La resposta a l'estrès lisosomal (LSR, de l'anglès lysosomal stress response) és un mecanisme de resposta a l'estrès cel·lular relacionat amb el lisosoma, conservat en l'evolució eucariota. En el context de la biologia cel·lular, l'estrès lisosomal es defineix com qualsevol estat que compromet la integritat o homeòstasi funcional dels lisosomes.
En cas d'estrès no letal s’activen vies que permeten restablir l'homeòstasi del sistema lisosomal, promovent-ne l'augment de la capacitat de degradació i biogènesi lisosomal amb l'objectiu de compensar la falta de funcionalitat. En canvi, davant d'una situació irreparable, la resposta condueix a l'apoptosi. També es pot diferenciar entre una resposta a un estrès agut i a un de crònic. El primer fa referència a una resposta ràpida a un estímul puntual de curta durada, com una manca de nutrients o l'exposició a un fàrmac. El segon fa referència a una situació on cal una resposta persistent que resulta insuficient, provocant dany i degeneració tissular.
Causes de la LSR L'estrès als lisosomes, i per tant, la LSR, poden activar-se per dues categories de factors: mutacions i inductors d'estrès.
Mutacions Algunes mutacions, principalment en les hidrolases àcides lisosomals, poden conduir a l'agregació de substrats, un pH luminal elevat i una morfologia alterada, desencadenant un estrès del lisosoma.
Per altra banda, les mutacions en gens que codifiquen proteïnes que intervenen en el desenvolupament de la funció lisosomal (proteïnes lisosomals luminals, de membrana i d'altres no lisosòmiques que intervenen en la funció de l'orgànul) poden conduir al deteriorament de diversos aspectes de la funció cel·lular, com ara el tràfic, la senyalització o la mort cel·lular.
Inductors d'estrès alt=Esquema amb les causes i característiques de l'estrès lisosomal esmentades a l'article.|miniatura|513x513px|Causes i característiques de l'estrès lisosomal Hi ha compostos que poden desencadenar l'activació de la LSR i alterar la funció lisosomal. Se’n destaquen:
Cloroquina i hidroxicloroquina: en protonar-se, s’acumulen a l'interior del lisosoma i causen un augment del pH, de la mida del lisosoma i de la permeabilització de la membrana, a més d'inhibir la degradació de proteïnes així com la fusió autofagosoma-lisosoma. Proteïnes VIH-1: gp120 desacidifica els endolisosomes, n’altera la posició intracel·lular, n’augmenta la permeabilització i promou la vacuolització. Aquests danys activen canals que permeten l'alliberació de cations divalents, incloent-hi el calci i el ferro. Low density lipoprotein (LDL) colesterol: l'excés d'aquestes molècules genera una sobrecàrrega lipídica que dificulta el processament normal dels lípids i afavoreix la disfunció lisosomal per una desacidificació del lisosoma. Nanomaterials: poden penetrar la cèl·lula gràcies a l'endocitosi i causar una afectació en la morfologia i la funció dels endolisosomes (desacidificació i disminució de calci luminal).
Les causes de l'activació de la LSR causen les següents alteracions: augment del pH intralisosomal i de la mida del lisosoma, permeabilització de la membrana, flux catiònic, reposicionament intracel·lular, agregació de proteïnes malplegades, acumulació de colesterol LDL, catàstrofe redox i crisi bioenergètica.
El principal d'aquests nou criteris és l'alcalinització luminal del lisosoma, ja que pot desencadenar cada un dels 8 criteris restants.
Mecanismes de la resposta a l'estrès lisosomal (LSR) Via de reparació TFEB El factor de transcripció EB (TFEB) és el principal regulador de la formació de nous lisosomes per combatre l'estrès lisosomal. Per fer aquesta funció s’ha de localitzar al nucli cel·lular, on s’unirà als elements CLEAR, que són llocs d'unió específics del factor de transcripció EB presents al promotor dels gens que codifiquen la biosíntesi i regulació lisosomal i pels mecanismes d'autofàgia. Així doncs, TFEB n’augmenta l'expressió, provocant un increment de la biosíntesi lisosomal i de l'autofàgia, entre d'altres conseqüències. Ara bé, aquest factor no sempre es troba activat, sinó que depèn del seu estat de fosforilació, que és el seu màxim mecanisme de regulació.
