Mitochondrial morphology и cell biology

Митохондрии можно рассматривать как критические органеллы в предопределении клеточных судеб. В самом деле, будет клетка жить или умрет зависит от митохондрий. Они не только участвуют в многочисленных важных биосинтетических и метаболических путях, но и также в гомеостазе кальция redox потенциала, и они также являются ключевыми регуляторами апоптоза ^{1- 3}.

Митохондрии постоянно сливаются и делятся, а их качество, распределение, размер и подвижность тонко контролируются 4 и 5. Равновесие между слиянием и делением поддерживает сложную митохондриальную сеть в здоровых клетках. В зависимости от физиологического состояния это равновесие может быть нарушено и митохондрии могут стать фрагментированными, как во время апоптоза [6] или удлиненными как в время голодания [7]. Динамика митохондрий отвечает за то, как клетки реагируют на средовые сигналы и играет критическую роль в судьбе клеток.

Regulators of mitochondrial shape

Архитектура митохондрий, связана с двойной мембраной и поддерживается с помощью семейства белков, поддерживающих форму митохондрий. Слияние митохондрий обеспечивается родственными dynamin GTPases Mitofusin (MFN) 1 и 2 и с помощью Optic Atrophy 1 (OPA1) (Figure 1A) (see Glossary). MFN1 и MFN2 сливают наружные митохондриальные мембраны (OMM). Они образуют гомо- и гетеродимеры, которые подвергаются конформационным изменениям после GTP гидролиза, чтобы оказать влияние на слияние OMM 8 и 9. Помимо участия в слиянии в качестве ключевых молекул, MFNs участвуют в специфической форме аутофагии. MFNs убиквитинируются с помощью цитозольной E3 ubiquitin лигазы Parkin и деградируются с помощью протеосом во время аутофагии митохондрий (mitophagy) 10 и 11. В ответ на клеточные стрессы MFN2 может быть фосфорилирован с помощью c-Jun N terminal kinase (JNK), приводя его обеспечиваемой ubiquitin протеосомной деградации, фрагментации митохондрий и апоптической гибели клеток [12]. Напротив in vivo компонент митофагии serine/threonine PTEN-induced putative kinase1 (PINK1) может фосфорилировать MFN2, превращая тем самым его в митохондриальный рецептор, чтобы рекрутировать parkin и облегчать его убиквитинирование для митофагии [13]. Помимо своей роли в слиянии митохондрий, MFN2 является ключевым компонентом аппарата, который скрепляет митохондрии с ER, генерируя платформу, которая регулирует передачу сигналов митохондриальных и клеточных ( Box 1).

Figure 1. Regulation of mitochondrial dynamics. (A) A cartoon depicting the main proteins involved in mitochondrial fusion. In the small mitochondrion, the additional role of mitofusins (MFNs) in endoplasmic reticulum (ER)-mitochondria tethering is shown. They participate in the core reaction of outer mitochondrial membrane (OMM) fusion. MIB inhibits MFNs fusion activity, while phospholipase D (PLD), by providing lipid remodeling, facilitates it. Inner membrane (IM) fusion depends on Optic Atrophy 1 (OPA1), which additionally regulates cristae biogenesis и remodeling, together with the prohibitin-MINOS complex that controls cristae junction formation и dimers of the F1F0 ATPase that contribute to curve the cristae. Abbreviation: IMS, intermembrane space. (B) The mechanism of mitochondrial fission. Dynamin-related protein-1 (DRP1) is normally phosphorylated и sequestered in the cytoplasm. At the endoplasmic reticulum (ER)-mitochondria contact site where ER tubules cross over и wrap around mitochondria in presence of F-actin и its ER receptor INF2, dephosphorylated dynamin-related protein 1 (DRP1) is recruited to the OMM where it oligomerizes и interacts with its receptors MFF, MiD49/51, и FIS1, и mediates mitochondrial constriction.

