Fusão mitocondrial - Mitochondrial fusion

As mitocôndrias são organelas dinâmicascom a capacidade de se fundir e se dividir ( fissão ), formando redes tubulares em constante mudança na maioria das células eucarióticas. Essas dinâmicas mitocondriais, observadas pela primeira vez há mais de cem anos, são importantes para a saúde da célula, e defeitos na dinâmica levam a distúrbios genéticos . Por meio da fusão, as mitocôndrias podem superar as perigosas consequências do mau funcionamento genético. O processo de fusão mitocondrial envolve uma variedade de proteínas que auxiliam a célula ao longo da série de eventos que formam esse processo.

Rede mitocondrial (verde) em duas células humanas ( células HeLa )
Mitocôndria, pulmão de mamífero - TEM (2)

Visão geral do processo

Quando as células passam por estresses metabólicos ou ambientais , a fusão e a fissão mitocondrial atuam para manter as mitocôndrias funcionais. Um aumento na atividade de fusão leva ao alongamento mitocondrial, enquanto um aumento na atividade de fissão resulta na fragmentação mitocondrial. Os componentes desse processo podem influenciar a morte celular programada e levar a doenças neurodegenerativas , como a doença de Parkinson . Essa morte celular pode ser causada por interrupções no processo de fusão ou fissão.

As formas das mitocôndrias nas células mudam continuamente por meio de uma combinação de fissão, fusão e motilidade. Especificamente, a fusão auxilia na modificação do estresse, integrando o conteúdo de mitocôndrias levemente danificadas como uma forma de complementação. Ao permitir a complementação genética , a fusão das mitocôndrias permite que dois genomas mitocondriais com diferentes defeitos dentro da mesma organela codifiquem individualmente o que falta ao outro. Ao fazer isso, esses genomas mitocondriais geram todos os componentes necessários para uma mitocôndria funcional.

Com fissão mitocondrial

Os efeitos combinados de fusão e fissão contínuas dão origem a redes mitocondriais. Os mecanismos de fusão e fissão mitocondrial são regulados por proteólise e modificações pós-traducionais. As ações de fissão, fusão e motilidade fazem com que as formas dessas organelas subcelulares ligadas por membrana dupla que conhecemos como mitocôndrias mudem continuamente.

As mudanças no equilíbrio entre as taxas de fissão e fusão mitocondrial afetam diretamente a ampla gama de comprimentos mitocondriais que podem ser observados em diferentes tipos de células. A rápida fissão e fusão da mitocôndria em fibroblastos cultivados demonstrou promover a redistribuição da proteína fluorescente verde mitocondrial (GFP) de uma mitocôndria para todas as outras mitocôndrias. Este processo pode ocorrer em uma célula dentro de um período de tempo tão curto quanto uma hora.

A importância da fissão e fusão mitocondrial é distinta para os neurônios não proliferantes, que são incapazes de sobreviver sem a fissão mitocondrial. Esses neurônios não proliferantes causam duas doenças humanas conhecidas como atrofia óptica dominante e doença de Charcot Marie Tooth tipo 2A, ambas causadas por defeitos de fusão. Embora a importância desses processos seja evidente, ainda não está claro por que a fissão e a fusão mitocondrial são necessárias para células não proliferantes.

Regulamento

Muitos produtos gênicos que controlam a fusão mitocondrial foram identificados e podem ser reduzidos a três grupos principais que também controlam a fissão mitocondrial. Estes grupos de proteínas incluem mitofusins, OPA1 / Mgm1, e Drp1 / Dnm1 . Todas essas moléculas são proteínas hidrolisantes de GTP ( GTPases ) que pertencem à família das dinamina . A dinâmica mitocondrial em diferentes células é compreendida pela forma como essas proteínas se regulam e se ligam umas às outras. Essas GTPases no controle da fusão mitocondrial são bem conservadas entre mamíferos, moscas e leveduras. Os mediadores de fusão mitocondrial diferem entre as membranas externa e interna da mitocôndria. Membros específicos da família de dinamina ancorados em membrana medeiam a fusão entre as membranas mitocondriais externas conhecidas como Mfn1 e Mfn2 . Essas duas proteínas são mitofusinas contidas em humanos que podem alterar a morfologia das mitocôndrias afetadas em condições de superexpressão. No entanto, um único membro da família de dinamina conhecido como OPA1 em mamíferos medeia a fusão entre as membranas mitocondriais internas. Essas proteínas reguladoras da fusão mitocondrial são dependentes do organismo; portanto, em Drosophila (moscas de fruta) e leveduras, o processo é controlado pela GTPase mitocondrial transmembrana, Fzo. Na Drosophila , o Fzo é encontrado nas espermátides pós-meióticas e a disfunção dessa proteína resulta na esterilidade masculina. No entanto, uma deleção de Fzo1 na levedura em brotamento resulta em mitocôndrias esféricas menores devido à falta de DNA mitocondrial (mtDNA).

