As mitocôndrias têm funções cruciais na célula

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eu sou o Marcus o artigo a seguir será apresentado por eu Angela e Ismael.
É um artigo de revisão que fala sobre as formas que as mitocôndrias se comunicam com o núcleo e como essa comunicação é essencial para manter a homeostase mitocondrial.
As mitocôndrias possuem funções fundamentais nas células, como produção de energia, quebra e síntese de aminoácidos, nucleotídeos, lipídios, aglomerados de ferro-enxofre e etc. o comprometimento de qualquer uma dessas funções está relacionado ao surgimento de doenças genéticas, processos neurodegenerativos e ao envelhecimento.
Com base na teoria das mitocôndrias terem evoluído de uma proteobacteria independente, entende-se que elas mantiveram algumas características como a dupla membrana, a capacidade de sintetizar ATP aeróbicamente e o seu próprio DNA. Porém com esse processo evolutivo, as mitocôndrias perderam sua autonomia, o que as tornou dependente de suas células hospedeiras. Tendo quase todas as proteinas mitocondriais codificadas pelos genes nucleares, a biogênese e a funcionalidade mitocondrial passaram a ser controladas pelo núcleo. Assim estabelecendo uma via de comunicação mais estreita.
Pelo fato de as mitocôndrias serem altamente dinâmica, o seu número e função são coordenados com as demandas celulares e necessidades energéticas. Portanto, a biogênese mitocondrial é constantemente regulada. Como as alterações na capacidade mitocondrial dependem da transcrição nuclear, acredita-se que possa ocorrer uma passagem de moléculas e sinais entre a mitocôndria e o núcleo.
O artigo tem como base, estudos realizados com uma levedura Saccharomyces cerevisiae cujas funções celulares básicas são altamente conservadas no reino eucarioto e que é um modelo amplamente utilizado para estudar a função mitocondrial. Embora a levedura seja considerada um organismo modelo "simples", a rede de comunicação mitocondria-nucleo não está totalmente esclarecida.
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As condições ambientais afetam controle nuclear da biogênese mitocondrial
Como a maioria das proteínas necessárias para a biogênese mitocondrial são controladas pela transcrição nuclear, é necessária uma comunicação estreita entre as duas organelas.
Quando as células detectam Condições ambientais que exijam uma função mitocondrial aprimorada a sinalização para um aumento da massa mitocondrial levam a um processo de biogênese envolvendo a transcrição de genes nucleares e mitocondriais.
O aumento mais crítico (dramático) na necessidade mitocondrial na levedura ocorre durante a mudança da fermentação para a respiração. Durante a fermentação da glicose, a regulação da transcrição da expressão do gene mitocondrial é reprimida e a biogênese mitocondrial é reduzida. No entanto, quando as fontes de carbono fermentáveis se esgotam, a levedura passa por uma transição, denominada de deslocamento diauxic, durante a qual a expressão de genes mitocondriais que são codificados pelo genoma nuclear é induzido. Entre os genes regulados positivamente estão os genes do aparelho mitocondrial de transcrição e translação e subunidades dos complexos da cadeia respiratória. O controle desta transição é atribuído ao fator de transcrição Hap4 que é induzido por um ordem de maior importância (magnitude) durante o deslocamento diauxic. Outro ativador transcricional, Sip4, que interage com Snf1, que é considerado o "regulador mestre" da repressão da glicose, também é regulado positivamente, mas seu papel ainda não está claro.
durante essa mudança, as células regulam negativamente os componentes da maquinaria de tradução "citosólica", como tRNA sintetases, fatores de tradução e proteínas ribossômicas. Isso provavelmente permite o aumento dramático na expressão de genes ribossomais mitocondriais e enfatiza o recrutamento celular para a biogênese mitocondrial.
Quando a mitocôndria precisa passar por processos de biogênese, existe uma conversa entre a mitocôndria e o núcleo.
O aumento mais crítico na necessidade mitocondrial na levedura ocorre durante a mudança da fermentação para a respiração.
Durante a fermentação da glicose, a regulação da transcrição da expressão do gene mitocondrial é reprimida e a biogênese mitocondrial é reduzida.
