L'autofagia è un percorso molecolare fondamentale per la conservazione dell'omeostasi cellulare e dell'organismo. Gli interventi farmacologici e genetici che compromettono le risposte autofagiche promuovono o aggravano la malattia in una pletora di modelli sperimentali. Coerentemente, le mutazioni nei processi correlati all'autofagia causano gravi patologie umane. Qui, esaminiamo e discutiamo i dati preclinici che collegano la disfunzione dell'autofagia alla patogenesi dei principali disturbi umani tra cui il cancro, nonché disturbi cardiovascolari, neurodegenerativi, metabolici, polmonari, renali, infettivi, muscoloscheletrici e oculari.
Lo sbalorditivo aumento dell'aspettativa di vita che ha caratterizzato l'ultimo secolo si è progressivamente attenuato, fino a raggiungere un apparente plateau nell'ultimo decennio. Al contrario, l'invecchiamento aumenta la suscettibilità a molte malattie croniche, una condizione che rappresenta una grave minaccia per la stabilità socioeconomica dei paesi ad alto e basso reddito (Kehler, 2019 ; Melzer et al , 2020 ). Di conseguenza, si stima che le traiettorie della durata della vita umana e della durata della salute divergeranno nel prossimo futuro. Durante l'ultimo decennio, i ricercatori hanno cercato di proporre una visione olistica dei principi biologici alla base dei concetti generali di "salute" e "malattia" a livello cellulare e organismo, inquadrandoli in "segni distintivi" archetipici (Lopez-Otinet al , 2013 ; Kennedy ed altri , 2014 ; Lopez-Otin & Kroemer, 2021 ). Su queste basi è stato possibile separare i processi per eccellenza che operano per mantenere le singole cellule e le entità multicellulari in uno stato “sano”, da quelli che perturbano lo status quo di cellule e tessuti, accelerando così l'esordio clinico di malattie pericolose per la vita. malattie.
In questo contesto, il processo di autofagia può essere considerato un agente modificante la salute in buona fede (Choi et al , 2013 ; Mizushima & Levine, 2020 ). In effetti, un ampio corpus di prove dalla letteratura supporta la visione dell'autofagia come meccanismo pro-longevità (Morselli et al , 2009 ; Morselli et al , 2010 ; Rubinsztein et al , 2011 ; Kaushik & Cuervo, 2015b ; Madeo et al , 2015 ; Fernandez et al , 2018 ; Hansen et al , 2018; Leidal et al , 2018 ; Markaki et al , 2018 ) e come regolatore cardinale della forma fisica cellulare e dell'organismo in risposta a molteplici fonti di stress endogene o esogene (Mizushima, 2018 ; Morishita & Mizushima, 2019 ). Al contrario, si ritiene che la perdita di competenza nell'autofagia dipendente dal tempo contribuisca in modo critico al fenotipo invecchiato (Lopez-Otin et al , 2013 ; Kennedy et al , 2014 ; Lopez-Otin & Kroemer, 2021). Inoltre, molti dei cambiamenti dello stile di vita a cui è stato attribuito un ruolo positivo nella regolazione della longevità (tra cui la restrizione calorica e l'esercizio fisico) sono comunemente noti per la loro capacità di stimolare l'autofagia (Lopez-Otin et al , 2016 ).
L'autofagia è anche fondamentale per prevenire gli stress come uno dei principali guardiani del controllo di qualità nella cellula (Mancias & Kimmelman, 2016 ; Conway et al , 2020 ). Degno di nota, i percorsi dell'autofagia acquisiscono rilevanza fisiologica anche in condizioni basali non stressanti. In linea con questa nozione, l'autofagia partecipa direttamente alla regolazione dei programmi di sviluppo (Mizushima & Levine, 2010 ; Allen & Baehrecke, 2020 ), al mantenimento del potenziale di auto-rinnovamento delle cellule staminali (Chen et al , 2018c ; Dong et al , 2021a ), differenziazione cellulare e plasticità (Boya et al , 2018; Clarke & Simon, 2019 ). In accordo con questa nozione, la comparsa dello stato "malato" associato alla disregolazione dell'autofagia può verificarsi a seguito di alterazioni di questi aspetti centrali della biologia degli organismi multicellulari. In effetti, i tessuti composti principalmente da cellule che giacciono in uno stato post-mitotico/quiescente mostrano una maggiore sensibilità alla perdita della competenza autofagica.
