Il processo autofagico è essenziale per preservare i requisiti omeostatici dei neuroni post-mitotici, sia a livello del sistema nervoso centrale che periferico (Menzies et al , 2017 ; Scrivo et al , 2018 ; Mallucci et al , 2020 ) (Tabella 1 ) . La maggior parte delle malattie neurodegenerative sono associate all'accumulo di proteine inclini agli aggregati. Gli studi condotti su malattie con ereditarietà di tipo mendeliano suggeriscono che queste proteine sono fattori tossici necessari e sufficienti a causare la patologia. Un ampio corpus di prove, supportato dalla dimostrazione che ATGi geni si trovano mutati in molteplici malattie neurodegenerative umane, indica che l'autofagia interviene direttamente nella clearance di quelle proteine (Nixon, 2013 ). Inoltre, la mutazione somatica MTOR p.Cys1483Tyr ha provocato un'autofagia alterata, ha causato un accumulo aberrante di OFD1 e ha interrotto la ciliogenesi neuronale, che ha rappresentato la dislaminazione corticale nelle malformazioni focali dello sviluppo corticale (Tang et al , 2013 ; Park et al , 2018 ). Inoltre, sono state postulate risposte autofagiche intatte per estinguere le reazioni neuroinfiammatorie, che contribuiscono direttamente all'eziopatogenesi dei disturbi neurodegenerativi (Rubinsztein et al , 2015). Per questi motivi, la sovraregolazione dell'autofagia ha suscitato particolare interesse come potenziale strategia terapeutica per varie condizioni neurodegenerative (Menzies et al , 2017 ; Thangaraj et al , 2020 ).
Figura 1. Disturbi umani comuni legati all'attività autofagica disregolata
Rappresentazione delle principali malattie umane organo-specifiche (rosse) e sistemiche (blu) in cui l'autofagia gioca un ruolo critico e che sono discusse in questa recensione. SLA, sclerosi laterale amiotrofica; BPCO, broncopneumopatia cronica ostruttiva; DKD, malattia renale diabetica; NAFLD, steatosi epatica non alcolica; PDB, malattia ossea di Paget| Ambientazione | Intervento genetico | Effetti sul fenotipo della malattia | Rif. |
|---|---|---|---|
| malattia di Alzheimer | Eliminazione specifica delle cellule mieloidi di Trim16 | Danno endomembrana esacerbato dopo l'infezione da Mycobacterium tuberculosis | Jia et al ( 2020 ) |
| malattia di Alzheimer | Eliminazione di tutto il corpo di Sqstm1 / p62 | Accumulo di MAPT/tau iperfosforilato e neurodegenerazione | Ramesh Babu e altri ( 2008 ) |
| malattia di Alzheimer | Eliminazione di tutto il corpo di Nrf2 | Accumulo aberrante di proteina tau fosforilata e sarkosil-insolubile | Jo et al ( 2014 ) |
| malattia di Alzheimer | Eliminazione condizionale specifica del neurone eccitatorio di Atg7 | Ridotto carico di placca Aβ extracellulare, legato alla disfunzione cognitiva nei topi transgenici APP | Nilsson e altri ( 2013 ) |
| malattia di Alzheimer | Eliminazione di tutto il corpo di Nrbf2 | Compromissione della forma cognitiva e aumento dell'accumulo di placca Aβ | Lachance et al ( 2019 ) |
| malattia di Alzheimer | Eliminazione di tutto il corpo di Trem2 | Fitness metabolico alterato e aumento dell'accumulo di vescicole autofagiche nella microglia dei topi 5XFAD | Ulland et al ( 2017 ) |
| malattia di Alzheimer | Eliminazione condizionale specifica delle cellule mieloidi di Atg5 o Rubcn | Accumulo e infiammazione esacerbati della placca Aβ all'interno dell'ippocampo di giovani topi 5xFAD | Heckmann et al ( 2019 ) |
| malattia di Alzheimer | Eliminazione dell'intero corpo di Atg16L ΔWD | Accumulo di placca Aβ esacerbato, neuroinfiammazione e iperfosforilazione della Tau | Heckmann et al ( 2020 ) |