Box 1. The ER-mitochondria juxtaposition in cell signaling и death Interorganellar communication between ER и mitochondria is critical for mitochondrial energy и phospholipid metabolism, Ca2+ signaling, и cell death [103]. At the contact sites between these two organelles, their membranes do not fuse but tether, suggesting the existence of molecular bridges that set the distance between them. These tethers are of protein nature и their constituents have recently been elucidated. In yeast, the ER-mitochondria encounter structure (ERMES) consists of the OMM proteins mitochondrial distribution и morphology protein (Mdm) 10 и 34, the ER membrane protein GTPase EF-hand protein of mitochondria 1 (Gem1), mitochondrial morphology protein 1 (Mmm1), и the cytoplasmic protein known as Mdm12 [104]. In mammals, the mitochondrial profusion protein MFN2 directly tethers the two structures [105]. A fraction of MFN2 also localizes in the ER membrane, where it tethers the ER to mitochondria by a homotypic interaction with MFN2, or by a heterotypic interaction with MFN1 on the OMM. These interactions regulate mitochondrial Ca2+ uptake from the ER (Figure 1A), as well as the transfer of lipids from ER to mitochondria 78, 106 и 107, highlighting how physical tethering participates in inter-organellar communication. Several other proteins involved in the generation, regulation, и maintenance of the tethering have been identified, including FIS1 [43], B cell receptor associated protein 31 (BAP31) [55], и the multifunctional sorting protein PACS-2 [108]. MFN2-dependent tethers can be modulated, as exemplified by the changes in tethering mediated by MITOL, a mitochondrial ubiquitin ligase that ubiquitinates MFN2 [109], и by levels of the putative tumor suppressor trichoplein/mitostatin that counteract the tethering [110]. In addition to the metabolic и signaling function, ER-mitochondria contact sites also determine the position of mitochondrial division. Mitochondrial fission occurs where ER tubules cross over и wrap around mitochondria to mediate mitochondrial constriction before DRP1 recruitment [111] (Figure 1B). Notwithstanding that the nature of this fission tether is unclear, actin filaments concentrate at this interface и pharmacological disruption of F-actin attenuates fission и recruitment of DRP1 to the OMM [112]. Indeed, ER-localization of inverted formin 2 (INF2) is required for DRP1-mediated mitochondrial fission [113] и actin filaments accumulate at the INF2-enriched ER-mitochondria contact sites (Figure 1B). Which factors determine these contact sites, и whether they are structurally и functionally different from the metabolic ones described above, remains unclear.

OPA1 располагается на внутренней митохондриальной мембране (IMM), обращенной во внутреннее мембранное пространство (IMS), где вместе с MFN1, он контролирует слияние IMM [14]. Активность OPA1, способствующая слиянию, регулируется сложным набором протеолитических модификаций с помощью митохондриальных матричных ATPase (m-AAA) протеаз, paraplegin [15] и OMA1 16 и 17, и с помощью inner membrane-AAA (i-AAA) протеазы Yme1 18 и 19. Короткие после процессинга формы OPA1 являются субстратами для rhomboid протеазы presenilin associated rhomboid like (PARL), которая продуцирует количественно небольшую, в межмембранном пространстве растворимую фракцию OPA1, не участвующую в слиянии, но регулирующую морфологию гребешков и и апоптоз (Box 2) [20].

Box 2. Cristae biogenesis и remodeling

The IMM can be subdivided into two different compartments: the inner boundary membrane, which is in proximity to the OMM; и the membrane invaginations called cristae. Cristae accommodate the respiratory chain complexes, thereby optimizing oxidative phosphorylation because their convoluted surface increases the bioenergetic membrane surface. Since cytochrome c is the only water soluble component of the respiratory chain, it comes as little surprise that most of it is confined in the cristae и that the junctions between the cristae и the IMM constitute a barrier to limit its diffusion in the IMS. Cristae junctions are kept tight by oligomers of OPA1 (Figure 1A). During apoptosis, OPA1 oligomers are disrupted, cristae junctions widen и cytochrome c is redistributed in the IMS from where it can be released in the cytosol [58]. In addition to OPA1, other factors involved in cristae shape include the F1F0-ATP synthase, whose dimers or oligomeric assemblies affect the formation of cristae tips 114, 115,116 и 117 и the protein mitofilin, homologous of yeast Fcj1p [118]. In yeast, the molecular components of the IMM shaping machinery have been more extensively characterized: a large mitochondrial inner-membrane organizing system (MICOS) is required for maintaining IMM architecture (Figure 1A). Indeed, mutations in one of the MICOS components lead to cristae disorganization characterized by the detachment of cristae from the inner boundary membrane, or the loss of cristae junctions 118, 119, 120, 121 и 122. MICOS is composed of Fcj1, Mio10, Aim13, и Aim37/Mio27, whose mammalian homologues are Mitofilin, MINOS1, CHCHD3, и MOMA-1 118 и 123. Consequently, the characteristic structure of the IMM appears to be formed и regulated by the combined action of OPA1, F1F0-ATP synthase, и the megadalton protein complex MICOS. Interestingly, MICOS physically interacts with the OMM protein complex, such as the translocase of the outer membrane (TOM), и the sorting и assembly machinery (SAM). Both TOM и SAM complexes are major machineries of mitochondrial protein transport 119, 120, 121, 122, 124,125 и 126.

Кроме того, IMM белок Leucine zipper-EF-hand containing transmembrane protein 1 (LETM1), чьё подавление вызывает фрагментацию митохондрий [21] и Phospholipase D (PLD), которая способствует слиянию путем гидролизации cardiolipin, чтобы продуцировать фосфатидную кислоту ниже прикрепления к мембране MFNs [22], были идентифицированы как компоненты аппарата слияния митохондрий. been identified as components of the mitochondrial fusion machinery. Prohibitins (PHB) являются IMM белками, которые играют роль в слиянии митохондрий путем регуляции процессинга OPA1. Напр., делеция PHB2 приводит к потере компетентных к слиянию OPA1 длинных изоформ [23].