Apoptose

O equilíbrio entre a fusão mitocondrial e a fissão nas células é ditado pela regulação para cima e para baixo das mitofusinas, OPA1 / Mgm1 e Drp1 / Dnm1. A apoptose , ou morte celular programada , começa com a quebra das mitocôndrias em pedaços menores. Este processo resulta da regulação positiva de Drp1 / Dnm1 e regulação negativa das mitofusinas. Mais tarde no ciclo de apoptose, ocorre uma alteração da atividade OPA1 / Mgm1 dentro da membrana mitocondrial interna. O papel da proteína OPA1 é proteger as células contra a apoptose, inibindo a liberação do citocromo c . Uma vez que essa proteína é alterada, ocorre uma mudança na estrutura das cristas, liberação do citocromo c e ativação das enzimas destrutivas da caspase. Essas mudanças resultantes indicam que a estrutura da membrana mitocondrial interna está ligada a vias regulatórias que influenciam a vida e morte celular. O OPA1 desempenha um papel genético e molecular na fusão mitocondrial e na remodelação das cristas durante a apoptose. OPA1 existe em duas formas; sendo o primeiro solúvel e encontrado no espaço intermembrana, e o segundo como uma forma de membrana interna integral, trabalham juntos para reestruturar e dar forma às cristas durante e após a apoptose. O OPA1 bloqueia a redistribuição intramitocondrial do citocromo C que procede à remodelação das cristas. OPA1 funciona para proteger as células com disfunção mitocondrial devido a deficiências de Mfn, duplamente para aqueles sem Mfn1 e Mfn2, mas desempenha um papel maior em células com apenas deficiências de Mfn1 em oposição às deficiências de Mfn2. Portanto, é suportado que a função OPA1 é dependente da quantidade de Mfn1 presente na célula para promover o alongamento mitocondrial.

Em mamíferos

Ambas as proteínas, Mfn1 e Mfn2, podem atuar juntas ou separadamente durante a fusão mitocondrial. Mfn1 e Mfn2 são 81% semelhantes entre si e cerca de 51% semelhantes à proteína Fzo de Drosophila . Os resultados publicados para um estudo para determinar o impacto da fusão na estrutura mitocondrial revelaram que as células deficientes em Mfn demonstraram células alongadas (maioria) ou células pequenas e esféricas após observação.

A proteína Mfn tem três métodos de ação diferentes: oligômeros homotípicos Mfn1, oligômeros homotípicos Mfn2 e oligômeros heterotípicos Mfn1-Mfn2. Foi sugerido que o tipo de célula determina o método de ação, mas ainda não foi concluído se Mfn1 e Mfn2 desempenham ou não a mesma função no processo ou se são separados. As células sem esta proteína estão sujeitas a graves defeitos celulares, como crescimento celular deficiente, heterogeneidade do potencial de membrana mitocondrial e diminuição da respiração celular .

A fusão mitocondrial desempenha um papel importante no processo de desenvolvimento embrionário , como mostrado através das proteínas Mfn1 e Mfn2. Usando camundongos knock-out Mfn1 e Mfn2 , que morrem no útero no meio da gestação devido a uma deficiência placentária, a fusão mitocondrial mostrou não ser essencial para a sobrevivência celular in vitro, mas necessária para o desenvolvimento embrionário e a sobrevivência celular em estágios posteriores de desenvolvimento. Camundongos knock-out duplo Mfn1 Mfn2, que morrem ainda mais cedo no desenvolvimento, foram distinguidos dos camundongos knock-out "simples". Fibroblastos de embrião de camundongo (MEFs) originaram-se de camundongos double knock-out, que sobrevivem em cultura embora haja uma ausência completa de fusão, mas partes de suas mitocôndrias mostram um número reduzido de cópias de DNA mitocondrial ( mtDNA ) e perdem o potencial de membrana. Esta série de eventos causa problemas com a síntese de trifosfato de adenosina (ATP).

