L’autofagia, che significa autoalimentazione, è un sistema di degradazione intracellulare in cui il carico indesiderato, come organelli vecchi o danneggiati, proteine non necessarie, così come agenti patogeni, viene digerito e il contenuto macromolecolare della digestione viene rilasciato nuovamente nel citosol. Descritta per la prima volta nel 1963 da Christian de Duve, l’autofagia comporta il sequestro degli organelli cellulari e del materiale citoplasmatico in vescicole a doppia membrana chiamate autofagosomi e la loro successiva consegna ai lisosomi per la degradazione da parte delle idrolasi lisosomiali.
Meccanismo dell’autofagia
L’autofagia negli eucarioti comprende tre diversi percorsi, ovvero la macroautofagia, la microautofagia e l’autofagia mediata da chaperoni. Anche se tutte e tre le vie, meccanicamente diverse, culminano nella degradazione lisosomiale del carico cellulare, la macroautofagia è la più studiata e viene qui discussa brevemente.
Schema che rappresenta il meccanismo dell’autofagia
Il meccanismo della macroautofagia è conservato tra gli eucarioti ed è caratterizzato dall’incapsulamento del carico cellulare in vescicole a doppia membrana chiamate autofagosomi. Nel lievito, la formazione di autofagosomi intorno al carico mirato è mediata da proteine legate all’autofagia (Atg) che sono reclutate gerarchicamente al sito di assemblaggio del fagoforo o alla struttura preautofagosomica (PAS). Alla PAS, i complessi di proteine iniziatrici facilitano la sintesi de novo di una struttura a doppia membrana chiamata fagoforo o membrana di isolamento, i cui componenti lipidici derivano dal sistema golgi-endosoma. Nei mammiferi, dove non è stata identificata una struttura PAS-simile distinta, sono noti più organelli cellulari, tra cui la membrana plasmatica, che servono come origine per l’assemblaggio di un fagoforo. Dopo il reclutamento di altre proteine Atg, la membrana di isolamento si estende in un fagoforo, che alla fine si fonde alle sue estremità libere per formare un autofagosoma, che ora circonda e sequestra il carico. Una volta formati, gli autofagosomi subiscono un processo di maturazione mentre vengono trasportati lungo la via endocitica, prima di fondersi con i lisosomi per formare gli autofagolisosomi. Il carico cellulare consegnato dagli autofagosomi viene poi degradato dagli enzimi idrolitici dei lisosomi e i prodotti della degradazione vengono rilasciati nuovamente nel citoplasma per l’uso cellulare. Nella microautofagia, il lisosoma ingloba direttamente porzioni del citoplasma, mentre nell’autofagia mediata da chaperoni, specifiche proteine chaperone si legano al carico e lo trasportano attraverso la membrana lisosomiale per la degradazione
Rilevanza fisiologica dell’autofagia
L’autofagia è sia un sistema di gestione dello stress che un mezzo di controllo omeostatico nelle cellule, ed è quindi regolata in modo diverso in varie condizioni cellulari. Per esempio, nelle cellule che funzionano normalmente in condizioni di assenza di stress, un livello basale di autofagia assicura che gli organelli e le proteine vecchie e danneggiate siano rapidamente digerite e che il contenuto della digestione sia riciclato nuovamente nel citosol, in modo che la disponibilità di componenti cellulari sia regolata per varie funzioni cellulari. Ma, in risposta a vari tipi di stress cellulare come la fame di nutrienti, lo stress ossidativo, le radiazioni o la terapia antitumorale, il macchinario autofagico viene sovraregolato per disintossicare rapidamente le cellule e per aumentare il riciclaggio dei componenti cellulari per tenere il passo con la funzione cellulare intensificata. Inoltre, nella fisiologia normale e in condizioni patologiche, l’autofagia è nota per svolgere un ruolo diretto nell’inibire l’apoptosi regolando le interazioni tra la proteina autofagica Beclin-1 e il regolatore dell’apoptosi Bcl-2. Tuttavia, in assenza di una rigorosa regolazione spazio-temporale, l’autofagia eccessiva può funzionare come una via alternativa di morte cellulare. Pertanto, l’autofagia disregolata è stata associata all’insorgenza e alla progressione di malattie come il cancro, i disturbi neurodegenerativi e autoimmuni, e molti altri.
Stress meccanico e autofagia
Quando l’autofagia agisce come un meccanismo pro-sopravvivenza indotto principalmente dallo stress, può essere naturalmente regolata da sollecitazioni meccaniche come la compressione, lo stiramento o lo stress di taglio dovuto al flusso di liquidi. Coerentemente con questo, una serie di studi ha evidenziato come le cellule rispondono agli stress meccanici regolando i livelli di autofagia e come questo potrebbe avere implicazioni sia in condizioni fisiologiche che fisiopatologiche. Per esempio, in risposta a uno stimolo meccanico come l’esercizio fisico, la capacità di mineralizzazione degli osteoblasti meccano-sensibili viene stimolata, portando a una maggiore formazione e rimodellamento delle ossa. In relazione a ciò, studi recenti sulla linea cellulare UMR-106 di osteoblasti di ratto hanno mostrato un aumento dell’autofagia durante la mineralizzazione e hanno suggerito un legame tra bassa densità ossea e carenza della proteina di autofagia Atg5 . Tali studi sono indicativi del ruolo dell’autofagia nella regolazione del rimodellamento osseo in risposta a stimoli meccanici.
Un altro studio recente ha dimostrato che le cellule inducono l’autofagia in risposta a sollecitazioni di compressione. In seguito all’applicazione di forze di compressione fino a 1kPa, che rientra nella gamma delle normali forze fisiologiche sperimentate dalle cellule, c’è stato un aumento transitorio del tasso di formazione degli autofagosomi. Questo aumento transitorio è stato suggerito per funzionare come un sistema di gestione dello stress cellulare fino a quando la cellula è in grado di adattarsi ai cambiamenti fisici nel loro ambiente. D’altra parte, eccessivi stress meccanici possono avere un effetto opposto, portando alla soppressione dell’autofagia. In un recente studio di Carames et al, espianti di cartilagine umana e di topo sottoposti a lesioni meccaniche ad alto impatto hanno subito una morte cellulare, che è stata associata a una significativa diminuzione dell’espressione dei marcatori di autofagia. È interessante notare che la stimolazione farmacologica dell’autofagia da parte della rapamicina ha protetto dalla morte cellulare, evidenziando l’interazione tra autofagia e stress meccanico nel mantenimento di cellule sane.