В противоположность слиянию митохондрий деление митохондрий обеспечивается с помощью цитозольного растворимого dynamin-related protein 1 (DRP1) [24] (Figure 1B). Calcineurin обеспечиваемое дефосфорилирование DRP1 Ser 637 [25], запускает транслокацию DRP1 из цитоплазмы в митохондрии, где он взаимодействует со своими в OMM закрепляющими адапторами (FIS1, MFF и MiD49/51, также известен как MIEF2/1) 26 и 27. DRP1 олигомеризуется и образует спиральные филаменты, которые управляют конструкцией и фрагментацией митохондрий [28]. Активность DRP1 регулируется с помощью пост-трансляционных модификаций, таких как фосфорилирование, дефосфорилирование, убиквитинирование, small ubiquitin-like modifier (SUMO)-ylation, deSUMOylation, и S-nitrosylation [26]. Напр., фосфорилирование по Ser 637 с помощью AMФ-зависимой protein kinase A (PKA) ингибирует в DRP1 GTPase активность [29], следовательно, и управление элонгацией митохондрий во время голодания [7]. Кроме того, cyclin B зависимая киназа фосфорилирует Ser 616 в DRP1, приводя к митотической фрагментации митохондрий, облегчая тем самым равномерное распределение митохондрий между дочерними клетками [30]. Более того, Parkin убиквитинирует DRP1 для протеосомной деградации [31], тогда как E3 ubiquitin лигаза MARCH5 убиквитинирует DRP1, чтобы изменить морфологию митохондрий 32-34. Наконец, S-nitrosylation DRP1, наблюдаемое в головном мозге у пациентов с болезнью Альцгеймера запускает фрагментацию митохондрий in vitro [35]. Независимо от сигнала, управляющего его транслокацией в митохондрии, DRP1 физически взаимодействует с MFF на OMM, чтобы способствовать делению митохондрий 36 и 37. MiD49/51 также участвует в рекрутировании DRP1 на OMM, и индуцирует беспрепятственно слияние 38 и 39 или ингибирует активность DRP1, способствуя элонгации митохондрий [40]. Подобно дрожжевым гомологам FIS1 млекопитающих также первоначально считался первичным адаптором DRP1 на OMM 41 и 42; однако роль FIS1 в делении митохондрий, по-видимому, противоречива. Поскольку нокаут Fis1 не влияет на морфологию митохондрий или транслокацию DRP1 в митохондрии [36], FIS1 взаимодействует с MiD49/51 и устраняет MiD49/51-вызываемое слияние митохондрий. Кроме того, FIS1-нулевые клетки подобно MFF-нулевым клеткам, обнаруживают удлиненные митохондрии и нарушение рекрутирования DRP1 recruitment to mitochondria в митохондрии [39]. Единственная возможность, недавно подтвержденная экспериментально, это, что FIS1 соединяется с MFF, расположенным в интерфейсе между эндоплазматическим ретикулумом (ER) и митохондриями и регулирует митофагию, объясняя тем самым его роль в морфологии митохондрий [43].

Помимо стержневых компонентов, описанных выше, описаны и др. факторы, участвующие в делении митохондрий, такие как Endophilin B1 [44], MTP18 [45], MIB [46] и GDAP1 [47]. Недавно добавлен ещё один неожиданный игрок, участвующий в фрагментации митохондрий, показывающий жизненно важную роль ER и интерфейса ER-митохондрии (Box 1).

Mitochondrial morphology и cell stress

Чтобы апоптический сигнал мог вызывать клеточную гибель, д. произойти несколько изменений в митохондриях, включая фрагментацию митохондрий, ремоделирование гребней и возникновение проницаемости наружной митохондриальной мембраны (MOMP). Эти изменения достигают свой кульминации при высвобождении cytochrome c и др. про-апоптических факторов, таких как serine protease OMI/HtrA2, Smac/Diablo, endonuclease G и apoptosis inducing factor (AIF), запускающие в конечном итоге активацию каспазы и клеточную гибель [6]. Поэтому не является неожиданностью, что морфология и целостность митохондрий играют критическую роль в апоптозе.

