Funciones y disfunciones de la dinámica mitocondrial

Resumen | Recientes hallazgos han despertado un renovado aprecio por la naturaleza muy dinámica de la mitocondria. Estos orgánulos constantemente fusionan y dividen, y son transportados activamente a ubicaciones subcelulares específicos. Estos procesos dinámicos son esenciales para el desarrollo de los mamíferos, y defectos conducen a la enfermedad neurodegenerativa. Pero ¿cuáles son los mecanismos moleculares que controlan la dinámica mitocondrial, y por qué son importantes para la función mitocondrial? Se revisan estas cuestiones y explorar cómo los defectos en la dinámica mitocondrial pueden causar enfermedad neuronal.

En la década de 1950, los estudios de microscopía electrónica seminales llevaron a la visión canónica de las mitocondrias como orgánulos en forma de frijol. Estos estudios revelaron las características ultraestructurales de las mitocondrias, que incluyen membranas lipídicas dobles e inusuales pliegues membrana interna denominados crestas.  Estudios recientes han llevado a un renovado aprecio por el hecho de que la estructura mitocondrial es altamente dinámico. Las mitocondrias tienen drásticamente diferentes morfologías dependiendo del tipo de célula y, incluso en la misma célula, la mitocondria puede tomar en una gama de morfologías, a partir de pequeñas esferas o varillas cortas a largas túbulos.  En los fibroblastos, por ejemplo, las mitocondrias visualizadas con proteínas fluorescentes o colorantes específicos típicamente forman túbulos con diámetros de ~ 0,5 mm, pero su longitud puede variar desde 1 hasta 10 mm o más.

Más sorprendente aún, los estudios de imágenes en células vivas indican que las mitocondrias se mueven constantemente y se someten a las transiciones estructurales. Túbulos mitocondriales se mueven con sus ejes longitudinales alineados a lo largo de las pistas del citoesqueleto. Persona mitocondrias puede encontrarse entre sí durante estos movimientos y se someten a fusión, lo que resulta en la fusión de las membranas dobles y la mezcla de ambas membranas de lípidos y contenido intramitocondrial (CAJA 1). Por el contrario, una mitocondria individuo puede dividir por fisión para producir dos o más mitocondrias corto.

¿Cuáles son los mecanismos moleculares que subyacen a estos comportamientos inusuales, y no tienen consecuencias para la función mitocondrial y la fisiología de la célula?  En esta revisión, se discute la naturaleza dinámica de la mitocondria y resumimos los mecanismos que conducen a la fusión y la fisión mitocondrial.  Además, se discuten los últimos conocimientos sobre cómo estos procesos afectan a la función de las mitocondrias.  Además de controlar la forma de las mitocondrias, la fusión y la fisión son cruciales para el mantenimiento de las propiedades funcionales de la población mitocondrial, incluyendo su capacidad respiratoria. Por otra parte, la dinámica mitocondrial tiene un papel clave en el desarrollo de mamíferos, varias enfermedades neurodegenerativas y la apoptosis.

Las mitocondrias como orgánulos dinámicosPor varios criterios, las mitocondrias son orgánulos dinámicos. En primer lugar, la forma y tamaño de las mitocondrias son muy variables y están controlados por la fusión y la fisión.  En segundo lugar, las mitocondrias son transportados activamente en las células y pueden tener definido distribuciones subcelulares. Por último, la estructura interna de las mitocondrias puede cambiar en respuesta a su estado fisiológico.

Forma dinámica. La longitud, forma, tamaño y número de las mitocondrias son controlados por la fusión y la fisión (figura 1a). En el estado estacionario, las frecuencias de los eventos de fusión y de fisión se equilibran para mantener la morfología general de la población mitocondrial. Cuando este equilibrio es perturbado experimentalmente, se pueden producir transiciones dramáticas en la forma mitocondrial. Los estudios genéticos en levadura y mamíferos indicar que las células con una alta relación de fusión-a-fisión tienen pocas mitocondrias, y que estas mitocondrias son largos y altamente interconectada (figura 2).  Por el contrario, las células con una baja relación fusionto-fisión tienen numerosas mitocondrias que son pequeñas esferas o varillas cortas - estos se conocen como "mitocondrias

fragmentada 'a menudo in vivo, tales cambios en la dinámica de control de la morfología mitocondrial durante el desarrollo.. Por ejemplo, durante la espermatogénesis Drosophila melanogaster, muchas mitocondrias sincrónicamente se fusionan para formar la estructura Nebenkern, que es necesaria para la motilidad del esperma

Distribución subcelular dinámico. Se requiere el transporte mitocondrial para distribuir las mitocondrias en toda la célula (figura 1b). En la mayoría de las células, las mitocondrias son muy móviles y los viajes a lo largo de las pistas del citoesqueleto. Transporte mitocondrial depende del citoesqueleto de actina en la levadura en ciernes y en tanto actina y los microtúbulos en células de mamífero. Dependiendo del contexto celular, estos procesos de transporte pueden asegurar de herencia adecuada de las mitocondrias o pueden reclutar las mitocondrias a las regiones activas de la célula.  Por ejemplo, en la levadura en ciernes, las mitocondrias son transportados en y retenido en el brote en desarrollo para asegurar la herencia mitocondrial de la célula hija.

Esta regulación de la distribución mitocondrial es particularmente evidente en las neuronas. Las mediciones cuantitativas de transporte mitocondrial neuronal han reportado tasas que van desde 0,4 m min-1 a 0,1-1 m s-1. Tales movimientos dirigidos no son continuos, sino que son relativos a la danza, con pausas a menudo seguida de un cambio de dirección. Estos patrones pueden reflejar la unión y separación de los motores del citoesqueleto. Aunque estos movimientos pueden parecer caótico, varias líneas de evidencia de los estudios neuronales sugieren que el transporte mitocondrial es regulada. En primer lugar, las mitocondrias son reclutados a las regiones con altas demandas de energía, incluyendo los conos de crecimiento activo, sitios presinápticos y postsinápticos sitios.Ese reclutamiento está regulada por la activación neuronal, argumentando además que el reclutamiento de las mitocondrias es sensible al estado metabólico local.  En segundo lugar, hacer una pausa mitocondria neuronal más a menudo en sitios que carecen de mitocondrias otra, lo que resulta en una distribución mitocondrial axonal bien espaciados.  En tercer lugar, los estudios con el indicador de la membrana potencial colorante JC-1 sugieren que las mitocondrias de alto potencial de membrana preferentemente migran en dirección anterógrada, mientras que las mitocondrias con bajo potencial de membrana se mueven en la dirección retrógrada. Estos patrones de migración activa sugieren que las mitocondrias son reclutados en las regiones distales con altos requerimientos de energía, mientras que la alteración de las mitocondrias se devuelven al soma celular, tal vez por la destrucción o la reparación. Finalmente, el transporte mitocondrial a lo largo de los axones responde a las concentraciones locales de factor de crecimiento nervioso (NGF), lo que sugiere que las vías de señalización de control de reclutamiento y la retención mitocondrial específica.