Il termine "autofagia" si riferisce a percorsi molecolari compositi in cui i componenti intracellulari vengono convogliati nel compartimento lisosomiale per la degradazione e il riciclaggio. Ad oggi sono state descritte tre forme principali di autofagia (Galluzzi et al , 2017a ). La macroautofagia (d'ora in poi denominata autofagia; Riquadro 1) è una forma di autofagia in cui il carico cellulare viene sequestrato all'interno di una vescicola a doppia membrana, chiamata autofagosoma. La scelta del contenuto autofagosomico può procedere in modo relativamente non selettivo (noto come "autofagia di massa") o comportare l'eliminazione strettamente regolata dei singoli componenti cellulari (nota come "autofagia selettiva"), a seconda del fattore inducente (He & Klionsky, 2009 ; Sica et al .2015 ; Dikic & Elazar, 2018 ; Gohel et al , 2020 ). Al contrario, l'autofagia mediata da chaperone (CMA) opera come un tipo di autofagia esclusivo di proteine in cui le proteine portatrici di motivi simili a KFERQ vengono prima riconosciute dalla proteina cognata da shock termico HSPA8/HSC70 ed entrano nel lisosoma per la degradazione, dopo il legame LAMP2A (proteina di membrana associata al lisosomiale 2A) e traslocazione attraverso un canale formato dall'oligomerizzazione di questa proteina (Kaushik & Cuervo, 2018 ). Infine, la microautofagia comporta il sequestro del materiale cellulare (comprese le proteine contrassegnate da KFERQ o il contenuto citoplasmatico di massa) direttamente tramite invaginazioni membranose formate sulla superficie di endosomi o lisosomi tardivi (Sahu et al ,2011 ; Uytterhoeven et al , 2015 ; Mejlvang et al , 2018 ), in modalità ESCRT-dipendente (Sahu et al , 2011 ) o ESCRT-indipendente (McNally & Brett, 2018 ). Oltre a rappresentare l'effettore terminale della cascata dell'autofagia, il lisosoma opera come regolatore primario del processo autofagico, alla luce del suo ruolo attivo nel rilevamento e nella segnalazione dei nutrienti tramite il complesso 1 MTOR (meccanico bersaglio della rapamicina chinasi) (MTORC1)-TFEB (fattore di trascrizione EB) (Ballabio & Bonifacino, 2020 ).
L'autofagia canonica è un processo multifasico che prevede il reclutamento sequenziale e selettivo di proteine ATG (correlate all'autofagia) (Galluzzi et al , 2017a). L'inizio della cascata autofagica è fisiologicamente soggetto al controllo repressivo del complesso 1 (MTORC1) di MTOR (meccanistico target della rapamicina chinasi), che catalizza la fosforilazione inattivante di ATG13 e ULK1 (chinasi 1 attivante l'autofagia simile a unc-51). ULK1 e ATG13 si trovano in un complesso supramolecolare che contiene anche RB1CC1 (RB1-inducible coiled-coil 1) e ATG101, che coopera con ATG9 per promuovere la nucleazione dell'autofagosoma. L'azione inibitoria di MTORC1 è controbilanciata dalla protein chinasi attivata da AMP (AMPK), che risponde alla diminuzione dei livelli di ATP fosforilando ULK1 e BECN1 (Beclin 1). ULK1 favorisce la cascata autofagica facilitando l'attività della fosfatidilinositolo-3-chinasi di un complesso multiproteico formato da BECN1, PIK3C3/VPS34 (sottounità catalitica della fosfatidilinositolo-3-chinasi tipo 3), PIK3R4/VPS15 (subunità regolatoria fosfoinositide-3-chinasi 4), ATG14 e NRBF2 (fattore di legame del recettore nucleare 2). Sono stati identificati molteplici interattori regolatori del complesso BECN1-PIK3C3/VPS34, inclusi UVRAG (associata alla resistenza alle radiazioni UV), SH3GLB1 (dominio SH3 contenente simile a GRB2, endofilina B1) e AMBRA1 (autofagia e regolatore Beclin 1 1), che facilitano il attività catalitica di PIK3C3/VPS34, così come RUBCN (regolatore dell'autofagia del rubico) e BCL2 (regolatore dell'apoptosi BCL2), che lo inibiscono. La produzione di fosfatidilinositolo-3-fosfato (PtdIns3P), seguita dall'impegno delle proteine leganti PtdIns3P della famiglia WIPI (dominio ripetuto WD, fosfoinositide che interagiscono), è determinante per l'espansione dei fagofori. Questa fase è promossa da due distinti moduli di coniugazione simili all'ubiquitina. Il