Mitofagi

Mitofagi är den selektiva nedbrytningen av mitokondrier genom autofagi . Det uppstår ofta till defekta mitokondrier efter skada eller stress. Processen med mitofagi beskrevs först för över hundra år sedan av Margaret Reed Lewis och Warren Harmon Lewis . Ashford och Porter använde elektronmikroskopi för att observera mitokondriella fragment i leverlysosomer 1962 , och en rapport från 1977 föreslog att "mitokondrier utvecklar funktionella förändringar som skulle aktivera autofagi." Termen "mitofagi" användes 1998.

Mitofagi är nyckeln till att hålla cellen frisk. Det främjar omsättningen av mitokondrier och förhindrar ansamling av dysfunktionella mitokondrier som kan leda till cellulär degeneration. Det förmedlas av Atg32 (i jäst) och NIX och dess regulator BNIP3 i däggdjur. Mitofagi regleras av PINK1 och parkinproteiner . Förutom det selektiva avlägsnandet av skadade mitokondrier krävs även mitofagi för att anpassa mitokondriella antal till förändrade cellulära metaboliska behov, för steady-state mitokondriell omsättning och under vissa cellulära utvecklingsstadier, såsom under cellulär differentiering av röda blodkroppar .

Roll

Organeller och bitar av cytoplasma sekvestreras och riktas mot nedbrytning av lysosomen för hydrolytisk nedbrytning genom en process som kallas autofagi. Mitokondriers metabolism leder till skapandet av biprodukter som leder till DNA-skador och mutationer. Därför är en frisk population av mitokondrier avgörande för cellers välbefinnande. Tidigare trodde man att riktad nedbrytning av mitokondrier var en stokastisk händelse, men ackumulerande bevis tyder på att mitofagi är en selektiv process.

Generering av ATP genom oxidativ fosforylering leder till produktion av olika reaktiva syrearter (ROS) i mitokondrierna och submitokondriella partiklar. Bildning av ROS som en mitokondriell avfallsprodukt kommer så småningom att leda till cytotoxicitet och celldöd. På grund av sin roll i ämnesomsättningen är mitokondrier mycket mottagliga för ROS-skador. Skadade mitokondrier orsakar en utarmning av ATP och frisättning av cytokrom c , vilket leder till aktivering av kaspaser och uppkomst av apoptos . Mitokondriell skada orsakas inte enbart av oxidativ stress eller sjukdomsprocesser; normala mitokondrier kommer så småningom att ackumulera oxidativ skada, kännetecken övertid, vilket kan vara skadligt för mitokondrierna såväl som för cellen. Dessa felaktiga mitokondrier kan ytterligare tömma cellen på ATP, öka produktionen av ROS och frigöra proapoptopiska proteiner såsom kaspaser.

På grund av risken för att ha skadade mitokondrier i cellen, är snabb eliminering av skadade och åldrade mitokondrier avgörande för att upprätthålla cellens integritet. Denna omsättningsprocess består av sekvestrering och hydrolytisk nedbrytning av lysosomen, en process som även kallas mitofagi.

Mitokondriell utarmning minskar ett spektrum av senescenseffektorer och fenotyper samtidigt som ATP-produktionen bevaras via förbättrad glykolys .

Vägar

Hos däggdjur

Det finns flera vägar genom vilka mitofagi induceras i däggdjursceller. PINK1 och Parkin - vägen är hittills den bästa karaktären. Denna väg börjar med att dechiffrera skillnaden mellan friska mitokondrier och skadade mitokondrier. Ett protein på 64 kDa, PTEN-inducerat kinas 1 (PINK1), har varit inblandat för att detektera mitokondriell kvalitet. PINK1 innehåller en mitokondriell målsekvens (MTS) och rekryteras till mitokondrierna. I friska mitokondrier importeras PINK1 genom det yttre membranet via TOM-komplexet och delvis genom det inre mitokondriella membranet via TIM-komplexet , så det sträcker sig sedan över det inre mitokondriella membranet. Processen för import till det inre membranet är associerad med klyvningen av PINK1 från 64-kDa till en 60-kDa-form. PINK1 klyvs sedan av PARL till en 52-kDa-form. Denna nya form av PINK1 bryts ned av proteaser i mitokondrierna. Detta håller koncentrationen av PINK1 i schack i friska mitokondrier.