| malattia di Alzheimer | Delezione neurone specifica di Lamp2 | Acetilazione della Tau esacerbata, rilascio e propagazione extraneuronali, legati alla progressione accelerata della malattia | Bourdenx et al ( 2021 ), Caballero et al ( 2021 ) |
| Sclerosi laterale amiotrofica | Eliminazione di tutto il corpo di Epg5 | Denervazione muscolare, atrofia delle miofibre, paralisi progressiva ad esordio tardivo e ridotta sopravvivenza | Zhao et al ( 2013 ) |
| Sclerosi laterale amiotrofica | Eliminazione condizionale specifica del motoneurone di Tbk1 | Esordio precoce accelerato della malattia nei topi SOD1 G93A , collegato all'aumento dell'accumulo di aggregati ubiquitinati | Gerbino et al ( 2020 ) |
| Sclerosi laterale amiotrofica | knock-in per tutto il corpo del mutante Tbk1 G217R o Tbk1 R228H | Esordio precoce della malattia accelerato ma durata della vita estesa nei topi SOD1 G93A , collegata alla ridotta risposta dell'IFN della microglia | Gerbino et al ( 2020 ) |
| Sclerosi laterale amiotrofica | Eliminazione di tutto il corpo di Grn | Sintomatologia esacerbata legata all'aumento dell'accumulo di TDP-43 patologico nei neuroni | Chang e altri ( 2017 ) |
| Sclerosi laterale amiotrofica | Eliminazione condizionale neurone specifica di Xbp1 | Ridotta insorgenza della malattia nei topi SOD1 G93A dopo aver indotto l'autofagia nei motoneuroni | Hetz et al ( 2009 ) |
| Sclerosi laterale amiotrofica | Eliminazione specifica dell'ippocampo mediata da AAV di C9orf72 | Deficit cognitivi e motori esacerbati, perdita di neuroni ippocampali e accumulo di proteine DPR, dopo l'inibizione dell'autofagia | Zhu et al ( 2020 ) |
| Sclerosi laterale amiotrofica | Perdita allelica di tutto il corpo di Becn1 | Aumento della durata della vita dei topi transgenici SOD1 mutanti | Nassif et al ( 2014 ) |
| Malformazioni focali dello sviluppo corticale | Mutazioni somatiche cerebrali in MTOR | Anomalie corticali altamente associate a epilessia, disabilità intellettiva, ritardo dello sviluppo e disturbi dello spettro autistico clinicamente intrattabili | Park et al ( 2018 ) |
| Crescita assonale | Eliminazione specifica del neurone POMC di Atg7 | Sviluppo anormale delle proiezioni neuronali POMC, associate a disregolazioni metaboliche | Coupé et al ( 2012 ) |
| Forma cognitiva | Eliminazione specifica dell'ippocampo dipendente da shRNA di Becn1, Atg12 o Rb1cc1 | Compromissione della capacità di generare nuovi ricordi | Glatigny et al ( 2019 ) |
| Assunzione di cibo e bilancio energetico | Eliminazione specifica del neurone AgRP di Atg7 | Aumento dell'accumulo di lipidi neuronali, associato ad alterato equilibrio energetico e assunzione di cibo dopo la fame | Kaushik et al ( 2011 ) |
| Malattia di Huntington | Eliminazione condizionale dell'intero corpo di WDFY3 / ALFY | Accumulo di depositi proteici, legato all'insorgenza e alla progressione accelerata della patogenesi della malattia di Huntington | Fox e altri ( 2020 ) |
| Danno cerebrale ischemico | Perdita allelica di Sod2 in tutto il corpo | Aumento del volume dell'infarto in condizioni iperglicemiche, collegato a un aumento del danno ossidativo del DNA | Mehta et al ( 2011 ) |
| Danno cerebrale ischemico | Eliminazione neurone specifica di Atg7 | Protezione completa dal danno cerebrale ipossico/ischemico neonatale | Koike et al ( 2008 ), Xie et al ( 2016 ) |
| Lesione al nervo | Eliminazione specifica delle cellule di Schwann di Atg7 | Degradazione ritardata della mielina e generazione di cellule di riparazione dopo la lesione | Gomez-Sanchez et al ( 2015 ) |
