Sintesi

Il vincitore del premio Nobel di quest'anno ha scoperto e chiarito i meccanismi dell' autofagia, un processo fondamentale di degradazione e riciclo dei componenti cellulari.

La parola autofagia deriva dalle parole greche auto-, «se stesso», e phagein, «mangiare». Autofagia significa quindi «mangiare se stessi». Questo concetto è emerso negli anni Sessanta, quando i ricercatori osservarono per la prima volta che la cellula poteva distruggere il proprio contenuto racchiudendolo in membrane, formando vescicole a forma di sacco trasportate verso un compartimento di riciclo, il lisosoma, per esservi degradate. La difficoltà di studiare questo fenomeno fece sì che se ne sapesse poco finché, in una serie di esperimenti brillanti all'inizio degli anni Novanta, Yoshinori Ohsumi usò il lievito di birra per identificare i geni essenziali all'autofagia. Chiarì poi i meccanismi alla base dell'autofagia nel lievito e dimostrò che un macchinario sofisticato simile viene usato nelle nostre cellule.

Le scoperte di Ohsumi hanno portato a un nuovo paradigma nella nostra comprensione di come la cellula ricicla il proprio contenuto. Hanno aperto la strada alla comprensione dell'importanza fondamentale dell'autofagia in numerosi processi fisiologici, come l'adattamento al digiuno o la risposta all'infezione. Mutazioni dei geni dell'autofagia possono provocare malattie, e il processo autofagico è coinvolto in diverse patologie, tra cui il cancro e le malattie neurologiche.

La degradazione, una funzione centrale di tutte le cellule viventi

A metà degli anni Cinquanta, gli scienziati osservarono un nuovo compartimento cellulare specializzato, chiamato organello, contenente enzimi che digeriscono proteine, carboidrati e lipidi. Questo compartimento specializzato è chiamato «lisosoma» e funziona come un'officina di degradazione dei costituenti cellulari. Lo scienziato belga Christian de Duve ricevette il premio Nobel per la fisiologia o la medicina nel 1974 per la scoperta del lisosoma. Nuove osservazioni negli anni Sessanta mostrarono che grandi quantità di contenuto cellulare, e persino organelli interi, potevano talvolta trovarsi all'interno dei lisosomi. La cellula sembrava quindi disporre di una strategia per trasportare grossi carichi verso il lisosoma. Analisi biochimiche e microscopiche più approfondite rivelarono un nuovo tipo di vescicola che trasporta il carico cellulare verso il lisosoma per la degradazione (figura 1). Christian de Duve, lo scienziato all'origine della scoperta del lisosoma, coniò il termine autofagia, «mangiare se stessi», per descrivere questo processo. Le nuove vescicole furono chiamate autofagosomi.

Figura 1: le nostre cellule possiedono diversi compartimenti specializzati. I lisosomi sono uno di questi e contengono enzimi per la digestione del contenuto cellulare. Un nuovo tipo di vescicola, l'autofagosoma, è stato osservato nella cellula. Mentre si forma, l'autofagosoma ingloba contenuto cellulare, come proteine e organelli danneggiati. Infine si fonde con il lisosoma, dove il contenuto viene degradato in costituenti più piccoli. Questo processo fornisce alla cellula nutrienti ed elementi di costruzione per rinnovarsi.

Negli anni Settanta e Ottanta, i ricercatori si concentrarono su un altro sistema di degradazione delle proteine, il «proteasoma». In questo campo, Aaron Ciechanover, Avram Hershko e Irwin Rose ricevettero il premio Nobel per la chimica 2004 per «la scoperta della degradazione delle proteine mediata dall'ubiquitina». Il proteasoma degrada in modo efficiente le proteine una per una, ma questo meccanismo non spiegava come la cellula si liberasse dei grandi complessi proteici e degli organelli usurati. L'autofagia poteva essere la risposta e, se sì, quali erano i suoi meccanismi?

Un esperimento fondamentale

Yoshinori Ohsumi aveva lavorato in diversi ambiti di ricerca, ma quando creò il proprio laboratorio nel 1988 concentrò i suoi sforzi sulla degradazione delle proteine nel vacuolo, un organello che corrisponde al lisosoma delle cellule umane. Le cellule di lievito sono relativamente facili da studiare e servono quindi spesso da modello per le cellule umane. Sono particolarmente utili per identificare i geni importanti in vie cellulari complesse. Ma Ohsumi affrontava una sfida importante: le cellule di lievito sono piccole, le loro strutture interne si distinguono male al microscopio, e non era quindi certo che l'autofagia esistesse in questo organismo. Ohsumi pensò che, se avesse potuto bloccare il processo di degradazione nel vacuolo mentre l'autofagia era attiva, gli autofagosomi si sarebbero dovuti accumulare nel vacuolo e diventare visibili al microscopio. Coltivò quindi lieviti mutanti privi di enzimi di degradazione vacuolare, stimolando al tempo stesso l'autofagia privando le cellule di nutrimento. I risultati furono sorprendenti! In poche ore, i vacuoli si riempirono di piccole vescicole non degradate (figura 2). Queste vescicole erano autofagosomi, e l'esperimento di Ohsumi dimostrava che l'autofagia esiste nel lievito. Ancora più importante, disponeva ora di un metodo per identificare e caratterizzare i geni chiave di questo processo. Fu una svolta decisiva, e Ohsumi pubblicò i suoi risultati nel 1992.

