Balanced mRNA storage and degradation regulates mitochondrial homeostasis, ageing and stress resistance in Caenorhabditis elegans

Abstract

Mitochondrial abundance and function are essential regulators of healthspan and lifespan in organisms as diverse as the nematode Caenorhabditis elegans and humans. Importantly, their perturbation has been associated with various pathological conditions, including lysosomal storage disease, cardiovascular disease, neurodegeneration and type 2 diabetes mellitus, among others. Mitochondrial abundance is tightly regulated by the two opposing processes of mitochondrial biogenesis and mitophagy. While mitophagy has been extensively studied, mitochondrial biogenesis remains largely unexplored. This is a complex, multi-step process coordinated by retrograde and anterograde responses. Local translation of nuclear-encoded and mitochondrial-targeted transcripts (NEMTTs) in the vicinity of mitochondria is crucial for the organelle biogenesis. Although cytoplasmic factors are expected to principally regulate local translation under normal conditions and in response to stress, the identity of such factors remain elusive. Here, we uncover a pivotal role for cytoplasmic components known to participate in the 5’-3’ mRNA degradation pathway, in regulating mitochondrial abundance and function in C. elegans. Specifically, we show that the mRNA decapping and the CCR-4/NOT complexes form distinct foci that physically associate with mitochondria and oppositely regulate mitochondrial abundance during ageing. The underlying mechanism relies on the post-transcriptional regulation of NEMTTs in the vicinity of the organelle. Balanced mRNA degradation and storage of target NEMTTs is required for the regulation of mitochondrial abundance and function, ultimately promoting stress resistance and longevity in C. elegans. Our findings uncover a novel role for mRNA metabolism components in mitochondrial biogenesis and identify the cytoplasmic constituents that fine-tune local translation during ageing and under conditions of stress in C. elegans.

Ο αριθμός των μιτοχονδρίων σε συνδυασμό με την λειτουργία τους αποτελούν σημαντικούς ρυθμιστές της υγείας των ατόμων αλλά και του προσδόκιμου ζωής αυτών σε ποικίλους οργανισμούς, από απλούς όπως ο νηματώδης C. elegans έως και πολύ πολύπλοκους όπως είναι ο άνθρωπος. Συγκεκριμένα, η διατάραξή τους συσχετίζεται συχνά με παθολογικές καταστάσεις όπως τα λυσοσωμικά αθροιστικά νοσήματα, η καρδιαγγειακή νόσος, ο νευροεκφυλισμός και σακχαρώδης διαβήτης τύπου 2, μεταξύ άλλων. Ο αριθμός των μιτοχονδρίων ελέγχεται στενά από δύο αντίθετες διαδικασίες, την βιογένεση των μιτοχονδρίων και τη μιτοφαγία. Σε αντίθεση με τη μιτοφαγία, η οποία έχει μελετηθεί εκτεταμένα, οι μηχανισμοί μιτοχονδριακής βιογένεσης εξακολουθούν να είναι ως επί το πλείστον ανεξερεύνητοι. Η ημι-αυτόνομη φύση των μιτοχονδρίων καθιστά τη βιογένεσή τους μια πολύπλοκη διαδικασία που βασίζεται στον συντονισμό σηματοδότησης από τα μιτοχόνδρια προς τον πυρήνα και από τον πυρήνα προς τα μιτοχόνδρια. Η τοπική μετάφραση των μεταγραφημάτων μιτοχονδριακών πρωτεϊνών που κωδικοποιούνται από το πυρηνικό DNA (NEMTTs) κοντά στα μιτοχόνδρια, είναι θεμελιώδης για τη βιογένεση των μιτοχονδρίων. Παρόλο που αναμένεται ότι κυτταροπλασματικοί παράγοντες θα πρέπει κυρίως να ρυθμίζουν την τοπική μετάφραση υπό κανονικές συνθήκες και ως απόκριση σε στρες, οι παράγοντες αυτοί παραμένουν ασαφείς. Στόχος της παρούσας διατριβής είναι η διαλεύκανση αυτών των παραγόντων χρησιμοποιώντας ως πρότυπο οργανισμό το C. elegans. Στα πλαίσια αυτή, αποκαλύπτουμε ότι κυτταροπλασματικοί παράγοντες που σχετίζονται με το μονοπάτι 5'-3' αποικοδόμησης των αγγελιοφόρων RNA (mRNA), αποτελούν νέους, βασικούς ρυθμιστές του αριθμού και της λειτουργίας των μιτοχονδρίων στο νηματώδη. Πιο συγκεκριμένα, δείχνουμε ότι το πρωτεϊνικό σύμπλοκο που πραγματοποιεί την αφαίρεση του καλύμματος των mRNA και τo σύμπλοκo αποαδενυλίωσης (CCR-4 / NOT) εμπεριέχονται σε ξεχωριστούς σχηματισμούς που έχουν φυσική αλληλεπίδραση με τα μιτοχόνδρια και ρυθμίζουν αντίθετα τον αριθμό τους κατά τη διάρκεια της γήρανσης. Ο μηχανισμός μέσω του οποίου επιτυγχάνουν κάτι τέτοιο βασίζεται στη μετα-μεταγραφική ρύθμιση των NEMTTs που πραγματοποιείται κοντά στο οργανίδιο. Η ισορροπημένη αποικοδόμηση και αποθήκευση των NEMTTs-στόχων είναι αναγκαία για τη ρύθμιση του αριθμού και της λειτουργίας των μιτοχονδρίων. Η επίτευξη μιας τέτοιας ισορροπίας τελικά προάγει την απόκριση σε στρες και τη μακροβιότητα ατόμων C. elegans. Τα ευρήματά μας αποκαλύπτουν ένα νέο ρόλο των παραγόντων μεταβολισμού των mRNAs στη βιογένεση των οργανιδίων και με αυτό τον τρόπο οδηγούν στην ταυτοποίηση των κυτταροπλασματικών συστατικών που συντονίζουν την τοπική μετάφραση κατά τη διάρκεια της γήρανσης και υπό συνθήκες στρες στο C. elegans.