Quando as fontes de carbono fermentáveis se esgotam, a levedura passa por uma transição, denominada de deslocamento diauxic, durante a qual a expressão de genes mitocondriais que são codificados pelo genoma nuclear é dramaticamente induzido.
Entre os genes regulados positivamente estão os genes do aparelho mitocondrial de transcrição e translação e subunidades dos complexos da cadeia respiratória.
O controle desta transição é atribuído ao fator de transcrição Hap4 que é induzido por um ordem de maior importância durante o deslocamento diauxic.
Outro ativador transcricional, Sip4, que interage com Snf1, que é considerado o "regulador mestre" da repressão da glicose, também é regulado positivamente.
As mitocôndrias têm funções cruciais na célula, incluindo geração de ATP, biogênese do cluster ferro-enxofre, biossíntese de nucleotídeos e metabolismo de aminoácidos. Todas essas funções requerem uma regulação rigorosa da atividade mitocondrial e da homeostase. Como a biogênese das mitocôndrias é controlada pelo núcleo e quase todas as proteínas mitocondriais são codificadas por genes nucleares, uma rede de comunicação estreita entre as mitocôndrias e o núcleo se desenvolveu, que inclui cascatas de sinalização, proteínas que são dual-localizado para os dois compartimentos, e detecção de mitocondrial produtos por proteínas nucleares. Todos estes permitem um crosstalk entre as mitocôndrias e o núcleo que permite ao "controle de solo" obter informações sobre o estado das mitocôndrias. Essas informações facilitam a criação de um equilíbrio celular do estado mitocondrial com as necessidades energéticas. Esta comunicação também permite uma resposta transcricional no caso de a função mitocondrial ser prejudicada com o objetivo de restaurar a homeostase mitocondrial. Como a disfunção mitocondrial está relacionada a um número crescente de doenças genéticas, bem como a condições neurodegenerativas e ao envelhecimento, a elucidação dos mecanismos que regem a comunicação mitocondrial / nuclear deve progredir uma melhor compreensão das disfunções mitocondriais.
INTRODUÇÃO
As mitocôndrias são importantes provedores de energia da célula e abrigam vias metabólicas para a síntese e quebra de várias moléculas, como aminoácidos, nucleotídeos, lipídios, aglomerados de ferro-enxofre, etc. A perda de qualquer uma dessas capacidades é a base de uma série de doenças humanas e afeta o envelhecimento [1]. Como as mitocôndrias evoluíram de uma a-proteobactéria independente [2], elas retiveram características como a membrana dupla, a capacidade de sintetizar aerobicamente ATP e a posse de seu próprio DNA. No entanto, durante este No processo evolutivo, as mitocôndrias perderam sua autonomia e desenvolveram dependência de suas células hospedeiras.
 Como quase todos os genes mitocondriais retransmitidos para o genoma nuclear, a biogênese e a funcionalidade mitocondrial passaram a ser controladas pelo núcleo. As mitocôndrias são altamente dinâmica e seu número e função devem ser coordenados com as demandas celulares e necessidades energéticas [3]. Portanto, a biogênese mitocondrial é constantemente regulada. Como as alterações na capacidade mitocondrial dependem da transcrição nuclear, deve ocorrer uma passagem bidirecional de moléculas e sinais entre a mitocôndria e o núcleo. Isso inerentemente criou uma situação em que mecanismos de comunicação rígidos e eficazes tiveram que evoluir entre as mitocôndrias e seu "controle de solo". Nesta revisão, resumimos algumas das maneiras pelas quais as mitocôndrias se comunicam com o núcleo e como essa comunicação é essencial para manter a homeostase mitocondrial. Vamos nos concentrar principalmente em estudos realizados com a levedura Saccharomyces cerevisiae (a partir de agora referida simplesmente como levedura), cujas funções celulares básicas são altamente conservadas em todo o reino
eucariótico e que serve como um modelo amplamente utilizado para estudar a função mitocondrial.