Estructura interna dinámica. Además de los cambios en la forma general de las mitocondrias, las estructuras internas de las mitocondrias también son dinámicos.  Tomografía tridimensional de muestras criopreservadas ha proporcionado nuevas perspectivas de organización membrana interna y la plasticidad. La membrana interna se puede dividir en regiones distintas: el límite interior de membrana, la membrana crestas y las crestas uniones (figura 1c). La membrana límite interior comprende las regiones en las que la membrana interna está en estrecha proximidad a la membrana externa. Estas regiones son probablemente importantes para la importación de proteínas y podrían ser los sitios de fusión de la membrana junto exterior e interior. Las uniones estrechas crestas son regiones "cuello" que separan la membrana límite interior de la membrana crestas involutivo.  El citocromo c, una proteína-espacio intermembrana, se enriquece en el espacio que está encerrado por las membranas de crestas, y la apertura regulada de crestas uniones podría ser importante para su relocalización durante la apoptosis.

Estas regiones de la membrana interna mitocondrial no sólo son morfológicamente distintos, pero también parecen constituir dominios funcionales separadas. Las proteínas que están involucradas en la translocación de proteínas a través de la membrana interna, tal como el complejo TIM23, se enriquecen en la membrana de límite interior, mientras que las proteínas que están implicadas en la fosforilación oxidativa se enriquecen en las membranas de crestas. Además, la estructura de las membranas mitocondriales está relacionada con el

estado metabólico de las mitocondrias (Fig. 1c).Purificada mitocondrias colocado en condiciones de poca ADP tiene respiración limitada y tienen una morfología "ortodoxo", caracterizado por crestas estrechas y algunas uniones crestas por compartimiento crestas. Bajo altas ADP y las condiciones del sustrato, aisladas las mitocondrias tienen una elevada actividad respiratoria y una morfología «condensada», que se caracteriza por grandes crestas y varios cruces de crestas por compartimiento crestas.  Se desconoce el interior membranas convertir entre estos estados, pero la fusión de membranas interior y la fisión podría estar involucrado. Tomados en conjunto, estas observaciones indican que la morfología de la membrana interna está íntimamente relacionada con la bioenergética, aunque la relación causal sigue siendo poco clara.

Los mediadores de la fusión y fisiónEl análisis molecular de la morfología mitocondrial comenzó con el descubrimiento en 1997 de la D. melanogaster fusión cebollas difusos de los factores (FZO), una GTPasa mitocondrial membrana externa que se requiere para la fusión de las mitocondrias durante la espermatogénesis. FZO es el miembro fundador de la familia de GTPasas mitofusina.  El ortólogo de levadura, Fzo1, tiene un papel conservado en fusión mitocondrial, y pantallas genéticos en levadura han identificado moduladores adicionales de la fusión y la fisión mitocondrial (figura 3b). Los mecanismos básicos que intervienen en la fusión y la fisión mitocondrial se entienden mejor en la levadura. Varios de estos componentes han conservado funcionalmente homólogos de mamíferos. Discusiones más completas de los mecanismos moleculares de la fusión y la fisión mitocondrial se han presentado en los últimos comentarios.

Fusión mitocondrial. En la levadura, la maquinaria de fusión mitocondrial núcleo se compone de dos GTPasas: Fzo1 y Mgm1 (figura 3). Fzo1 se encuentra en la membrana externa mitocondrial y es esencial para la fusión de las membranas externas. Los homólogos de mamíferos de Fzo1 son los mitofusins MFN1 y MFN2. Estas dos proteínas relacionadas forman homo-oligoméricas y hetero-oligómero complejos que son esenciales para la fusión. Mitofusins se requieren en las mitocondrias adyacentes durante el proceso de fusión, lo que implica que forman complejos en trans entre apposing mitocondrias. Una región de repetición heptad de MFN1 se ha demostrado para formar una bobina en espiral antiparalelo que está probablemente involucrado en la inmovilización de las mitocondrias durante la fusión.

Mgm1 es una proteína dynamin-relacionado que es esencial para la fusión de las membranas mitocondriales internas en la levadura, una función que es coherente con su localización en el espacio intermembrana y su asociación con la membrana interna.  El OPA1 ortólogo de mamífero también es esencial para la fusión mitocondrial. En la levadura, la proteína de membrana externa Ugo1 une físicamente Fzo1 y Mgm1, pero no orthologue de mamíferos se ha descubierto todavía.

El potencial de membrana a través de la membrana interna mitocondrial es mantenido por la cadena de transporte de electrones y es esencial para la fusión mitocondrial.  Los ionóforos que disipan el potencial de membrana mitocondrial causa la fragmentación mitocondrial, debido a una inhibición de la fusión mitocondrial.  En un ensayo de fusión in vitro, tanto el protón y los componentes eléctricos del gradiente del potencial de membrana son importantes. La relación mecánica entre el potencial de membrana y la fusión queda por resolver, pero un factor parece ser la dependencia de procesamiento post-traduccional de OPA1 en el potencial de membrana.

Un trabajo reciente ha identificado también los lípidos mitocondriales como factores importantes en la fusión. Pantallas de la morfología mitocondrial en la levadura identifican los miembros de la vía de síntesis de ergosterol como se requiera para la morfología mitocondrial normal. Recientemente, mitocondrial fosfolipasa D ha sido identificado como una proteína que es importante para la fusión mitocondrial. Este enzima de la membrana mitocondrial externa hidroliza cardiolipina para generar ácido fosfatídico. Curiosamente, el ergosterol se ha asociado con la fusión vacuola de levadura, y se piensa que el ácido fosfatídico a desempeñar un papel en la generación de la curvatura de la membrana que se requiere para la fusión

mediada por SNARE. Por lo tanto, los lípidos específicos podrían tener funciones similares en distintos tipos de fusión de membranas.