Во время апоптоза DRP1 транслоцируется из цитозоля в митохондрии и способствует олигомеризации проапоптического регулятора Bcl-2-associated X protein (BAX), который облегчает MOMP, чтобы способствовать клеточной гибели 48 и 49. В самом деле, ингибитор DRP1 защищает клетки от апоптоза [50], подтверждая, что дефрагментация митохондрий во время апоптоза может быть следствием усиления делений. В самом деле недавние исследования подтвердили апоптоз зависит от пост-трансляционных модификаций DRP1, так как было показано для делений митохондрий [26]. Мутант DRP1 с псевдофосфорилированием индуцирует элонгацию митохондрий и наделяет клетки резистентностью к апоптическим стимулам, тогда как мутанты, воспроизводящие его дефосфорилирование способствуют фрагментации митохондрий и увеличению клеточной ранимости [29]. Более того, DRP1 SUMOylation увеличивается во время апоптоза, коррелируя со стабильной ассоциацией DRP1 с OMM зависимым от Bax/Bak способом [51]. Помимо его роли в апоптической клеточной гибели, DRP1 также необходим для регуляции запрограммированной некротической клеточной гибели посредством дефосфорилирования с помощью митохондриальной протеин фосфатазы PGAM5 [52]. Др. компоненты аппарата деления также могут участвовать в апоптозе, поскольку подавление FIS1 ингибирует клеточную гибель [53]. Однако мутация в межмембранном регионе в FIS1 поддерживает активность деления, но неспособна индуцировать апотоз, подтверждая, что FIS1 регулирует фрагментацию митохондрий и апоптоз по отдельности [54]. Более того, во время апотоза активация апикальной caspase-8 может быть модулирована с помощью FIS1 совместно с находящимся в ER белком, наз. B cell associated protein 31 (BAP31) посредством механизма, который всё ещё плохо изучен, но участвует в переносе между ER и митохондриями Ca²⁺ [55].

В дополнение к усилению с помощью деления, апоптоз может быть также амплифицирован с помощью подавления аппарата слияния. Фактически, замалчивание MFN1 или MFN2 вызывает фрагментацию митохондрий и способствует апоптозу, тогда как избыточная экспрессия этих белков приводит к удлинению митохондрий и к задержке апоптической клеточной гибели путем ингибирования олигомеризации Bax/Bak и высвобождения cytochrome c [56]. Сходным образом, подавление OPA1 индуцирует апоптоз, характеризующийся фрагментацией митохондрий, дезорганизацией гребней (перегородок), высвобождением cytochrome c и зависящими от caspase апоптическими событиями в ядре [57]. Напротив избыточная экспрессия OPA1 защищает клетки от апоптоза путем противодействия моделированию гребней и стабилизации функции митохондрий 20,58 и 59. Итак, ультраструктура и морфология митохондрий, как полагают, являются ключевыми игроками в регуляции апоптической и некротической гибели клеток.

Помимо своей роли в необратимых клеточных повреждениях, митохондриальная динамика участвует в аутофагии. Слияние митохондрий следует рассматривать как компенсаторный механизм, гарантирующий смешивание и объединение митохондриальных компонентов, таких как митохондриальные белки и метаболиты, тогда как деление митохондрий необходимо рассматривать как процесс элиминации, чтобы отделить морфологически и функционально вредные органеллы от здоровых. Окончательно поврежденные или дисфункциональные митохондрии подвергаются делению и захватываются с помощью аутофагической мембраны , это приводит к образованию аутофагосом, которые доставляют поврежденные митохондрии в лизосомы [60] в процесс митофагии. Митофагия отличается от макроаутофагии, которая представляет собой процесс неизбирательной клеточной само-деградации, участвующий в деградации массы цитоплазматических компонентов, белков или целых органелл в условиях истощения питательных веществ [60]. Помимо своей роли в контроле качества митофагия не только удаляет поврежденные митохондрии, но и также элиминирует неповрежденные митохондрии во время созревания ретикулоцитов в зрелые эритроциты 61-63, в процессе, обеспечиваемом с помощью члена семейства Bcl-2, NIX (также известен как Bnip3L) [64]. В клетках млекопитающих, PINK1 и parkin, которые мутантны при аутосомно рецессивной болезни Паркинсона, ведут себя как ключевые регуляторы митофагии [60]. Низкий мембранный потенциал, симптом дисфункции митохондрий, запускает избирательное рекрутирование Parkin в дефектные митохондрии зависимым от PINK1 способом 65 и 66. Напротив, во время макроаутофагии при голодании, возникает клеточный пул цАМФ, активирует PKA , которая ингибирует DRP1. Соотв., митохондрии удлиняются и избегают аутофагической деградации; следовательно, сохранение снабжения большим количеством энергии необходимо клеткам в условиях голодания [7]. Т.о., противоположные морфологические свойства характеризуют митохондриальную реакцию на митофагию и макроаутофагию, подчеркивая важность формы митохондрий для способности клеток отвечать на разные сигналы.