| Neurodegenerazione | Eliminazione specifica delle cellule neurali di Atg5 | Sviluppo di deficit progressivi nella funzione motoria legati all'accumulo di corpi di inclusione citoplasmatica nei neuroni | Hara et al ( 2006 ) |
| Neurodegenerazione | Eliminazione condizionale specifica del SNC di Atg7 | Difetti comportamentali e morte prematura, legati alla massiccia perdita neuronale e all'accumulo di corpi inclusi nel citoplasma | Komatsu e altri ( 2006 ) |
| Neurodegenerazione | Delezione condizionale specifica delle cellule gliali radiali di Rb1cc1 | Perdita progressiva del pool di NSC e differenziazione neuronale alterata nel cervello postnatale | Wang ed altri ( 2013 ) |
| Neurodegenerazione | Eliminazione condizionale specifica del SNC di Wdr45 | Ridotta coordinazione motoria, apprendimento e memoria alterati e ampio gonfiore degli assoni | Zhao et al ( 2015 ) |
| Neurodegenerazione | Eliminazione condizionale specifica del neurone di Wipi3 | Difetti comportamentali e perdita neuronale cerebellare dopo inibizione dell'autofagia non canonica | Yamaguchi et al ( 2020 ) |
| Neurodegenerazione | Eliminazione condizionale specifica del telencefalo di Vps15 | Grave atrofia corticale progressiva associata ad apoptosi indotta da caspasi | Gstrein et al ( 2018 ) |
| Neurodegenerazione | knock-in per tutto il corpo dell'Atg16l1 ipomorfico | Ritenzione dello sviluppo dovuta alla differenziazione ritardata delle cellule staminali nel cervello | Wu e altri ( 2016 ) |
| Neurodegenerazione | Co-eliminazione condizionale specifica di NSC di FoxO1, FoxO3 e FoxO4 | Proliferazione iniziale delle cellule progenitrici neurali nella prima fase della vita postnatale, seguita dal declino del pool di NSC nei cervelli adulti | Paik e altri ( 2009 ) |
| Neurodegenerazione | Eliminazione specifica delle cellule di Purkinje di Atg7 | Distrofia progressiva delle cellule autonome e degenerazione dei terminali assonici | Komatsu e altri ( 2007 ) |
| Neurodegenerazione | Eliminazione di tutto il corpo di TAX1BP1 | Accumulo aberrante di ubiquitina coniugata ad alto peso molecolare e lipofuscina | Sarraf et al ( 2020 ) |
| Neuropatie | Eliminazione di tutto il corpo di Fam134b | Degenerazione dei neuroni sensoriali dopo l'inibizione dell'ER-fagia | Khaminets et al ( 2015 ) |
| Neuropatie | Eliminazione di tutto il corpo di Tecpr2 | Aberrazioni comportamentali esacerbate dipendenti dall'età e distrofia neuroassonale, dopo l'accumulo di autofagosomi | Tamim Yecheskel et al ( 2020 ) |
| Neurotrasmissione | Delezione post-mitotica neurone eccitatoria specifica di Atg5 | Aumento dell'accumulo di ER tubulare negli assoni, collegato all'aumento della neurotrasmissione eccitatoria e alla morte prematura | Kuijpers et al ( 2021 ) |
| morbo di Parkinson | Eliminazione specifica della microglia di Atg7 | Aumento dell'accumulo di α-sinucleina e neurodegenerazione | Choi et al ( 2020 ) |
| morbo di Parkinson | Eliminazione di tutto il corpo di Rubcn | Ridotto accumulo di α-sinucleina nel cervello, collegato alla ridotta fibrosi interstiziale correlata all'età nel rene | Nakamura et al ( 2019 ) |
| morbo di Parkinson | Eliminazione condizionale specifica del neurone SN di Atg7 | Resistenza alla degenerazione assonale retrograda | Cheng ed altri ( 2011 ) |
| morbo di Parkinson | knock-in specifico per SN mediato da AAV di Ulk1 negativo dominante | Neurodegenerazione assonale indotta da MPTP attenuata | Balke et al ( 2020 ) |
