de personajes que juegan un papel en la intersección de la apoptosis y la autofagia se derivan de dos vías apoptóticas distintas pero conectadas, la apoptosis intrínseca y extrínseca (descritas en la Figura 5) y descritas en muchas revisiones excelentes [113, 114], por lo que solo la los detalles más destacados se dan a continuación. los camino intrínseco se caracteriza por señales pro y anti-muerte que convergen en las membranas mitocondriales. En consecuencia, estos se permeabilizan (MOMP, permeabilización de la membrana externa mitocondrial), lo que conduce a la liberación de proteínas intermembrana mitocondriales, incluido el citocromo c. Se produce una muerte celular rápida, ya que MOMP desencadena tanto la activación de la caspasa en el apoptosoma como bloquea los inhibidores de la caspasa. Juntos, esto inicia una cascada de caspasas activas que escinden cientos de sustratos celulares y terminan en la desaparición celular. La familia de proteínas Bcl-2 consta de proteínas proapoptóticas y de supervivencia que juntas controlan la MOMP. En condiciones basales, las proteínas de supervivencia, Bcl-2, Bcl-XLy Mcl-1, inhiben MOMP de dos formas. Primero, se unen e inhiben directamente las proteínas efectoras proapoptóticas Bax y Bak, que forman los poros de la membrana mitocondrial. En segundo lugar, se unen a proteínas que solo contienen BH3, como Bim, lo que les impide activar Bax [115].

los extrínseco La vía de apoptosis mediada por receptores se desencadena por la unión de los receptores de muerte con sus ligandos afines. Esto estimula la agrupación de receptores, lo que resulta en el reclutamiento de proteínas adaptadoras citoplasmáticas, entre las que destaca Fadd. Fadd luego se asocia con la procaspasa-8, lo que conduce a la formación de un complejo de señalización inductor de muerte (DISC). Esto da como resultado la dimerización y activación catalítica de la caspasa-8, que luego puede escindir y activar directamente la caspasa-3 [116]. Tanto las vías intrínsecas como las extrínsecas dan como resultado la activación de la caspasa-3 que está relacionada con el inicio de la fase de ejecución de la apoptosis. La diafonía entre las dos vías está mediada por la escisión de caspasa-8 y la activación de BID. BID es un agonista de muerte del dominio que interactúa con BH3, cuyo producto (BID truncado tBID) es necesario en algunos tipos de células para la apoptosis inducida por el receptor de muerte [117].

7.2. Beclin-1 y Bcl-2

La relación mejor descrita entre las proteínas autofágicas y apoptóticas es la compleja relación entre Beclin-1, las proteínas antiapoptóticas, Bcl-2 [118] (más los miembros de la familia Mcl1-1 y Bcl-XL) y la proteína pro-muerte Bax [119]. En este ménage à trois Bcl-2 juega un papel clave ya que en condiciones fisiológicas normales, su interacción con Beclin-1 y Bax inhibe la autofagia y la apoptosis, respectivamente [118]. Actualmente, no existe consenso sobre los mecanismos moleculares que definen esta relación. Además, es complicado ya que hay dos grupos celulares distintos de Bcl-2, uno en el ER donde está unido a Beclin-1, [118, 120], y el otro en las mitocondrias donde está unido a Bax. En el modelo original, (modelo A, en la Figura 5) bajo condiciones de inducción de autofagia, una proteína de solo BH3, (ya sea Bik, Bad o Nova) se une competitivamente a Bcl-2, desplazándola así de Beclin-1 [118 , 121]. Este desplazamiento aumenta por la fosforilación de JNK1 de Bcl-2 y es necesario para que Beclin-1 active Vps34, lo que da como resultado la nucleación de una membrana de aislamiento que promueve la autofagia [122]. Como Bcl-2 tiene una mayor afinidad por Bax que Beclin-1, esta fosforilación de bajo nivel de Bcl-2 no es suficiente para que se disocie de Bax mitocondrial. Este movimiento de proapoptosis se produce si la señal de estrés se vuelve abrumadora y requiere hiperfosforilación de Bcl-2 [122].