I ohälsosamma mitokondrier blir det inre mitokondriella membranet depolariserat. Denna membranpotential är nödvändig för den TIM-medierade proteinimporten. I depolariserade mitokondrier importeras PINK1 inte längre till det inre membranet, klyvs inte av PARL och PINK1-koncentrationen ökar i det yttre mitokondriella membranet. PINK1 kan sedan rekrytera Parkin, ett cytosoliskt E3 ubiquitinligas . Man tror att PINK1 fosforylerar Parkin ubiquitinligas vid S65 vilket initierar Parkinrekrytering vid mitokondrierna. Fosforyleringsstället för Parkin, vid S65, är homologt med stället där ubiquitin är fosforylerat. Denna fosforylering aktiverar Parkin genom att inducera dimerisering, ett aktivt tillstånd. Detta möjliggör Parkin-medierad ubiquitination på andra proteiner.

På grund av dess PINK1-medierade rekrytering till mitokondriella ytan kan Parkin ubiquitylera proteiner i det yttre mitokondriella membranet. Några av dessa proteiner inkluderar Mfn1 / Mfn2 och mitoNEET . Ubiquityleringen av mitokondriella ytproteiner medför mitofagiinitierande faktorer. Parkin främjar ubiquitin-kedjekopplingar på både K63 och K48. K48 ubiquitination initierar nedbrytning av proteinerna och kan möjliggöra passiv mitokondriell nedbrytning. K63 ubiquitination tros rekrytera autofagi-adaptrar LC3/GABARAP som sedan kommer att leda till mitofagi. Det är fortfarande oklart vilka proteiner som är nödvändiga och tillräckliga för mitofagi, och hur dessa proteiner, när de väl är ubiquitylerade, initierar mitofagi.

Andra vägar som kan inducera mitofagi inkluderar mitofagireceptorer på den yttre mitokondriella membranytan. Dessa receptorer inkluderar NIX1, BNIP3 och FUNDC1 . Alla dessa receptorer innehåller LIR-konsensussekvenser som binder LC3/GABARAP vilket kan leda till nedbrytning av mitokondrierna. Under hypoxiska tillstånd uppregleras BNIP3 av HIF1α . BNIP3 fosforyleras sedan vid dess serinrester nära LIR-sekvensen som främjar LC3-bindning. FUNDCI är också hypoxikänslig, även om det är konstitutivt närvarande vid det yttre mitokondriella membranet under normala förhållanden

I neuroner är mitokondrier ojämnt fördelade i hela cellen till områden där energibehovet är högt, som vid synapser och noder av Ranvier . Denna distribution upprätthålls till stor del av motorproteinmedierad mitokondriell transport längs axonet . Medan neuronal mitofagi antas förekomma i första hand i cellkroppen , förekommer den också lokalt i axonet på platser som är avlägsna från cellkroppen; i både cellkroppen och axonet sker neuronal mitofagi via PINK1-Parkin-vägen. Mitofagi i nervsystemet kan också förekomma transcellulärt, där skadade mitokondrier i retinala gangliecellsaxoner kan överföras till närliggande astrocyter för nedbrytning. Denna process är känd som transmitofagi.

I jäst

Mitofagi i jäst antogs först efter upptäckten av jäst Mitochondrial Escape-gener (yme), specifikt yme1. Yme1, liksom andra gener i familjen, visade ökad flykt av mtDNA, men var den enda som visade en ökning av mitokondriell nedbrytning. Genom arbete med denna gen som förmedlar flykten av mtDNA, upptäckte forskare att mitokondriell omsättning utlöses av proteiner.

Mer upptäcktes om genetisk kontroll av mitofagi efter studier på proteinet UTH1. Efter att ha utfört en screening för gener som reglerar livslängden fann man i ΔUTH1-stammar att det fanns en hämning av mitofagi, vilket inträffade utan att påverka autofagimekanismerna. Denna studie visade också att Uth1p-proteinet är nödvändigt för att flytta mitokondrier till vakuolen. Detta antydde att det finns ett specialiserat system för mitofagi. Andra studier tittade på AUP1, ett mitokondriellt fosfatas, och fann att Aup1 markerar mitokondrier för eliminering.

Ett annat jästprotein associerat med mitofagi är ett mitokondriellt inre membranprotein, Mdm38p/Mkh1p. Detta protein är en del av komplexet som utbyter K+/H+-joner över det inre membranet. Borttagningar i detta protein orsakar svullnad, förlust av membranpotential och mitokondriell fragmentering.

