Mechanisms of selectivity during mitochondrial autophagy

Abstract

Mitophagy, the autophagic degradation of mitochondria, is an important quality control mechanism that eliminates defective mitochondria before they damage cellular physiology. In mammals, inability to identify and clear defective mitochondria is associated with aging phenomena and neurodegenerative disorders. In previous studies, we determined that different mitochondrial matrix proteins undergo mitophagy at different mitophagic rates, and that mitochondrial dynamics play a role in determining selectivity. It was also shown that AUP1, a mitochondrial protein phosphatase, is required for efficient mitophagy. In this study I found evidence indicating that protein phosphorylation within the mitochondrial matrix plays an important mechanistic role in regulating selective mitophagic degradation in yeast, via involvement of the Aup1 mitochondrial protein phosphatase, as well as two matrix-localized protein kinases, Pkp1 and Pkp2. By focusing on a specific matrix phosphoprotein reporter, I also demonstrated that phosphomimetic and non-phosphorylatable point mutations at known phosphosites in the reporter increased or decreased its tendency to undergo mitophagy. I showed that this effect is mediated by a novel signal transduction cascade, in which Aup1 is upstream of Pkp1/Pkp2 and may be relaying metabolic cues, into changes in the phosphorylation states of mitochondrial matrix proteins. My results indicate that structural determinants on mitochondrial matrix proteins can govern their mitophagic fate, and that protein phosphorylation functionally regulates these determinants.

Η μιτοφαγία, δηλαδή η αυτοφαγική αποδόμηση των μιτοχονδρίων, αποτελεί έναν σημαντικό μηχανισμό ποιοτικού ελέγχου, ο οποίος απομακρύνει τα δυσλειτουργικά μιτοχόνδρια προτού αυτά προκαλέσουν βλάβες στη φυσιολογική λειτουργία του κυττάρου. Στα θηλαστικά, η αδυναμία αναγνώρισης και απομάκρυνσης των δυσλειτουργικών μιτοχονδρίων συσχετίζεται με φαινόμενα γήρανσης και νευροεκφυλιστικές διαταραχές.Σε προηγούμενες μελέτες, διαπιστώσαμε ότι διαφορετικές πρωτεΐνες της μιτοχονδριακής μήτρας υφίστανται μιτοφαγία με διαφορετικούς ρυθμούς και ότι η μιτοχονδριακή δυναμική διαδραματίζει ρόλο στον καθορισμό της εκλεκτικότητας της διαδικασίας. Επιπλέον, έχει αποδειχθεί ότι η AUP1, μια μιτοχονδριακή πρωτεϊνική φωσφατάση, είναι απαραίτητη για την αποτελεσματική μιτοφαγία.Στην παρούσα μελέτη, εντόπισα ενδείξεις που υποδεικνύουν ότι η φωσφορυλίωση πρωτεϊνών στο εσωτερικό της μιτοχονδριακής μήτρας διαδραματίζει σημαντικό μηχανιστικό ρόλο στη ρύθμιση της εκλεκτικής αποδόμησης μέσω μιτοφαγίας στη ζύμη. Η διαδικασία αυτή περιλαμβάνει τη συμμετοχή της μιτοχονδριακής πρωτεϊνικής φωσφατάσης Aup1, καθώς και δύο πρωτεϊνικών κινασών που εντοπίζονται στη μιτοχονδριακή μήτρα, των Pkp1 και Pkp2.Εστιάζοντας σε έναν ειδικό αναφορέα φωσφοπρωτεΐνης της μιτοχονδριακής μήτρας, απέδειξα επίσης ότι σημειακές μεταλλάξεις που μιμούνται τη φωσφορυλίωση (phosphomimetic) ή εμποδίζουν τη φωσφορυλίωση (non-phosphorylatable), σε γνωστές θέσεις φωσφορυλίωσης του αναφορέα, αύξησαν ή μείωσαν αντίστοιχα την τάση του να υφίσταται μιτοφαγία.Έδειξα ότι αυτό το φαινόμενο διαμεσολαβείται από έναν νέο καταρράκτη μεταγωγής σήματος, στον οποίο η Aup1 βρίσκεται ανάντη των Pkp1/Pkp2 και ενδέχεται να μεταφέρει μεταβολικά ερεθίσματα, οδηγώντας σε μεταβολές της κατάστασης φωσφορυλίωσης των πρωτεϊνών της μιτοχονδριακής μήτρας.Τα αποτελέσματά μου υποδεικνύουν ότι τα δομικά χαρακτηριστικά των πρωτεϊνών της μιτοχονδριακής μήτρας μπορούν να καθορίζουν την τύχη τους ως προς τη μιτοφαγία και ότι η φωσφορυλίωση των πρωτεϊνών ρυθμίζει λειτουργικά αυτά τα χαρακτηριστικά.