| morbo di Parkinson | Eliminazione di tutto il corpo di Prkn | Compromissione della plasticità neurale striatale, collegata a una maggiore sensibilità al danno ossidativo e alla disfunzione mitocondriale (esacerbata nei topi mutatori ma salvata dalla perdita di STING) | Goldberg et al ( 2003 ), Palacino et al ( 2004 ), Kitada et al ( 2009 ), Pickrell et al ( 2015 ), Sliter et al ( 2018 ) |
| morbo di Parkinson | Eliminazione di tutto il corpo di Pink1 | Aumento della sensibilità al danno ossidativo e alla disfunzione mitocondriale | Gautier et al ( 2008 ) |
Si stima che le funzioni neuroprotettive attribuite all'autofagia trascenda i suoi ruoli ben definiti di custode della proteostasi e regolatore del turnover degli organelli. In effetti, diversi risultati hanno sottolineato che il macchinario ATG è funzionalmente implicato in compiti specifici del compartimento lungo l'asse soma-assone che includono, tra gli altri, (i) la regolazione della trasmissione sinaptica (Kuijpers et al , 2021 ), (ii) il degradazione dei carichi sinaptici e delle vescicole, (iii) il crosstalk anterogrado/retrogrado tra il corpo cellulare e il terminale sinaptico e (iv) eventi di mielinizzazione/demielinizzazione (Hill & Colon-Ramos, 2020). Con queste funzioni fisiologiche specifiche del compartimento, non sorprende che le risposte autofagiche non selettive o selettive sia insufficienti che iperattive contribuiscano alla neurodegenerazione (Chu, 2019 ).
A causa della letalità perinatale correlata all'onnipresente inibizione dell'autofagia, il nostro attuale grado di conoscenza sulla rilevanza dell'autofagia all'interno del lignaggio neurale deriva principalmente dai moscerini della frutta (Juhasz et al , 2007 ; Simonsen et al , 2008 ) e da modelli murini in cui sono essenziali ( Juhasz et al, 2007; Simonsen et al, 2008) cioè, Atg5, Atg7, Rb1cc1 / Fip200 [RB1-inducible coiled-coil 1]) (Hara et al , 2006 ; Komatsu et al , 2006 ; Wang et al , 2013 ) o non essenziale (cioè, Wdr45 / Wipi4 [WD ripetere il dominio 45] e Wdr45b/Wipi3 ) (Zhao et al , 2015 ; Ji et al , 2020 ; Yamaguchi et al , 2020 ) i geni autofagici sono stati cancellati nella fase embrionale in virtù dell'espressione di Cre ricombinasi guidata da Nes (nestin). Rispetto ai loro compagni di cucciolata di tipo selvatico, i topi che per lo sviluppo mancano di autofagia nel compartimento neuronale mostrano una durata della vita ridotta e patologie neurodegenerative ad esordio precoce (la cui gravità varia a seconda del gene bersaglio), associate all'accumulo patologico di aggregati proteici in più popolazioni neuronali ( Hara et al , 2006 ; Komatsu et al, 2006; Metcalf et al , 2012 ). Le disfunzioni neuronali spiegano la letalità associata al deficit autofagico sistemico, come testimoniato dal fatto che la sovraespressione di Atg5 nel compartimento neuronale salva la mortalità perinatale dei topi atg5 - / - (Yoshii et al , 2016 ). L' espressione smussata di PIK3R4 / VPS15 (subunità regolatrice 4 della fosfoinositide-3-chinasi) è associata a compromissione dello sviluppo neurologico e atrofia corticale, corrispondenti al fenotipo dei pazienti portatori di mutazioni con perdita di funzione in questo gene (Gstrein et al , 2018). Allo stesso modo, mutazioni de novo nel gene dell'autofagia WDR45 sono state trovate in associazione causale con l'encefalopatia statica dell'infanzia con neurodegenerazione nell'età adulta (nota anche come neurodegenerazione associata alla proteina β-elica della malattia neurodegenerativa [BPAN]), un sottotipo di neurodegenerazione con accumulo di ferro cerebrale (NBIA) (Saitsu et al , 2013 ) e con