Ο ρόλος της μιτοχονδριακής πρωτεάσης LON στον ρυθμό ανάπτυξης, γήρανσης και απόκρισης στο στρες στο νηματώδη C.elegans

Abstract

Ένας σημαντικός παράγοντας για την ανάπτυξη, ομοιόσταση και επιβίωση ενός οργανισμού είναι η συνεχής επιτήρηση της ποιότητας του πρωτεόματός του. Διαταραχές στους μηχανισμούς ελέγχου ποιότητας των πρωτεϊνών εκτός αλλά και εντός των μιτοχονδρίων μπορούν να επηρεάσουν δραματικά τον κυτταρικό μεταβολισμό και να προκαλέσουν διαβήτη, καρκίνο και νευροεκφυλιστικές παθήσεις στον άνθρωπο. Ειδικά, η μιτοχονδριακή δυσλειτουργία θεωρείται ότι συμβάλλει σημαντικά στη γήρανση και σε συνοδούς νόσους, καθώς η βιογένεση και λειτουργία των μιτοχονδρίων εξασθενούν με την ηλικία. Στους βασικούς «φύλακες» του μιτοχονδριακού πρωτεόματος ανήκουν σύμπλοκα πρωτεασών που στοχεύουν και αποικοδομούν τις οξειδωμένες πρωτεΐνες ή απομακρύνουν ασταθείς πρωτεΐνες με μη σωστή αναδίπλωση, οι οποίες θα μπορούσαν να οδηγήσουν σε σχηματισμό συσσωματωμάτων στα μιτοχόνδρια, παρεμβαίνοντας με τη σειρά τους στη φυσιολογική κυτταρική λειτουργία. Μια ιδιαίτερα συντηρημένη εξελικτικά μιτοχονδριακή πρωτεάση είναι η ΑΑΑ+ πρωτεάση Lon που δρα στη διατήρηση της ομοιόστασης των πρωτεϊνών της μιτοχονδριακής μήτρας, την ενίσχυση της μιτοχονδριακής βιογένεσης, την καταστολή της αυτοφαγίας των υπεροξυσωμάτων και της μιτοφαγίας καθώς και τον έλεγχο της ποιότητας του μιτοχονδριακού DNA. Παρότι η μείωση της δράσης της πρωτεάσης Lon σε κάποιους οργανισμούς έχει συσχετιστεί με φαινότυπους σχετικούς με τη γήρανση και τον καρκίνο, υπάρχουν ακόμη πολλά αναπάντητα ερωτήματα σχετικά με τη λειτουργία της, ενώ ελάχιστες είναι οι in vivo μελέτες που έχουν διεξαχθεί γύρω από αυτή. Η παρούσα μελέτη, επικεντρώνεται στη διαλεύκανση του ρόλου της μιτοχονδριακής πρωτεάσης Lon στην ανάπτυξη, τη γήρανση και την απόκριση σε στρες, στο νηματώδη σκώληκα Caenorhabditis elegans που αποτελεί ιδανικό πειραματικό σύστημα σε αυτά τα πεδία. Πιο συγκεκριμένα, διερευνήθηκε η επίδραση της έλλειψης του γονιδίου lonp-1 στο ρυθμό ανάπτυξης, τις φυσιολογικές λειτουργίες και τη διάρκεια ζωής των σκουληκιών σε κανονικές αλλά και σε συνθήκες στρες που μπορεί να προκαλέσουν βλάβες στις μιτοχονδριακές πρωτεΐνες. Παράλληλα, ελέγχθηκε το πρότυπο έκφρασης γνωστών γονιδίων απόκρισης στο στρες και η μορφολογία των μιτοχονδρίων στους διάφορους ιστούς των μεταλλαγμένων νηματωδών. Τέλος, η δημιουργία διαγονιδιακών στελεχών C.elegans, τα οποία εκφράζουν Lon πρωτεάσες από διαφορετικούς οργανισμούς, στοχεύει στη διερεύνηση του επιπέδου ομοιότητας αυτών των πρωτεασών σε λειτουργικό επίπεδο, μέσω της αποκατάστασης παθολογικών φαινοτύπων που παρουσιάζουν τα μεταλλάγματα lonp-1, όπως ο αργός ρυθμός ανάπτυξης και η μειωμένη διάρκεια ζωής.

An important factor in the development, homeostasis and survival of an organism is the continuous monitoring of the quality of its proteome. Disturbances in protein quality control mechanisms outside but also within mitochondria can dramatically affect cellular metabolism and cause diabetes, cancer and neurodegenerative diseases in humans. Specifically, mitochondrial dysfunction is thought to contribute significantly to aging and concomitant diseases, as the biogenesis and function of mitochondria diminish with age. The key "guardians" of the mitochondrial proteome include complexes of proteases that target and degrade oxidized proteins or remove unstable proteins that are not properly folded, which could lead to aggregate formation in mitochondria, thereby interfering with normal cellular function. A highly conserved evolutionary mitochondrial protease is the AAA + Lon protease that acts to maintain mitochondrial matrix homeostasis, enhance mitochondrial biogenesis, suppress peroxidase autophagy and mitophagy, and control mitochondrial DNA quality. Although the reduction in Lon protease activity in some organisms has been associated with aging and cancer phenotypes, there are still many unanswered questions about its function, with few in vivo studies being conducted around it. The present study focuses on elucidating the role of Lon mitochondrial protease in growth, aging and stress response, the Caenorhabditis elegans nematode which is an ideal experimental system in these fields. In particular, the effect of the lack of the lonp-1 gene on the growth rate, physiological functions, and lifespan of worms in both normal and stress conditions that may cause damage to mitochondrial proteins has been investigated. At the same time, the pattern of expression of known stress response genes and the morphology of mitochondria in various tissues of mutant nematodes was tested. Finally, the generation of C.elegans transgenic strains, which express Lon proteases from different organisms, aims to investigate the level of similarity of these proteases at the functional level by restoring pathological phenotypes presenting the lonp-1 mutants, such as slow growth rate and reduced lifespan.