Figura 2: nel lievito (a sinistra), un grande compartimento chiamato vacuolo corrisponde al lisosoma delle cellule dei mammiferi. Ohsumi creò lieviti privi di enzimi di degradazione vacuolare. Private di nutrimento, queste cellule accumularono rapidamente autofagosomi nel vacuolo (al centro). Il suo esperimento dimostrò che l'autofagia esiste nel lievito. Ohsumi studiò poi migliaia di mutanti di lievito (a destra) e identificò 15 geni essenziali all'autofagia.

La scoperta dei geni dell'autofagia

Ohsumi sfruttò allora i suoi ceppi di lievito modificati, nei quali gli autofagosomi si accumulavano in caso di privazione. Questo accumulo non dovrebbe verificarsi se geni importanti per l'autofagia venissero inattivati. Ohsumi espose le cellule di lievito a una sostanza chimica che introduce mutazioni casuali in numerosi geni, poi indusse l'autofagia. La sua strategia funzionò! Meno di un anno dopo la scoperta dell'autofagia nel lievito, Ohsumi aveva identificato i primi geni essenziali all'autofagia. Nella serie di eleganti studi che seguì, le proteine codificate da questi geni furono caratterizzate dal punto di vista funzionale. I risultati mostrarono che l'autofagia è controllata da una cascata di proteine e complessi proteici, ciascuno dei quali regola una fase distinta dell'avvio e della formazione dell'autofagosoma (figura 3).

Figura 3: Ohsumi studiò la funzione delle proteine codificate dai geni chiave dell'autofagia. Descrisse come i segnali di stress innescano l'autofagia e il meccanismo con cui proteine e complessi proteici guidano le diverse fasi della formazione dell'autofagosoma.

L'autofagia, un meccanismo essenziale delle nostre cellule

Dopo l'identificazione del macchinario dell'autofagia nel lievito, restava una domanda chiave: esisteva un meccanismo equivalente per controllare questo processo in altri organismi? Divenne presto chiaro che meccanismi praticamente identici operano nelle nostre stesse cellule. Gli strumenti di ricerca necessari per studiare l'importanza dell'autofagia nell'essere umano erano ora disponibili.

Grazie a Ohsumi e a chi ne ha seguito le orme, oggi sappiamo che l'autofagia controlla funzioni fisiologiche importanti in cui i componenti cellulari devono essere degradati e riciclati. L'autofagia può fornire rapidamente carburante per l'energia ed elementi di costruzione per rinnovare i componenti cellulari; è quindi essenziale per la risposta della cellula al digiuno e ad altri tipi di stress. Dopo un'infezione, l'autofagia può eliminare batteri e virus intracellulari invasori. Contribuisce allo sviluppo dell'embrione e alla differenziazione cellulare. Le cellule la usano anche per eliminare proteine e organelli danneggiati, un meccanismo di controllo qualità cruciale per contrastare le conseguenze negative dell'invecchiamento.

Un'autofagia alterata è stata associata al morbo di Parkinson, al diabete di tipo 2 e ad altri disturbi che compaiono nelle persone anziane. Mutazioni dei geni dell'autofagia possono provocare malattie genetiche. Alterazioni del macchinario autofagico sono state collegate anche al cancro. Sono in corso intense ricerche per sviluppare farmaci che agiscano sull'autofagia in diverse malattie.

L'autofagia è nota da oltre 50 anni, ma la sua importanza fondamentale in fisiologia e in medicina è stata riconosciuta solo dopo le ricerche di Yoshinori Ohsumi negli anni Novanta, che hanno cambiato il paradigma. Per le sue scoperte riceve il premio Nobel per la fisiologia o la medicina di quest'anno.

Pubblicazioni principali

Takeshige, K., Baba, M., Tsuboi, S., Noda, T. et Ohsumi, Y. (1992). Autophagy in yeast demonstrated with proteinase-deficient mutants and conditions for its induction. Journal of Cell Biology 119, 301-311

Tsukada, M. et Ohsumi, Y. (1993). Isolation and characterization of autophagy-defective mutants of Saccharomyces cerevisiae. FEBS Letters 333, 169-174

Mizushima, N., Noda, T., Yoshimori, T., Tanaka, Y., Ishii, T., George, M.D., Klionsky, D.J., Ohsumi, M. et Ohsumi, Y. (1998). A protein conjugation system essential for autophagy. Nature 395, 395-398

Ichimura, Y., Kirisako T., Takao, T., Satomi, Y., Shimonishi, Y., Ishihara, N., Mizushima, N., Tanida, I., Kominami, E., Ohsumi, M., Noda, T. et Ohsumi, Y. (2000). A ubiquitin-like system mediates protein lipidation. Nature, 408, 488-492

Yoshinori Ohsumi è nato nel 1945 a Fukuoka, in Giappone. Ha conseguito il dottorato all'Università di Tokyo nel 1974. Dopo tre anni alla Rockefeller University di New York, è tornato all'Università di Tokyo, dove ha fondato il suo gruppo di ricerca nel 1988. Dal 2009 è professore al Tokyo Institute of Technology.