Fisión mitocondrial. Fisión mitocondrial requiere el reclutamiento de una proteína relacionada con dynamin (Dnm1 en la levadura y DRP1 en los mamíferos) desde el citosol (Figura 4). Tanto Dnm1 y DRP1 ensamblan en manchas puntiformes en túbulos mitocondriales, y un subconjunto de estos complejos conducir a sucesos de fisión productivas. Por analogía con la función clásica de dynamin en la endocitosis, se cree que Dnm1 y DRP1 de montar en anillos y espirales que rodean y constriñen el túbulo mitocondrial durante la fisión. De acuerdo con este modelo, Dnm1 purificada de hecho puede formar anillos helicoidales y espirales in vitro, con dimensiones que son similares a los de las mitocondrias restringido. Por otra parte, se requiere ensamblaje Dnm1 para la actividad de fisión.

El reclutamiento de Dnm1 de levadura sitios fisión mitocondrial implica otros tres componentes. Uno de ellos es Fis1, una proteína de membrana externa integral mitocondrial que es esencial para la fisión. Fis1 se une indirectamente a Dnm1 a través de uno de los dos adaptadores moleculares, MDV1 o Caf4 (figura 4b). Cualquiera de MDV1 o Caf4 es suficiente para permitir el reclutamiento Fis1-dependiente de Dnm1, aunque MDV1 tiene un papel más importante en la mediación de la fisión. FIS1, el homólogo de mamífero de Fis1, también es esencial para la fisión mitocondrial, pero no hay homólogos de MDV1 o son Caf4 actualmente conocido. FIS1 y DRP1 también son necesarios para la fisión de los peroxisomas.

Otros reguladores de la dinámicaActividades de fusión y la fisión mitocondrial son probablemente coordinados con la fisiología celular. En la levadura, los niveles de estado estacionario de Fzo1 son controlados por el Mdm30 F-box proteína, que regula negativamente los niveles de Fzo1 de una manera independiente del proteasoma. En células de mamíferos, la modificación post-traduccional de DRP1 regula su función en la fisión mitocondrial. El mitocondrial ubiquitina ligasa E3 MARCH5 es esencial para la fisión mitocondrial. Este requisito está probablemente relacionado con la capacidad de MARCH5 promover DRP1 ubiquitylation y asociar físicamente DRP1 ubiquitylated. Por otra parte, durante la apoptosis, sumoylation de DRP1 se activa de una manera BAX-y / o BAK-dependiente.

Esta modificación de DRP1 podría afectar su asociación con las membranas mitocondriales. Fisión mitocondrial también está regulada por el ciclo celular. Por ejemplo, las mitocondrias en las células HeLa son generalmente tubular, pero se vuelven más fragmentado durante la mitosis, un fenómeno que podría facilitar la división de las mitocondrias a las células hijas durante la citocinesis.  Esta fragmentación de las mitocondrias es regulada debido al aumento de la fisión mitocondrial, y la fosforilación de DRP1 durante la mitosis se ha implicado.

Además de los genes que codifican la fusión del núcleo y componentes de fisión, otros genes que pueden afectar a la morfología mitocondrial. Pantallas visuales de gran escala para la morfología mitocondrial aberrante en levaduras mutantes han producido numerosos genes de interés y aportado ideas generales en el control de la morfología mitocondrial.  Estas pantallas indican que varias rutas celulares influyen en la morfología mitocondrial y la herencia, incluyendo la biosíntesis de ergosterol, la importación de proteínas mitocondriales, la dinámica de la actina, la fusión vesicular y la degradación de proteínas mediada por ubiquitina. La estrecha interacción entre la importación de proteínas mitocondriales y la morfología se ha destacado por el reciente descubrimiento de que los genes mitocondriales morfología MMM1, MDM10 y MDM12 tienen un papel directo en el ensamblaje de las proteínas β-barril en la membrana mitocondrial externa.

Las proteínas que se requieren para el transporte mitocondrial.Energía dependiente del transporte molecular motores mitocondrias a lo largo de los filamentos del citoesqueleto. A lo largo de los microtúbulos, múltiples miembros de la familia quinesina y dineína citoplásmica han sido implicados en el transporte mitocondrial

anterógrada y retrógrada, respectivamente. Trabajos recientes han aclarado la relación entre las mitocondrias y kinesin-1. Pantallas genéticas en D. melanogaster identificada Milton y Miro, ambos los cuales son necesarios para el transporte mitocondrial anterógrada en las neuronas. Milton interactúa directamente con quinesina y Miro, que es una proteína de la membrana externa mitocondrial que tiene los dominios EF-hand + de unión a GTPasa y de Ca2.  En la levadura, la interrupción de la orthologue Miro GEM1 resultados en las anomalías en la morfología mitocondrial y actividad respiratoria pobres. Ambos motivos + de unión de unión a GTP y Ca2 son esenciales para GEM1 función, que no parece estar involucrado en la fusión o de la fisión.  Dependiendo del tipo de células, las mitocondrias también puede viajar a lo largo de los filamentos de actina bajo el control de los motores de miosina.

Las proteínas que median la morfología de la membrana interna.Los estudios de estructura de la membrana mitocondrial interna se complican por la relación íntima entre la bioenergética mitocondrial y la estructura de crestas. Como resultado, la alteración de las proteínas que son importantes para la bioenergética puede conducir a un efecto secundario sobre la estructura de membrana interna.  Sin embargo, varias proteínas probablemente tienen un papel específico en el control de la estructura de crestas.  Además de sus papeles en la fusión mitocondrial, Mgm1 y OPA1 son importantes para la estructura de crestas. Pérdida de Mgm1 en levaduras o desmontables de OPA1 en células de mamífero da lugar a estructuras membrana interna desorganizados. En ambos casos, las interacciones homo-oligómeros están involucrados.

