Διερεύνηση των πρωτεολυτικών μηχανισμών διατήρησης της κυτταρικής ομοιόστασης στη φυσιολογία και γήρανση του νηματώδους

Abstract

The mitochondrial LONP-1/LONP1 protease belongs to the family of evolutionarily conserved ATP-dependent proteases (AAA+ proteases) and has an important role in the maintenance of the mitochondrial proteome and mitochondrial function, both under normal and stress conditions. In this study, we investigate the effects of lonp-1 gene deficiency on physiology, aging, viability under adverse environmental conditions, and the activity of major quality control mechanisms in the organism, using the nematode Caenorhabditis elegans as model system. Deletion of lonp-1 causes mitochondrial dysfunction and accumulation of reactive oxygen species (ROS) in the nematode, resulting in delayed growth and reduced lifespan. In addition, loss of LONP-1 activates important transcription factors and cellular response mechanisms to mitochondrial stress, such as the antioxidant response (AR), the heat stress response (HSR/UPRcyt), the mitochondrial UPR (UPRmt) and the PMK-3/p38 MAPK (MAPKmt) pathways. As a consequence, LONP-1 mutant nematodes (lonp-1 mutants) are resistant to many types of oxidative stress, to osmotic stress and heat shock, compared to wild-type nematodes. The resistance of lonp-1 mutants to each type of stress depends on the activation of different, but interconnected, response mechanisms that act in balance. The transcription factor ATFS-1/ATF5, which is the main activator of UPRmt, has an important role in lonp-1 resistance to oxidative stress and regulates the activity of other transcription factors, such as SKN-1/NRF and DAF-16/FOXO. In contrast, the thermotolerance of lonp-1 mutants is independent of ATFS-1 activation, but dependents on the transcription factor HSF-1/HSF1, which regulates the HSR. Furthermore, the resistance of lonp-1 to both oxidative and heat shock stress appears to require the PMK-3/p38 kinase. To date, the role of the PMK-3 isoform, which differs from the PMK-1 isoform of the canonical p38/MAPK pathway, in ensuring mitochondrial function was unknown. Although the PMK-3 signaling pathway is activated in lonp-1 mutants, the simultaneous activation of ATFS-1 acts to suppress the full activation of the MAPKmt pathway. However, both pathways are required for normal growth, lifespan and response to oxidative stress in lonp-1 mutants, suggesting that the coordinated action of both pathways is essential under conditions of mitochondrial stress. Moreover, MAPKmt signaling is required for the activity of the bZip transcription factor ZIP-2, a known regulator of mitochondrial homeostasis during aging, in both wild-type and lonp-1 worms. Therefore, this study reveals a novel role for the MAPKmt pathway in the oxidative and heat stress responses, and highlights the interplay of the regulatory mechanisms that orchestrate the response to mitochondrial stress by the loss of LONP-1, providing valuable insights into the complex biology of mitochondrial function, stress adaptation and aging.