neurodegenerazione umana (Suleiman et al , 2018 ). A sostegno del possibile coinvolgimento dell'autofagia in questa patologia, sono state identificate strutture autofagosomiche precoci anormali in linee cellulari linfoblastoidi (LCL) derivate dal paziente (Saitsu et al , 2013). In accordo con questo risultato, i topi knockout wdr45 specifici del SNC sono definiti da caratteristiche simili a BPAN, inclusi difetti cognitivi e alterata omeostasi assonale, ma non altri come l'accumulo di ferro nei gangli della base (Zhao et al , 2015 ). Più recentemente, è stata identificata una mutazione in Wipi2 (proteina WD-repeat che interagisce con il fosfoinositide 2), che collega l'autofagia difettosa alla comparsa di complessi difetti dello sviluppo neurologico (Jelani et al , 2019 ). Alterata fusione autofagosoma-lisosoma, associata a mutazioni con perdita di funzione in EPG5(omologo della proteina 5 dell'autofagia del granulo P ectopico), provoca la sindrome di Vici autosomica recessiva (VICIS), definita patologicamente da gravi difetti dello sviluppo neurologico (Hori et al , 2017 ). La soppressione dell'espressione di ATG5 durante lo sviluppo iniziale del cervello altera le traiettorie di differenziazione e il tasso di proliferazione delle cellule progenitrici neuronali, che alla fine si riflettono in difetti morfologici nei neuroni differenziati. Per analogia, un fenotipo comparabile è stato descritto nei topi ipomorfi Atg16l1 (Lv et al , 2014 ; Wu et al , 2016 ; Menzies et al , 2017 ). Recentemente, una mutazione missenso in ATG5è stato trovato in associazione causale con la manifestazione di atassia, con ritardo dello sviluppo neurologico nei pazienti umani. In particolare, l'introduzione di ATG5 umano mutato nelle mosche è sufficiente per ricapitolare la caratteristica clinica dei disturbi umani (Kim et al , 2016 ).
Il disturbo nel processo autofagico ha anche un impatto sulla neurogenesi, che testimonia il ruolo centrale dell'autofagia nel mantenimento dei pool di cellule staminali neurali adulte all'interno della zona subventricolare (SVZ) della parete del ventricolo laterale e della zona subgranulare (SGZ) di il giro dentato (Fleming & Rubinsztein, 2020 ). Coerentemente con questa scoperta, l'inibizione dell'autofagia provocata dall'ablazione di Rb1cc1 riduce il potenziale di differenziazione e il numero di cellule staminali neurali adulte (Wang et al , 2013 ). Allo stesso modo, la cancellazione condizionale combinata dei geni che codificano per FOXO (scatola forkhead, sottogruppo O; Foxo1, Foxo3 e Foxo4) nelle cellule staminali/progenitrici neurali adulte si correla con caratteristiche morfologiche anormali dei neuroni differenziati (Paik et al , 2009 ).
Nell'ultimo decennio sono stati implementati diversi modelli murini di interruzione dell'autofagia condizionale in popolazioni specifiche del SNC e del sistema nervoso periferico, rivelando il contributo specifico del tipo cellulare dell'autofagia. Questi comprendono le cellule di Purkinje nel cervelletto (che portano alla distrofia progressiva) (Komatsu et al , 2007 ), i neuroni ipotalamici AGRP (neuropeptidi correlati all'agouti) (che evocano un equilibrio energetico alterato e l'assunzione di cibo dopo la fame) (Kaushik et al , 2011 ), POMC neuroni (proopiomelanocortina) (perturbando la crescita degli assoni e diminuendo i livelli di ormone stimolante gli α-melanociti [MSH]) (Coupe et al , 2012 ; Kaushik et al , 2012) e cellule di Schwann (che ritardano il processo di demielinizzazione dopo un infortunio) (Gomez-Sanchez et al , 2015 ).