Mitocondrial F1FoATP sintasa, una enzima rotatorio incrustado en la membrana interna que las parejas bombeo de protones para la síntesis de ATP, es esencial para la estructura normal crestas.Este papel en la estructura de la membrana interna implica una forma dimérica de la ATP sintasa que contiene las subunidades adicionales ey g.  Como se visualizaron por microscopía electrónica, el dímero ATP sintasa tiene una interfaz dimérica con un ángulo agudo que podría distorsionar la membrana lipídica local.  Esta distorsión puede contribuir a la curvatura alta membrana que caracteriza túbulos crestas.  Mgm1 se requiere para la oligomerización de la ATP sintasa, proporcionando un enlace entre estos dos moduladores de la estructura de crestas.

Proteínas adicionales modulan la dinámica de la membrana interior. En la levadura, Mdm33 se requiere para la morfología mitocondrial normal y su sobreexpresión conduce a la tabicación y vesiculación de las membranas internas. Debido a estos fenotipos, Mdm33 se ha sugerido que tienen un papel en la fisión membrana interna. Desmontables de mitofilin en células de mamífero provoca alteraciones dramáticas de las crestas, lo que resulta en la formación de capas complejas de membrana interna. El agotamiento de Mmm1, Mdm31 y Mdm32 - proteínas de levadura implicados en mitocondrial (mt) el mantenimiento de ADN - también causan morfologías crestas aberrantes.

Las funciones biológicas de la dinámica mitocondrial¿Por qué las mitocondrias fusible continua y dividir?  Estudios recientes muestran que estos procesos tienen consecuencias importantes para la morfología, la función y la distribución de las mitocondrias. En primer lugar, la fusión y la fisión controlar la forma, la longitud y el número de mitocondrias. El equilibrio entre estos procesos opuestos regula la morfología mitocondrial. En segundo lugar, la fusión y la fisión mitocondrial permiten el intercambio de las membranas lipídicas y contenido intramitocondrial. Este intercambio es crucial para el mantenimiento de la salud de una población mitocondrial. En tercer lugar, la forma de las mitocondrias afecta a la capacidad de las células para distribuir sus mitocondrias a las localizaciones subcelulares específicos. Esta función es especialmente importante en las células altamente polarizadas, tales como las neuronas. Por último, la fisión mitocondrial facilita la apoptosis mediante la regulación de la liberación de proteínas intermembrana-espacio en el citosol. Como resultado de estas funciones celulares, la dinámica mitocondrial tiene consecuencias para el desarrollo de, la enfermedad y la apoptosis.

El mantenimiento de una población sana mitocondrial.

Se requiere fusión mitocondrial para mantener una población mitocondrial funcional en la célula. Los fibroblastos que carecen tanto MFN1 y MFN2 han reducido la capacidad respiratoria, y las mitocondrias muestran gran heterogeneidad individual en la forma y el potencial de membrana. Las células que carecen de OPA1 muestran defectos similares, con una reducción aún mayor de la capacidad respiratoria.

¿Cómo fusión proteger la función mitocondrial? Es probable que la función primaria de la fusión mitocondrial es permitir el intercambio de contenidos entre las mitocondrias (Cuadro 1). Como resultado, las mitocondrias no deben ser considerados orgánulos autónomas, en su lugar, existen los cientos de mitocondrias en una célula típica como una población de orgánulos que cooperan uno con el otro a través de la fusión y la fisión.  Las propiedades heterogéneas de las mitocondrias en las células deficientes en fusión son consistentes con este modelo. En las células normales, algunas mitocondrias podrían ser no funcional debido a la pérdida de componentes esenciales. Sin embargo, esta disfunción es transitorio porque la fusión mitocondrial proporciona una vía para estas mitocondrias defectuosas para recuperar los componentes esenciales (figura 5a).

Un componente esencial de la función mitocondrial es el ADN mitocondrial (ADNmt), que se organiza en partículas compactas nucleoides llamados. El genoma del ADNmt codifica subunidades esenciales de los complejos respiratorios I, III y IV, y por lo tanto, es esencial para la fosforilación oxidativa. Cuando se abolió la fusión mitocondrial, una gran fracción de la población mitocondrial pierde nucleoides ADNmt. Durante la división mitocondrial en las células normales, la mayoría de las mitocondrias hija heredan al menos un nucleoide ADNmt. Sin embargo, en los casos en que una hija no logra heredar una fusión mitocondrial nucleoide permita la restauración de la ADNmt. En las células deficientes en fusión, la falta de intercambio de contenido impide la restauración de nucleoides ADNmt y probablemente para explicar la heterogeneidad en el potencial de membrana y la capacidad respiratoria reducida. Cabe señalar que las células fusiondeficient todavía mantienen un número significativo de nucleoides ADNmt, sin embargo, debido a la fisión mitocondrial en curso, estos nucleoides están recubiertos por una pequeña masa mitocondrial, y por lo tanto la masa mitocondrial funcional (por lo menos en términos de la bioenergética) en tales células se reduce en gran medida (figura 5b). Además de ADNmt, también es posible que otros componentes, tales como sustratos, metabolitos o lípidos específicos, puedan ser restaurados en mitocondrias defectuosas por fusión. Otros estudios determinarán si el intercambio de contenido es la función primaria de la fusión mitocondrial. La importancia de la fusión mitocondrial en el desarrollo y la enfermedad podría ser una consecuencia de esta función.

Funciones de desarrollo Esenciales. Las perturbaciones en la dinámica mitocondrial resultado de defectos de desarrollo específicos. Los ratones que carecen de cualquiera MFN1, MFN2 o OPA1 no sobreviven más allá de mediados de la gestación. MFN2 tiene una función altamente específica en el desarrollo de la capa de células gigantes trofoblasto de la placenta. Del mismo modo, MFN1 parece tener una función placentaria esencial.

Fisión mitocondrial es también un proceso esencial. Los gusanos que son deficientes en la división mitocondrial mueren antes de la edad adulta. Se ha descrito una paciente infantil con un alelo dominante negativo DRP1. Este paciente murió a aproximadamente 1 mes de edad, y tenía una amplia gama de anomalías, incluyendo la reducción del crecimiento cabeza, aumento del ácido láctico y atrofia óptica. Los fibroblastos de este paciente mostraron alargada mitocondria y peroxisomas. No está claro cómo los problemas de desarrollo están relacionados con estos cambios en la forma organelas.