Mitochondrial morphology in development и differentiation

Учитывая важность митохондрий в промежуточном метаболизме, они стали считаться ключевыми поставщиками АТФ, необходимого для развития и дифференцировки. Не удивительно, что дефекты эмбриогенеза и тканевой дифференцировки и развития, вызываемые экспериментами по разрушению генов, белки которых образуют форму митохондрий у мышей, были интерпретированы как как следствие нарушений биоэнергетики и апоптоза 8,67 и 68. Потеря Mfn2, но не Mfn1 вызывает тяжелые дефекты в слое клеток плацентарных гигантских клеток трофобласта во время эмбрионального развития [8]. Сходным образом, устранение Mfn2, но не Mfn1, в мозжечке приводило к неспособности роста дендритов, образования шипов и жизнеспособности клеток Пуркинье [69]. Следовательно, MFN2 , по-видимому, является более критическим фактором, чем MFN1 для эмбриогенеза и развития нейронов. Более того, потеря MFNs в скелетных мышцах вызывает мышечную атрофию, характеризующуюся дисфункцией митохондрий, истощением мтДНК и мутациями и компенсаторной митохондриальной пролиферацией [70]. Условное устранение MFNs во взрослом сердце вызывает летальную дилятационную кардиомиопатию с фрагментированными митохондриями [71]. OPA1 мутации ассоциированы с онтогенетическими дефектами, такими как доминантная атрофия зрительного нерва, тогда как Opa1 мутантные мыши обнаруживают специфические фенотипы в ганглиолярных клетках сетчатки, такие как дезорганизация морфологии дендритов и дегенерация зрительного нерва 72 и 73. Интересно, что не только это подавление OPA1 затрагивает ганглиолярные клетки сетчатки, но и эти мыши обнаруживают также снижение моторных навыков [74], нарушения в митохондриях проницаемости переходных пор (PTP), открывающихся в кардиальные клетки [75], и поздно начинающуюся кардиомиопатию [76]. Все ткани, которые затрагиваются с помощью устранения MFNs и OPA1 чувствительны к дисфункции митохондрий, учитывая их высокие энергетические потребности, необходимо дальнейшее подтверждение модели, согласно которой устранение слияния митохондрий затрагивает продукцию энергии и , следовательно, развитие или гомеостаз взрослых тканей.

Напротив, недавние исследования подтвердили иной парадигм, согласно которому митохондрии не просто свидетели процессов дифференцировки и развития, а скорее их активность, форма и расположение прямо влияют на ядерные программы и окончательные клеточные судьбы. Ясно одно, что эти органеллы могут быть больше, чем поставщики АТФ во время развития, это вытекает из важной роли митохондрий в передаче сигналов Ca²⁺ [2], пути, который влияет на многочисленные, критические клеточные события, подобные транскрипции, апоптозу, возбудимости, экзоцитозу и подвижности [77]. Более того, изменения в уровнях OPA1 сопровождают дифференцировку клеток плацентарных трофобластов в пользу генеза стероидов [78]. Помимо передачи сигналов Ca²⁺ недавние находки подтвердили, что митохондрии неожиданно контролируют пути передачи сигналов Notch, NF-κB, и Wnt (Table 1).

< a href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0962892414001421#"> Table 1. Mitochondria in signaling pathways

Notch signaling и mitochondria

Передача сигналов Notch важна для пролиферации, жизнеспособности, миграции, поддержания стволовых клеток и эмбриональной и взрослой дифференцировки и развития [79]. Каноническая передача сигналов Notch активируется посредством расщепления трансмембранного домена Notch рецептора с помощью γ-secretase комплекса после связывания с его лигандом, это приводит к продукции Notch intercellular domain (NICD). NICD мигрирует в ядро, где он ассоциирует с ДНК-связывающим белком CSL (или CBF1/RBP-jk), чтобы активировать гены мишени для Notch [79]. В противовес ядерной локализации NICD при канонической передаче сигналов Notch, NICD локализуется в цитозоле, когда активируется не канонический путь Notch. Цитозольный NICD ингибирует фрагментацию митохондрий и защищает от апоптоза с помощью подавления олигомеризации Bax, которая координируется с помощью Akt и MFNs [80] (Figure 2A). Хотя это первое наблюдение связи между динамикой митохондрий и передачей сигналов Notch, детальный молекулярный механизм, с помощью которого действует ось NICD-Akt вместе с MFNs для предотвращения гибели клеток, остается неясным.