Estat de fosforilació En condicions normals, el factor de transcripció EB es troba fosforilat i localitzat al citosol de la cèl·lula. La fosforilació de molècules individuals provoca que es formin dímers amb TFEB no fosforilats. Addicionalment, la presència dels fosfats a les molècules provoca que puguin ser reconegudes per la xaperona 14-3-3. D’aquesta manera, es segresten i s’impedeix l'entrada al nucli.
La proteïna-cinasa principal que s’encarrega de fosforilar TFEB és la serina/treonina cinasa mTOR, dins del complex proteic mTORC1. És el regulador per excel·lència d'aquest factor. Quan no hi ha situació d'estrès, es troba en estat actiu a les membranes dels lisosomes i fosforila els TFEB que hi ha al citosol. No obstant això, també existeixen altres cinases amb la capacitat de fosforilar-lo, com poden ser MAPK1 o Akt.
Estat de desfosforilació Quan es produeixen situacions que generen estrès lisosomal, existeixen diferents mecanismes pels quals es desfosforila TFEB, s’augmenta la seva activitat i es transloca al nucli amb l'objectiu d'unir-se als elements CLEAR i d'augmentar l'expressió dels gens de biosíntesi i regulació lisosomal i d'autofàgia. Així doncs, s’intenta combatre l'estrès i reparar el dany provocat.
En primer lloc, com que es produeix una disfunció del lisosoma, mTORC1 se separa de la membrana lisosomal, de manera que la principal cinasa que fosforila TFEB s’inactiva i, conseqüentment, hi ha moltes més molècules de TFEB actives amb capacitat d'entrar al nucli.
En segon lloc, a causa de l'estrès generat, el lisosoma allibera cations calci (Ca2+). Aquests ions provoquen l'activació de fosfatases com la calcineurina. Aquest calci pot ser alliberat, per exemple, pel transportador de cations TRPML1, que s’activa quan hi ha un excés d'espècies reactives d'oxigen (ROS). Tot i així, altres mecanismes inductors d'estrès lisosomal també generen una activació de fosfatases diferents (un exemple seria la proteïna fosfatasa 2A (PP2A)) capaces de desfosforilar TFEB i evitar el segrest citosòlic per part de la xaperona 14-3-3.
En general, el principal mecanisme pel qual es regula la biogènesi lisosomal i es repara el dany és la via TFEB-mTORC1. Aquest mecanisme, i els altres, s’activen quan apareix una situació que genera estrès al lisosoma, encara que sigui lleu. L'objectiu final és aconseguir revertir la disfunció lisosomal i el dany provocat per l'estrès mitjançant la sobreexpressió dels gens reguladors de la biosíntesi lisosomal i dels gens reguladors de l'autofàgia. D'aquesta manera, aconseguim eliminar els lisosomes danyats per l'estrès i crear-ne de nous. En tot aquest procés hi té un paper clau el factor de transcripció EB, el qual és capaç d'activar els gens esmentats.
Mort cel·lular En algunes situacions la resposta a l'estrès lisosomal també pot desembocar en mort cel·lular. Aquest procés depèn principalment de la magnitud del dany lisosomal, del mecanisme pel qual s’hagi induit aquest dany, i del context cel·lular general. Per exemple, una cèl·lula amb ruptura de la membrana lisosomal (LMR), caracteritzada per una elevada disrupció, tindrà més probabilitats d'acabar en un tipus de mort cel·lular més agressiva. En canvi, les cèl·lules amb permeabilització de la membrana lisosomal (LMP) es caracteritzen per l'aparició de porus més petits i desemboquen respostes de mort cel·lular programada menys agressives.
Tres dels tipus més estudiats de mort cel·lular en relació a la LSR són l'apoptosi, la necroptosi i la ferroptosi. miniatura|541x541px|Algunes de les vies principals de mort cel·lular involucrades en la LSR
Apoptosi El dany de la membrana lisosomal pot provocar la sortida de catepsines del lisosoma cap al citoplasma. Aquestes catepsines, que habitualment funcionen com a proteases lisosomals, quan són al citoplasma tallen BID (una proteïna de la família de Bcl-2) a tBID, la forma activa proapoptòtica. tBID provoca l'agrupament de proteïnes BAX, que desencadena la permeabilització de la membrana externa mitocondrial (MOMP), alliberant el citocrom c del mitocondri i iniciant la via intrínseca de l'apoptosi.