primo si basa sull'attività di ATG7 e ATG10 e consente l'accumulo di un complesso multiproteico composto da ATG5, ATG12 e ATG16L1 (16-like 1 correlato all'autofagia). Il secondo coinvolge ATG3, ATG4 e ATG7 ed è in definitiva responsabile della scissione dei membri delle proteine della famiglia Atg8, inclusi i mammiferi MAP1LC3/LC3 (catena leggera 3 della proteina 1 associata ai microtubuli) e la loro coniugazione con la fosfatidiletanolamina (PE). Lipidated LC3 (LC3-II; che viene impiegato sperimentalmente per quantificare l'autofagia compresi i mammiferi MAP1LC3/LC3 (catena leggera 3 della proteina 1 associata ai microtubuli) e la loro coniugazione con la fosfatidiletanolamina (PE). Lipidated LC3 (LC3-II; che viene impiegato sperimentalmente per quantificare l'autofagia compresi i mammiferi MAP1LC3/LC3 (catena leggera 3 della proteina 1 associata ai microtubuli) e la loro coniugazione con la fosfatidiletanolamina (PE). Lipidated LC3 (LC3-II; che viene impiegato sperimentalmente per quantificare l'autofagiain vitro e in vivo ) funge da recettore per le proteine contenenti la regione di interazione con LC3 (LIR), inclusi substrati autofagici e recettori come SQSTM1/p62 (sequestosoma 1). Alla chiusura del fagoforo, l'autofagosoma risultante si fonde con un lisosoma per formare un autolisosoma, culminando con la degradazione dei substrati autofagici da parte delle idrolasi lisosomiali acide. AKT1S1, AKT1 substrato 1; DEPTOR, dominio DEP contenente proteina che interagisce con MTOR; MLST8, proteina associata a MTOR, omologo LST8; RPTOR, proteina associata alla regolamentazione del complesso MTOR 1.
Le complesse reti molecolari che sono alla base di questi distinti percorsi autofagici, così come altre forme di autofagia canonica e non canonica che saranno menzionate in questa recensione, sono state oggetto di un'indagine approfondita e di un'ampia revisione negli ultimi anni (Dupont et al , 2017 ; Galluzzi et al , 2017a ; Dikic & Elazar, 2018 ; Kaushik e Cuervo, 2018 ; Chu, 2019 ; Kirkin & Rogov, 2019 ; Nakatogawa, 2020 ; Klionsky et al , 2021). Considerando che l'autofagia procede a una velocità basale (ma dipendente dal tipo di cellula) praticamente in tutte le cellule eucariotiche - inerente alla sua funzione di mantenimento nel ricambio di organelli superflui o danneggiati e proteine a lunga vita - si verifica un notevole aumento dell'entità della reazione autofagica disturbo dell'omeostasi intracellulare o ambientale (He & Klionsky, 2009 ; Mizushima & Komatsu, 2011 ). Da una prospettiva evolutiva, l'autofagia fornisce principalmente alle cellule la capacità di mantenere la vitalità in condizioni di carenza di nutrienti, conferendo alle cellule competenti per l'autofagia un vantaggio di sopravvivenza rispetto alle loro controparti difettose per l'autofagia (Galluzzi et al , 2014 ; Lahiri et al , 2019; Morishita e Mizushima, 2019 ). Questa nozione è pienamente supportata dalla scoperta che i topi carenti di autofagia del corpo intero subiscono la morte perinatale a causa della loro incapacità di resistere alla fame postnatale (Kuma et al , 2004 ; Komatsu et al , 2005 ; Kuma et al , 2017 ). Inoltre, prove approfondite generate da modelli preclinici di deficit autofagico parziale o tessuto-specifico hanno contribuito ad ampliare la rilevanza fisiologica di questo percorso per diversi aspetti della biologia degli organismi multicellulari (Kuma et al , 2017 ; Levine & Kroemer, 2019). Poiché la pressione selettiva si sposta dalla sopravvivenza cellulare individuale all'idoneità riproduttiva, tuttavia, la regolazione dell'autofagia cresce in complessità e l'esito della sovraregolazione dell'autofagia è meno prevedibile (Cherra & Chu, 2008 ). Ad esempio, l'autofagia può provocare la morte cellulare (Fairlie et al , 2020 ; Miller et al , 2020 ), contribuendo direttamente alla patogenesi di alcune malattie umane (p. es., danno da ischemia-riperfusione, atrofia neuronale e muscolare) (Galluzzi et al , 2018b ; Galluzzi et al , 2018c ; Patel & Karch, 2020 ; Pervaiz et al , 2020 ).
