Autofagosom

Proses autofagi dibagi menjadi lima tahap yang berbeda. Autofagosom terbentuk dari ekspansi fagofor dan akan menyatu dengan lisosom membentuk autolisosom atau autofagolisisom.[1]

Autofagosom (autophagosome) adalah struktur sub-seluler berbentuk bulat dengan dua lapis membran yang menjadi struktur kunci dalam makroautofagi, sebuah proses di mana muatan sel didegradasi dan didaur ulang kembali.[2] Protein intraseluler yang abnormal, organel yang berlebih atau rusak, dan mikroorganisme yang menginfeksi sel adalah beberapa contoh muatan sitoplasma yang dapat didegradasi melalui proses makroautofagi.[2] Autofagosom terbentuk dari perluasan (ekspansi) fagofor yang menyelimuti komponen-komponen sitoplasma yang akan didegradasi. Setelah terbentuk, autofagosom akan mengirimkan komponen-komponen tersebut kepada lisosom.[2] Membran luar autofagosom dapat menyatu dengan lisosom untuk membentuk struktur bernama autolisosom. Ketika menyatu, lisosom mendegradasi muatan autofagosom beserta membran dalamnya menggunakan enzim hidrolase.[3][4]

Pembentukan autofagosom diatur oleh gen yang sangat lestari (well-conversed). Gen ini dapat ditemukan pada ragi (yeast) sampai eukariota yang lebih tinggi. Nomenklatur gen-gen ini berbeda dari satu makalah ke makalah lainnya, tetapi telah disederhanakan dan distandarkan dalam beberapa tahun terakhir.[5] Keluarga gen yang sebelumnya dikenal sebagai APG, AUT, CVT, GSA, PAZ, dan PDD sekarang disatukan sebagai keluarga ATG (AuTophaGy related).[5]

Ukuran autofagosom bervariasi antara sel mamalia dan ragi. Autofagosom ragi berukuran sekitar 500-900 nm, sedangkan autofagosom mamalia berukuran lebih besar, sekitar 500-1500 nm. Pada beberapa sel tertentu, seperti sel punca embrionik (embryonic stem cells), fibroblas embrionik, dan hepatosit, autofagosom dapat dilihat dengan mikroskop cahaya dan dapat dilihat sebagai struktur berbentuk cincin.[3]

Proses pembentukan autofagosom

Dalam sel ragi (Saccharomyces cerevisiae), setelah induksi makroautofagi terjadi, pembentukan autofagosom dimulai pada situs perivakuola yang disebut situs perakitan fagosom (phagophore assembly site, PAS).[2] Perikvakuola dalam sel ragi biasa terletak dekat dengan retikulum endoplasma (RE). Dalam sel mamalia, pembentukan autofagosom dimulai di berbagai tempat di seluruh sitoplasma, bukan di satu PAS saja.[2][6] Beberapa penelitian menunjukkan bahwa struktur pada retikulum endoplasma (RE) yang disebut omegasom berfungsi sebagai tempat inisiasi pada mamalia.[2] Omegasom adalah subdomain dari retikulum endoplasma yang tersusun oleh membran lipid bilayer yang diperkaya dengan fosfatidilinositol 3-fosfat.[7]

Induksi autofagi

Biogenesis autofagosom diinduksi oleh berbagai macam sinyal dari dalam dan luar sel, termasuk kekurangan nutrisi (asam amino, glukosa, zat besi, seng, fosfat, dan sebagainya), stres (stres retikulum endoplasma, stres oksidatif, hipoksia, kerusakan DNA, dan sebagainya), kemunculan agregat protein yang menyimpang, atau organel yang rusak, serta infeksi mikroba.[4][8] Sinyal-sinyal ini ditransmisikan melalui jalur pensinyalan yang berbeda. Akan tetapi, banyak di antara sinyal-sinyal tersebut akan bertemu (konvergen) dengan TORC1, yang merupakan pusat sensor nutrisi dan karenanya mengatur pertumbuhan dan fungsi sel.[4][8] Dalam keadaan normal, TORC1 memfosforilasi subunit kompleks Atg1/ULK sehingga menginhibisi rangkaian persinyalan hilir (downstream events) biogenesis autophagosome.[3] Di sisi lain, sinyal yang memperlemah (atenuasi) aktivitas TORC1 umumnya akan menginduksi proses pembentukan autofagosom.[9]

Pembentukan perancah oleh kompleks Atg1/ULK

Pembentukan prekursor autofagosom dimulai dengan perakitan beberapa kompleks Atg1/ULK yang membentuk perancah (scaffolding) untuk proses perekrutan protein ATG lainnya.[4] Atg1/ULK adalah salah satu protein penting dalam keluarga protein ATG, terutama dalam proses inisiasi autofagi.[10]

