Resumen de Novel insights into the heterogeneous manifestations of mitochondrial dysfunction

Andrea Curtabbi

• español

  Las mitocondrias son orgánulos que pueblan las células eucariotas. Los defectos genéticos en los componentes mitocondriales son la causa de un grupo de trastornos heterogéneos conocidos colectivamente como enfermedades mitocondriales. El estudio de estos pacientes ha ayudado a comprender cómo responden las células a la disfunción mitocondrial y ha contribuido en gran medida a nuestros conocimientos sobre este orgánulo. Varias líneas de evidencia indican que diferentes defectos mitocondriales activan una respuesta similar a nivel celular, sin embargo, sus consecuencias son todavía difíciles de predecir y no sabemos por qué se manifiestan de forma tan heterogénea. En consecuencia, las opciones terapéuticas son escasas para la mayoría de los pacientes. Definir las bases moleculares de la patogénesis de estos trastornos es, por tanto, un reto actual para la investigación biomédica. Aquí estudiamos los efectos de la disfunción mitocondrial mediante dos enfoques complementarios. En primer lugar, comparamos los efectos sobre el crecimiento celular y los complejos respiratorios de dos conocidos inhibidores del complejo I, la rotenona y el diphenyleniodonium (DPI). Encontramos que, a pesar de que ambos bloquean la respiración dependiente del complejo I y suprimen el crecimiento celular en galactosa, el DPI provoca una rápida degradación del complejo I y de los supercomplejos que lo contienen. Demostramos que el DPI reacciona irreversiblemente con los cofactores de flavina de la célula, FMN y FAD, desestabilizando el módulo N del complejo I y bloqueando su ensamblaje en su último paso. En consecuencia, las células cultivadas en medios deficientes en riboflavina o con knockout para el transportador de FAD de la mitocondria SLC25A32 muestran una disminución de los niveles de ensamblaje del complejo I y de la respiración dependiente del complejo I. En segundo lugar, estudiamos las consecuencias fenotípicas de las alteraciones en la oligomerización de la ATP sintasa in vivo eliminando dos subunidades del dominio FO del complejo V, Atp5mk y Atp5mj. Los ratones Atp5mk -/- presentan alteraciones en los niveles de glucosa en ayunas y disminución de la capacidad de ejercicio. Los ratones Atp5mj -/- desarrollan una neuromiopatía progresiva cuyas manifestaciones (ataxia, oftalmopatías y atrofia del cerebelo) se asemejan al síndrome clínico observado en algunos pacientes con mutaciones en los genes MT-ATP6 y MTATP8. En las mitocondrias Atp5mj -/- observamos marcadas anomalías en la ultraestructura y un menor consumo de oxígeno. A pesar de la pérdida del complejo V oligomérico, la actividad ATPasa no se ve afectada, lo que sugiere que el complejo V tiene funciones importantes más allá de la fosforilación del ADP. Además, aunque la actividad de Oma1 es elevada en los ratones Atp5mj - /-, la supresión de Oma1 en los ratones Atp5mj -/- no produce cambios fenotípicos relevantes. En conjunto, nuestros resultados revelan una compleja interacción entre las reservas de cofactores de flavina mitocondriales, el ensamblaje del complejo I, la oligomerización de la ATP sintasa y la morfología de las mitocondrias

• English

  Mitochondria are organelles that populate eukaryotic cells. Genetic defects in mitochondrial components are cause of a group of heterogeneous disorders known collectively as mitochondrial diseases. The study of these patients has helped our understanding on how cell respond to mitochondrial dysfunction and contributed greatly to our knowledge about this organelle. Several lines of evidence indicate that different mitochondrial defects activate a similar response at the cell level, however, its consequences are still hard to predict and we don’t know why it manifest in such an heterogenous way. As a result, therapeutic options are scarce for most patients. Defining the molecular basis of the pathogenesis of these disorders is therefore a current challenge for biomedical research. Here, we studied the effects of mitochondrial dysfunction by two complementary approaches. Firstly, we compare the effects on cell growth and respiratory complexes of two known complex I inhibitors, rotenone and diphenyleneiodonium (DPI). We find that, despite both block complex I-dependent respiration and suppressed cell growth in galactose, DPI causes a rapid degradation of complex I and complex Icontaining supercomplexes. We show that DPI reacts irreversibly with cell flavin cofactors FMN and FAD, destabilizing complex I N-module and halting complex I assembly at its very last step. Accordingly, cells grown in riboflavin deficient media or knockout for the mitochondria FAD carrier SLC25A32 show decrease levels of assembled complex I and complex I-dependent respiration. Secondly, we study the phenotypic consequences of alterations in ATP synthase oligomerization in vivo by knocking out two subunits of the FO domain of complex V, Atp5mk and Atp5mj. Atp5mk -/- mice present alteration in fasting glucose levels and decreased exercise capacity. Atp5mj -/- mice develop a progressive neuromyopathy whose manifestation (ataxia, ophthalmopathies and cerebellar atrophy) resemble the clinical syndrome observed in some patient with mutations in MT-ATP6 and MT-ATP8 genes. In Atp5mj -/- mitochondria we observe marked ultrastructure abnormalities and reduced oxygen consumption. Despite the loss of oligomeric complex V, ATPase activity is unaffected, suggesting that complex V has important functions beyond ADP phosphorylation. Moreover, even though Oma1 activity is elevated in Atp5mj -/- mice, deleting Oma1 in Atp5mj -/- mice does not result in relevant phenotypic changes. Collectively, our results reveal a complex interplay between mitochondrial flavin cofactor pools, complex I assembly, ATP synthase oligomerization and mitochondria morphology