fagolisosoma

En biología , un fagolisosoma , o endolisosoma , es un cuerpo citoplasmático formado por la fusión de un fagosoma con un lisosoma durante la fagocitosis . La formación de fagolisosomas es esencial para la destrucción intracelular de microorganismos y patógenos . Ocurre cuando las membranas del fagosoma y del lisosoma colisionan, momento en el que el contenido lisosomal —incluidas las enzimas hidrolíticas— se libera en el fagosoma de forma explosiva y digiere las partículas ingeridas. Algunos productos de la digestión son materiales útiles que se transportan al citoplasma; otros se exportan mediante exocitosis .

La fusión de membranas del fagosoma y el lisosoma está regulada por la proteína Rab5 , ^{[ 1 ]} una proteína G que permite el intercambio de material entre estos dos orgánulos pero impide la fusión completa de sus membranas. ^{[ 1 ]}

Cuando el fagosoma y el lisosoma interactúan, forman un fagolisosoma completamente desarrollado. Un fagolisosoma completamente desarrollado posee propiedades digestivas y asépticas. Su función es actuar como barrera protectora, una línea de defensa que elimina las bacterias patógenas que hayan podido eludir la detección de otras células del sistema inmunitario. El espacio extracelular que rodea al lisosoma es muy ácido, lo cual es importante para la degradación, ya que la mayoría de las células no toleran un ambiente ácido y mueren, salvo algunas excepciones. ^{[ 2 ]}

Los fagolisosomas funcionan reduciendo el pH de su entorno interno. El fagolisosoma se acidifica progresivamente mediante la acción de las bombas de protones V-ATPasa, alcanzando un pH tan bajo como 4,5-5,0. ^{[ 3 ]} Este entorno ácido es esencial para la activación de enzimas hidrolíticas y la desnaturalización de proteínas microbianas. ^{[ 4 ]} Esto sirve como mecanismo de defensa contra microbios y otros parásitos dañinos, y también proporciona un medio adecuado para la actividad de enzimas degradativas. ^{[ 5 ]}

Los microbios son destruidos dentro de los fagolisosomas mediante una combinación de procesos oxidativos y no oxidativos. El proceso oxidativo, también conocido como estallido respiratorio, incluye la producción "no mitocondrial " de especies reactivas de oxígeno . ^{[ 6 ]}

Al disminuir el pH y las concentraciones de fuentes de carbono y nitrógeno , los fagolisomas inhiben el crecimiento de los hongos . Un ejemplo es la inhibición de las hifas en Candida albicans . ^{[ 7 ]}

En los neutrófilos humanos , los fagolisosomas destruyen los patógenos también mediante la producción de ácido hipocloroso . ^{[ 8 ]}

La fagocitosis y la formación del fagolisosoma se pueden dividir en varias etapas discretas, cada una de las cuales involucra procesos celulares y componentes moleculares específicos:

1. Reconocimiento de la señal: El proceso comienza con la exposición de una señal en la partícula o célula objetivo. Esta señal, a menudo denominada señal de "cómeme", es reconocida por receptores en la superficie del fagocito . ^{[ 9 ]} El fagocito entonces engulle el patógeno o partícula extracelular, atrapándolo dentro de su membrana.
2. Formación de la copa fagocítica: Tras el reconocimiento de la señal, se reclutan receptores adicionales al sitio y la membrana plasmática del fagocito comienza a extenderse alrededor del objetivo, formando una estructura llamada copa fagocítica. ^{[ 9 ]}
3. Formación del fagosoma: Una vez que la copa fagocítica ha rodeado casi por completo al objetivo, las extensiones de la membrana se sellan entre sí, formando un fagosoma intacto que contiene el material engullido. ^{[ 9 ]}
4. Maduración del fagosoma: El fagosoma recién formado experimenta una serie de transiciones similares a la maduración del endosoma . Este proceso implica el reciclaje de los receptores fagocíticos y la acidificación gradual del lumen del fagosoma. ^{[ 9 ]} Durante esta etapa, el fagosoma se desplaza más hacia el interior del citosol.
5. Formación del fagolisosoma: El fagosoma en maduración se fusiona con los lisosomas, formando un fagolisosoma. Esta fusión introduce enzimas hidrolíticas en el fagosoma, iniciando la degradación del material engullido. ^{[ 9 ]}
6. Degradación de la carga: Dentro del fagolisosoma, comienza la degradación de la carga, a menudo con la ruptura de su membrana. Las hidrolasas lisosomales descomponen progresivamente el contenido en moléculas más pequeñas, revelando componentes celulares como carbohidratos , lípidos y proteínas . ^{[ 9 ]}
7. Resolución del fagolisosoma: En la etapa final, el fagolisosoma puede sufrir tubulación, liberando vesículas que pueden reformar lisosomas o facilitar una mayor degradación de la carga. Este proceso es crucial para el reciclaje de los componentes fagolisosomales y la finalización de la degradación de los materiales fagocitados. ^{[ 9 ]}

El destino del material digerido puede variar. Puede ser destruido por apoptosis , fagocitado posteriormente por macrófagos o presentado a las células T para inducir una reacción inmunitaria. ^{[ 4 ]}

Curiosamente, algunas proteínas participan en múltiples etapas de este proceso, lo que indica una superposición mecanística entre estos pasos aparentemente discretos. ^{[ 9 ]} Todo el proceso está regulado por proteínas conservadas que participan en el reconocimiento, la fagocitosis y el procesamiento de los desechos extracelulares.

La investigación con organismos modelo, en particular Caenorhabditis elegans , ha sido fundamental para identificar los componentes moleculares involucrados en estas etapas y ordenarlos en vías distintas. ^{[ 10 ]} C. elegans ofrece varias ventajas para estudiar la fagocitosis, incluyendo la capacidad de observar el proceso en animales vivos con cargas endógenas in situ . ^{[ 11 ]} La sincronización predecible de la muerte celular y la fagocitosis en C. elegans permite la obtención de imágenes de lapso de tiempo de cada paso a nivel de célula individual. ^{[ 12 ]}

La resolución del fagolisosoma es la etapa final del proceso fagocítico, que implica la degradación del material engullido y el reciclaje de los componentes fagolisosomales. La mayoría de los estudios no visualizan el proceso de fagocitosis hasta su finalización, sino que utilizan la fusión lisosomal o la acidificación del lumen del fagolisosoma como puntos finales. ^{[ 9 ]} Además, esta etapa de resolución se comprende menos que las fases anteriores de la fagocitosis, ya que puede llevar un tiempo considerable. Si bien el engullido y la maduración del fagosoma pueden ocurrir en minutos, la degradación de la carga fagolisosomal puede tardar horas en completarse. ^{[ 13 ]}

Proceso de resolución

Tras la fusión del fagosoma con el lisosoma , puede tener lugar el proceso de resolución. La degradación comienza con la ruptura de la membrana de la carga, exponiendo así su contenido a las hidrolasas lisosomales . Se cree que las lipasas lisosomales actúan sobre la membrana de la carga, dejando intacta la membrana fagolisosomal, posiblemente debido a la protección que brindan las proteínas glicosiladas de la membrana lisosomal. ^{[ 14 ]} Sin embargo, el mecanismo exacto por el cual las lipasas distinguen entre estas membranas aún no está claro.

