Nei mammiferiEdit
Ci sono diverse vie attraverso le quali la mitofagia è indotta nelle cellule dei mammiferi. Il percorso PINK1 e Parkin è, finora, il meglio caratterizzato. Questo percorso inizia decifrando la differenza tra mitocondri sani e mitocondri danneggiati. Una proteina di 64 kDa, PTEN-induced kinase 1 (PINK1), è stata implicata nel rilevamento della qualità mitocondriale. PINK1 contiene una sequenza di targeting mitocondriale (MTS) e viene reclutata nei mitocondri. Nei mitocondri sani, PINK1 viene importata attraverso la membrana esterna tramite il complesso TOM, e parzialmente attraverso la membrana mitocondriale interna tramite il complesso TIM, quindi attraversa la membrana mitocondriale interna. Il processo di importazione nella membrana interna è associato alla scissione di PINK1 da 64-kDa in una forma di 60-kDa. PINK1 viene poi scisso da PARL in una forma di 52-kDa. Questa nuova forma di PINK1 viene degradata dalle proteasi all’interno dei mitocondri. Questo mantiene la concentrazione di PINK1 sotto controllo nei mitocondri sani.
Nei mitocondri non sani, la membrana mitocondriale interna si depolarizza. Questo potenziale di membrana è necessario per l’importazione di proteine mediata da TIM. Nei mitocondri depolarizzati, PINK1 non viene più importato nella membrana interna, non viene scisso da PARL e la concentrazione di PINK1 aumenta nella membrana mitocondriale esterna. PINK1 può quindi reclutare Parkin, un’ubiquitina ligasi E3 citosolica. Si pensa che PINK1 fosforilizzi l’ubiquitina ligasi di Parkin a S65, che avvia il reclutamento di Parkin nei mitocondri. Il sito di fosforilazione di Parkin, a S65, è omologo al sito di fosforilazione dell’ubiquitina. Questa fosforilazione attiva Parkin inducendo la dimerizzazione, uno stato attivo. Questo permette l’ubiquitinazione mediata da Parkin su altre proteine.
A causa del suo reclutamento mediato da PINK1 sulla superficie mitocondriale, Parkin può ubiquitare le proteine nella membrana mitocondriale esterna. Alcune di queste proteine includono Mfn1/Mfn2 e mitoNEET. L’ubiquitilazione delle proteine di superficie mitocondriale porta fattori iniziatori della mitofagia. Parkin promuove i legami della catena di ubiquitina sia su K63 che su K48. L’ubiquitinazione di K48 avvia la degradazione delle proteine e potrebbe consentire la degradazione mitocondriale passiva. Si pensa che l’ubiquitinazione di K63 recluti gli adattatori dell’autofagia LC3/GABARAP che porteranno poi alla mitofagia. Non è ancora chiaro quali proteine siano necessarie e sufficienti per la mitofagia, e come queste proteine, una volta ubiquitate, inizino la mitofagia.
Altre vie che possono indurre la mitofagia includono i recettori della mitofagia sulla superficie esterna della membrana mitocondriale. Questi recettori includono NIX1, BNIP3 e FUNDC1. Tutti questi recettori contengono sequenze di consenso LIR che legano LC3/GABARAP che può portare alla degradazione dei mitocondri. In condizioni di ipossia BNIP3 è upregolato da HIF1α. BNIP3 viene poi fosforilato nei suoi residui di serina vicino alla sequenza LIR che promuove il legame con LC3. FUNDCI è anche sensibile all’ipossia, anche se è costitutivamente presente sulla membrana mitocondriale esterna in condizioni normali
Nei neuroni, i mitocondri sono distribuiti in modo disuguale in tutta la cellula in aree dove la domanda di energia è alta, come nelle sinapsi e nei nodi di Ranvier. Questa distribuzione è mantenuta in gran parte dal trasporto mitocondriale mediato dalla proteina motrice lungo l’assone. Mentre si pensa che la mitofagia neuronale avvenga principalmente nel corpo cellulare, si verifica anche localmente nell’assone in siti distanti dal corpo cellulare; sia nel corpo cellulare che nell’assone, la mitofagia neuronale avviene attraverso la via PINK1-Parkin. La mitofagia nel sistema nervoso può avvenire anche per via transcellulare, dove i mitocondri danneggiati negli assoni delle cellule gangliari della retina possono essere passati agli astrociti vicini per essere degradati. Questo processo è noto come trasmettofagia.
Nel lievitoEdit
La mitofagia nel lievito è stata presunta dopo la scoperta dei geni Yeast Mitochondrial Escape (yme), in particolare yme1. Yme1 come altri geni della famiglia ha mostrato un aumento della fuga del mtDNA, ma è stato l’unico a mostrare un aumento della degradazione mitocondriale. Attraverso il lavoro su questo gene che media la fuga di mtDNA, i ricercatori hanno scoperto che il turnover mitocondriale è innescato da proteine.
Si è scoperto di più sul controllo genetico della mitofagia dopo gli studi sulla proteina UTH1. Dopo aver eseguito uno screening per i geni che regolano la longevità, è stato trovato nei ceppi ΔUTH1 che c’era un’inibizione della mitofagia, che si è verificato senza influenzare i meccanismi di autofagia. Questo studio ha anche dimostrato che la proteina Uth1p è necessaria per spostare i mitocondri nel vacuolo. Questo ha suggerito che c’è un sistema specializzato per la mitofagia. Altri studi hanno esaminato AUP1, una fosfatasi mitocondriale, e hanno trovato che Aup1 contrassegna i mitocondri per l’eliminazione.
Un’altra proteina del lievito associata alla mitofagia è una proteina di membrana interna mitocondriale, Mdm38p/Mkh1p. Questa proteina fa parte del complesso che scambia ioni K+/H+ attraverso la membrana interna. Le delezioni di questa proteina causano gonfiore, perdita di potenziale di membrana e frammentazione mitocondriale.
Di recente, è stato dimostrato che ATG32 (gene 32 legato all’autofagia) gioca un ruolo cruciale nella mitofagia del lievito. È localizzato nei mitocondri. Una volta iniziata la mitofagia, Atg32 si lega ad Atg11 e i mitocondri associati ad Atg32 sono trasportati nel vacuolo. Il silenziamento di Atg32 ferma il reclutamento del macchinario dell’autofagia e la degradazione mitocondriale. Atg32 non è necessaria per altre forme di autofagia.
Tutte queste proteine hanno probabilmente un ruolo nel mantenere i mitocondri sani, ma le mutazioni hanno dimostrato che la disregolazione può portare a una degradazione selettiva dei mitocondri. Se queste proteine lavorano di concerto, sono attori principali nella mitofagia, o membri di una rete più grande per controllare l’autofagia rimane ancora da chiarire.