Esistono diversi percorsi per indurre la mitofagia, ovvero l’autodegradazione dei mitocondri cellulari irreversibilmente danneggiati. Il più ben caratterizzato di questi dipende dalle proteine chiamate PINK1 e Parkin, due proteine attivamente coinvolte nelle anomalie delle cellule cerebrali colpite dal morbo di Parkinson. Altre due proteine, TFEB e HKDC1, svolgono un ruolo chiave nel mantenimento sia dei mitocondri che dei lisosomi e agiscono per prevenire l’invecchiamento cellulare. Di recente, gli scienziati hanno osservato che HKDC1 colocalizza con una proteina chiamata TOM20 (un componente del complesso TOM, necessario per il trasporto delle proteine nei mitocondri), che si trova nella loro membrana esterna. Attraverso i loro esperimenti, un team di ricerca ha scoperto che questa interazione è fondamentale per la mitofagia dipendente da PINK1/Parkin.
Nell’ultima ricerca molecolare condotta da un team dell’Università di Osaka, sono stati chiariti i dettagli molecolari di come un’altra proteina chiamata TANK-binding kinase 1 (TBK1) partecipa a un meccanismo di mitofagia rilevante per la malattia. Sebbene l’autofagia sia stata caratterizzata come un processo più generale destinato a degradare ed eliminare vari componenti cellulari, dati recenti hanno suggerito che alcuni percorsi sono specificamente coinvolti nell’autofagia di particolari tipi di organelli danneggiati o non più necessari. I difetti correlati alla mitofagia sono stati direttamente implicati nella neurodegenerazione osservata nei pazienti affetti da Parkinson. Normalmente, PINK1 e Parkin lavorano insieme per contrassegnare i mitocondri danneggiati per la rimozione aggiungendo una catena di molecole chiamata ubiquitina (un “tag molecolare”).
Questo segno consente alle proteine chiamate adattatori dell’autofagia (STK1, LC3, ATG8, ecc.) di associarsi ai mitocondri e di introdurre il macchinario dell’autofagia. L’eliminazione del gene che codifica TBK1 impedisce l’associazione di un adattatore dell’autofagia chiamato optineurina (OPTN) durante la mitofagia mediata da Parkin. Inoltre, l’eliminazione del gene OPTN impedisce l’autofosforilazione di TBK1, che è necessaria per la sua funzione. Poiché PINK1 e Parkin sono fattori chiave per la base molecolare del morbo di Parkinson, è molto importante comprendere i dettagli meccanicistici del processo di mitofagia mediato da queste molecole. Ora, gli scienziati dell’Università di Vienna hanno aggiunto altri due pezzi a questo enorme puzzle molecolare: due adattatori TBK1 chiamati SINTBAD e NAP1.
Queste due proteine, in collaborazione con il regolatore mitocondriale NDP52, agiscono come inibitori della mitofagia esattamente come antagonisti di Parkin e PINK1. NAP1 e SINTBAD sembrano fondamentali per la mitofagia guidata da NDP52: nelle cellule, l’assenza di NAP1/SINTBAD ha portato a una riduzione del reclutamento di ATG13 nei mitocondri durante la mitofagia mediata da NDP52, sottolineando l’importanza di queste proteine in questa fase critica iniziale dell’inizio della mitofagia. In assenza delle chinasi dell’autofagia ULK1/2, NAP1/SINTBAD sono emersi come fattori cruciali per la mitofagia mediata da NDP52, come dimostrato dal turnover significativamente ridotto della citocromo ossidasi 2 (COXII). Pertanto, NAP1 e SINTBAD agiscono come una sorta di recettori “cargo” che spostano altre proteine sulla superficie mitocondriale per avviare il processo di autoeliminazione di questo organello.
Poiché è noto che TBK1 fosforila i recettori del carico come OPTN e NDP52 per stimolare la loro capacità di legame LC3/GABARAP, gli scienziati hanno testato se anche NAP1 sarebbe stato fosforilato da TBK1. Un test chinasi in vitro ha rivelato che un modello di sbavatura per NAP1 era molto più evidente quando incubato con TBK1 che con ULK1. Ciò ha indicato che NAP1 è quindi un substrato efficace per TBK1. Infine, il team di ricerca ha determinato se questa fosforilazione mediata da TBK1 attivasse la capacità di legame ATG8 di NAP1 e SINTBAD. In effetti, la fosforilazione da parte di TBK1 ha aumentato la loro capacità di interagire con la proteina autofagica LC3B. L’unica differenza tra SINTBAD e NAP1 con altre proteine del carico è che non possono supportare la rete di ubiquitina. Inoltre, stabilizzano l’interazione con il fattore autofagico centrale FIP200.
Queste informazioni hanno diverse implicazioni per la comprensione dell’invecchiamento cerebrale e dell’insorgenza di diverse malattie neurodegenerative. Nel cervello, dove l’espressione di NDP52 è bassa e OPTN è il recettore primario della mitofagia, la competizione per l’attivazione di TBK1 può impedire un inizio eccessivo della degradazione mitocondriale. Data la natura post-mitotica (non mitogena) dei neuroni, un eccesso nella degradazione mitocondriale potrebbe essere dannoso quanto un’attivazione insufficiente. Ciò è esemplificato dalle mutazioni patogene in FBXL4, che causano una degradazione mitocondriale eccessiva attraverso il percorso NIX/BNIP3 e portano a una grave encefalopatia mitocondriale. Questi dati potrebbero anche aiutare a svelare i dettagli molecolari della malattia di Lou Gehrig o SLA.
Ci sono recenti scoperte che OPTN forma una piattaforma per l’attivazione di TBK1 in cui interagisce con TBK1 in un ciclo di feedback positivo, e osservazioni fatte con il mutante TBK1-E696K che causa la SLA, che ha perso la sua capacità di legame con OPTN ma non il suo legame con NAP1. La SLA, infatti, non è causata solo da mutazioni del gene SOD1 e altre mutazioni sono responsabili di altre forme meno comuni. Una migliore comprensione dei mitocondri e del loro turnover, poiché è stato dimostrato che sono le radici biologiche delle neurodegenerazioni (tramite stress ossidativo), consentirà di trovare specifiche opportunità molecolari per trattare queste condizioni ancora mortali.
- A cura del Dr. Gianfrancesco Cormaci, PhD, specialista in Biochimica Clinica.
Pubblicazioni scientifiche
Adriaenssen E et al. Nature Struct Mol Biol 2024 Jun 25.
Yamano K, Sawada M et al. EMBO J. 2024; 43(5):754.
Ogura M, Kaminishi T et al. EMBO J. 2023; 24:57300.
Lamark, T et al. Ann Rev Cell Dev Biol. 2021; 37:143.
Ruan L et al. Annual Reviews Biophys. 2020; 49:41–67.
Ye J et al. Proc Natl Acad Sci. USA 2019; 116:24517.