
La autofagia (del griego auto, “uno mismo” y phago “comer”) es un sistema de reciclaje celular típico de eucariotas. Se trata de un proceso por el que las células aíslan determinados componentes y los desensamblan para posteriormente reutilizarlos como nuevos bloques de construcción, en respuesta a la situación metabólica. Así, la autofagia provee de nutrientes en condiciones de ayuno (autofagia no selectiva), pero también actúa como un sistema de control de calidad gracias al cual se pueden eliminar selectivamente proteínas mal plegadas y orgánulos dañados o innecesarios (autofagia selectiva). Los errores en el proceso autofágico comprometen la homeostasis celular y están relacionados con numerosas patologías: enfermedades infecciosas, neurodegenerativas, distrofia muscular, trastornos en el almacenamiento de lípidos, cáncer, etcétera.
Existen varios tipos de autofagia, entre los cuales la macroautofagia es la mejor caracterizada en la actualidad. Fue descrita por primera vez en mamíferos al observar que orgánulos completos podían ser “devorados” por una vesícula de doble membrana, que recibe el nombre de autofagosoma (AP).
El AP es un orgánulo de membrana, y se necesitan nuevos lípidos para su formación y expansión a partir de una membrana inicial. En el proceso participan una gran cantidad de proteínas y lípidos específicos, y ocurren eventos de fusión y fisión de membranas, así como cambios en la curvatura y arquitectura de las membranas implicadas. Una vez formado, el AP se fusiona con los lisosomas, tras lo cual su membrana interna y el contenido (la carga) son degradados rápidamente. Todos estos eventos son posibles gracias a interacciones proteína-proteína y proteína-lípido, sin los cuales la formación del AP no puede ocurrir. Estas interacciones son particularmente importantes en la autofagia selectiva, ya que ésta depende de la activación de señales concretas que indican al sistema autofágico qué orgánulo o componente celular específico debe interaccionar con la membrana del AP y ser degradado.
INTERACCIONES LÍPIDO-PROTEÍNA Y DINÁMICA DE MEMBRANAS EN AUTOFAGIA
En la red de autofagia hay varias proteínas que se asocian con diferentes membranas celulares. La mayoría establecen interacciones lípido-proteína transitorias y permanecen unidas a la membrana únicamente en determinadas condiciones. Existen al menos 10 tipos diferentes de dominios proteicos de unión a fosfolípidos de membrana. Algunos de ellos (como C1, C2, PH, PX, FYVE o PROPPIN) son responsables de interacciones muy específicas con un lípido en concreto. Otros, sin embargo, como BAR o ALPS, permiten interacciones inespecíficas que dependen únicamente de una propiedad física de la superficie de la membrana, por ejemplo, la curvatura. Esto significa que los lípidos pueden afectar a la función de las proteínas autofágicas, ya sea estableciendo uniones especificas con estas o provocando cambios en las propiedades físicas de las membranas a las que deben unirse.
Durante la autofagia, una enorme cantidad de material de membrana se mueve constantemente a través de diferentes localizaciones celulares hasta llegar al AP. El polimorfismo lipídico y la curvatura juegan un papel esencial en la fusión entre el AP y estas nuevas membranas. Las membranas celulares están dispuestas en una única dimensión, adoptando una estructura lamelar, debido a que poseen gran cantidad de lípidos con forma cilíndrica, como la fosfatidilcolina (PC) o la esfingomielina (SM). Pero para que dos bicapas lipídicas se fusionen es necesario que se forme un intermediario lipídico transitorio no lamelar, denominado “tallo”. Hay muchas pruebas experimentales que demuestran que algunos lípidos no cilíndricos, como el diacilglicerol (DAG), la ceramida (Cer) o la cardiolipina (CL), están involucrados en la formación del tallo y provocan la fusión de membranas modelo en ausencia de proteínas. Por otro lado, la curvatura global de una membrana es el resultado de una compleja interacción entre las proteínas, los lípidos y las fuerzas físicas que se aplican en la superficie de dicha membrana. Lípidos como el DAG o la Cer pueden promover que cambie localmente la curvatura de la membrana y que las proteínas se unan con más facilidad, entre otras cosas porque en esas zonas de alta curvatura hay una menor densidad de cabezas polares lipídicas. Esto se traduce en defectos locales de empaquetamiento que hacen que el núcleo de la membrana se vuelva más accesible a las proteínas. Por lo tanto, la expansión del AP está mediada por proteínas fusogénicas, pero también depende de la aparición y concentración de ciertos lípidos en las zonas donde van a fusionarse nuevas membranas y de la interacción entre ambos.
LÍPIDOS Y PROTEÍNAS IMPLICADOS EN EL PROCESO AUTOFÁGICO DE MAMÍFEROS
A continuación, se describe paso a paso la macroautofagia, el tipo de autofagia más común en la célula, explicando la función de algunos de los lípidos y proteínas implicados en el proceso.