O proteoma mitocondrial na levedura consiste em aproximadamente 1000 proteínas, todas exceto oito das quais são codificadas pelo núcleo. Após a tradução no citosol, proteínas mitocondriais codificadas por núcleo são importadas para seus subdomínios mitocondriais designados. O DNA mitocondrial de levedura codifica parte da maquinaria de tradução mitocondrial (rRNA, tRNA e uma proteína ribossômica), que é necessária para a expressão de alguns poucos mitocondriais proteínas traduzidas - vários componentes-chave dos complexos da cadeia respiratória [6]. A necessidade de transcrição e tradução mitocôndrias nucleares coordenadas é evitada pelo fato de que a maioria dos complexos na cadeia respiratória são compostos de ambas as subunidades originários de genomas mitocondriais e nucleares. De fato, foi recentemente demonstrado que quando as células estão em transição para o metabolismo respiratório, a tradução citosólica começa a controlar a tradução mitocondrial [7]. Conseqüentemente, as primeiras mudanças na tradução mitocondrial que haviam sido observados anteriormente após a mudança para uma fonte de carbono não fermentável são, na verdade, devido a uma inibição transitória da tradução citosólica, em vez de uma resposta às entradas ambientais. Portanto, a comunicação e a sincronização parecem ser essenciais para a coordenação dos dois compartimentos. Embora a levedura seja considerada um organismo modelo "simples", sua comunicação mitocondrial-nuclear rede está longe de ser resolvida. Muitas vias diferentes foram estudadas até agora e são consideradas como ocorrendo em paralelo. No entanto, pouco se sabe sobre os pontos de contato entre as várias vias. Nesta revisão, não apenas cobriremos as várias vias, mas também demonstraremos as conexões entre elas quando conhecidas e destacaremos os casos em que as vias ainda não foram resolvidas e as conexões ainda precisam ser estudadas em maior profundidade. Melhor a compreensão de como as mitocôndrias e o núcleo se comunicam, como as mitocôndrias sinalizam seu estado e quais respostas evocam pode promover uma compreensão mais profunda de seus papéis essenciais na saúde e elucidar a falha mitocondrial durante a doença.
As condições ambientais afetam controle nuclear da mitocôndria biogênese
Como a maioria das proteínas necessárias para a biogênese mitocondrial são controladas pela transcrição nuclear, é necessária uma comunicação estreita entre as duas organelas.
Condições ambientais que exijam uma função mitocondrial aprimorada a sinalização para um aumento da massa mitocondrial levam a um processo de biogênese envolvendo a transcrição de genes nucleares e mitocondriais.
O aumento mais dramático na necessidade mitocondrial na levedura ocorre durante a mudança da fermentação para a respiração. Durante a fermentação da glicose, a regulação da transcrição da expressão do gene mitocondrial é reprimida e a biogênese mitocondrial é reduzida. No entanto, quando as fontes de carbono fermentáveis ​​se esgotam, a levedura passa por uma transição, chamada de deslocamento diauxic, durante a qual a expressão de genes mitocondriais que são codificados pelo genoma nuclear é dramaticamente induzido [9]. Entre os genes regulados positivamente estão os genes do aparelho mitocondrial de transcrição e translação e subunidades dos complexos da cadeia respiratória [10]. O controle desta transição é atribuído ao fator de transcrição Hap4 que é induzido por um ordem de magnitude durante o deslocamento diauxic. Outro ativador transcricional, Sip4, que interage com Snf1, o "regulador mestre" da repressão da glicose [11], também é regulado positivamente, mas seu papel ainda não está claro. É interessante notar que, durante essa mudança, as células regulam negativamente os componentes da maquinaria de tradução "citosólica", como tRNA sintetases, fatores de tradução e proteínas ribossômicas. Isso provavelmente permite o aumento dramático na expressão de genes ribossomais mitocondriais e enfatiza o recrutamento celular para a biogênese mitocondrial [10].
Sinalizando de dentro das mitocôndrias para O núcleo
Devem existir circuitos de feedback adicionais para permitir que as mitocôndrias atinjam a homeostase após flutuações nas condições internas ou estresse. Quando as células experimentam uma queda na atividade mitocondrial, elas devem ativar respostas para aumentar a atividade mitocondrial, mas, em paralelo, devem regular os processos metabólicos alternativos. Abaixo estão várias dessas vias que foram descritas (Fig. 1).