Distribución mitocondrial y el reclutamiento en las neuronas.Dada la importancia de la dinámica mitocondrial en el mantenimiento de la bioenergética, estas dinámicas son probablemente un fenómeno omnipresente que es importante para todas las células. Sin embargo, ciertas células, en particular neuronas, parecen ser especialmente dependiente de su control adecuado. Esta dependencia de las neuronas probablemente se debe a su alta demanda de energía y la importancia especial de la distribución mitocondrial adecuada: las mitocondrias se concentran en varias regiones neuronales, incluyendo los sitios

pre-y post-sináptica. Para lograr esta distribución no uniforme, las neuronas dependen en gran medida de transporte activo para reclutar mitocondrias y otros orgánulos a los terminales nerviosos.

La correcta localización de las mitocondrias a terminales de los axones depende de la dinámica mitocondrial. Las neuronas que carecen de Milton, Miro o DRP1 mostrar defecto en el transporte mitocondrial y tienen escasas mitocondrias en las terminales de los axones. Estos defectos de distribución conducen a la reducción de la capacidad para la transmisión sináptica. Parece probable que las mitocondrias que se localiza en las sinapsis se requieren principalmente para conducir los procesos dependientes de ATP.  Las sinapsis de las neuronas que expresan el mutante DRP1 muestran falla en la movilización de la piscina de vesículas de reserva (un proceso ATPdependent), y los defectos en la transmisión sináptica pueden ser rescatados por el llenado experimentalmente sinapsis con ATP.  Además, ayuda mitocondrias sinapsis-localizada para regular la homeostasis de Ca2 +, aunque esta función parece ser crucial sólo durante la intensa actividad sináptica.  Las sinapsis que carecen Miro o DRP1 han elevado los niveles de Ca2 + descansando, pero dinámica normal de Ca2 + se mantienen excepto bajo la estimulación nerviosa sostenida.

Tanto fusión mitocondrial y la fisión afectan la distribución mitocondrial en las dendritas.  En las neuronas del hipocampo, las mitocondrias se acumulan en las espinas dendríticas después de la estimulación neuronal. La inhibición de la fisión mitocondrial causa el alargamiento de la mitocondria y disminuye la abundancia de las mitocondrias dendríticas y la densidad de las espinas dendríticas. Por el contrario, el aumento de la fisión facilita la movilización de las mitocondrias dendríticas y conduce a un aumento del número columna vertebral. En el cerebelo, la distribución de las mitocondrias en los procesos dendríticos de neuronas de Purkinje es altamente dependiente de fusión mitocondrial (ver más abajo).

La quimiotaxis de linfocitos. Mitocondrial dinámica parece ser importante para la redistribución mitocondrial adecuada en los linfocitos durante la quimiotaxis.  Las mitocondrias se concentran en el borde de fuga en las líneas celulares de linfocitos que migran en respuesta a los atrayentes químicos. Modulación de la fusión o de la fisión mitocondrial afecta tanto a la redistribución mitocondrial y la migración celular.  Fragmentación mejora la redistribución mitocondrial y la migración celular, mientras que las condiciones que promueven la fusión tienen el efecto contrario. Por lo tanto, como en las neuronas, la forma mitocondrial en los linfocitos puede afectar el reclutamiento de las mitocondrias celulares a las áreas locales.

Regulación de la apoptosis. En la apoptosis, se producen varios cambios estructurales en las mitocondrias durante la fase temprana de la muerte celular (figura 6).  Las mitocondrias se fragmentan debido a la mayor actividad de la fisión. Aproximadamente al mismo tiempo, permeabilización de la membrana mitocondrial externa (MOMP) provoca la liberación del contenido del espacio intermembrana, tales como citocromo c y el segundo activador derivado de mitocondrias de caspasa (SMAC) / Diablo, en el citoplasma.  Debido a que el citocromo c es secuestrado preferencialmente en compartimentos crestas, se cree que la apertura de crestas uniones es un paso esencial en la facilitación de su liberación eficaz.  Una vez en el citosol, el citocromo c activa una cascada de caspasas que se propagan y ejecutar el programa de apoptosis. Estos tres cambios estructurales - la fragmentación, MOMP y crestas remodelación - se producen en momentos similares, pero su secuencia temporal y enlaces causales siguen siendo controvertidos.

Fragmentación mitocondrial durante la apoptosis está asociada con los cambios dinámicos en la localización mitocondrial de varias proteínas, incluyendo BAX, BAK, MFN2, endophilin y DRP1. La inhibición de la actividad de la fisión bloques de fragmentación mitocondrial, reduce la liberación de citocromo c y puede reducir o retrasar la muerte celular en función del sistema experimental. En Caenorhabditis elegans y D. melanogaster, la interrupción de DRP1 reduce el número de muertes celulares. En múltiples sistemas, parece que la fisión es importante para la muerte celular rápida y eficiente, a pesar de la apoptosis puede ocurrir en

ausencia de la fisión mitocondrial. Una cuestión importante a resolver en futuros estudios es como la fisión se relaciona con la permeabilización de las mitocondrias.

Sorprendentemente, las proteínas BAX y BAK apoptóticos, que tienen bien establecidas las funciones pro-apoptóticos de permeabilización de la membrana mitocondrial, también parecen regular la morfología mitocondrial. BAX y BAK células doble knockout han fragmentado las mitocondrias debido a la reducción mitocondrial de fusión, aunque la magnitud de este efecto depende del sistema experimental. Poco se sabe acerca de cómo BAX y BAK median sus efectos en la morfología mitocondrial, pero BAX influye MFN2 distribución en la membrana mitocondrial externa y asociados BAK con MFN1 y MFN2.

En conjunción con MOMP, la remodelación de las membranas crestas se requiere para la liberación rápida y eficiente de citocromo c. La mayoría de citocromo c se localiza en compartimentos crestas; OPA1 parece regular el diámetro de los cruces crestas y por lo tanto regula la liberación del citocromo c. La sobreexpresión de OPA1 bloques de la liberación del citocromo c después de la inducción de la apoptosis mediante el mantenimiento de uniones estrechas crestas. DRP1 también ha sido propuesto para desempeñar un papel en la remodelación de crestas durante la apoptosis.

Papel en enfermedades humanasVarias enfermedades humanas son causadas por mutaciones en los genes que son esenciales para la dinámica mitocondrial (TABLA 1). Cada una de estas enfermedades causa la degeneración de los nervios específicos, lo que refuerza la idea de que las neuronas son particularmente propensos a defectos en la dinámica mitocondrial.