Le risposte autofagiche funzionali sono strumentali per preservare l'integrità neuronale in circostanze di danno acuto (Galluzzi et al , 2016 ). Ad esempio, è stato dimostrato che un ruolo centrale dell'autofagia è limitare l'effetto pericoloso per la vita legato alla sfida ischemica cerebrale. Nei topi in cui l'ictus cerebrale è stato indotto dall'occlusione della carotide media transitoria (MCAO), interventi genetici che minano l'autofagia, inclusa l' inattivazione di Sod2 (superossido dismutasi 2, mitocondriale) (Mehta et al , 2011 ) o il silenziamento mediato da shRNA di Tsc1 (complesso TSC subunità 1) (Papadakis et al , 2013), aggravano le sequele neurologiche provocate dall'episodio di ictus. In apparente contrasto con questo risultato, è stato osservato che l'inibizione farmacologica dell'autofagia con 3-metiladenina o bafilomicina A 1 limita la dimensione dell'infarto in un MCAO permanente, suggerendo che l'autofagia può piuttosto aggravare il danno ischemico (Zhang et al , 2013 ; Galluzzi et al , 2016). Sebbene la ridotta specificità di questi modulatori farmacologici limiti l'interpretazione meccanicistica di questi risultati, è comunque ragionevole proporre che l'effettivo contributo dell'autofagia nella neurotossicità associata all'ictus varierebbe a seconda del compartimento cerebrale colpito e dello stadio di sviluppo in cui l'episodio ischemico si verifica (Galluzzi et al , 2016 ). A sostegno di questo concetto, la delezione cerebrale di Atg7 conferisce protezione contro il danno da ipossia-ischemia neonatale nei topi (Koike et al , 2008 ; Xie et al , 2016 ).
L'autofagia ippocampale intatta sostiene l'elevato grado di plasticità sinaptica richiesta per generare nuovi ricordi, come dimostrato dal fatto che il rilascio stereotassico di shRNA che prende di mira i geni chiave dell'autofagia (inclusi Becn1 [Beclin 1, correlato all'autofagia], Rb1cc1 e Atg12 ) compromette l'idoneità cognitiva in topi (Glatigny et al , 2019 ). Questo effetto, che può essere fenocopiato dall'inibizione farmacologica dell'autofagia (p. es., con spautin-1, leupeptina o clorochina) e invertito dall'attivazione farmacologica del macchinario ATG con un peptide Tat-Beclin 1, supporta il ruolo essenziale dell'autofagia nei dendritici formazione della colonna vertebrale e potenziamento a lungo termine dopo gli stimoli (Glatigny et al ,2019 ). Da notare che la perdita delle prestazioni autofagiche può essere causalmente alla base del declino dipendente dall'età dei compiti di memoria, come dimostrato dal fatto che il trattamento di vecchi topi con plasma derivato da giovani donatori migliora la forma cognitiva e ripristina i normali livelli di autofagia nell'ippocampo (Glatigny et al , 2019 ). A ulteriore conferma di questo risultato, l'integrazione alimentare con spermidina, che agisce anche come stimolatore dell'autofagia, mitiga il deterioramento cognitivo dipendente dall'età nell'ippocampo di topo e nelle teste di Drosophila , subordinato all'autofagia intatta e alle risposte mitofagiche (Schroeder et al , 2021 ).
Nel recente passato, l'autofagia ha attirato l'attenzione per il suo potenziale coinvolgimento nella patogenesi di patologie neurodegenerative a esordio tardivo, a causa della visione storicamente radicata di questo percorso come un determinante importante dello smaltimento di proteine a vita lunga/a rischio di aggregazione all'interno del lisosoma ( Nixon, 2013 ; Menzies et al , 2017 ). A sostegno di questo punto di vista, è stato dimostrato che la mancanza del recettore autofagico TAX1BP1 (Tax1-binding protein 1) provoca un'aggregazione proteica aberrante nel cervello (Sarraf et al , 2020). Sebbene questi disturbi seguano principalmente un modello multifattoriale, l'evidenza ottenuta da varianti ereditarie di malattie neurodegenerative ha gettato nuova luce sul contributo dell'autofagia alla progressiva perdita della funzione neurale.