Muchos inductores de autofagia también causan muerte celular, lo que llevó a David Vauz y sus colegas a desafiar este modelo. En una serie de elegantes experimentos genéticos y bioquímicos, su grupo demostró que, en ausencia de Bax y Bak, antagonizar o alterar los niveles de miembros de la familia Bcl-2 prosupervivencia no tiene un impacto detectable sobre la autofagia [121]. Esto sugiere entonces un modelo (modelo B en la Figura 5) en el que los efectos de Bcl-2 sobre la autofagia son una consecuencia indirecta de su inhibición de la apoptosis al asociarse con Bax y Bad. Por lo tanto, como Beclin-1 y Bcl-2 son reguladores clave de la autofagia y la apoptosis, respectivamente, es imperativo que se resuelvan estos modelos opuestos. Como parece ser el caso en muchos estudios, ambos modelos podrían ser correctos pero específicos al contexto.

7.3. Caspasas

Las caspasas son cisteína proteasas que tradicionalmente son los principales mediadores de la muerte celular apoptótica [123]. En los últimos años, se ha demostrado que cambian el equilibrio de la homeostasis celular hacia la apoptosis al desmantelar varias proteínas Atg clave, incluidas Atg3, Vps34 y Beclin-1. Las caspasas culpables son 3 y 8 que escinden miembros de PI3K (Vps34 y Beclin-1) y Atg3, respectivamente [124-126]. Es digno de mención que el producto proteolítico de Beclin-1 (y Atg5 escindido por caplain, ver más abajo) se trasloca a la membrana mitocondrial externa y exhibe una actividad proapoptótica [125, 127]. Por lo tanto, la maquinaria apoptótica no solo inactiva la autofagia, sino que también reutiliza las proteínas para promover la muerte celular. De acuerdo con este tema, la división de Beclin-1 es mejorada por Bax suprimiendo aún más la autofagia [127]. Como ni los fragmentos N- ni C-terminales de Beclin-1 pueden interactuar con Vps34, se ha demostrado que la escisión de Beclin-1 es un evento crítico por el cual las caspasas inhiben la autofagia [128, 129]. De acuerdo con esto, un mutante de Beclin-1 no escindible puede restaurar la autofagia [130].

Inesperadamente, también se ha demostrado que las caspasas también pueden promover la autofagia en ciertos contextos. Como se indicó anteriormente, la caspasa-8 es activada por DISC, una plataforma de señalización multiproteína. En ausencia de DISC, la caspasa-8 aún puede activarse a partir de la procaspasa-8 al ser reclutada en autofagosomas. Su localización en el autofagosoma se realiza mediante la unión al receptor de carga autofágica p62 o mediante una interacción entre la proteína adaptadora Fadd y Atg5 [128]. No está claro si este mecanismo promueve la apoptosis o las vías de autofagia, ya que ambos escenarios se han informado en la literatura en diferentes tipos de tumores [128, 131]. El escenario más probable es que estas funciones contradictorias probablemente sean específicas del contexto. Vale la pena atribuir la función que desempeña la caspasa-8 en el autofagosoma, ya que este mecanismo se ha aprovechado con éxito para hacer que las líneas celulares cancerosas respondan a un tratamiento farmacológico adicional [132].

También se ha informado que otras caspasas tienen funciones proautofágicas [133]. Al igual que la caspasa-8, su función de supervivencia para la supervivencia parece ser específica del contexto en la actualidad [134-136]. Para más detalles, remito al lector a una excelente revisión reciente [133]. Es necesario realizar más investigaciones para definir el mecanismo exacto por el cual estas caspasas ejecutan su función proautofágica. Resumir la relación de las caspasas con la apoptosis es sorprendentemente complejo, con diferentes caspasas que aumentan las vías de supervivencia o muerte [133].

