Un’autofagia insufficiente può essere deleteria per la cellula (Kuma et al., 2004; Komatsu et al. 2006, 2007a), ma anche livelli eccessivi possono essere nocivi, perciò, l’autofagia è un processo finemente regolato in tutti gli eucarioti.
L’induzione e la regolazione dell’autofagia sono state ampiamente studiate nel lievito, nelle cellule di mammifero e in Drosophila e differenti vie di trasduzione sembrano essere coinvolte nel controllo del processo autofagico. In particolare, l’autofagia è primariamente regolata dallo stato di nutrienti, fattori di crescita e ormoni (come insulina e glucagone), ma è modulata anche in risposta allo stato energetico, a differenti tipi di stress cellulari (tra cui: stress del reticolo endoplasmatico, ipossia, stress ossidativo) e all’invasione da parte di microrganismi patogeni.
3.1 Regolazione dell’autofagia in risposta allo stato dei nutrienti
Durante la deprivazione di nutrienti la formazione degli autofagosomi è indotta drammaticamente. Sia nei lieviti che nei mammiferi, due importanti “sensori” dello stato nutritivo, che attivano la divisione e la crescita cellulare e regolano negativamente l’autofagia, sono TOR e la via Ras-cAMP-PKA.
3.1.1 TORC1
La proteina target della rapamicina, TOR, gioca il principale ruolo regolatorio nell’induzione della autofagia (Carrera, 2004). Essa forma due complessi proteici funzionalmente distinti, complesso TOR 1 e 2 (indicati come TORC1 e TORC2) (Loewith et al., 2002). TORC1 ha un ruolo determinante nella regolazione dell’autofagia. In condizioni di disponibilità di nutrienti TORC1 è attivo e inibisce l’autofagia, mentre durante la deprivazione di nutrienti TORC1 è inibito e l’autofagia è indotta (>oda & Ohsumi, 1998).
TORC1 è sensibile all’inibizione da rapamicina (da qui il suo nome TOR, target of rapamycin). Il trattamento con rapamicina causa l’inattivazione di TORC1 e in queste condizioni l’autofagia è indotta anche in presenza di nutrienti, suggerendo che TOR regola negativamente l’autofagia (>oda & Oshumi, 1998).
La proteina TOR di mammifero (mTOR) è anch’essa sensibile allo stato dei nutrienti e modula l’autofagia, ma il meccanismo della regolazione è molto più complesso che nei funghi, che non sono responsivi agli ormoni. La cascata regolatoria a monte di mTOR include il recettore per l’insulina, i substrati 1 e 2 del recettore dell’insulina, la PI3K di classe I, e la PKB/Akt (Majier & Codogno, 2006).
L’attività di mTOR è controllata dall’eterodimero TSC1-TSC2 che agisce come GAP (GTP-ase activating protein) per la GTPasi Rheb (Ras homolog enriche in brain). La forma di Rheb legata al GDP inibisce mTOR, mentre la forma legata al GTP stimola l’enzima. La PKB fosforila e inibisce il complesso TSC1-TSC2, portando all’attivazione della via di mTOR. Al contrario, PTEN (3’-phosphoinositide phosphate), antagonizzando la PKB, ha un effetto stimolatorio sull’autofagia (Arico et al., 2001).
Inizialmente si riteneva che mTORC1 fosse capace di “sentire” direttamente gli amminoacidi e venisse fosforilato in risposta al segnale dei nutrienti (Long et al., 2005a). Tuttavia, recenti osservazioni in Drosophila e nei mammiferi suggeriscono che proteine Rag attivano TORC1 in risposta agli amminoacidi attraverso la mediazione della traslocazione di TORC1 a specifici compartimenti subcellulari che contengono l’attivatore di TORC1 Rheb (Sancak et al., 2007; Kim et al., 2008). Altri studi invece indicano che gli amminoacidi attivano mTOR attraverso la PI3K di classe III (hVps34) (Byfield et al., 2005; >obukuni et al., 2005) (fig. 12).