Una vez que la membrana de carga se ve comprometida, las proteasas y nucleasas lisosomales , como la proteasa catepsina CPL-1 y el homólogo de la DNasa II NUC-1, degradan las proteínas y los ácidos nucleicos de la carga fagolisosomal. ^{[ 15 ]} Los productos de degradación resultantes, incluidos los aminoácidos , son transportados fuera del fagolisosoma por varios transportadores, incluidos miembros de la familia de transportadores de solutos como SLC-36.1 y el ortólogo de SLC66A1 LAAT-1. ^{[ 16 ]}

El transporte de productos de degradación fuera del fagolisosoma cumple múltiples funciones celulares. En las células inmunitarias, este proceso es crucial para la presentación de antígenos , permitiendo que la célula comunique información sobre el material degradado a otros componentes del sistema inmunitario . ^{[ 17 ]} Además, la degradación del contenido fagolisosomal puede contribuir al metabolismo celular . Las moléculas resultantes pueden servir como materias primas y fuentes de energía para diversos procesos celulares, incluyendo potencialmente la facilitación de rondas posteriores de fagocitosis . ^{[ 9 ]} Este reciclaje eficiente del material engullido resalta el papel del fagolisosoma no solo en la defensa celular, sino también en la adquisición de nutrientes y la gestión de la energía.

Dinámica de membranas

Estudios recientes de lapso de tiempo han revelado cambios dinámicos en las membranas fagolisosomales durante la resolución. Una hora después de la ruptura de la membrana de la carga, el fagolisosoma comienza a tubular y liberar vesículas . ^{[ 13 ]} Este proceso depende de la pequeña GTPasa ARL-8, que está asociada con las proteínas motoras de microtúbulos kinesina . Las vesículas fagolisosomales liberadas desempeñan una doble función: promueven una mayor degradación de las moléculas de carga ^{[ 13 ]} y contribuyen a la reformación de los lisosomas al recuperar hidrolasas lisosomales y proteínas de membrana. ^{[ 16 ]}

Señalización y regulación

La exportación de contenido fagolisosomal degradado, en particular aminoácidos , desempeña un papel crucial en la regulación de la resolución del fagolisosoma. El transporte de aminoácidos por proteínas como SLC-36.1 y la posterior detección de aminoácidos conducen a la señalización de mTOR , que es necesaria para la tubulación del fagolisosoma y la liberación de vesículas. ^{[ 16 ]} Sin embargo, el mecanismo exacto que vincula la señalización de mTOR con la tubulación mediada por ARL-8 aún no se comprende completamente. ^{[ 9 ]}

Importancia para la función celular

La resolución del fagolisosoma cumple varias funciones celulares importantes:

1. Presentación de antígenos: En las células inmunitarias, el transporte de los productos de degradación fuera del fagolisosoma es crucial para la presentación de antígenos.
2. Soporte metabólico: La degradación del contenido fagolisosomal puede proporcionar materias primas y energía para las funciones celulares, incluidas rondas adicionales de fagocitosis.
3. Reforma de los lisosomas: Las vesículas liberadas durante la resolución del fagolisosoma contribuyen a la reformación de los lisosomas, lo que favorece la siguiente ronda de fagocitosis.
4. Degradación de la carga: Los procesos de tubulación y liberación de vesículas promueven la degradación completa de la carga fagolisosomal.

A pesar de los avances recientes, aún quedan por dilucidar muchos aspectos de la resolución del fagolisosoma, incluyendo la especificidad de las lipasas en la degradación de la membrana, los posibles mecanismos de reparación citosólica para la membrana fagolisosomal y la regulación precisa de ARL-8 para promover la tubulación frente al movimiento de orgánulos completos.

Coxiella burnetii , el agente causal de la fiebre Q , se desarrolla y replica en los fagolisosomas ácidos de su célula huésped. ^{[ 18 ]} La acidez del fagolisosoma es esencial para que C. burnetii transporte glucosa , glutamato y prolina , así como para la síntesis de ácidos nucleicos y proteínas. ^{[ 19 ]}

De manera similar, cuando se encuentra en su etapa de amastigote , Leishmania obtiene todas sus fuentes de purinas , diversas vitaminas y varios de sus aminoácidos esenciales del fagolisosoma de su huésped. Leishmania también obtiene hemo de la proteólisis de proteínas en el fagolisosoma del huésped. ^{[ 16 ]}