7.4. Atg5 y Atg12

Atg5 y Atg12 son dos miembros de los sistemas de conjugación de tipo ubiquitina que son necesarios para la formación de autofagosomas. Como se indicó anteriormente, la proteína similar a la ubiquitina Atg12 se transfiere desde Atg7, la enzima similar a E1, a través de Atg10 (similar a E2) para formar una unión covalente con Atg5 [137-139]. El conjugado Atg12-5 es esencial para la autofagia. Más recientemente, han surgido roles de muerte procedimental tanto para Atg5 como para Atg12 en sus formas no conjugadas. Atg5 es escindido por caplains (que son cisteína proteasas activadas por estrés celular) y juega un papel clave en el inicio de la apoptosis [140]. Después de la escisión, el N-terminal de Atg5 se traslada a las mitocondrias, donde media la liberación del citocromo c al interactuar con Bcl-XL para promover la apoptosis [141]. Más recientemente, a la Atg12 no conjugada también se le ha atribuido una función de muerte por dos mecanismos independientes de la autofagia bastante separados. En primer lugar, el Atg12 libre se une e inactiva a los miembros de la familia Bcl-2 mitocondrial [142]. En segundo lugar, Atg12 puede conjugarse con Atg3 donde promueve la fusión mitocondrial y restringe la masa mitocondrial [143]. Por último, aunque no interviene en la mediación de la apoptosis, el conjugado Atg12-Atg3 promueve la autofagia basal y el tráfico endolisosómico [144]. En conjunto, estas observaciones sirven para demostrar la flexibilidad de reutilizar las proteínas Atg para diferentes roles que dependen de las circunstancias celulares. A pesar de estos descubrimientos, queda por ver si alguna o una combinación de estas interacciones representa un evento clave en el que la autofagia y la apoptosis divergen en respuesta a señales específicas.

8. Conclusiones

Esta revisión ha resumido cómo las células mantienen los niveles de ROS celulares y ha discutido la complicada relación entre la autofagia y la apoptosis. La última década ha sido testigo de una explosión de informes que ha llevado a una mayor comprensión de cómo se comunican estas vías. Es importante destacar que el tema principal que surge de estos estudios es que la relación entre la autofagia y la apoptosis está entrelazada, y las proteínas de ambas vías se reutilizan para el beneficio de la otra. Lo que también está surgiendo es que estos nuevos roles (también conocidos como trabajo nocturno) de proteínas cuyo “dia de trabajo”Están firmemente establecidos son, en muchos casos, específicos del contexto. Teniendo en cuenta que muchos regímenes quimioterapéuticos inhiben la apoptosis y / o la autofagia [5, 33, 97], es de gran importancia que tanto los mecanismos moleculares como la asignación de trabajos específicos del contexto se definan para estas proteínas multifuncionales.

Conflictos de interés

El autor declara que no hay conflicto de interés.

Expresiones de gratitud

El autor agradece a Randy Strich por la lectura crítica de este manuscrito. Katrina F. Cooper cuenta con el apoyo del Premio de los Institutos Nacionales de Salud (GM113196).

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Derechos de autor

Copyright & # x00A9 2018 Katrina F. Cooper. Este es un artículo de acceso abierto distribuido bajo la licencia de atribución de Creative Commons, que permite el uso, distribución y reproducción sin restricciones en cualquier medio, siempre que el trabajo original se cite correctamente.


Discusión

Hasta donde sabemos, el presente estudio es el primero en examinar la participación de la autofagia en la remodelación cíclica del endometrio humano durante el ciclo menstrual. Aunque la expresión de proteínas asociadas a la autofagia en tejidos endometriales humanos se ha descrito previamente [8, 9], se han realizado estudios sobre la participación de la autofagia en la remodelación cíclica del endometrio, el sitio de inducción de la autofagia y la asociación entre autofagia y apoptosis. aún no se ha informado. En el presente estudio, muestras de endometrio humano fueron inmunoteñidas para la proteína MAP1LC3A para determinar el sitio de autofagia en las células endometriales. Como se muestra en la Figura 1, la expresión de MAP1LC3A fue negativa a débilmente positiva en las células glandulares y estromales del endometrio durante la fase proliferativa. Por el contrario, se observó una tinción más fuerte para MAP1LC3A en las células glandulares durante la fase secretora, mientras que en las células estromales estaba presente una inmunorreactividad de MAP1LC3A débil. Estos hallazgos sugieren que la autofagia ocurre principalmente en las células glandulares del endometrio secretor durante el ciclo menstrual. Este patrón es similar a la observación previa de que se detectó apoptosis en el epitelio glandular de la fase secretora tardía y en el endometrio menstruante, mientras que se detectó muy poca apoptosis durante la fase proliferativa o al comienzo de la fase secretora [3-5]. Por tanto, la autofagia de las células endometriales puede estar implicada en la regulación del ciclo endometrial humano.