Sinalização retrógrada
Uma via que retransmite informações sobre o estado da mitocôndria para o núcleo e ativa ambos os processos mencionados acima foi chamada de "via retrógrada" [12]. A via de sinalização retrógrada é controlada pelas proteínas de regulação ReTroGrade (RTG) Rtg1, Rtg2 e Rtg3 [12]. Rtg1 e Rtg3 são fatores de transcrição básicos de hélice-alça-hélice / zíper de leucina (bHLH / LeuZip) que translocam do citosol para o núcleo após a ativação e se ligam como heterodímeros a um sítio de ligação de GTCAC não consenso no DNA, induzindo a expressão de genes mitocondriais [13]. Rtg3 deve ser desfosforilado para se tornar ativo [14] e, portanto, Rtg2 é o ativador da via principal, pois se liga e inibe a quinase de Rtg3, Mks1 [15-17]. No entanto, Mks1, como o principal inibidor da via, também é regulado por outros meios, como
como ubiquitinação pela ubiquitina ligase SCFGrr1 E3 levando à sua degradação [18]. Aup1 também foi sugerido como um regulador upstream de Rtg3 [19]. Existem vários resultados de ativação da via retrógrada. Um desses resultados é a indução dramática de CIT2, uma citrato sintase peroxissômica [20] que é necessária para ativar a conversão de energia peroxissômica. O Cit2 faz parte do ciclo do glioxilato, que permite à levedura utilizar compostos de dois carbonos, como acetato e etanol, como única fonte de carbono [12]. Outro gene altamente ativado é o DLD3, que codifica uma isoforma da D-lactato desidrogenase. É provável que o Dld3 esteja envolvido na regeneração do dinucleotídeo nicotinamida adenina (NAD +), pois os níveis de NADH estão provavelmente aumentando em células com deficiência respiratória. Genes alvo de RTG também incluem enzimas que estão envolvidas nas três primeiras etapas do ciclo de TCA, Cit1 (isoforma mitocondrial da citrato sintase), Aco1 (aconitase) e Idh1 e Idh2 (subunidades do complexo mitocondrial NAD + -dependente isocitrato desidrogenase). Sob indução retrógrada, sua regulação é trocada do controle do Hap2-5
fatores de transcrição, que estão envolvidos no sistema respiratório
metabolismo e ativação de genes em resposta ao crescimento em uma fonte de carbono não fermentável [21,22], à regulação Rtg1–3 [12]. Na verdade, mutantes em RTG1 e RTG2 são auxotróficos para o glutamato [23].
A resposta transcricional ativada pela via retrógrada é extensa e afeta uma miríade de processos, como metabolismo de aminoácidos [24], defesa redox [25], b-oxidação [12], biossíntese de esfingolipídios [26] e extensão da expectativa de vida replicativa [27]. No entanto, quais genes exatos são necessários para cada função ainda não foi completamente elaborado. Um gatilho bem estudado da via retrógrada é a perda de DNA mitocondrial que resulta em PETite
células de levedura (q0), que formam colônias menores devido ao crescimento mais lento em certos tipos de mídia. A sinalização retrógrada também parece ser controlada pelo estado nutricional. Por exemplo, o tratamento com rapamicina, que imita a fome de nutrientes, demonstrou ativar a resposta retrógrada [28]. De fato, Lst8, um componente integral dos dois complexos TORC1 e TORC2 TOR (alvo da rapamicina) quinase, regula negativamente a via retrógrada atuando tanto a montante quanto
a jusante para Rtg2. A função upstream de Lst8 é
acredita-se que esteja envolvido na detecção externa de glutamato, que pode conseqüentemente ativar a resposta retrógrada; no entanto, sua função downstream ainda é
desconhecida. Embora a disfunção mitocondrial seja claramente um gatilho para a resposta retrógrada, o sinal exato que ativa a via ainda não foi encontrado. Curiosamente, nenhuma das três proteínas Rtg são encontradas dentro das mitocôndrias e, portanto, é óbvio que o sinal deve ser transduzido de alguma forma para o citosol. Um transdutor de sinal conhecido e extremamente direto é o ATP, pois uma queda nos níveis de ATP pode ser detectada pelo domínio de ligação de ATP de Rtg2, resultando na ligação a Mks1 e na ativação da via retrógrada (por inibição de seu inibidor) [12] .