Una volta attivato, mTORC1 guida la fosforilazione di una serie di substrati a valle. Tra questi, quelli meglio caratterizzati sono la eIF4E (eukaryotic translation initiation factor 4E)-binding protein 1 (4E-BP1) e la chinasi S6 (S6K1). La S6K1 di mammifero, anche conosciuta come proteina ribosomiale p70S6K, è una kinasi seorina/treonina che una volta fosforilata da mTORC1 promuove la trascrizione dell’mRNA mediante la fosforilazione o il legame a molteplici proteine (Bové et al., 2011). Inoltre, la S6K esercita un feedback negativo sul segnale di mTOR fosforilando IRS1 per regolare negativamente il segnale
dell’insulina, portando inibitore dell’autofagia. Q autofagia anche in condiz
Fig. 12 Vie del segnale (a) Pathway che regola livello energetico della
ndo così ad una riduzione di fosfatidilinositol gia. Questo feedback regolatorio potrebbe assicura ondizioni di ricchezza di nutrienti (Klionsky et al., 20
nale e meccanismi di regolazione dell’autofagia.
egolano l’autofagia nei mammiferi in risposta ai nutrient ella cellula. (b) Signaling dell’autofagia nei lieviti (He &
ositolo(3,4,5)trifosfato, un sicurare un livello basale di
2005).
rienti, agli ormoni e al & Klionsky, 2009).
3.1.2 Via Ras/PKA
In aggiunta a TORC1, la via del segnale Ras/PKA gioca anch’essa un ruolo importante nell’autofagia (Yang & Klionsky, 2009). Nel lievito, in condizioni di disponiblità di nutrienti sono attivate due piccole GTPasi (Ras1 e Ras2) che stimolano l’adenilato ciclasi a produrre AMP ciclico (cAMP). Il cAMP lega la subunità regolatoria (Bcy1) della PKA permettendo la dissociazione dalle tre subunità catalitiche (Tpk1, Tpk2 e Tpk3), con conseguente attivazione della PKA (Thevelein & de Winde, 1999). L’attivazione costitutiva della PKA previene l’induzione della autofagia indotta da deprivazione di nutrienti o da rapamicina, mentre l’inattivazione di PKA induce l’autofagia in condizioni di ricchezza di nutrienti (Budovskaya et al., 2004; Schmelzle et al., 2004), suggerendo che anche Ras/PKA, in aggiunta a TORC1, è un regolatore negativo dell’autofagia (fig. 12).
3.2 Regolazione dell’autofagia in risposta ad altri stimoli
Oltre che dallo stato dei nutrienti, l’autofagia è finemente regolata anche in funzione degli ormoni e dei fattori di crescita. Quando i fattori di crescita sono rimossi dal mezzo extracellulare, nonostante la presenza di nutrienti, l’autofagia è indotta ed è indispensabile per il mantenimento delle funzioni cellulari e per la produzione di energia (Lum et al., 2005). Negli eucarioti superiori la via attraverso la quale gli ormoni regolano l’autofagia è differente da quella dei nutrienti, ma entrambe convergono su TOR. Quando gli ormoni sono assenti, mTOR è inattivato, con rilascio del suo effetto inibitorio sull’autofagia (Long et al., 2005a).
Oltre a mTOR, anche il signaling di Ras gioca un ruolo importante nella regolazione dell’autofagia da parte dei fattori di crescita. Ras trasduce il segnale dal recettore a tirosin chinasi del fattore di crescita a effettori intracellulari, come Raf-1/MAP (miogeno- activated-protein) chinasi 1 e la PI3K di classe I. Ras attivo sopprime l’autofagia attraverso la PI3K di classe I (Furuta et al., 2004). L’altro effettore di Ras, Raf-1, a differenza della PI3K di classe I, è un sensore degli amminoacidi e regola positivamente l’autofagia. Di conseguenza, esistono due cascate effettrici di Ras, la via Ras-PI3K (che sopprime
l’autofagia) e la via Ras-Raf1/ERK1/2 (che la stimola) e che sembrano opposte l’una all’altra nel regolare l’autofagia in risposta a fattori di crescita piuttosto che all’assenza di amminoacidi (si veda: He & Klionsky, 2009).
L’autofagia viene regolata anche in risposta al livello energetico della cellula e durante i periodi di stress metabolico l’attivazione dell’autofagia è essenziale per la sopravvivenza. Nelle cellule di mammifero la riduzione del livello di energia (ATP) cellulare è sentito da AMPK (5’-AMP-Activated Protein Chinasi) che è attivata dalla riduzione del rapporto ATP/ADP attraverso la chinasi a monte LKB1. L’attivazione di AMPK porta alla fosforilazione e attivazione del complesso TSC1/2, che inibisce l’attività di mTOR attraverso Rheb ( Liang et al., 2007).
Anche altri tipi di stress extra- ed intracellulari (tra cui: stress del reticolo endoplasmatico, ipossia e stress ossidativo) inducono potentemente l’autofagia, permettendo alla cellula di adattarsi e superare varie condizioni sfavorevoli (si veda: He & Klionsky, 2009).