Συντονισμός της μιτοχονδριακής βιογένεσης και του μηχανισμού της μιτοφαγίας κατά τη γήρανση στον νηματώδη Caenorhabditis elegans

Abstract

Mitochondria are ubiquitous membrane – bound organelles and they are a defining feature of eukaryotic cell. The organelle is composed of a soluble matrix surrounded by a double membrane, an ion impermeable inner membrane and a permeable outer membrane. Despite the fact that mitochondria contain their own independent genome, they are characterized as semi-autonomous organelles because their biological functions rely on the expression of nuclear genes. The mitochondrion is the site where electron transport chain and oxidative phosphorylation take place and provides the cell with the essential energy in the form of ATP for many cellular activities. Also, mitochondria are the major source of cellular reactive oxygen species (ROS) that cause oxidative damage to mtDNA, proteins and lipids. Accordingly, damaged, aged and excess mitochondria are a risk factor for the cell and proper elimination of them is important to maintain cellular homeostasis. Mitochondrial quality control mechanisms are therefore indispensable to cell survival and these include the removal of damaged mitochondrial proteins by an intra – organelle proteolytic system, the repair of damaged mitochondria by healthy ones through fission and fusion events and the removal of severely damaged mitochondria by autophagy (mitophagy). Aberrant accumulation of mitochondria in disparate cell types is a shared hallmark of many human pathologies and ageing. How mitochondrial biogenesis coordinates with the removal of damaged or superfluous mitochondria to maintain cellular homeostasis is not well understood. Here, we show that mitophagy, a selective type of autophagy targeting mitochondria for degradation, interfaces with mitochondrial biogenesis to regulate mitochondrial content in Caenorhabditis elegans. We found that DCT-1 is a key mediator of mitophagy and longevity assurance under conditions of stress in C. elegans. Impairment of mitophagy compromises stress resistance and triggers mitochondrial retrograde signalling through the SKN-1 transcription factor that regulates both mitochondrial biogenesis genes and mitophagy by enhancing DCT-1 expression. Our findings reveal a homeostatic feedback loop that integrates metabolic signals to coordinate the biogenesis and turnover of mitochondria. Uncoupling of these two processes during ageing contributes to overproliferation of damaged mitochondria and decline of cellular function.

