Bij zoogdierenEdit
Er zijn verschillende wegen waarlangs mitofagie in zoogdiercellen wordt geïnduceerd. De PINK1- en Parkin-route is tot dusver het best gekarakteriseerd. Deze route begint met het ontcijferen van het verschil tussen gezonde mitochondriën en beschadigde mitochondriën. Een 64-kDa eiwit, PTEN-geïnduceerd kinase 1 (PINK1), is betrokken bij het opsporen van de kwaliteit van mitochondriën. PINK1 bevat een mitochondriale targeting sequentie (MTS) en wordt naar de mitochondriën gerekruteerd. In gezonde mitochondriën wordt PINK1 via het TOM-complex door het buitenmembraan geïmporteerd, en gedeeltelijk via het TIM-complex door het binnenste mitochondriale membraan, zodat het vervolgens het binnenste mitochondriale membraan overspant. Het proces van import in de binnenmembraan gaat gepaard met de splitsing van PINK1 van 64-kDa in een 60-kDa vorm. PINK1 wordt vervolgens door PARL gesplitst in een 52-kDa-vorm. Deze nieuwe vorm van PINK1 wordt door proteasen in de mitochondriën afgebroken. Dit houdt de concentratie van PINK1 in gezonde mitochondriën onder controle.
In ongezonde mitochondriën raakt de binnenste mitochondriale membraan gedepolariseerd. Deze membraanpotentiaal is noodzakelijk voor de TIM-gemedieerde eiwitimport. In gedepolariseerde mitochondria wordt PINK1 niet langer geïmporteerd in de binnenste membraan, wordt het niet gekliefd door PARL en stijgt de PINK1 concentratie in de buitenste mitochondriale membraan. PINK1 kan dan Parkin rekruteren, een cytosolisch E3 ubiquitine ligase. Aangenomen wordt dat PINK1 het Parkin ubiquitin ligase fosforyleert op S65, waardoor de rekrutering van Parkin in de mitochondriën begint. De fosforyleringsplaats van Parkin, op S65, is homoloog met de plaats waar ubiquitine wordt gefosforyleerd. Deze fosforylering activeert Parkin door het induceren van dimerisatie, een actieve toestand. Hierdoor kan Parkin andere eiwitten ubiquitineren.
Door zijn PINK1-gemedieerde rekrutering aan het mitochondriale oppervlak kan Parkin eiwitten in het buitenste mitochondriale membraan ubiquityleren. Enkele van deze eiwitten zijn Mfn1/Mfn2 en mitoNEET. De ubiquitylering van mitochondriale oppervlakte-eiwitten zorgt voor mitofagie-initiërende factoren. Parkine bevordert ubiquitineketenkoppelingen op zowel K63 als K48. K48 ubiquitinering initieert de degradatie van de eiwitten, en zou passieve mitochondriale degradatie mogelijk kunnen maken. Van K63 ubiquitinatie wordt gedacht dat het de autofagie-adapters LC3/GABARAP recruteert, die vervolgens tot mitofagie zullen leiden. Het is nog onduidelijk welke eiwitten noodzakelijk en voldoende zijn voor mitofagie, en hoe deze eiwitten, eenmaal ubiquitylated, mitofagie in gang zetten.
Andere routes die mitofagie kunnen induceren omvatten mitofagie-receptoren op het buitenste mitochondriale membraanoppervlak. Tot deze receptoren behoren NIX1, BNIP3 en FUNDC1. Al deze receptoren bevatten LIR-consensussequenties die LC3/GABARAP binden, wat kan leiden tot de afbraak van de mitochondriën. In hypoxische omstandigheden wordt BNIP3 door HIF1α geüpreguleerd. BNIP3 wordt dan gefosforyleerd op zijn serineresiduen nabij de LIR-sequentie, wat binding aan LC3 bevordert. FUNDCI is ook gevoelig voor hypoxie, hoewel het onder normale omstandigheden constitutief aanwezig is op de buitenste mitochondriale membraan
In neuronen zijn mitochondriën ongelijk verdeeld over de cel naar gebieden waar de vraag naar energie hoog is, zoals bij synapsen en knooppunten van Ranvier. Deze verdeling wordt grotendeels in stand gehouden door motoreiwit-gemedieerd mitochondriaal transport langs het axon. Hoewel wordt aangenomen dat neuronale mitofagie voornamelijk in het cellichaam optreedt, gebeurt dit ook plaatselijk in het axon op plaatsen die ver van het cellichaam verwijderd zijn; in zowel het cellichaam als het axon vindt neuronale mitofagie plaats via de PINK1-Parkin pathway. Mitofagie in het zenuwstelsel kan ook transcellulair plaatsvinden, waarbij beschadigde mitochondriën in retinale ganglioncelaxonen kunnen worden doorgegeven aan naburige astrocyten voor afbraak. Dit proces staat bekend als transmitofagie.
In gistEdit
Mitofagie in gist werd voor het eerst verondersteld na de ontdekking van Yeast Mitochondrial Escape genen (yme), specifiek yme1. Yme1 vertoonde net als andere genen in de familie een toename van ontsnapping van mtDNA, maar was het enige gen dat een toename van mitochondriale degradatie vertoonde. Door te werken aan dit gen dat de ontsnapping van mtDNA bemiddelt, ontdekten onderzoekers dat de mitochondriale omzet door eiwitten in gang wordt gezet.
Meer werd ontdekt over de genetische controle van mitofagie na studies over het eiwit UTH1. Na het uitvoeren van een screening voor genen die de levensduur reguleren, werd in ΔUTH1-stammen een remming van mitofagie gevonden, die plaatsvond zonder de autofagiemechanismen aan te tasten. Deze studie toonde ook aan dat het Uth1p eiwit noodzakelijk is om mitochondriën naar de vacuole te verplaatsen. Dit suggereert dat er een gespecialiseerd systeem is voor mitofagie. Andere studies keken naar AUP1, een mitochondriaal fosfatase, en ontdekten dat Aup1 mitochondriën markeert voor eliminatie.
Een ander gist-eiwit dat in verband wordt gebracht met mitofagie is een mitochondriaal binnenmembraaneiwit, Mdm38p/Mkh1p. Dit eiwit maakt deel uit van het complex dat K+/H+ ionen uitwisselt over het binnenmembraan. Deleties in dit eiwit veroorzaken zwelling, verlies van membraanpotentiaal, en mitochondriale fragmentatie.
Nu is aangetoond dat ATG32 (autofagie gerelateerd gen 32) een cruciale rol speelt in de mitofagie van gist. Het is gelokaliseerd in de mitochondriën. Zodra mitofagie is geïnitieerd, bindt Atg32 aan Atg11 en worden de met Atg32 geassocieerde mitochondriën naar de vacuole getransporteerd. Het silencen van Atg32 stopt het rekruteren van autofagie-machines en mitochondriale degradatie. Atg32 is niet noodzakelijk voor andere vormen van autofagie.
Al deze eiwitten spelen waarschijnlijk een rol bij het in stand houden van gezonde mitochondriën, maar mutaties hebben aangetoond dat ontregeling kan leiden tot een selectieve afbraak van mitochondriën. Of deze eiwitten samenwerken, hoofdrolspelers zijn in mitofagie, of leden zijn van een groter netwerk om autofagie te controleren, moet nog worden opgehelderd.