Outro sinal potencial pode ser uma molécula reativa, como peróxido de hidrogênio, ou outro tipo de espécie reativa de oxigênio (ROS), que resulta de mitocôndrias disfuncionais. No entanto, não há boas evidências disso ainda. Finalmente, sabe-se que a perda do potencial da membrana mitocondrial ativa a resposta retrógrada [29]. No entanto, como o potencial de membrana é essencial para a função de numerosos transportadores mitocondriais, bem como a importação de proteínas mitocondriais, não está claro se as proteínas RTG detectam o potencial de membrana diretamente ou algum efeito secundário de sua alteração.
Em geral, embora a via retrógrada seja obviamente uma resposta central a uma redução na atividade mitocondrial, ainda não está claro qual é exatamente o repertório de condições que a ativam,
quais são os sinais que são lidos pela via e qual é todo o espectro de sua remodelação celular.
Sinalização de retorno
Outra forma de sinalização da mitocôndria para o núcleo foi descrita para ocorrer quando uma proteína ribossômica mitocondrial da subunidade grande foi mutada (Δafo1). A perda de Afo1 leva à ativação de um programa nuclear específico, causando prolongamento da vida útil
e resistência a oxidantes [30]. A ordem cronológica exata de sinalização nesta via não é clara, mas foi demonstrado que a extensão da vida replicativa é dependente da sinalização de TOR, bem como do fator de transcrição Sfp1, um regulador central de crescimento
e biossíntese de ribossomos. Como não houve indução de Cit2 na resposta, e as células foram cultivadas em condições de glicose, onde a resposta retrógrada se mostrou reprimida, concluiu-se que a via que leva ao aumento do tempo de vida não é a resposta dependente de RTG [30]. No entanto, não foi testado se a "retro-sinalização" ocorre na ausência dos genes RTG. Ainda não está claro se a via de sinalização reversa também explica um caso adicional em que a tradução mitocondrial foi prejudicada pela inativação de Sov1, um ativador translacional da proteína ribossomal mitocondrial Var1 [31]. Esta inativação demonstrou resultar em redução
sinalização de cAMP-proteína quinase A (PKA), elevação de Sir2, uma histona desacetilase dependente de NAD + conservada da família Sirtuin [32] e extensão robusta dependente de Sir2 da expectativa de vida replicativa [31]. Se a sinalização de retorno for de fato diferente da retrógrada
resposta, isso implica que as mitocôndrias têm um repertório diversificado de respostas transcricionais que podem ativar para acomodar diversas mudanças funcionais e necessidades.
Comunicação mediada por peptídeo
Múltiplas entradas diferentes parecem originar-se das mitocôndrias para o núcleo para relatar o status da geração de ATP durante a respiração. Uma dessas vias de sinalização é mediada pela degradação dependente da respiração das proteínas mitocondriais por proteases dependentes de ATP. Essa proteólise produz peptídeos que são liberados da mitocôndria e atuam como mensageiros para alterar a expressão gênica. Quando não há respiração, nenhum peptídeo é formado e isso é detectado, resultando em uma resposta transcricional. Como os genes induzidos em
esta via não se sobrepõe a genes que são induzidos na resposta dependente de RTG, e o padrão de expressão gênica é distinto daquele observado em células respiratórias deficientes, esta via foi proposta como diferente da via retrógrada [33] .