Nyligen har det visat sig att ATG32 (autofagi-relaterad gen 32) spelar en avgörande roll vid jästmitofagi. Det är lokaliserat till mitokondrierna. När mitofagi är initierad, binder Atg32 till Atg11 och de Atg32-associerade mitokondrierna transporteras till vakuolen. Atg32-tystnad stoppar rekrytering av autofagimaskineri och mitokondriell nedbrytning. Atg32 är inte nödvändigt för andra former av autofagi.

Alla dessa proteiner spelar sannolikt en roll för att upprätthålla friska mitokondrier, men mutationer har visat att dysreglering kan leda till en selektiv nedbrytning av mitokondrier. Huruvida dessa proteiner fungerar tillsammans, är huvudaktörer inom mitofagi eller medlemmar i ett större nätverk för att kontrollera autofagi återstår att klarlägga.

Relation till sjukdom

Cancer

Från och med 2020 är mitofagins roll vid cancer inte helt klarlagd. Vissa modeller av mitofagi, såsom PINK1- eller BNIP3 -medierad mitofagi, har associerats med tumörsuppression hos människor och möss. Mitofagi associerad med NIX är däremot associerad med tumörfrämjande. 1920 Otto Warburg att vissa cancertumörer visar en metabol förändring mot glykolys . Detta kallas " Warburg-effekten ", där cancerceller producerar energi via omvandling av glukos till laktat, även i närvaro av syre (aerob glykolys). Trots nästan ett sekel sedan det först beskrevs, förblev många frågor obesvarade angående Warburg-effekten. Inledningsvis tillskrev Warburg denna metaboliska förändring till mitokondriell dysfunktion i cancerceller. Ytterligare studier inom tumörbiologi har visat att den ökade tillväxthastigheten i cancerceller beror på en överdriven glykolys (glykolytisk förskjutning), vilket leder till en minskning av oxidativ fosforylering och mitokondriell densitet. Som en konsekvens av Warburg-effekten skulle cancerceller producera stora mängder laktat. Överskottet av laktat frisätts sedan till den extracellulära miljön vilket resulterar i en minskning av det extracellulära pH-värdet. Denna försurning av mikromiljön kan leda till cellulär stress, vilket skulle leda till autofagi. Autofagi aktiveras som svar på en rad stimuli, inklusive näringsbrist, hypoxi och aktiverade onkogener. Det verkar dock som om autofagi kan hjälpa till att överleva cancerceller under förhållanden av metabolisk stress och det kan ge resistens mot cancerterapier som strålning och kemoterapi. Dessutom, i mikromiljön av cancerceller, finns det en ökning av hypoxi-inducerbar transkriptionsfaktor 1-alfa ( HIF1A ), vilket främjar uttryck av BNIP3 , en väsentlig faktor för mitofagi.

Parkinsons sjukdom

Parkinsons sjukdom är en neurodegenerativ störning som patologiskt kännetecknas av döden av de dopaminproducerande nervcellerna i substantia nigra . Det finns flera genetiska mutationer inblandade i Parkinsons sjukdom, inklusive förlust av funktion PINK1 och Parkin. Förlust av funktion i någon av dessa gener resulterar i ackumulering av skadade mitokondrier och aggregation av proteiner eller inklusionskroppar – vilket så småningom leder till neuronal död.

Mitokondrier dysfunktion tros vara inblandad i Parkinsons sjukdom patogenes. Vid spontan, vanligtvis åldranderelaterad Parkinsons sjukdom (icke genetiskt kopplad), orsakas sjukdomen vanligtvis av dysfunktionella mitokondrier, cellulär oxidativ stress, autofagiska förändringar och aggregation av proteiner. Dessa kan leda till mitokondriell svullnad och depolarisering. Det är viktigt att hålla de dysfunktionella mitokondrierna reglerade, eftersom alla dessa egenskaper kan induceras av mitokondriell dysfunktion och kan inducera celldöd. Störningar i energiskapande av mitokondrier kan orsaka cellulär degeneration, som de som ses i substantia nigra.

Tuberkulos

Tuberkulos är en smittsam sjukdom som orsakas av infektion med den luftburna patogenen Mycobacterium tuberculosis . Ny undersökning har visat att kronisk infektion av Mycobacterium tuberculosis i lungorna eller ex-vivo-infektion av icke-patogena mykobakterier ( M.bovis ) framkallar aktivering av den receptormedierade vägen för mitofagi. Här framkallas de receptormedierade mitofagivägarna genom NIX som uppregleras under M. tuberculosis-infektion. Framkallad NIX/BNIP3L-receptorrekrytering av LC3-molekyler som medierar bildning av fagofor som direkt uppslukar defekta mitokondrier