Para demostrar esta hipótesis, evaluamos si la autofagia estaba relacionada con la apoptosis en los tejidos del endometrio humano durante el ciclo menstrual. En el presente estudio, la autofagia de las células endometriales, evaluada por el nivel de MAP1LC3A-II, aumentó a medida que avanzaba la fase menstrual y alcanzó un nivel máximo durante la fase secretora tardía. Además, la expresión de la caspasa 3 escindida mostró el mismo patrón, lo que sugiere que la autofagia está estrechamente relacionada con la apoptosis de las células endometriales en el ciclo endometrial humano. Para confirmar aún más la relación entre la autofagia de las células endometriales y la apoptosis, se llevó a cabo la colocalización de MAP1LC3A y la caspasa 3 escindida en el endometrio humano. En el endometrio secretor, las capas de células glandulares positivas para MAP1LC3A exhibieron inmunorreactividad de caspasa 3 escindida intensa y agregada, mientras que las capas de células glandulares negativas para MAP1LC3A en el endometrio proliferativo mostraron inmunorreactividad de capa 3 escindida negativa o débil (figura 2C), lo que sugiere que la célula endometrial La autofagia puede estar directamente involucrada en la regulación del ciclo endometrial humano y está estrechamente relacionada con la inducción de la apoptosis.

Según estudios previos, la apoptosis de las células glandulares y estromales del endometrio durante el ciclo menstrual parece estar controlada por los esteroides ováricos estrógeno y progesterona, que representan los dos factores centrales de equilibrio en el endometrio humano. De hecho, bajo la influencia de los estrógenos, las células endometriales proliferan como resultado de la activación de genes antiapoptóticos inducida por estrógenos y la inhibición de genes proapoptóticos. Por otro lado, la progesterona, la principal hormona durante la fase secretora, inhibe la proliferación celular inducida por estradiol y los efectos antiapoptóticos en el epitelio endometrial [31-34]. En ausencia de implantación, una rápida disminución de estas hormonas induce la cascada menstrual que comienza con la contracción de todo el endometrio, que se caracteriza por la activación de factores proapoptóticos y la inducción de apoptosis [35, 36]. De manera similar, nuestros experimentos in vitro muestran que la expresión de MAP1LC3A-II y caspasa 3 escindida en células de Ishikawa tratadas con estrógeno solo (la fase proliferativa) aumentó con la adición de progesterona (la fase secretora) y con la eliminación de estrógeno y / o progesterona. (la fase menstrual). Además, nuestros resultados de inmunofluorescencia (Fig. 3C) y TEM (Fig. 3D) proporcionan evidencia directa de la inducción de autofagia correspondiente a la abstinencia tanto de estrógeno como de progesterona. Además, fueron visibles la acumulación de proteína MAP1LC3A-II y los cambios ultraestructurales en la autofagia típica, incluida la presencia de múltiples autofagosomas dentro de las células. Estos resultados indican que la autofagia de las células endometriales probablemente esté regulada por esteroides ováricos. La autofagia y apoptosis medidas por niveles de caspasa 3 escindida inmunofluorescente y MAP1LC3A-II aparecieron en el mismo patrón que en las células de Ishikawa (Fig. 3C). Tomados en conjunto, estos resultados indican que la autofagia de las células endometriales se induce principalmente durante la fase secretora y en el endometrio menstrual durante el ciclo menstrual, está regulada por esteroides ováricos y está estrechamente asociada con la apoptosis.