Mutaciones heterocigotas OPA1 y atrofia óptica autosómica dominante. En OPA1 causa atrofia óptica autosómica dominante (ADOA), el más común hereditarios forma de neuropatía óptica.Esta enfermedad se caracteriza por la degeneración de las células ganglionares de la retina, los axones de las que forman el nervio óptico.  Más de 100 mutaciones patogénicas OPA1 se ha informado, la mayoría se producen en el dominio GTPasa.  La mitad de los mutantes codifican una proteína truncada debido a una mutación sin sentido. Unas pocas mutaciones sin sentido suprimir prácticamente la totalidad de la secuencia de codificación, lo que sugiere que la haploinsuficiencia de OPA1 puede causar ADOA. Sigue siendo posible que otros menos graves, truncamientos, podrían tener actividad dominante negativo.

¿Cómo hacen estas mutaciones OPA1 los síntomas clínicos de ADOA Queda por aclarar. Las células no neuronales de los pacientes con ADOA pueden tener agregada, fragmentada o mitocondrias normales, sin embargo, porque se han reportado datos de sólo unos pocos pacientes, no está claro si estos hallazgos son la norma.  Además, OPA1 mutaciones se han asociado con la reducción de la producción de ATP y la reducción de contenido de ADNmt.  Los defectos que se han documentado en tejido enfermo ADOA humano no son tan graves como los observados en las células experimentales en los que OPA1 se agote.  Los fibroblastos que son deficientes para OPA1 han fragmentado, defectos en la respiración, la estructura de crestas aberrante mitocondrias y aumento de la susceptibilidad a la apoptosis.

Los modelos de ratón de ADOA que contienen OPA1 mutaciones desarrollan las características de ADOA de una manera dependiente de la edad. Los ratones heterocigotos muestran una disminución progresiva en el número de células ganglionares de la retina y las aberraciones de los axones en el nervio óptico. Los ratones que son homocigotos para la matriz OPA1 mutación en la mitad de la gestación, lo cual es consistente con un requisito esencial para la fusión mitocondrial durante embrionario desarrollo.

MFN2 y Charcot-Marie-Tooth 2A. La enfermedad de Charcot-Marie-Tooth (CMT), una de las neuropatías hereditarias más comunes, es causada por mutaciones en al menos 30 genes diferentes.Las personas afectadas tienen motor distal progresivo y alteraciones sensoriales que se originan en los pies y las manos, como resultado de la degeneración de los nervios periféricos largas.Dependiendo del tipo de CMT, estas enfermedades son causadas por cualquiera de un defecto primario en las células de Schwann que mielinizar los nervios

periféricos o por un defecto en las propias neuronas. CMT2A es una axonopatía que es causada por este último tipo de defecto, y se se ha asociado con> 40 mutaciones en MFN2. Casi todos estos alelos de enfermedad contienen mutaciones sin sentido o, deleciones en marco cortos. La mayoría de las mutaciones se agrupan en o cerca de el dominio GTPasa, pero algunos también se producen en cada uno de los dominios de repetición heptad de MFN2. Además de la pérdida de la función del nervio periférico, un subconjunto de pacientes con CMT2A tiene atrofia óptica, lo que sugiere que OPA1 y MFN2 mutaciones pueden conducir a la superposición de los resultados clínicos.

Debido a las dificultades en el estudio de tejido nervioso de los pacientes, los mecanismos patogénicos que conducen a la degeneración del nervio periférico en CMT2A no se entienden bien. Sólo un estudio ha reportado defectos ultraestructurales en las mitocondrias de los nervios de los pacientes con CMT2A. Las mitocondrias en el nervio sural de dos pacientes mostraron aberraciones estructurales en sus membranas exterior e interior, junto con la inflamación que es sugestiva de la disfunción mitocondrial. También se observó agregación de las mitocondrias. Curiosamente, CMT2A alelos de MFN2 causa agregación mitocondrial y posteriores defectos de transporte mitocondrial en las neuronas. Sin embargo, el fenotipo mitocondrial agregación depende de la sobreexpresión significativa, y por lo tanto su importancia para la patogénesis de enfermedades aún no se ha aclarado.Varias cuestiones desconcertantes quedan por resolver en relación la genética molecular de CMT2A. ¿Cómo funciona la mutación de una copia de MFN2 conducen a la enfermedad? ¿Por qué son las neuronas a largo periféricos afectados de forma selectiva, ya que MFN2 es una proteína expresada en términos generales? Indicios de que estos temas han llegado a partir del análisis de los alelos CMT2A en ratones. Muchos alelos CMT2A de Mfn2 no son funcionales para la fusión cuando se expresa solo. Sin embargo, la actividad de fusión de estos alelos no funcionales puede ser complementado eficientemente por la de tipo salvaje MFN1 (pero no MFN2). Esta complementación es debido a la capacidad de MFN1 y MFN2 para formar complejos hetero-oligoméricos que son funcionales para la fusión. En un paciente con CMT2A, por lo tanto, las células que expresan MFN1 están protegidos de la pérdida grave de la actividad de fusión. Por el contrario, las células con poca o ninguna expresión MFN1 sufren una mayor pérdida relativa de actividad de fusión. En parte, estas propiedades de los alelos CMT2A pueden subyacer a la pérdida selectiva de neuronas sensoriales y motoras. De acuerdo con este modelo, MFN2 parece estar más altamente expresado en el tejido nervioso central y periférico que MFN1 (SAD y DCC, observaciones no publicadas).Incluso en los nervios periféricos, parece que los defectos de fusión mitocondriales son sólo parcial, ya que sólo los nervios más largos se ven afectados. Lo más probable, las dimensiones extremas de los nervios periféricos largas los hacen más vulnerables a los cambios en la dinámica mitocondrial.

¿Cómo podrían las perturbaciones en la fusión mitocondrial conducir a la neurodegeneración? Indicios de los mecanismos patogénicos han venido de la constatación de que los ratones que carecen de MFN2 muestran degeneración muy específica de las neuronas de Purkinje en el cerebelo, lo que resulta en la ataxia cerebelosa. Las células de Purkinje son las únicas neuronas eferentes del cerebelo, y se han formado exquisitamente procesos dendríticos. Las células de Purkinje en desarrollo y maduro que pierden MFN2 no apoyan consecuencia dendríticas, en particular la de las espinas dendríticas, que son los sitios de las conexiones sinápticas. En las células normales de Purkinje, abundantes mitocondrias tubular reside en los procesos dendríticas. Por el contrario, las células mutantes de Purkinje se han fragmentado mitocondrias que deja de distribuir eficazmente a lo largo de los procesos dendríticos. Además, las células de Purkinje muestran una pérdida o actividad respiratoria, probablemente debido a una acumulación de mitocondrias que la falta de ADNmt nucleoides. Por lo tanto, la pérdida de fusión mitocondrial en las neuronas de Purkinje deteriora la actividad respiratoria y la localización mitocondrial.