Figure 2. Mitochondrial dynamics и Notch signaling. (A) In the non-canonical Notch pathway, the cytosolic Notch intercellular domain (NICD) inhibits mitochondrial fragmentation during apoptosis induced by the Bcl-2 family Bax и staurosporine, и protects the cell from apoptotic cell death via Akt и mitofusins (MFNs). (B) Dynamin-related protein-1 (DRP1) downregulation induces hyperfused mitochondria, и inhibits follicle cell differentiation, but maintains proliferation via Notch inactivation. (C) Upon Notch ligand binding to the Notch receptor, an ADAM metalloprotease и a ?-secretase complex cleaves the Notch receptor и releases the NICD, which migrates into the nucleus. NICD interacts with the DNA binding protein CSL (also called CBF1/RBP-jk) и recruits a coactivator complex composed of Mastermind (MAML-1), и other transcription factors to activate Notch target genes. Notch signaling, which inhibits cardiac cell differentiation, is activated in fusion-deficient embryonic stem cells (ESCs) where mitochondria are fragmented и accumulate in the cell periphery. Because of fragmented mitochondria in the cell periphery, a negative feedback to the CRAC channel is attenuated, и capacitative Ca2+ entry и activity of the Ca2+ dependent phosphatase calcineurin are increased. Activated calcineurin does not affect the production of NICD from full length Notch receptor, but does affect its migration to the nucleus, or stability or binding ability to the transcription complex of NICD.

Др. связь между митохондриями и передачей сигналов Notch установлена при анализе фолликулярных клеток у Drosophila. Генетическое устранение DRP1 ингибирует дифференцировку фолликулярных клеток, но она сохраняется при инактивации Notch, тогда как передача сигналов Notch усиливается обычно во время постмитотической дифференцировки [81] ( Figure 2B). Однако, неясно, как сильно слитые митохондрии (или подавление DRP1) инактивируют Notch в фолликулярных клетках. Недавние данные подтвердили возможный механизм, с помощью которого форма митохондрий воздействует на каноническую передачу сигналов Notch, по крайней мере, во время дифференцировки кардиомиоцитов ( Figure 2C), где Notch, как известно, является ингибитором дифференцировки [82]. Хотя устранение обоих MFNs в сердце эмбрионов мыши является летальным, точные механизмы, приводящие нарушениям развития сердца, неясны. В согласии с классическим примером ингибирование слияния митохондрий может быть результатом биоэнергетического кризиса и избыточного апоптоза. Неожиданно однако сердце мышей с дефицитом слияния характеризуются снижением числа кардиомиоцитов и дефектом клеточной пролиферации, указывающих, что слияние воздействует на клеточные функции иначе, чем апоптоз. В самом деле беспристрастное секвенирование РНК показало, что уровни мРНК для myocyte enhancer factor-2c (MEF2c) снижены в в сердце эмбрионов после нокаута MFNs, подчеркивая дефекты дифференцировки. Картирование дифференцировки у мышей, дефицитных по слиянию митохондрий, в эмбриональных стволовых клетках (ESCs) во время развития кардиомиоцитов показало, что измененное распределение субклеточных митохондрий в таких ESCs приводит к повышению цитоплазматического груза Ca²⁺ и активности calcineurin. Более того, эти изменения вызывают значительное увеличение транслокации в ядро активации Notch1, что согласуется с наблюдаемой редукцией уровней связывания NICD конкурентом MEF2c [83]. Фармакологическое увеличение уровней Ca²⁺ полностью воспроизводит зависимую от calcineurin активацию Notch1, тогда как подавление calcineurin нормализует активность Notch1 и восстанавливает дифференцировку кардиомиоцитов в дефицитных по слиянию ESCs. Следовательно, форма и локализация митохондрий воздействуют на ядерные программы дифференцировки посредством взаимосвязи между Ca²⁺, calcineurin и передачей сигналов Notch [83]. Стоит ли передача сигналов Notch ниже митохондрий в тканях других, чем сердце, предстоит установить, но эти находки открывают новые возможности исследовать, участвует ли форма митохондрий в ряде клеточных и онтогенетических процессов, контролируемых с помощью Notch.

В разных моделях дифференцировки реактивные виды кислорода (ROS), а не Ca²⁺, выступают в качестве сигнала, исходящего от митохондрий, чтобы повлиять на передачу сигналов Notch. Условный нокаут митохондриального транскрипционного фактора A (TFAM) в кератиноцитах повышает пролиферацию эпидермальных клеток, но ингибирует эпидермальную дифференцировку путем супрессии митохондриальных ROS и передачи сигналов Notch, что необходимо для эпидермальной дифференцировки [84]. Эта находка подтверждает, что несколько разных сигналов используются митохондриями, чтобы влиять на ядерные программы дифференцировки. Вполне возможно, что органеллы могут влиять на сложные пути развития и дифференцировки сходным образом.