Se ha descrito previamente una correlación entre la autofagia y la apoptosis para las células cancerosas humanas [23-26] y las células ováricas, incluidas las células de la granulosa [37] y las células lúteas [22]. En estos informes, la inducción de apoptosis fue promovida por la acumulación de autofagosomas en el citoplasma. Este hallazgo sugiere que la autofagia puede inducir la muerte celular apoptótica.Además, la muerte de las células endometriales apoptóticas también puede ser inducida por autofagia durante el ciclo endometrial humano. Para confirmar esta hipótesis, tratamos células de Ishikawa endometriales privadas de suero con 3-MA o Baf A1 para inhibir o promover, respectivamente, la acumulación de autofagosomas. 3-MA inhibe la formación de autofagosomas mediante la inhibición de la actividad de las quinasas de fosfoinositido-3 de clase III, que están implicadas en la conversión de MAP1LC3A-I en MAP1LC3A-II [38, 39]. Por el contrario, Baf A1 provoca la acumulación de autofagosomas al reducir la eliminación de autofagosomas a través de la fusión con lisosomas, produciendo una morfología celular inicialmente compatible con la autofagia [40, 41]. De hecho, nuestros estudios de microscopía electrónica de transmisión e inmunofluorescencia revelaron que la acumulación de autofagosomas inducida por la inanición de suero en las células de Ishikawa disminuyó con 3-MA pero aumentó con Baf A1 (Fig. 5A). En estas condiciones, las tasas de muerte celular y apoptosis en las células de Ishikawa tratadas con Baf A1 fueron significativamente más altas que las de las células de Ishikawa tratadas con 3-MA. Estos datos indican que la acumulación de autofagosomas induce la muerte celular apoptótica de Ishikawa. Sin embargo, las tasas de muerte celular y apoptosis en las células de Ishikawa tratadas solo con inanición de suero no fueron más altas que las de las células de Ishikawa tratadas con 3-MA, aunque se observó que los autofagosomas se acumulaban en el citoplasma de las células privadas de suero. Este hallazgo sugiere que la acumulación de autofagosomas inducida por inanición de suero, por sí sola, puede no ser suficiente para promover la muerte de las células de Ishikawa por apoptosis. De manera similar, estudios previos encontraron que la muerte celular apoptótica fue promovida a través de la acumulación de una cantidad suficiente de autofagosomas y fue inducida por inanición prolongada de suero e inhibición lisosomal en células HeLa [25, 26]. Estos hallazgos sugieren que puede ser necesario un cierto nivel de acumulación de autofagosomas para promover la muerte de las células endometriales y la apoptosis.

La proporción de BAX a BCL2 se ha propuesto como el determinante crítico de la muerte celular apoptótica, de tal manera que BCL2 elevado extiende la supervivencia de las células, mientras que la expresión de BAX elevada acelera la muerte celular apoptótica [42, 43]. En el presente estudio, encontramos que la expresión de BAX aumentó sin un cambio en la expresión de BCL2 en las células de Ishikawa con acumulación de autofagosomas, lo que sugiere que el aumento en la proporción de BAX: BCL2 en las células de Ishikawa es inducido por la acumulación de autofagosomas. Además, la forma activa de la caspasa 3 (caspasa del verdugo) también aumentó con la acumulación de autofagosomas inducida por Baf A1. Por lo tanto, es posible que la acumulación de autofagosomas aumente la apoptosis de las células de Ishikawa a través del aumento de la expresión de BAX y la posterior activación de la caspasa. Además, nuestros resultados indican que la acumulación de autofagosomas indujo la muerte celular apoptótica dependiente de caspasa en las células endometriales, porque la muerte celular de Ishikawa inducida por Baf A1 fue prevenida por el inhibidor de pan-caspasa, Z-VAD-FMK. Tomados en conjunto, estos resultados sugieren que la autofagia probablemente juega un papel importante en la regulación de la muerte celular endometrial apoptótica al afectar la proporción BAX: BCL2 y la activación subsiguiente de caspasas.

En conclusión, la autofagia se induce principalmente en las células glandulares del endometrio humano durante la fase secretora del ciclo menstrual. La autofagia de las células endometriales (acumulación de autofagosomas) induce la muerte celular apoptótica a través de un aumento en la proporción BAX: BCL2 seguido de la activación de la caspasa.


Ver el vídeo: Sistemas Celulares de Degradación II: Autofagia macroautofagia (Mayo 2022).