Pada ragi, inaktivasi TORC1 mengakibatkan pembentukan kompleks Atg1 melalui defosforilasi Atg13.[4] Selain itu, protein Atg13 dalam kompleks Atg1 menggunakan situs pengikatan di daerah yang secara intrinsik tidak teratur (long intrinsically disordered region) untuk "menangkap" Atg17 di kompleks Atg1 yang lain. Dengan cara ini, lusinan kompleks Atg1 saling berikatan-silang satu sama lain melalui Atg13, menghasilkan sebuah struktur yang disebut sebagai superassembly.[4]

Pada mamalia, beberapa kompleks ULK umumnya berkumpul pada subdomain RE yang diperkaya (enriched) dengan kompleks protein membran VMP1-TMEM41B dan fosfatidilinositol sintase (PIS) sebagai respons terhadap induksi autofagi.[4]

Perekrutan vesikel Atg9

Vesikel Atg9 adalah vesikel berukuran sekitar 50 nm yang memiliki banyak protein Atg9 pada membrannya. Vesikel Atg9 ini merupakan reservoar dari protein Atg9 yang dibutuhkan dalam proses autofagi. Umumnya, vesikel Atg9 ini ada terus-menerus di dalam sel, dan biasanya bersiklus di antara badan Golgi dan endosom.[11][4]

Dlaam sel ragi, setelah terbentuk kompleks ULK dan perancah yang berfungsi untuk merekrut berbagai macam protein Atg, vesikel Atg9 direkrut menuju kompleks Atg1 melalui interaksi Atg9 dengan domain HORMA dari Atg13 dan Atg17 pada autofagi non-selektif yang diinduksi oleh kekurangan nutrisi.[12] Namun, perlu dicatat bahwa setelah beberapa vesikel Atg9 terlokalisasi ke lokasi pembentukan autofagosom pada tahap awal pembentukan PAS, vesikel Atg9 tidak direkrut selama perluasan membran autofagosom. Dengan kata lain, membran dari vesikel Atg9 tidak digunakan sebagai material atau bahan baku membran autafagoson, melainkan hanya sebagai "benih" atau pemicu pembentukan PAS saja.[13]

Dalam sel mamalia, vesikel ATG9 yang berasal dari jajaring trans-Golgi mungkin terlibat dalam pembentukan prekursor autofagosom dengan mekanisme yang mirip seperti pada sel ragi. Kompleks ULK yang sudah terbentuk akan berasosiasi dengan RE, dan kemudian berasosiasi dengan vesikel ATG9 dengan bantuan ATG14. Setelah itu, kompleks ATG13-ATG101 dari kompleks ULK akan berinteraksi dengan protein ATG9 yang ada di vesikel ATG9.[4]

Modifikasi membran pada prekursor autofagosom

Pada sel mamalia dan sel ragi, terdapat banyak fosfatidilinositol-3-fosfat (PI3P) pada membran prekursor autofagosom. Lebih lanjut lagi, domain RE spesifik pada sel mamalia yang disebut sebagai omegasom juga memiliki banyak PI3P pada membrannya. PI3P ini dihasilkan oleh enzim bernama PI3K complex I, terutama pada proses inisiasi prekursor autofagosom. Dalam sel ragi, proses sintesis PI3P berada di vesikel Atg9, sedangkan dalam sel mamalia, biasanya ada di recycling endosome.[4]