1. Inducción de la autofagia y nucleación del fagoforo.
El evento más característico de la autofagia es la formación del AP (Figura 1), que comienza con la aparición de una membrana pequeña y aplanada, denominada fagoforo. En mamíferos, la hipótesis más aceptada es que el fagoforo se forma de novo a partir de unos subdominios concretos del retículo endoplásmico (RE) enriquecidos en el lípido fosfatidilinositol-3-fosfato (PI3P).

Muchas de las señales que inician la autofagia convergen a nivel de un complejo proteico llamado mTORC1 (complejo 1 de la diana de rapamicina en mamíferos), que es un sensor de la concentración de nutrientes y, en consecuencia, regula el crecimiento y las funciones celulares. Cuando hay aminoácidos y factores de crecimiento, mTORC1 se activa y puede fosforilar las proteínas ULK. Estas proteínas fosforiladas son incapaces de iniciar la autofagia. Si aparece una señal autofágica, por el contrario, mTORC1 se inactiva y en consecuencia comienza el ensamblaje y reclutamiento de múltiples complejos de proteínas ULK sobre las membranas del fagoforo. La interacción entre los complejos ULK y la membrana será el desencadenante de la autofagia.
Los complejos ULK unidos a membrana funcionan como plataformas sobre las que se anclarán más proteínas autofágicas (o proteínas ATG). Una de las proteínas reclutadas en las primeras etapas es ATG9, la única proteína transmembrana de toda la maquinaria autofágica. ATG9 está presente en vesículas que contienen lípidos provenientes de diferentes compartimentos (incluidos Golgi, endosomas y membrana plasmática). Estas vesículas pueden viajar por el citoplasma y serán las encargadas de suministrar lípidos durante todas las etapas de la formación del AP, pero sobre todo en las etapas iniciales de nucleación del fagoforo.
Paralelamente, el complejo PI3KC3-C1 produce PI3P. Este fosfolípido es un regulador de la autofagia y cumple la función principal de reclutar otras proteínas al sitio de nucleación. Entre las proteínas de unión a PI3P se encuentran las WIPI, que una vez unidas al fagoforo actuarán de anclaje para unas proteínas fundamentales en la formación del AP: los sistemas ATG12 y LC3/ GABARAP. Se trata de dos sistemas de conjugación similares a la ubiquitina (UBL) que deben actuar de forma coordinada durante las siguientes etapas de expansión y cierre del fagoforo y fusión del AP con un lisosoma. Primero se activa el sistema ATG12 (Figura 2). El producto del sistema ATG12 es la formación del complejo ATG12–ATG5-ATG16L1, que se une específicamente a la membrana del fagoforo gracias a la presencia de proteínas WIPI. Allí, el complejo ATG12–ATG5-ATG16L1 actúa como enzima tipo E3 del segundo sistema de conjugación UBL, denominado sistema LC3/GABARAP.

Este segundo sistema UBL es el más conocido. Se descubrió en levaduras e inicialmente se llamó sistema Atg8, ya que el primer miembro descubierto del sistema fue precisamente la proteína Atg8 de levaduras. En humanos no hay una única proteína Atg8, sino que existen al menos 6 ortólogos, divididos en dos subfamilias: LC3 y GABARAP. Por este motivo, en humanos, el sistema Atg8 recibe el nombre de sistema LC3/GABARAP. La acción coordinada entre los sistemas ATG12 y LC3/ GABARAP provoca que cada una de las proteínas LC3/ GABARAP, la que vaya a actuar en un momento concreto, se una covalentemente con el lípido fosfatidiletanolamina (PE) presente en la membrana del fagoforo (Figura 2). Este proceso se denomina lipidación.
La lipidación es un tipo de modificación muy poco común, característico casi exclusivamente de las proteínas LC3/GABARAP y de su homóloga en levaduras, Atg8. El producto final, las formas lipidadas de las proteínas (Atg8–PE o LC3/GABARAP–PE), se consideran uno de los principales marcadores que indican que las células han entrado en autofagia. La estructura de las proteínas LC3/GABARAP es muy parecida, por eso el hecho de que en humanos no haya una sola proteína sino 6 diferentes parece indicar que cada una tiene funciones específicas durante la autofagia.
2. Expansión y cierre del fagoforo
Una vez formado el fagoforo, deben añadirse nuevos lípidos de membrana para que este pueda crecer, rodear la carga y producir el AP maduro. La mayoría de los estudios apuntan a que la fuente esencial de membrana para la expansión del fagoforo es el RE, pero se han propuesto otras fuentes como las mitocondrias, los endosomas, el aparato de Golgi, las vesículas COPII, las gotas lipídicas y más recientemente la síntesis de novo de fosfolípidos (particularmente fosfatidilcolina, PC) sobre la propia membrana autofagosomal. Independientemente de cual sea la fuente, la formación de un AP de 400 nm requiere de unos 3 x 106 lípidos, por lo que es de esperar que existan distintos mecanismos para su suministro.
