Autofagie, wat zelf-eten betekent, is een intracellulair afbraaksysteem waarbij ongewenste ladingen, zoals oude of beschadigde organellen, onnodige eiwitten en ziekteverwekkers, worden verteerd en de macromoleculaire inhoud van de vertering weer wordt vrijgegeven in het cytosol. Voor het eerst beschreven in 1963 door Christian de Duve , autofagie omvat de sekwestratie van celorganellen en cytoplasmatisch materiaal in dubbel-membraan blaasjes genaamd autofagosomen en hun daaropvolgende levering aan de lysosomen voor degradatie door de lysosomale hydrolasen .
Mechanisme van autofagie
Autofagie in eukaryoten bestaat uit drie verschillende routes, namelijk macro-autofagie, micro-autofagie en chaperonne-gemedieerde autofagie. Hoewel alle drie de mechanistisch verschillende wegen uitmonden in de lysosomale afbraak van cellulaire lading, is macro-autofagie de meest uitvoerig bestudeerde en wordt hier kort besproken.
Schematische weergave van het mechanisme van autofagie
Het mechanisme van macro-autofagie is geconserveerd onder eukaryoten en wordt gekenmerkt door de inkapseling van cellulaire lading in dubbel-membraan vesikels die autofagosomen worden genoemd. In gist wordt de vorming van autofagosomen rond de geviseerde lading gemedieerd door autofagie-gerelateerde (Atg) eiwitten die hiërarchisch gerekruteerd worden naar de fagofoor-assemblageplaats of de preautofagosomale structuur (PAS). Op de PAS vergemakkelijken initiërende eiwitcomplexen de de novo synthese van een dubbele membraanstructuur die een fagofoor of een isolatiemembraan wordt genoemd, waarvan de lipidecomponenten afkomstig zijn van het golgi-endosoom systeem. Bij zoogdieren, waar geen aparte PAS-achtige structuur is geïdentificeerd, zijn meerdere cellulaire organellen, waaronder het plasmamembraan, bekend die als oorsprong dienen voor de assemblage van een fagofoor. Na het rekruteren van andere Atg-eiwitten wordt de isolatiemembraan uitgebreid tot een fagofoor, die uiteindelijk aan de vrije uiteinden samensmelt om een autofagosoom te vormen, dat nu de lading omgeeft en vasthoudt. Eenmaal gevormd ondergaan autofagosomen een rijpingsproces terwijl ze langs de endocytische route worden getransporteerd, alvorens met de lysosomen te fuseren om autofagolysosomen te vormen. De cellulaire lading die door de autofagosomen wordt afgeleverd, wordt vervolgens afgebroken door de hydrolytische enzymen van de lysosomen en de afbraakproducten komen weer vrij in het cytoplasma voor gebruik door de cel.
De andere twee autofagie-paden vereisen niet de vorming van een autofagosoom. Bij micro-autofagie slokt het lysosoom rechtstreeks delen van het cytoplasma op, terwijl bij chaperongemedieerde autofagie specifieke chaperon-eiwitten zich aan de lading binden en deze over het lysosomale membraan transporteren voor afbraak.
Physiologische relevantie van autofagie
Autofagie is zowel een stress-management systeem als een middel voor homeostatische controle in cellen, en wordt daarom verschillend gereguleerd onder verschillende cellulaire condities. Bijvoorbeeld, in cellen die normaal functioneren onder stressvrije omstandigheden, zorgt een basaal niveau van autofagie ervoor dat oude, beschadigde organellen en eiwitten snel worden verteerd en dat de inhoud van de vertering wordt gerecycled terug in het cytosol, zodat de beschikbaarheid van cellulaire componenten wordt geregeld voor verschillende cellulaire functies. Maar als reactie op verschillende soorten cellulaire stress, zoals nutriëntenhonger, oxidatieve stress, straling of antikankertherapie, wordt de autofagische machinerie opgevoerd om cellen snel te ontgiften en de recycling van cellulaire componenten op te voeren om de intensievere celfunctie bij te kunnen houden. Bovendien is bekend dat autofagie, zowel in de normale fysiologie als in pathologische omstandigheden, een directe rol speelt bij het remmen van apoptose door de interacties tussen het autofagie-eiwit Beclin-1 en de apoptoseregelaar Bcl-2 te reguleren. Echter, in afwezigheid van strikte spatio-temporele regulering, kan overmatige autofagie functioneren als een alternatieve celdood route. Daarom wordt ontregelde autofagie in verband gebracht met het ontstaan en de progressie van ziekten zoals kanker, neurodegeneratieve en auto-immuunziekten, en nog veel meer.
Mechanische stress en autofagie
Wanneer autofagie fungeert als een pro-overlevingsmechanisme dat primair wordt geïnduceerd door stress, kan het op natuurlijke wijze worden gereguleerd door mechanische spanningen zoals compressie, stretching of afschuifspanning als gevolg van vloeistofstroming. In overeenstemming hiermee hebben een aantal studies aangetoond hoe cellen reageren op mechanische stress door de autofagie niveaus te reguleren en hoe dit implicaties kan hebben in zowel fysiologische als pathofysiologische omstandigheden. Bijvoorbeeld, als reactie op een mechanische stimulus zoals lichaamsbeweging, wordt de mineralisatiecapaciteit van mechanisch-gevoelige osteoblasten gestimuleerd, wat leidt tot verbeterde botvorming en remodellering. In verband hiermee hebben recente studies op de UMR-106 rat osteoblast cellijn een toename van autofagie tijdens mineralisatie aangetoond en een verband gesuggereerd tussen lage botdichtheid en deficiëntie van het autofagie eiwit Atg5 . Dergelijke studies zijn indicatief voor de rol van autofagie bij het reguleren van botopbouw in reactie op mechanische stimuli.
Een andere recente studie heeft aangetoond dat cellen autofagie induceren in reactie op drukspanningen. Na toepassing van drukkrachten tot 1kPa, wat binnen het bereik ligt van normale fysiologische krachten die door cellen worden ervaren, was er een voorbijgaande toename in de snelheid van autofagosoomvorming. Deze tijdelijke toename zou functioneren als een cellulair stressmanagementsysteem totdat de cel in staat is zich aan te passen aan fysieke veranderingen in zijn omgeving. Anderzijds kunnen buitensporige mechanische belastingen een tegengesteld effect hebben en leiden tot onderdrukking van autofagie. In een recente studie van Carames et al., ondergingen menselijke en muiskraakbeendexplantaten die blootgesteld werden aan hoge mechanische impactletsels, celdood, wat gepaard ging met een significante daling van de expressie van autofagie-merkers. Interessant is dat farmacologische stimulatie van autofagie door rapamycine beschermde tegen celdood, wat de interactie tussen autofagie en mechanische stress in het behoud van gezonde cellen benadrukt.