Referensi

  1. ^ Yun, Hyeong Rok; Jo, Yong Hwa; Kim, Jieun; Shin, Yoonhwa; Kim, Sung Soo; Choi, Tae Gyu (2020-01). "Roles of Autophagy in Oxidative Stress". International Journal of Molecular Sciences (dalam bahasa Inggris). 21 (9): 3289. doi:10.3390/ijms21093289. ISSN 1422-0067. PMC 7246723 alt=Dapat diakses gratis. PMID 32384691. 
  2. ^ a b c d e f Parzych, Katherine R.; Klionsky, Daniel J. (2014-01-20). "An Overview of Autophagy: Morphology, Mechanism, and Regulation". Antioxidants & Redox Signaling (dalam bahasa Inggris). 20 (3): 460–473. doi:10.1089/ars.2013.5371. ISSN 1523-0864. PMC 3894687 alt=Dapat diakses gratis. PMID 23725295. 
  3. ^ a b c Mizushima, Noboru; Ohsumi, Yoshinori; Yoshimori, Tamotsu (2002). "Autophagosome Formation in Mammalian Cells". Cell Structure and Function (dalam bahasa Inggris). 27 (6): 421–429. doi:10.1247/csf.27.421. ISSN 0386-7196. 
  4. ^ a b c d e f g h i j Nakatogawa, Hitoshi (2020-08). "Mechanisms governing autophagosome biogenesis". Nature Reviews Molecular Cell Biology (dalam bahasa Inggris). 21 (8): 439–458. doi:10.1038/s41580-020-0241-0. ISSN 1471-0080. 
  5. ^ a b Klionsky, Daniel J; Cregg, James M; Dunn, William A; Emr, Scott D; Sakai, Yasuyoshi; Sandoval, Ignacio V; Sibirny, Andrei; Subramani, Suresh; Thumm, Michael (2003-10). "A Unified Nomenclature for Yeast Autophagy-Related Genes". Developmental Cell (dalam bahasa Inggris). 5 (4): 539–545. doi:10.1016/S1534-5807(03)00296-X. 
  6. ^ Chen, Yongqiang; Klionsky, Daniel J. (2011-01-15). "The regulation of autophagy – unanswered questions". Journal of Cell Science (dalam bahasa Inggris). 124 (2): 161–170. doi:10.1242/jcs.064576. ISSN 1477-9137. PMC 3037094 alt=Dapat diakses gratis. PMID 21187343. 
  7. ^ Roberts, Rebecca; Ktistakis, Nicholas T. (2013-09-27). Lane, Jon D., ed. "Omegasomes: PI3P platforms that manufacture autophagosomes". Essays in Biochemistry (dalam bahasa Inggris). 55: 17–27. doi:10.1042/bse0550017. ISSN 0071-1365. 
  8. ^ a b Corona Velazquez, Angel F.; Jackson, William T. (2018-11-01). "So Many Roads: the Multifaceted Regulation of Autophagy Induction". Molecular and Cellular Biology (dalam bahasa Inggris). 38 (21). doi:10.1128/MCB.00303-18. ISSN 1098-5549. PMC 6189458 alt=Dapat diakses gratis. PMID 30126896. 
  9. ^ Tomioka, Yui; Kotani, Tetsuya; Kirisako, Hiromi; Oikawa, Yu; Kimura, Yayoi; Hirano, Hisashi; Ohsumi, Yoshinori; Nakatogawa, Hitoshi (2020-07-06). "TORC1 inactivation stimulates autophagy of nucleoporin and nuclear pore complexes". Journal of Cell Biology (dalam bahasa Inggris). 219 (7). doi:10.1083/jcb.201910063. ISSN 0021-9525. PMC 7337488 alt=Dapat diakses gratis. PMID 32453403. 
  10. ^ Lazarus, Michael B.; Novotny, Chris J.; Shokat, Kevan M. (2015-01-16). "Structure of the Human Autophagy Initiating Kinase ULK1 in Complex with Potent Inhibitors". ACS Chemical Biology (dalam bahasa Inggris). 10 (1): 257–261. doi:10.1021/cb500835z. ISSN 1554-8929. PMC 4301081 alt=Dapat diakses gratis. PMID 25551253. 
  11. ^ Orsi, A.; Razi, M.; Dooley, H. C.; Robinson, D.; Weston, A. E.; Collinson, L. M.; Tooze, S. A. (2012-05-15). Klumperman, Judith, ed. "Dynamic and transient interactions of Atg9 with autophagosomes, but not membrane integration, are required for autophagy". Molecular Biology of the Cell (dalam bahasa Inggris). 23 (10): 1860–1873. doi:10.1091/mbc.e11-09-0746. ISSN 1059-1524. PMC 3350551 alt=Dapat diakses gratis. PMID 22456507. 
  12. ^ He, Congcong; Song, Hui; Yorimitsu, Tomohiro; Monastyrska, Iryna; Yen, Wei-Lien; Legakis, Julie E.; Klionsky, Daniel J. (2006-12-18). "Recruitment of Atg9 to the preautophagosomal structure by Atg11 is essential for selective autophagy in budding yeast". The Journal of Cell Biology. 175 (6): 925–935. doi:10.1083/jcb.200606084. ISSN 1540-8140. PMC 2064702 alt=Dapat diakses gratis. PMID 17178909. 
  13. ^ Yamamoto, Hayashi; Kakuta, Soichiro; Watanabe, Tomonobu M.; Kitamura, Akira; Sekito, Takayuki; Kondo-Kakuta, Chika; Ichikawa, Rie; Kinjo, Masataka; Ohsumi, Yoshinori (2012-07-23). "Atg9 vesicles are an important membrane source during early steps of autophagosome formation". Journal of Cell Biology. 198 (2): 219–233. doi:10.1083/jcb.201202061. ISSN 1540-8140. PMC 3410421 alt=Dapat diakses gratis. PMID 22826123.