Necroptosi En algunes condicions també es pot donar un tipus de mort cel·lular programada, intermèdia entre l'apoptosi i la necrosi, anomenada necroptosi. Per exemple, en l'estrès lisosomal causat per traumatismes en neurones s’acumulen proteïnes com RIPK1, RIPK3 i MLKL, implicades en la formació de complexes anomenats necrosomes, característics d'aquest tipus de mort cel·lular. Aquesta acumulació es veu reduïda quan s’activen vies d'autofàgia.
Alternativament, la necroptosi pot ser activada mitjançant la catepsina D alliberada per dany de membrana.
Ferroptosi La ferroptosi és un tipus de mort cel·lular causada per l'acumulació excessiva de peròxids lipídics a la membrana cel·lular. Els lisosomes són un magatzem important de ferro, que en condicions d'estrès lisosomal associat a un excés d'ROS es pot convertir en una font addicional de dany oxidatiu: el peròxid d'hidrogen (H2O2) pot reaccionar amb el Fe2+ emmagatzemat, generant radicals lliures de tipus hidroxil mitjançant la reacció de Fenton. Aquests radicals són altament reactius i tenen un efecte dual. D’una banda, oxiden els lípids de la membrana plasmàtica, podent desencadenar ferroptosi. D’altra banda, poden atacar la pròpia membrana lisosomal, generant encara més dany i potenciant la resposta de mort cel·lular causada per l'estrès lisosomal.
Implicacions patològiques Malalties per dipòsit lisosòmic (LSD) Les malalties per dipòsit lisosòmic (LSD) es caracteritzen sobretot per mutacions en enzims hidrolítics lisosomals provocant l'acumulació de substrats no degradats que poden desencadenar una cascada de processos cel·lulars.
Representen un estat crònic d'estrès lisosomal en el qual s’activen múltiples característiques pròpies de la LSR per restaurar l'homeòstasi del lisosoma, com seria l'activació de TFEB. En el context de les LSDs aquesta resposta és insuficient per restaurar l'homeòstasi i condueix a la progressió de la malaltia.
S’han identificat diferents tipus de LSD.
Gaucher: és la més prevalent. S’acumulen glucocerebròsids. Niemann-Pick tipus C: els lisosomes són incapaços d'exportar colesterol a partir de proteïnes de transport NPC1/2 causant una acumulació de colesterol i esfingolipids. Tay-Sachs: acumulació de gangliòsids GM2. Pompe: hi ha una acumulació de glicogen.
Malalties neurodegeneratives En les malalties neurodegeneratives es produeix un estat sostingut d'estrès lisosomal que activa la LSR, però de forma insuficient. Condueix a l'acumulació progressiva de proteïnes agregades, al deteriorament de la funció cel·lular i, finalment, a la mort neuronal. La disfunció del sistema lisosomal pot afavorir la propagació de proteïnes tòxiques entre cèl·lules mitjançant exosomes que contribueixen a l'extensió del dany neuronal.
Malaltia d'Alzheimer: els endolisosomes processen la proteïna precursora d'amiloide que dona lloc als pèptids β-amiloide (Aß). Quan els lisosomes no funcionen correctament, es produeix una alteració en el tràfic i degradació endolisosomal i ’acumula Aß42 intracel·lularment a les neurones i extracel·lularment. No es pot degradar eficientment i contribueix a la formació de plaques d'amiloide i dany neuronal. Malaltia de Parkinson: la principal alteració és l'acumulació d'agregats d'α-sinucleïna (cossos de Lewy). Aquesta proteïna pot ser internalitzada pels endolisosomes on provoca estrès lisosomal afavorint la seva acumulació. Malaltia de Huntington: causada per mutacions en el gen HTT que donen lloc a una proteïna mutant (mHTT) amb tendència a agregar-se. Aquesta afecta el transport vesicular, perjudica l'autofàgia i modifica l'activitat de les catepsines.
Envelliment