Важно отметить, что общение между митохондриями и ядерной передачей сигналов направлено в обе стороны. Тот же самый каскад Notch, который контролируется с помощью митохондрий во время дифференцировки, может регулировать метаболизм митохондрий. Метаболическое переключение с оксидативного на гликолитический путь часто происходит в раковых клетках и это связано с опухолевым ростом и инвазией, это указывает на то, что ядерные программы , координирующие приобретение злокачественного фенотипа, воздействуют на митохондрии. В раковых клетках молочных желез. напр., активированный Notch сдвигает метаболизм в направлении гликолиза путем активации пути phosphatidylinositol 3-kinase/AKT serine/threonine kinase, тогда как подавление Notch вызывает гликолиз зависимым от p53 образом, подтверждая, что митохндриальное дыхание ингибировано в этих клетках [85]. Путь Akt также задействуется с помощью Notch, чтобы защитить митохондрии от проницаемости, ведущей к апоптозу, путем активации MFNs и вызывая элонгацию митохондрий [80]. Путь не канонической передачи сигналов Notch в самом деле регулирует респираторную функцию митохондрий, посредством мощных взаимодействий с компонентом митофагии PINK1, и избранными субъединицами респираторной цепи [86], как и в случае ранних наблюдений на Drosophila, где передача сигналов Notch влияет на митохондриальное дыхание 87 и 88. Недавно, используя подход сравнительной протеомики, активация канонической передачи сигналов Notch,как было установлено, подавляет уровни субъединиц респираторной цепи, таких как компоненты комплекса I NADH-ubiquinone oxidoreductase NDUFS1, и NDUFV2 субъединиц, и субъединицы II Succinate dehydrogenase SDHA [89]. Кроме того, исследования на пациентах показали, что мутации Notch3 вызывают снижение активности комплекса I [90], подтверждая сильную связь между передачей сигналов Notch и митохондриальной респираторной цепи комплексом I; однако, детальный молекулярный механизм, с помощью которого передача сигналов Notch модулирует митохондриальное дыхание, пока не открыт.

NF-κB signaling и mitochondria

Сходное метаболическое переключение может оперировать с помощью ядерного фактора kappa-light-chain-enhancer of activated B cells (NF-κB), транскрипционного фактора, состоящего из 5 членов семейства: RelA (p65), p105/p50 (NF-kB1), p100/p52 (NF-kB2), c-Rel и RelB. NF-κB является ключевым регулятором иммунного и воспалительного ответа и играет критическую рол в жизнеспособности, пролиферации, адгезии клеток и в ангиогенезе [91]. Подавление RelA вызывает сдвиг с оксидативного метаболизма на гликолиз посредством p53, посредством уменьшения мишени для p53 - SCO2, субъединицы митохондриальной cytochrome c oxidase, с предсказуемым снижением митохондриального дыхания [92]. Неожиданно, был идентифицирован OPA1 в качестве гена мишени для NF-κB в пути, связывающим митофагическую ubiquitin ligase Parkin с защитой клеток от апоптоза. В самом деле, Parkin индуцирует линейное убиквитинирование важного модулятора для NF-κB (NEMO) , повышающего в конечном итоге уровни OPA1, защищая тем самым клетки от апоптоза [93]. Эти результаты показывают, что морфология митохондрий и передача ядерных сигналов взаимосвязаны с помощью неожиданных путей помимо уже известных моделей, таких как митофагия. В самом деле, mitochondrial antiviral signaling protein (MASV, также известный как VISA), располагащийся в OMM, взаимодействует с MFN2 [94], и обеспечивает активацию передачи сигналов NF-κB в ответ на вирусную инфекцию 95 и 96.

Wnt signaling и mitochondria

Wnt ещё один путь ядерной передачи сигналов, воздействующий на митохондрии. В каноническом пути Wnt соединяется с членами семейства Frizzled, регулируя тем самым семейство транскрипционных факторов LEF/TCF вместе с транскрипционным коактиватором β -catenin, чтобы контролировать гены, регулирующие клеточные судьбы и морфогенез. Напр., канонический Wnt3a увеличивает биогенез митохондрий, содержание vnLYR? потребление кислрода, способность к дыханию и уровни ROS. Более того, его активация β -catenin в клетках гематопоэтических предшественников активирует митохондриальный путь апоптоза, это сопровождается потерей потенциала митохондриальных мембран и расщепления каспазами 3 и 9 [97]. Кроме того, Wnt активрует не канонический путь, который регулирует планарную клеточную полярность путем стимуляции реорганизации цитоскелета и мобилизации кальция [98]. В частности, не канонический Wnt5a противодействует эффекту Wnt3a на митохондрии [99]. Более того, не канонический Wnt5a, но не канонический Wnt3a, модулирует морфологию митохондрий в нейронах гиппокампа, вызывая фрагментацию митохондрий, сопровождаемую повторной элонгацией с помощью circuit , который нуждается в дальнейшем выяснении [100]. Затрагивает ли морфология митохондрий реципрокно передачу сигналов Wnt во время развития и дифференцировки, предстоит выяснить.

Эти примеры показывают, что митохондрии работают как ступица, чтобы координировать сигнальные каскады в ответ на внутриклеточные сигналы, контролируя в конечном итоге не только жизнеспособность клеток, но и также судьбу, дифференцировку и развитие. Кроме того, изучение вклада динамики и физиологии митохондрий в клеточные судьбы, выявлен ранее неизвестный перекресток между сигнальными каскадами, которые вносят вклад в развитие и дифференцировку.