GDAP1 y Charcot-Marie-Tooth 4A. Otra forma de CMT se asocia con defectos en la dinámica mitocondrial. Gangliósido inducida por la diferenciación asociada a la proteína-1 ( GDAP1 ) está mutado en CMT4A , una de las pocas formas recesivas de la enfermedad de CMT. CMT4A tiene ambas características desmielinizantes y axonal y, en consonancia con este cuadro clínico mixto, GDAP1 se expresa tanto en las células de Schwann y

neuronas. GDAP1 es una proteína de membrana externa integral que probablemente afecta a la división mitocondrial. Alelos de la enfermedad o bien no localizar a la mitocondria o son defectuosos en la estimulación de la fisión mitocondrial cuando se sobreexpresa. Si GDAP1 alelos de enfermedad interrumpen la fisión mitocondrial normal, que pueden causar defectos mitocondriales de distribución similares a los que son inducidos por los Drp1 mutaciones descritas anteriormente.

PerspectivasEl estudio de la dinámica mitocondrial ha experimentado grandes avances en los últimos años. Ahora está claro que la dinámica mitocondrial es importante para el estado funcional de las mitocondrias. Al permitir el intercambio de contenido entre las mitocondrias, la fusión y la fisión evitar la acumulación de mitocondrias defectuosas. Estos procesos opuestos también controlan la forma mitocondrial, que afecta a la distribución de las mitocondrias, así como su participación en la apoptosis. Como resultado, la dinámica mitocondrial es particularmente importante en las células y tejidos que tienen una dependencia especial sobre la función mitocondrial. Los defectos en la dinámica mitocondrial se manifiesta en el desarrollo de mamíferos, la apoptosis y la enfermedad. A medida que nuestro conocimiento de los aumentos de la dinámica mitocondrial, que podemos esperar para conocer su participación en otros procesos. El vínculo entre los defectos en la fusión mitocondrial y enfermedades neurodegenerativas es particularmente intrigante. En estudios futuros, los mecanismos fisiopatológicos que subyacen a enfermedades neurodegenerativas tales como ADOA y CMT2A con suerte se diseccionaron adicionalmente en modelos animales apropiados.

Cuadro 1 | ¿Qué sucede con los componentes mitocondriales después de la fusión?En películas a intervalos de mitocondrias marcado en las células vivas, las mitocondrias se observan a someterse a ciclos de fusión y fisión. Con cada evento de fusión, dos mitocondrias se fusionan en uno solo. Intuitivamente, se esperaría que verdadera fusión de involucrar a la membrana externa y la fusión de la membrana interna, que también daría lugar a la mezcla de contenido de la matriz. En efecto, estas expectativas

se han confirmado experimentalmente. Eventos de fusión aparente que han sido visualizados en las células pueden ser confirmados por un ensayo de fusión celular mitocondrial-híbrido (véase la figura). En este ensayo, las mitocondrias en las dos líneas celulares distintas están diferencialmente marcado con proteína verde fluorescente orientado mitocondrialmente (GFP) y DsRed. Las líneas celulares son co-chapada en cubreobjetos y se exponen brevemente al glicol de polietileno, una sustancia química que induce a las células adyacentes a fundirse en híbridos de células. Después de un período de recuperación, los híbridos de células se examinan para la fusión mitocondrial. En híbridos de células de las células normales, los resultados de fusión mitocondrial en mitocondrias que realizan tanto las buenas prácticas agrarias y DsRed (ver figura arriba). Las células que son defectuosos por la forma de fusión híbridos de células mitocondriales con distinta rojo y verde mitocondrias (ver figura abajo). Un ensayo conceptualmente similar se puede realizar con células de levadura al permitir que las cepas de levadura que llevan la etiqueta para aparearse y forma cigotos. Mediante el uso de fluoróforos dirigidos a la matriz, estos ensayos muestran que los resultados de la fusión mitocondrial en la mezcla de los contenidos de la matriz. Por otra parte, mediante el uso de marcadores mitocondriales que se localizan en las membranas exteriores o interiores, la fusión de las membranas individuales se puede demostrar experimentalmente, en condiciones normales, la fusión de membranas exterior e interior parece estar estrechamente sincronizadas. Una pregunta importante es ¿qué pasa con el ADN mitocondrial (ADNmt) después de la fusión. Cada mitocondria contiene múltiples copias del genoma de ADNmt que se organizan en uno o más nucleoides. Después de la fusión, estos nucleoides parecen ser móviles y potencialmente pueden interactuar entre sí. En células de mamíferos, el ADNmt recombinación ha sido documentada, pero su alcance y la importancia no está claro.

Figura 1 | mitocondrias como orgánulos dinámicos.a | fusión y la fisión mitocondrial de control del número y el tamaño de las mitocondrias. Con la fusión, dos mitocondrias se convierten en un único mitocondria más grande con las membranas exterior e interior continuos. Por el contrario, una sola mitocondria puede dividir en dos distintos mitocondrias por fisión.b | En los sistemas de mamíferos, las mitocondrias se distribuyen por todo el citoplasma por transporte activo a lo largo de los microtúbulos y filamentos de actina. Motores moleculares distintos sectores de los transportes de la mitocondria en direcciones anterógrada o retrógrada.c | dinámica de la membrana interior. El diagrama indica las diferentes regiones de la membrana interna. Los paneles inferiores muestran microscopía (EM) tomografías electrónicas de dos mitocondrias en diferentes condiciones metabólicas (membrana roja exterior; membrana marco amarillo, interior, verde, crestas de membrana). Organización Cristae puede variar ampliamente, a menudo en respuesta al estado bioenergético de la célula: una morfología "ortodoxo" crestas, con crestas estrechas y pocas uniones crestas por compartimiento crestas, se encuentra en condiciones de baja ADP, mientras que una morfología 'condensada', con grandes crestas y varios cruces por compartimiento crestas, se encuentra en condiciones de alta ADP. EM imágenes reproducidas con la autorización de (2006) Elsevier. CJ, unión crestas, CM, crestas membrana; IBM, la membrana límite interior, IM, membrana interna; IMS, el espacio intermembrana, OM, membrana externa.

