Bei SäugetierenEdit
Es gibt mehrere Wege, durch die die Mitophagie in Säugetierzellen ausgelöst wird. Der PINK1- und Parkin-Weg ist bisher der am besten charakterisierte. Dieser Weg beginnt mit der Entschlüsselung des Unterschieds zwischen gesunden und geschädigten Mitochondrien. Ein 64-kDa-Protein, die PTEN-induzierte Kinase 1 (PINK1), ist für die Erkennung der Qualität von Mitochondrien verantwortlich gemacht worden. PINK1 enthält eine Zielsequenz für Mitochondrien (MTS) und wird in die Mitochondrien eingeschleust. In gesunden Mitochondrien wird PINK1 über den TOM-Komplex durch die äußere Membran und über den TIM-Komplex teilweise durch die innere Mitochondrienmembran importiert, so dass es die innere Mitochondrienmembran überspannt. Der Prozess des Imports in die innere Membran ist mit der Spaltung von PINK1 von 64-kDa in eine 60-kDa-Form verbunden. Anschließend wird PINK1 durch PARL in eine 52-kDa-Form gespalten. Diese neue Form von PINK1 wird durch Proteasen in den Mitochondrien abgebaut. Dadurch wird die PINK1-Konzentration in gesunden Mitochondrien in Schach gehalten.
In ungesunden Mitochondrien wird die innere Mitochondrienmembran depolarisiert. Dieses Membranpotential ist für den TIM-vermittelten Proteinimport notwendig. In depolarisierten Mitochondrien wird PINK1 nicht mehr in die innere Membran importiert, wird nicht von PARL gespalten und die PINK1-Konzentration in der äußeren Mitochondrienmembran steigt. PINK1 kann dann Parkin, eine zytosolische E3-Ubiquitin-Ligase, rekrutieren. Es wird angenommen, dass PINK1 die Parkin-Ubiquitin-Ligase an S65 phosphoryliert, was die Rekrutierung von Parkin in den Mitochondrien einleitet. Die Phosphorylierungsstelle von Parkin an S65 ist homolog zu der Stelle, an der Ubiquitin phosphoryliert wird. Durch diese Phosphorylierung wird Parkin aktiviert, indem es eine Dimerisierung, also einen aktiven Zustand, herbeiführt. Dies ermöglicht die Parkin-vermittelte Ubiquitinierung an anderen Proteinen.
Durch seine PINK1-vermittelte Rekrutierung an die mitochondriale Oberfläche kann Parkin Proteine in der äußeren Mitochondrienmembran ubiquitinieren. Zu diesen Proteinen gehören Mfn1/Mfn2 und mitoNEET. Die Ubiquitylierung von mitochondrialen Oberflächenproteinen führt dazu, dass Faktoren, die die Mitophagie einleiten, ins Spiel kommen. Parkin fördert die Ubiquitin-Kettenverknüpfungen an K63 und K48. Die K48-Ubiquitinierung leitet den Abbau der Proteine ein und könnte einen passiven mitochondrialen Abbau ermöglichen. Es wird angenommen, dass die Ubiquitinierung von K63 die Autophagie-Adaptoren LC3/GABARAP rekrutiert, die dann zur Mitophagie führen. Es ist noch unklar, welche Proteine für die Mitophagie notwendig und ausreichend sind und wie diese Proteine nach ihrer Ubiquitinierung die Mitophagie einleiten.