Η μιτοχονδριακή πρωτεάση LONP-1/LONP1 ανήκει στην οικογένεια των εξελικτικά συντηρημένων ΑΤΡ-εξαρτώμενων πρωτεϊνών (πρωτεάσες ΑΑΑ+) και έχει σημαντικό ρόλο στη διατήρηση του μιτοχονδριακού πρωτεώματος και λειτουργίας των μιτοχονδρίων, τόσο σε φυσιολογικές όσο και σε στρεσογόνες συνθήκες. Σε αυτή τη μελέτη διερευνώνται οι επιπτώσεις που έχει η έλλειψη του γονιδίου lonp-1 στη φυσιολογία, γήρανση, βιωσιμότητα σε αντίξοες περιβαλλοντικές συνθήκες, αλλά και στη δράση κύριων μηχανισμών ποιοτικού ελέγχου του οργανισμού, χρησιμοποιώντας ως οργανισμό μοντέλο το νηματώδη σκώληκα Caenorhabditis elegans. Η έλλειψη του lonp-1 προκαλεί μιτοχονδριακή δυσλειτουργία και συσσώρευση δραστικών μορφών οξυγόνου (ROS) στον νηματώδη, με αποτέλεσμα την καθυστερημένη ανάπτυξη και μειωμένη διάρκεια ζωής. Επιπλέον, λόγω απώλειας της LONP-1 ενεργοποιούνται σημαντικοί μεταγραφικοί παράγοντες και κυτταρικοί μηχανισμοί απόκρισης στο μιτοχονδριακό στρες, όπως η αντιοξειδωτική απόκριση (AR), η απόκριση στο θερμικό στρες (HSR/UPRcyt) και τα μιτοχονδριακά μονοπάτια UPR (UPRmt) και PMK-3/p38 MAPK (MAPKmt). Ως συνέπεια αυτών, οι μεταλλαγμένοι, για τη LONP-1, νηματώδεις (μεταλλάγματα lonp-1) είναι ανθεκτικοί σε πολλά είδη οξειδωτικού στρες, στο οσμωτικό και το θερμικό στρες, συγκριτικά με τους νηματώδεις αγρίου τύπου. Η ανθεκτικότητα των μεταλλαγμάτων lonp-1 σε κάθε είδος στρες εξαρτάται από την ενεργοποίηση διαφορετικών, αλλά αλληλένδετων, μηχανισμών απόκρισης που πρέπει να βρίσκονται σε ισορροπία. Σημαντικό ρόλο στην ανθεκτικότητα των lonp-1 στο οξειδωτικό στρες έχει ο μεταγραφικός παράγοντας ATFS-1/ATF5, που είναι ο κύριος ενεργοποιητής του UPRmt και ρυθμίζει την ενεργότητα άλλων μεταγραφικών παραγόντων, όπως ο SKN-1/NRF και ο DAF-16/FOXO. Αντίθετα, η θερμοανθεκτικότητα των μεταλλαγμάτων lonp-1 είναι ανεξάρτητη της δράσης του ATFS-1, και εξαρτάται από τον μεταγραφικό παράγοντα HSF-1/HSF1 που ρυθμίζει την HSR. Επίσης, η ανθεκτικότητα των lonp-1 και στο οξειδωτικό και θερμικό στρες, φάνηκε να απαιτεί την κινάση PMK-3/p38. Μέχρι σήμερα, ο ρόλος της ισομορφής PMK-3, που διαφέρει από την ισομορφή PMK-1 του κανονικού μονοπατιού p38/MAPK, στην διασφάλιση της μιτοχονδριακή λειτουργίας ήταν άγνωστος. Παρότι το σηματοδοτικό μονοπάτι της PMK-3 ενεργοποιείται στα μεταλλάγματα lonp-1, η ταυτόχρονη ενεργοποίηση του ATFS-1 δρα κατασταλτικά στην πλήρη ενεργοποίηση του μονοπατιού MAPKmt. Ωστόσο και τα δύο μονοπάτια απαιτούνται για τη φυσιολογική ανάπτυξη, διάρκεια ζωής και απόκριση στο οξειδωτικό στρες των ατόμων lonp-1, υποδηλώνοντας πως η συντονισμένη δράση των δύο μονοπατιών είναι απαραίτητη σε συνθήκες μιτοχονδριακού στρες. Ακόμη, η σηματοδότηση του MAPKmt απαιτείται για τη δράση του bZip μεταγραφικού παράγοντα ZIP-2, που είναι γνωστός ρυθμιστής της μιτοχονδριακής ομοιόστασης κατά τη γήρανση, τόσο σε αγρίου τύπου όσο και lonp-1 άτομα. Επομένως, η μελέτη αυτή αποκαλύπτει έναν νέο ρόλο του μονοπατιού MAPKmt στην απόκριση στο οξειδωτικό και θερμικό στρες, και αναδεικνύει την αλληλεπίδραση των ρυθμιστικών μηχανισμών που ενορχηστρώνουν την απόκριση στο μιτοχονδριακό στρες από την απώλεια της LONP-1, παρέχοντας πολύτιμες πληροφορίες για την πολύπλοκη βιολογία της μιτοχονδριακής λειτουργίας, της προσαρμογής στο στρες και της γήρανσης.