Figura 2 | fusión mitocondrial y la fisión morfología regular.Longitud mitocondrial, el tamaño y la conectividad están determinados por las velocidades relativas de fusión mitocondrial y la fisión.En las células de tipo salvaje (se muestra en el panel central), forma mitocondrias túbulos de longitud variable. En la ausencia de fusión mitocondrial (por ejemplo, en mitofusina (NMF) - (células nulas mostrado en el panel de la izquierda), que carecen de MFN1 y MFN2), sin oposición resultados de fisión en una población de mitocondrias que están fragmentadas. Por el contrario, la disminución de la fisión relativa a la fusión (por ejemplo, en células Drp1 K38A (que se muestran en el panel de la derecha), que tienen una forma dominante negativa de la proteína-1 (DRP1) dynamin-relacionados) en los resultados alargado y altamente interconectada mitocondrias. La barra de escala representa 10 micras.

Figura 3 | fusión mitocondrial. a | mitocondrial Fusión consta de membrana externa (OM) de fusión seguido de membrana interna (IM) de fusión. Normalmente, estos eventos se producen de forma coordinada.b | Las proteínas dinamina relacionados Fzo1 y Mgm1 son moléculas clave en la maquinaria de fusión mitocondrial de levadura. Fzo1 es una proteína de la membrana externa de una sola pieza con GTPasa y heptad repetir dominios que se enfrenta el citoplasma. Todos los dominios son necesarios para la actividad de fusión de Fzo1. Mgm1 está presente en la membrana interna, hacia el espacio intermembrana (IMS), y se procesa proteolíticamente por una proteasa romboidal. Ambas formas largas (l-Mgm1) y cortas (s-Mgm1) son necesarios para la fusión mitocondrial. Además de fusión de la membrana interna, Mgm1 se requiere para el

mantenimiento de las estructuras de crestas. Ugo1 se une tanto a Fzo1 y Mgm1 y, probablemente, coordina su función. Todos los componentes son codificados por el ADN nuclear. Las proteínas mitofusina MFN1 y MFN2 son los homólogos mamíferos de Fzo1; OPA1 es el homólogo de mamífero de Mgm1. No homólogo de mamífero de Ugo1 se ha identificado hasta ahora.

Figura 4 | fisión mitocondrial.a | En la levadura, la fisión mitocondrial está mediada por la proteína Dnm1 dynamin-relacionada. Dnm1 citoplasmática se localiza en la membrana mitocondrial externa (OM), donde se oligomeriza en una estructura de anillo que se contrae y corta la mitocondria. En este modelo, DNM1 funciones de una manera análoga a la forma en dynamin funciones en la endocitosis.b | La localización de Dnm1 en la membrana externa mitocondrial está mediada por Fis1 y las proteínas adaptadoras MDV1 y Caf4. Fis1 es una proteína de membrana externa integral, que interactúa con los extremos N de MDV1 y Caf4. Tanto MDV1 y Caf4 tienen C-terminal de WD-40 repite que se unen Dnm1. Fis1 y Dnm1 tienen homólogos de mamíferos (FIS1 y DRP1, respectivamente), pero no hay MDV1 o Caf4 homólogos han sido identificados hasta el momento. IM, membrana interna.

Figura 5 | dinámica mitocondrial protege la función mitocondrial.a | En las células de tipo salvaje, la vasta mayoría de las mitocondrias son funcionales (en verde). En este diagrama simplificado, una mitocondria se representa como no funcional (que se muestra en naranja). Una de las varias razones posibles para la disfunción es la falta de (ADNmt) nucleoides ADN mitocondrial (que se muestran como círculos negros). La mitocondria disfuncional puede recuperar su función y ADNmt mediante la fusión con una mitocondria vecino. La mitocondria fundida se somete entonces a la fisión, con las dos hijas mitocondrias reciben nucleoides ADNmt. Cabe señalar que las identidades de la hija mitocondrias son distintos de los padres mitocondrias, debido al intercambio de contenidos y el hecho de que el punto de fisión es típicamente distinto del punto de fusión.b | En las células deficientes en fusión, las mitocondrias se fragmentaron debido a la fisión en curso en la ausencia de fusión. Las mitocondrias que la falta de ADNmt nucleoides se acumulan porque no hay ninguna vía para mitocondrias defectuosas para recuperar ADNmt. Fusión células deficientes en mantener nucleoides ADNmt, pero tales nucleoides servir una masa mitocondrial mucho menor.

Figura 6 | Dinámica mitocondrial durante la apoptosisEn una etapa temprana de la apoptosis, tres cambios estructurales se producen en las mitocondrias. La fragmentación tiene lugar como resultado del aumento de la fisión mediada por dynamin relacionados con la proteína-1 (DRP1) y la fisión-1

proteína mitocondrial (FIS1). Permeabilización de la membrana mitocondrial externa (MOMP, indicado mediante trazos discontinuos) es inducida por los pro-apoptóticos miembros de la familia BCL2-BAX y BAK. MOMP permite la liberación de citocromo c (que se muestra como puntos rojos) y otras proteínas solubles del espacio intermembrana. Sin embargo, la liberación de citocromo c es eficaz sólo si las uniones crestas se abrieron para permitir el escape de los compartimentos crestas. Las proteínas relacionadas con dynamin OPA1 y DRP1 han sido implicados en la remodelación de crestas.

Tabla 1 | Los trastornos asociados con perturbaciones mitocondriales

Enfermedad

Mitocondrial función

Gene Descripción

CMT2A Fusión MFN2 Autosómica dominante neuropatía periférica

ADOA Fusión OPA1 Autosómica atrofia óptica dominante (ADOA)

CMT4A Fussion ? GDAP1 Autosómica recesiva neuropatía periférica

Sin nombre Fussion DRP1 Neonatal letalidadCMT, de Charcot-Marie-Tooth, DRP1, dinamina relacionados con la proteína-1; GDAP1, gangliósidos diferenciación inducida asociada a la proteína-1; MFN2, mitofusina-2; OPA1, atrofia óptica-1.