Sinalização intergenômica
Um resultado da perda de mtDNA é a incapacidade de respirar, que pode ser detectada por vários parâmetros e pode ativar a sinalização retrógrada. No entanto, o próprio dano do mtDNA demonstrou ativar uma cascata de sinalização única que é distinta daquela que é
ativado após a perda da respiração [34]. Essa resposta de dano ao DNA, chamada de sinalização intergenômica, causa a regulação negativa de unidades codificadas por núcleo dos complexos da cadeia respiratória. Isso garante que enquanto as mitocôndrias estão fixando seu DNA, as subunidades codificadas por núcleo não se acumulam na ausência das codificadas por mtDNA. Embora ainda não se saiba quem transmite o sinal de dano ao DNA, parece que Abf1 atua como mediador do fator de transcrição nuclear
a resposta [35]. Assim, a sinalização intergenômica é um mecanismo para coordenar a expressão das subunidades nucleares e mitocondriais dos complexos da cadeia respiratória.
Sinalização de ribossomo mitocondrial
Uma cascata de sinalização que ainda não foi elaborada em leveduras, mas que ocorreu em células de mamíferos, é mediada por ribossomos mitocondriais paralisados ​​e leva ao bloqueio da proliferação celular. A resposta transcricional induziu a expressão de genes
enriquecido em vias de regulação do ciclo celular, sinalização de p53, proteínas quinases ativadas por mitogênio (MAPK), tradução citosólica e complexos da cadeia respiratória mitocondrial [36]. Como isso ocorreu antes da perda da respiração mitocondrial, foi considerado distinto
das respostas acima, embora isso nunca tenha sido testado formalmente [36]. Seria interessante ver se uma resposta semelhante ocorre na levedura.
Resposta de resistência pleiotrópica a medicamentos
Uma resposta adicional de sinalização independente de RTG é a ativação da via de resistência pleiotrópica a drogas (PDR), que é responsável pela tolerância a uma ampla gama de agentes tóxicos e drogas antifúngicas [37]. Células sem mtDNA mostram uma regulação positiva dramática do
transportador Pdr5 do cassete de ligação de ATP da membrana plasmática (ABC). A indução de Pdr5 é regulada pelo fator de transcrição Pdr3 contendo aglomerado de zinco e pela histona H2B ubiquitina ligase Lge1 [37]. Não está claro se essa resposta ocorre apenas após a perda completa do DNA mitocondrial e qual seria sua função. Uma opção é que ele evoluiu como um mecanismo adaptativo para proteger as células contra o envenenamento mitocondrial por toxinas feitas de células vizinhas.
A via de sinalização hipóxica
Outra forma de sinalização emana da cadeia respiratória mitocondrial e induz genes hipóxicos nucleares em condições de hipóxia [38]. Foi sugerido que isso é mediado pela produção de ROS geradas pelo maquinário OXPHOS quando os níveis de oxigênio estão baixos [39]. Na levedura, essa resposta induz a expressão da superóxido dismutase 1 (Sod1) [40]; no entanto, a via de sinalização não é clara. Em células de mamíferos, foi sugerido que as ROS agem por meio da estabilização do fator indutível por hipóxia HIF-1a [41], mas não há um homólogo claro de HIF1 em leveduras. No entanto, a adição exógena de oxidantes não resultou na indução de genes hipóxicos [38], sugerindo que ROS por si só não são suficientes
para induzir a sinalização hipóxica e que existem maneiras adicionais pelas quais a respiração mitocondrial afeta esses genes. Apoia isso a descoberta em leveduras de que as mitocôndrias produzem óxido nítrico (NO) sob condições de hipóxia ou anóxia e que, conforme as células se movem da normóxia para a anóxia, os níveis de nitração da proteína tirosina aumentam de uma maneira específica da proteína [38]. Isso sugere que o NO e o superóxido, produzidos pelos complexos da cadeia respiratória, se combinam e formam o peroxinitrito (ONOO). Então, nitrosação de proteína tirosina, nitrosação de proteína S e carbonilação de proteína estão envolvidas na via de sinalização de hipóxia. Apoiando este modelo está a descoberta de que o NO induz a expressão da levedura CYC7, um gene nuclear hipóxico;
entretanto, este
modelo ainda é controverso e mais estudos devem ser realizados para testar sua validade [38].