Concluding remarks

The core components of the mammalian mitochondrial fusion-fission machinery have been identified, и growing evidence suggests that mitochondrial morphology regulates apoptosis, ER-communication, autophagy, neurodegenerative disorders, и cancer [101]. The recent discoveries that mitochondria are not only targets of nuclear signaling cascades, but also influencers of these pathways to define the differentiation program of stem cells in vitro и in vivo, adds a novel layer of complexity to the role of these ancient endosymbionts. They are not only innocent bystanders that simply amplify cellular cues, but are also active players that signal to the nucleus to define perhaps the most crucial property of multicellular organisms: differentiation и development. What a remarkable revenge for a parasite domesticated to serve as a metabolic и signaling platform.

Glossary

Calcineurin: Ca2+ dependent serine-threonine protein phosphatase. Calcineurin is well known to dephosphorylate nuclear factor of activated T cells (NFAT) to induce its nuclear import. Calcineurin activity is inhibited by immunosuppressant cyclosporine A и FK506.

Dynamin related protein 1: in mammals mitochondrial fission depends on the action of dynamin-related protein 1 (DRP1), a large cytoplasmic GTPase that translocates to mitochondria at sites of fission, oligomerizes, и drives organelle fragmentation.

Mitochondrial respiration: mitochondrial oxidative phosphorylation is conducted by electron transport chain complexes that are accommodated in the cristae inner mitochondrial membrane. All complexes, except complex II, are composed of subunits encoded by nuclear genes. All four complexes are constituted of nuclear и mitochondria DNA-encoded subunits. Using oxygen, mitochondrial respiration produces significant quantities of ATP, while it generates deleterious compounds, such as reactive oxygen species, as byproducts.

Mitofusins: in mammals, mitochondrial fusion depends on two outer membrane highly homologous proteins of the dynamin superfamily called mitofusin (MFN) 1 и 2. They participate in membrane tethering и use the energy of the hydrolysis of GTP to bend и fuse membranes by a still unclear mechanism. In addition, MFN2 tethers ER и mitochondria и is mutated in a genetic peripheral neuropathy called Charcot-Marie-Tooth IIa.

Notch signaling: a highly conserved pathway required for cell-cell communication in tissue differentiation, development, и renewal [79]. Both its receptors и ligands are transmembrane proteins. In canonical Notch signaling, the Notch receptor is cleaved to produce Notch intercellular domain (NICD), the active form of Notch, upon ligand binding. This NICD migrates to the nucleus where it associates with DNA-binding protein CSL (or CBF1/RBP-jk) to activate Notch target genes[79]. In the case of non-canonical signaling, regulation is independent of ligand and/or CSL. For example, membrane-bound Notch associates with active ?-catenin, a core factor in Wnt signaling, и degrades active β -catenin [102].

NF-κ B signaling: nuclear factor kappa-light-chain-enhancer of activated B cells (NF-κB), is a dimeric transcription factor composed of five family members: RelA (p65), p105/p50 (NF-κB1), p100/p52 (NF-κB2), c-Rel, и RelB, и is a crucial regulator of the immune system, stress responses, apoptosis, и differentiation [91]. The canonical pathway is stimulated by reactive oxygen species, lipopolysaccharides, и signals from cytokine receptors (tumor necrosis factor (TNF) receptor, interleukin 1 receptor, и Toll-like receptors). The non-canonical pathway is activated by specific members of the TNF family (Lymphotoxin-?, B cell activating factor, и CD40 ligand) to induce translocation of NF-κB/RelB:p52 complex into the nucleus.

Optic Atrophy 1: in mammals Optic Atrophy 1 (OPA1) mediates inner membrane fusion. It belongs to the same superfamily of MFNs, but it is anchored to the inner membrane. In addition to controlling fusion, it regulates cristae biogenesis и remodeling.

Wnt signaling: in the canonical pathway, Wnt-protein binds to members of the Frizzled family receptor with a transcriptional coactivator ?-catenin to regulate gene transcription during embryonic development. In non-canonical pathways, planar cell polarity pathway controls cell morphology by modulating cytoskeleton, while the Wnt/calcium pathway regulates calcium mobilization [98]. Wnt signaling directs cell proliferation, cell polarity, и cell fate determination during embryonic development и adult tissue homeostasis. Therefore, mutations in the components of Wnt pathway are involved in several disorders, such as cancer и metabolic diseases [98].

Mitochondria: from cell death executioners to regulators of cell differentiation • Atsuko Kasahara, Luca Scorrano Trends in Cell Biol. Volume 24, Issue 12, December 2014, Pages 761–770

Mitochondria: from cell death executioners to regulators of cell differentiation
• Atsuko Kasahara, Luca Scorrano
Trends in Cell Biol. Volume 24, Issue 12, December 2014, Pages 761–770