Família Mitocondrial de Fusão de Membrana Interna / Externa (MMF)

A família de fusão mitocondrial de membrana interna / externa (MMF) ( TC # 9.B.25 ) é uma família de proteínas que desempenha um papel nos eventos de fusão mitocondrial. Esta família pertence à maior Superfamília Portadora Mitocondrial (MC) . A natureza dinâmica das mitocôndrias é crítica para o funcionamento. Chen e Chan (2010) discutiram a base molecular da fusão mitocondrial, seu papel protetor na neurodegeneração e sua importância na função celular. As mitofusinas Mfn1 e Mfn2 de mamíferos, GTPases localizadas na membrana externa, medeiam a fusão da membrana externa. OPA1, uma GTPase associada à membrana interna, medeia a fusão subsequente da membrana interna. Mutações em Mfn2 ou OPA1 causam doenças neurodegenerativas . A fusão mitocondrial permite a mistura de conteúdo dentro de uma população mitocondrial, evitando assim a perda permanente de componentes essenciais. As células com fusão mitocondrial reduzida mostram uma subpopulação de mitocôndrias sem nucleoides de mtDNA. Esses defeitos do mtDNA levam a mitocôndrias com deficiência respiratória, e seu acúmulo nos neurônios leva ao desenvolvimento deficiente de processos celulares e consequente neurodegeneração.

Membros da família

Uma lista representativa das proteínas pertencentes à família MMF está disponível no Transporter Classification Database .

  • 9.B.25.1.1 - O complexo de fusão da membrana mitocondrial interna / externa, Fzo / Mgm1 / Ugo1. Apenas a proteína Ugo1 é membro da superfamília MC.
  • 9.B.25.2.1 - O complexo de fusão de membrana mitocondrial de mamífero, complexo Mitofusina 1 (Mfn1) / Mfn2 / Proteína de Atrofia Ótica 1 (OPA1). Esta subfamília inclui as mitofusinas 1 e 2.

Mitofusinas: Mfn1 e Mfn2

Mfn1 e Mfn2 ( TC # 9.B.25.2.1 ; Q8IWA4 e O95140 , respectivamente), em células de mamíferos são necessários para a fusão mitocondrial, Mfn1 e Mfn2 possuem distinções funcionais. Por exemplo, a formação de estruturas amarradas in vitro ocorre mais facilmente quando as mitocôndrias são isoladas de células que superexpressam Mfn1 do que Mfn2. Além disso, foi demonstrado que Mfn2 se associa especificamente com Bax e Bak (família Bcl-2, TC # 1.A.21 ), resultando em atividade alterada de Mfn2, indicando que as mitofusinas possuem características funcionais únicas. Buracos lipídicos podem se abrir em bicamadas opostas como intermediários, e a fusão nos miócitos cardíacos é acoplada à desestabilização da membrana mitocondrial externa que é oportunisticamente empregada durante a transição da permeabilidade mitocondrial.

Mutações em Mfn2 (mas não em Mfn1) resultam no distúrbio neurológico síndrome de Charcot-Marie-Tooth . Essas mutações podem ser complementadas pela formação de hetero-oligômeros Mfn1 – Mfn2 CMT2A , mas não homo-oligômeros de Mfn2 + –Mfn2 CMT2A . Isso sugere que dentro do complexo hetero-oligomérico Mfn1 – Mfn2, cada molécula é funcionalmente distinta. Isso sugere que o controle dos níveis de expressão de cada proteína provavelmente representa a forma mais básica de regulação para alterar a dinâmica mitocondrial em tecidos de mamíferos. Na verdade, os níveis de expressão de Mfn1 e Mfn2 variam de acordo com o tipo de célula ou tecido, assim como a morfologia mitocondrial.

Proteínas de fusão mitocondrial de levedura

Na levedura, três proteínas são essenciais para a fusão mitocondrial. Fzo1 ( P38297 ) e Mgm1 ( P32266 ) são guanosina trifosfatases conservadas que residem nas membranas externa e interna, respectivamente. Em cada membrana, essas proteínas conservadas são necessárias para as etapas distintas de amarração da membrana e mistura de lipídios. O terceiro componente essencial é Ugo1, uma proteína da membrana externa com uma região homóloga a, mas distantemente relacionada a uma região da família Mitocondrial Carrier (MC). Hoppins et al. , 2009 mostrou que Ugo1 é um membro modificado desta família, contendo três domínios transmembrana e existindo como um dímero, uma estrutura que é crítica para a função de fusão de Ugo1. Suas análises de Ugo1 indicam que ele é necessário para a fusão da membrana externa e interna após o tethering da membrana, indicando que ele opera na etapa de fusão de mistura de lipídios. Este papel é distinto das proteínas de fusão relacionadas à dinamina e, portanto, demonstra que em cada membrana, uma única proteína de fusão não é suficiente para conduzir a etapa de mistura de lipídeos. Em vez disso, esta etapa requer uma montagem mais complexa de proteínas. A formação de um poro de fusão ainda não foi demonstrada. A proteína Ugo1 é um membro da superfamília MC .

Veja também

Referências