Διερεύνηση της αλληλεπίδρασης των βασικών μηχανισμών διατήρησης μιτοχονδριακής ομοιόστασης στη γήρανση και απόκριση σε στρες στο νηματώδη C. elegans

Abstract

Η μιτοχονδριακή δυσλειτουργία και η διατάραξη της πρωτεϊνικής ομοιόστασης θεωρούνται από τους κυριότερους παράγοντες που συμβάλλουν στη γήρανση ενός οργανισμού. Η διατήρηση της ακεραιότητας του πρωτεώματος είναι ζωτικής σημασίας για το κύτταρο και για αυτό όλοι οι ευκαρυώτες έχουν αναπτύξει σχετικούς μηχανισμούς ελέγχου ποιότητας. Έναν τέτοιο μηχανισμό αποτελεί η επιλεκτική αποικοδόμηση των μιτοχονδριακών πρωτεϊνών που έχουν υποστεί βλάβη, ή δεν έχουν αναδιπλωθεί σωστά, από ΑΤΡ-εξαρτώμενες μιτοχονδριακές πρωτεάσες (ΑΑΑ+ οικογένεια πρωτεασών). Η απώλεια της λειτουργίας τους έχει συσχετιστεί με μία ποικιλία ανθρωπίνων ασθενειών, ωστόσο οι γνώσεις μας για τις κυτταρικές αποκρίσεις που προκαλλούνται από την αδρανοποίησή τους είναι περιορισμένες. Σε αυτή την οικογένεια ανήκει η εξελικτικά συντηρημένη μιτοχονδριακή πρωτεάση LON, που αποτελεί σημαντικό ρυθμιστή της μιτοχονδριακής δραστηριότητας αποτρέποντας τη συσσώρευση κακώς ή μη αναδιπλούμενων πρωτεϊνών στη μιτοχονδριακή μήτρα, διατηρώντας τα επίπεδα του μιτοχονδριακού DNA και στηρίζοντας τη βιωσιμότητα των κυττάρων υπό συνθήκες στρες. Η παρούσα μελέτη εστιάζει στο ρόλο της μιτοχονδριακής πρωτεάσης LON στη φυσιολογία ενός οργανισμού, στην απόκριση στο στρες και στη διάρκεια ζωής του, χρησιμοποιώντας ως πειραματικό μοντέλο το νηματώδη σκώληκα Caenorhabditis elegans. Στελέχη που φέρουν έλλειψη του γονιδίου lonp-1, που κωδικοποιεί για τη μιτοχονδριακή πρωτεάση LON στο νηματώδη, παρουσιάζουν καθυστερημένη λαρβική ανάπτυξη, μειωμένη διάρκεια ζωής και μεταβολές στη μιτοχονδριακή μορφολογία των μιτοχονδρίων, κάτι που παραπέμπει σε αυξημένο ενδογενές μιτοχονδριακό στρες. Πράγματι, εδώ επιβεβαιώσαμε την έντονη ενεργοποίηση του κύριου μονοπατιού απόκρισης στο μιτοχονδριακό στρες (UPRmt, mitochondrial Unfolded Protein Response) στα μεταλλαγμένα ζώα lonp-1, υπό φυσιολογικές συνθήκες καλλιέργειας. Μελετώντας κάποιους βασικούς παράγοντες του UPRmt –όπως της μιτοχονδριακής πρωτεάσης CLPP-1, του μεταγραφικού παράγοντα ATFS-1 και του μεταφορέα πεπτιδίων HAF-1- δείξαμε πως η ενεργοποίηση αυτή του UPRmt εξαρτάται μόνο από τον παράγοντα ATFS-1. Παράλληλα, αποκαλύψαμε τη διαφορετική επιρροή της απώλειας λειτουργίας αυτών των παραγόντων στην ανάπτυξη, τη μακροβιότητα και την απόκριση σε θερμικό στρες των νηματωδών lonp-1. Απροσδόκητο αποτέλεσμα ήταν η επίδραση της μεταλλαγής lonp-1 στη ρύθμιση της δράσης του μεταγραφικού παράγοντα DAF-16/FOXO, που συμμετέχει στο σηματοδοτικό μονοπάτι της ινσουλίνης/IGF-1 και ρυθμίζει ένα μεγάλο εύρος σημαντικών κυτταρικών διεργασιών, σε όλους τους οργανισμούς. Αυτό αποτελεί πρόκληση για την εύρεση νέων μορίων-στόχων της πρωτεάσης LON. Επίσης η παρούσα εργασία επεκτείνει τη γνώση μας για το ρόλο της πρωτεάσης LON σε βασικές πτυχές της βιολογίας του νηματώδη αλλά και του ανθρώπου, κατ’επέκταση.

Mitochondrial dysfunction and disruption of protein homeostasis are considered to be major contributing factors to organismal ageing. Maintaining the integrity of the proteome is vital to the cell and therefore all eukaryotes have developed relative quality control mechanisms. One such mechanism is the selective degradation of mitochondrial proteins that are damaged or not properly folded, by ATP-dependent mitochondrial proteases (AAA proteases family). Loss of their function has been associated with a variety of human diseases, however, our knowledge of the cellular responses to this loss is limited. A member of the above family is the evolutionarily conserved mitochondrial protease LON, which is an important regulator of mitochondrial activity, preventing the accumulation of poorly or nonfolding proteins in the mitochondrial breast, while maintaining mitochondrial DNA levels and sustaining viability under stress. The present study focuses on the role of mitochondrial protease LON in organismal physiology, response to stress and lifespan, using the nematode Caenorhabditis elegans as an experimental model. Strains lacking the lonp-1 gene, which encodes mitochondrial LON in the nematode, show delayed larval development, shortened adult lifespan and alterations in mitochondrial morphology, suggesting augmented endogenous mitochondrial stress. Indeed, the strong activation of the main mitochondrial stress response pathway (UPR + , mitochondrial unfolded protein response) in lonp-1 mutant animals, under normal culture conditions, is hereby confirmed. By studying some key factors of UPR mt mt -such as mitochondrial CpP-1 protease, ATFS-1 transcription factor and HAF-1 peptide transporter- we shown that this activation of UPR depends only on ATFS-1. Moreover, the different effect of deficiency of those factors on growth, longevity and heat stress response of lonp-1 nematodes has been revealed. An unexpected result was the effect of lonp-1 mutation on the regulation of DAF-16/FOXO transcription factor, which participates in the insulin/IGF-1 signaling pathway and regulates a wide range of important cellular processes in all organisms. This is a challenge for finding new molecular targets of the LON protease. The present work also expands our knowledge on the role of LON protease in key aspects of nematode biology and, consequently, of humans.