Uno de ellos implica a la proteína ATG2, que es, junto con ATG9, una de las principales proteínas implicadas en la transferencia de lípidos durante la autofagia. Tiene forma característica de varilla y se une por un extremo al fagoforo (a través de WIPI y de PI3P), y por el otro al RE, estableciendo contactos entre ambas membranas. Una vez unida, es capaz de extraer lípidos del RE y transferirlos directamente al AP en expansión a través de su largo surco hidrofóbico.
Muchos estudios sugieren que, tras unirse a la membrana, las proteínas LC3/GABARAP también están implicadas en la expansión del fagoforo ya que provocan la adhesión y fusión de vesículas. Para llevar a cabo esta función, actúan coordinadamente con otros factores fusogénicos (como las proteínas SNARE), pero la composición lipídica juega un papel importante. Así, se ha observado que lípidos como la CL y el DAG (de curvatura intrínseca negativa) incrementan la fusión inducida por las proteínas LC3/GABARAP (Figura 3). Además, estas tienden a concentrarse en zonas de membrana con altas curvaturas, estabilizándolas.

Teniendo en cuenta ambas cosas, se podría decir que los eventos de fusión que ocurren durante la biogénesis y expansión del fagoforo responden a un mecanismo bastante común, que implica la aparición en la membrana del intermediario altamente curvado conocido como “tallo”.
Las proteínas LC3/GABARAP juegan, paralelamente, un papel fundamental en el reconocimiento de la carga durante la autofagia selectiva. Se han descrito muchos tipos de autofagia selectiva en función de la carga: mitofagia (mitocondrias), pexofagia (peroxisomas), lipofagia (gotas lipídicas), nucleofagia (núcleo), lisofagia (lisosomas), reticulofagia (RE), ribofagia (ribosomas), proteofagia (proteofagia), agrefagia (agregados de proteínas), o xenofagia (bacterias y virus). En todos estos tipos de autofagia se necesitan receptores, que interaccionan por un lado con proteínas específicas presentes en la superficie de la carga y por otro con los complejos ULK y las proteínas LC3/ GABARAP unidas al fagoforo. Estas interacciones iniciarán la formación del AP alrededor de la carga.
3. Fusión del AP con un lisosoma y fin de la autofagia
El AP recién formado se desplaza por el citoplasma utilizando los microtúbulos hasta fusionarse con un lisosoma. La membrana externa del AP se fusiona con la membrana del lisosoma de modo que la membrana interna y la carga entran en contacto con las hidrolasas y lipasas lisosomales. En esta etapa de fusión APlisosoma, las proteínas LC3/GABARAP también juegan un papel importante.
Como resultado se generan aminoácidos, ácidos grasos y nucleósidos reciclados que volverán al citosol y participarán en nuevas reacciones anabólicas. Esta renovación del suministro de nutrientes a través de la degradación autofágica de componentes celulares reactiva mTORC1, lo que conduce al final de la autofagia.
COMENTARIOS FINALES
La biogénesis del AP es un proceso muy dinámico, complejo y peculiar. Requiere docenas de proteínas específicas e implica cambios en la arquitectura de las membranas, incluyendo su fusión y variaciones locales de curvatura. Las interacciones lípido-proteína juegan un papel fundamental, y algunas de ellas, como la unión covalente de las proteínas LC3/GABARAP a PE, son exclusivas del proceso autofágico. Por todo esto, el estudio de la autofagia y sus mecanismos moleculares ha atraído durante décadas a investigadores de diversos campos. Actualmente se conocen la estructura, función e interacciones de muchas de las proteínas autofágicas, y se ha avanzado mucho en el estudio de cuáles son los compartimentos donantes de los lípidos necesarios para la nucleación y expansión del fagoforo.
A pesar de los avances logrados, aún quedan cuestiones sin explicar para poder comprender por completo la formación del AP. El estudio de la dinámica lipídica y de las interacciones lípido-proteína que tienen lugar durante la autofagia proporcionará, además, sin duda, nueva información que ayude a comprender a nivel molecular otros muchos procesos celulares.
PARA LEER MÁS
Iriondo MN, Etxaniz A, Antón Z, Montes LR, Alonso A. Molecular and mesoscopic geometries in autophagosome generation. A review. Biochim Biophys Acta Biomembr. 2021 Dec 1;1863(12):183731. doi: 10.1016/j.bbamem.2021.183731.
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Klionsky DJ, Abdel-Aziz AK, Abdelfatah S, et al. Guidelines for the use and interpretation of assays for monitoring autophagy (4th edition)1. Autophagy. 2021 Jan;17(1):1-382. doi: 10.1080/15548627.2020.1797280.