Resposta de proteína mitocondrial não dobrada
Uma mudança funcional adicional que pode ser detectada dentro das mitocôndrias é uma mudança na capacidade de dobramento da proteína (isto é, aumento nas proteínas danificadas ou diminuição nas acompanhantes) [42], resultando no acúmulo de proteínas não dobradas. Neste caso, uma transdução de sinal
a cascata para o núcleo deve ser ativada para restaurar a homeostase do dobramento. Essa resposta foi apelidada de resposta da proteína desdobrada da mitocôndria (mtUPR). O mtUPR foi estudado mais intensamente em Caenorhabditis elegans e também em moscas e células de mamíferos. Embora o mecanismo exato de ativação do mtUPR, mesmo em C. elegans, ainda seja controverso, foi demonstrado que ele envolve a protease Clpp, que digere proteínas não dobradas na matriz. O transportador ABC, HAF-1, então transporta os peptídeos resultantes da matriz para o espaço intermembrana e, em um mecanismo desconhecido, regula negativamente a proteína mitocondrial
importar. Isso resulta no acúmulo citosólico do fator de transcrição mitocondrial ATFS-1, que então se transloca para o núcleo e, junto com UBL-5 e DVE-1, ativa genes envolvidos na recuperação do estresse mitocondrial, como a chaperona HSP-60
[43,44]. Em células de mamíferos, o UPR regula positivamente CHOP (proteína homóloga C / EBP), que se dimeriza com membros da família C / EBP (proteína CAAT / enhancer-binding) e regula a expressão de genes de estresse mitocondrial contendo uma proteína mitocondrial desdobrada elemento de resposta à proteína (MURE) [3,45].
O mtUPR foi bem estudado em vertebrados, mas ainda não está claro se existe em leveduras ou como funciona. Uma primeira pista para a conservação da resposta é que a deficiência de levedura no complexo de proibitina (um complexo de membrana mitocondrial interna que está envolvido no dobramento da proteína mitocondrial, montagem da cadeia de transporte de elétrons e regulação de proteases mitocondriais) também causa a regulação positiva da chaperona mitocondrial Hsp60 [46]. Tão danificado
ou proteínas mitocondriais desdobradas que não são removidas mostraram estar envolvidas em várias doenças degenerativas relacionadas com a idade [47], o mtUPR é uma via homeostática importante e estudos adicionais em
levedura, bem como vertebrados, são garantidos. Uma via que contribui para a proteostase mitocondrial foi descrita em leveduras. Esta via é induzida após a perda do potencial de membrana. Como a importação da maioria das proteínas mitocondriais requer uma sequência de direcionamento mitocondrial (MTS) e a importação MTS requer potencial de membrana, isso resulta em um acúmulo maciço de precursores mitocondriais no citosol [48,49]. Recentemente, foi demonstrado que isso ativa o proteassoma e atenua a síntese citosólica de proteínas [50]. Esta via recém-identificada, que foi denominada UPRam (resposta proteica desdobrada ativada por direcionamento incorreto de proteínas), liga defeitos na biogênese mitocondrial com atividade de proteassoma,
protegendo assim as consequências da desaceleração fisiológica na importação de proteína mitocondrial. Curiosamente, a chaperona mitocondrial Hsp60 também foi recentemente ligada ao proteassoma, uma vez que a localização da Hsp60 no citosol demonstrou modular a atividade do proteassoma de acordo com as necessidades celulares [51]. Como acumulação
de Hsp60 no citosol resultou em redução da atividade proteassomal, pode ser que o equilíbrio entre os níveis de Hsp60 e os níveis de proteínas não direcionadas seja o sinal que transmite o estado mitocondrial para a célula e leva ao resultado necessário.