Il macchinario dell'autofagia partecipa alla comunicazione intercellulare, mediando i processi di secrezione proteica non canonica (una funzione indipendente dall'autofagia delle proteine autofagiche) (Ponpuak et al , 2015 ; Zahoor & Farhan, 2018 ), la regolazione delle cellule staminali residenti nei tessuti (Guan et al. al , 2013 ; Chang, 2020 ), modulazione delle funzioni delle cellule immunitarie (Deretic, 2021 ) e mantenimento dell'integrità della barriera tissutale (Galluzzi & Green, 2019 ; Levine & Kroemer, 2019). Ad esempio, nelle cellule dendritiche (DC) l'autofagia e la microautofagia svolgono l'importante ruolo di fornire proteine endogene ai compartimenti endosomiale/lisosomiali per l'immunosorveglianza mediata da molecole MHC di classe II (Balan et al , 2019 ; Kotsias et al , 2019 ) e il la biogenesi della microautofagia endosomiale è strettamente connessa alla produzione esosomica (Sahu et al , 2011). Come ancora un altro esempio, nelle cellule fagocitiche diversi componenti del macchinario dell'autofagia (incluso il complesso fosfatidilinositolo-3-chinasi [PtdIns3K], ma non ULK1 [chinasi 1 attivante l'autofagia simile a unc-51]) vengono reclutati nel monostrato membrana fagosomiale, in seguito al coinvolgimento dei recettori della superficie cellulare (ad es. TLR [recettori Toll-like]) da parte di molecole associate ai patogeni (Martinez et al , 2015 ), immunocomplessi (Henault et al , 2012 ) o fosfatidilserina esposta dalle cellule apoptotiche (Martinez et al . , 2011 ). Questo processo, definito come fagocitosi associata a LC3 (LAP) (Heckmann & Green, 2019), si basa squisitamente su CYBB/NOX2 (citocromo b-245, polipeptide beta), RUBCN (regolatore dell'autofagia del rubicone) e il dominio WD di ATG16L1 (16-like 1 correlato all'autofagia), che sono superflui per l'esecuzione dell'autofagia canonica (Martinez et al , 2015 ).
Le ripercussioni a più livelli dell'autofagia sull'omeostasi dell'organismo hanno stimolato notevoli sforzi verso l'identificazione di bersagli clinicamente attuabili per modulare il percorso autofagico per prevenire o curare malattie, in molteplici circostanze patologiche (Galluzzi et al , 2017c ). La nostra attuale comprensione del contributo dell'autofagia nei disturbi umani deriva principalmente da (i) l'implementazione di diversi modelli murini di carenza di autofagia (Kuma et al , 2004 ), attraverso i quali il ruolo dell'autofagia può essere interrogato su tutto il corpo, o in un modo specifico per il tipo di cellula e (ii) dalla scoperta che diversi componenti del meccanismo autofagico sono stati trovati mutati nelle malattie umane (van Beek et al ., 2018 ; Levine & Kroemer,