Τα μιτοχόνδρια είναι κυτταρικά οργανίδια, τα οποία περιβάλλονται από διπλή μεμβράνη, και αποτελούν βασικό χαρακτηριστικό των ευκαρυωτικών κυττάρων. Τα μιτοχόνδρια αποτελούνται από μια υγρή – διαλυτή μήτρα που περιβάλλεται από δύο μεμβράνες, μια εσωτερική μεμβράνη μη διαπέρατη σε ιόντα, μια εξωτερική μεμβράνη διαπερατή σε ιόντα και το διαμεμβρανικό χώρο που είναι απαραίτητος για τη λειτουργική επικοινωνία των δύο μεμβρανών. Παρά το γεγονός ότι τα μιτοχόνδρια περιέχουν το δικό τους γονιδίωμα, χαρακτηρίζονται ως ημι – αυτόνομα οργανίδια επειδή οι βασικές βιολογικές τους λειτουργίες εξαρτώνται από την έκφραση και τη ρύθμιση συγκεκριμένων πυρηνικών γονιδίων. Τα μιτοχόνδρια αποτελούν «τα εργοστάσια παραγωγής ενέργειας» του κυττάρου και εφοδιάζουν με ΑΤΡ το κύτταρο για να πραγματοποιηθεί μια ποικιλία κυτταρικών λειτουργιών. Επίσης, τα μιτοχόνδρια αποτελούν την κύρια πηγή ενεργών ριζών οξυγόνου (ROS, Reactive Oxygen Species) που προκαλούν οξειδωτική βλάβη στο μιτοχονδριακό DNA, στις πρωτεΐνες και στα λιπίδια. Επομένως, τα γηρασμένα μιτοχόνδρια, τα μιτοχόνδρια με βλάβες αλλά και ο αυξημένος αριθμός μιτοχονδρίων αποτελούν υψηλό παράγοντα κινδύνου για τη ζωή του κυττάρου. Για να παραμείνει σταθερή η κυτταρική ομοιόσταση σε τέτοιες περιπτώσεις λαμβάνουν χώρα μηχανισμοί ποιοτικού ελέγχου των μιτοχονδρίων. Η απομάκρυνση κατεστραμένων μιτοχονδριακών πρωτεϊνών μέσω πρωτεολυτικών μηχανισμών, η αποκατάσταση των κατεστραμμένων μιτοχονδρίων από τα υγιή μέσω των μηχανισμών σχάσης/σύντηξης και η απομάκρυνση των μιτοχονδρίων που έχουν υποστεί σοβαρές βλάβες μέσω της διαδικασίας της αυτοφαγίας (μιτοφαγία) αποτελούν τους κύριους μηχανισμούς ποιοτικού ελέγχου των μιτοχονδρίων. Η μιτοφαγία είναι ένας ειδικός τύπος αυτοφαγίας και αποτελέι τον κύριο μηχανισμό αποικοδόμησης και απομάκρυνσης κατεστραμμένων μιτοχονδρίων. Η ανεξέλεγκτη συσσώρευση μιτοχονδριακής μάζας παρατηρείται σε μια ποικιλία κυτταρικών τύπων σε διάφορες παθολογικές καταστάσεις και κατά την διάρκεια της γήρανσης. Ωστόσο, ο μηχανισμός που ρυθμίζει αυτό το φαινόμενο παραμένει άγνωστος. Στην παρούσα διατριβή μελετήσαμε την συμμετοχή της μιτοφαγίας και της μιτοχονδριακής βιογένεσης στο παραπάνω φαινόμενο και ποιές είναι οι συνέπειες απορρύθμισης του συντονισμού αυτών των δύο αντιτιθέμενων κυτταρικών διαδικασιών στη μιτοχονδριακή λειτουργία και κατ’ επέκταση στην διατήρηση της ομοιόστασης του νηματώδους Caenorhabditis elegans. Βρήκαμε ότι η πρωτεΐνη DCT-1 είναι ο κύριος υποδοχέας της μιτοφαγίας. Η μείωση των επιπέδων μιτοφαγίας κατά την γήρανση οδηγεί σε προοδευτική συσσώρευση, κυρίως μη λειτουργικών μιτοχονδρίων. Κάτι τέτοιο οδηγεί τελικά σε ελάττωση του προσδόκιμου επιβίωσης. Αντίθετα, ενίσχυση της ανακύκλωσης των μιτοχονδρίων έχει ως αποτέλεσμα τη θωράκιση της ομοιόστασης των κυττάρων, την ανθεκτικότητα στο στρες και την σημαντική αύξηση της διάρκειας ζωής του οργανισμού. Το οξειδωτικό στρες που προκαλείται από την παρουσία μιτοχονδριακών βλαβών, οδηγεί στην έναρξη μιας διμερούς ανάδρομης κυτταρικής σηματοδότησης που διαμεσολαβείται από τον μεταγραφικό παράγοντα SKN-1 και περιλαμβάνει την συντονισμένη επαγωγή γονιδίων που ρυθμίζουν τόσο τη μιτοχονδριακή βιογένεση όσο και τη μιτοφαγία. Ο συντονισμός των δύο αυτών διαδικασιών διατηρεί την εύρυθμη μιτοχονδριακή λειτουργία, απομακρύνοντας τα κατεστραμμένα μιτοχόνδρια και δημιουργώντας νέα και υγιή. Η διαταραχή της ισορροπίας μεταξύ των δύο αυτών διαδικασιών κατά τη διάρκεια της γήρανσης συμβάλλει στην υπερπολλαπλασιασμό των κατεστραμμένων μιτοχονδρίων και τη μείωση της κυτταρικής λειτουργίας.