Zu den anderen Wegen, die die Mitophagie einleiten können, gehören die Mitophagie-Rezeptoren auf der Oberfläche der äußeren Mitochondrienmembran. Zu diesen Rezeptoren gehören NIX1, BNIP3 und FUNDC1. Alle diese Rezeptoren enthalten LIR-Konsensussequenzen, die LC3/GABARAP binden, was zum Abbau der Mitochondrien führen kann. Unter hypoxischen Bedingungen wird BNIP3 durch HIF1α hochreguliert. BNIP3 wird dann an seinen Serinresten in der Nähe der LIR-Sequenz phosphoryliert, was die LC3-Bindung fördert. FUNDCI ist ebenfalls hypoxieempfindlich, obwohl es unter normalen Bedingungen konstitutiv an der äußeren Mitochondrienmembran vorhanden ist
In Neuronen sind die Mitochondrien ungleichmäßig in der Zelle auf Bereiche mit hohem Energiebedarf verteilt, wie an Synapsen und Ranvier-Knoten. Diese Verteilung wird weitgehend durch den von Motorproteinen vermittelten Mitochondrientransport entlang des Axons aufrechterhalten. Es wird angenommen, dass die neuronale Mitophagie hauptsächlich im Zellkörper stattfindet, aber auch lokal im Axon an Stellen, die vom Zellkörper entfernt sind. Sowohl im Zellkörper als auch im Axon erfolgt die neuronale Mitophagie über den PINK1-Parkin-Weg. Die Mitophagie im Nervensystem kann auch transzellulär stattfinden, wobei geschädigte Mitochondrien in Axonen retinaler Ganglienzellen zum Abbau an benachbarte Astrozyten weitergegeben werden können. Dieser Prozess ist als Transmitophagie bekannt.
In HefeEdit
Mitophagie in Hefe wurde erstmals nach der Entdeckung von Yeast Mitochondrial Escape Genen (yme), insbesondere yme1, vermutet. Yme1 zeigte wie andere Gene der Familie ein erhöhtes Entweichen von mtDNA, war aber das einzige, das einen erhöhten mitochondrialen Abbau zeigte. Durch die Arbeit an diesem Gen, das das Entweichen von mtDNA vermittelt, entdeckten die Forscher, dass der mitochondriale Umsatz durch Proteine ausgelöst wird.
Weitere Erkenntnisse über die genetische Kontrolle der Mitophagie ergaben sich aus Studien über das Protein UTH1. Nach einem Screening nach Genen, die die Langlebigkeit regulieren, wurde in ΔUTH1-Stämmen eine Hemmung der Mitophagie festgestellt, die ohne Beeinträchtigung der Autophagie-Mechanismen auftrat. Diese Studie zeigte auch, dass das Uth1p-Protein notwendig ist, um Mitochondrien in die Vakuole zu transportieren. Dies deutet darauf hin, dass es ein spezialisiertes System für die Mitophagie gibt. Andere Studien untersuchten AUP1, eine mitochondriale Phosphatase, und fanden heraus, dass Aup1 Mitochondrien für die Beseitigung markiert.
Ein weiteres Hefeprotein, das mit der Mitophagie in Verbindung gebracht wird, ist ein mitochondriales inneres Membranprotein, Mdm38p/Mkh1p. Dieses Protein ist Teil des Komplexes, der K+/H+-Ionen durch die innere Membran austauscht. Deletionen dieses Proteins führen zu einer Schwellung, einem Verlust des Membranpotentials und einer mitochondrialen Fragmentierung.
Kürzlich wurde gezeigt, dass ATG32 (autophagy related gene 32) eine entscheidende Rolle bei der Hefe-Mitophagie spielt. Es ist in den Mitochondrien lokalisiert. Sobald die Mitophagie eingeleitet ist, bindet Atg32 an Atg11, und die Atg32-assoziierten Mitochondrien werden in die Vakuole transportiert. Wenn Atg32 ausgeschaltet wird, werden die Rekrutierung der Autophagie-Maschinerie und der Abbau der Mitochondrien gestoppt. Atg32 ist für andere Formen der Autophagie nicht notwendig.
Alle diese Proteine spielen wahrscheinlich eine Rolle bei der Erhaltung gesunder Mitochondrien, aber Mutationen haben gezeigt, dass eine Dysregulation zu einem selektiven Abbau von Mitochondrien führen kann. Ob diese Proteine zusammenarbeiten, Hauptakteure der Mitophagie sind oder Teil eines größeren Netzwerks zur Kontrolle der Autophagie sind, muss noch geklärt werden.