Sinalização apoptótica
A existência de apoptose em leveduras é uma controvérsia de longa data. Embora as cascatas de sinalização da caspase canônica não ocorram em leveduras, é evidente que a levedura tem capacidade inerente de regular a morte celular de maneiras que possuem características conservadas de apoptose, como a localização de fosfatidilserina no folheto externo da membrana plasmática, DNA
fragmentação e condensação da cromatina [52]. Além disso, a levedura possui muitas proteínas com funções conservadas na maquinaria de morte celular, incluindo caspases ortólogos [53], fatores indutores de apoptose [54,55], proteínas inibidoras de apoptose (IAP) [56] e um BH3
proteína contendo domínio [57]. Foi demonstrado que as mitocôndrias têm um grande envolvimento na apoptose em leveduras: liberação de citocromo C, despolarização do potencial de membrana e fragmentação mitocondrial foram todos relacionados à morte celular programada [58]. A sinalização mitocôndria-núcleo também está envolvida neste processo. Após a apoptose, o conservado fator 1 indutor de apoptose mitocondrial (Aif1) é liberado das mitocôndrias e vai para o núcleo. A superexpressão de Aif1 sensibiliza a levedura a células induzidas por peróxido
morte, enquanto mutações em Aif1 inibem a morte celular. A translocação de Aif1 e a regulação mitocondrial em leveduras não são compreendidas [59]. Como foi demonstrado que o Aif1 é responsável pela respiração eficiente em mamíferos e leveduras [60], suspeitou-se que os efeitos mortais da translocação de AIF para o núcleo se deviam à inibição da cadeia respiratória. No entanto, um estudo adicional mostrou que um mutante AIF não liberável, que é ancorado à mitocôndria e mantém sua função de forma eficiente
respiração, falhou em induzir a morte celular em camundongos [61], sugerindo que é de fato a translocação real para o núcleo e não a desconexão de AIF da mitocôndria que induz a apoptose. Em apoio a esta noção, foi mostrado que a translocação de AIF de C. elegans
ao núcleo é suficiente para induzir a fragmentação do DNA. Nuc1, o ortólogo da endonuclease G de levedura (EndoG), também se transloca da mitocôndria para o núcleo após a indução da apoptose [62]. Enquanto a deleção de Nuc1 inibe a apoptose quando a respiração mitocondrial é aumentado, aumenta a morte necrótica quando a fosforilação oxidativa é reprimida. Assim, proteínas mitocondriais adicionais podem ainda ser descobertas para desempenhar um papel na sinalização apoptótica.
A cascata de sinalização de ferro
O ferro é crucial para a função celular, pois é essencial para a catálise enzimática e ligação ao substrato, reações de transferência de elétrons, replicação de DNA, reparo de DNA, etc. clusters de enxofre (ISC) e centros heme. A produção mitocondrial de ISC permite a maturação de todas as proteínas celulares de ferro-enxofre [63]. Na levedura, a resposta primária à deficiência de ferro é
controlada pelos fatores de transcrição Aft1 e seu paralog menos caracterizado Aft2. A cascata de sinalização Aft1 / 2 se origina nas mitocôndrias com a exportação de um produto ISC mitocondrial desconhecido por meio do transportador ABC de membrana interna conservado, Atm1 [64,65]. Em condições repletas de ferro, este produto contendo enxofre é exportado e fornece enxofre para a biossíntese de ISC citosólica, bem como induz a multimerização de Aft1 / 2, o que favorece a exportação de Aft1 / 2 do núcleo por meio da interação com o exportin Msn5 [66]. Um mecanismo sugerido para como isso ocorre é através da utilização do ISC para construir um cluster Fe2S2 que permite a dimerização da oxidorredutase dependente de glutationa, Grx3, e seu parálogo Grx4 [67], juntamente com as proteínas citosólicas Fra1 e Fra2 (Fe repressor de ativação) [68]. O complexo de Grx3 / 4 e Fra1 / 2 leva à dimerização de Aft1 / 2 [69]. Durante o esgotamento do ferro, há uma redução na exportação devido à limitação do ferro; Aft1 / 2 monomeriza, permitindo que se torne nuclear [69]. As réplicas nucleares ativam a expressão de ~ 30 genes que estão envolvidos na importação de ferro através da membrana plasmática, transporte de ferro para o vacúolo e metabolismo mitocondrial do ferro e são chamados coletivamente de 'o regulon do ferro' [63]. Sob deficiência de ferro, Aft1 / 2 também induz a expressão de Cth1 e Cth2, que
são proteínas de ligação de mRNA que facilitam o decaimento do mRNA. Os alvos de mRNA de Cth1 / 2 codificam para proteínas envolvidas em muitos processos, incluindo respiração, ciclo de TCA, biossíntese de heme, biogênese de ISC, etc [70]. Assim, nesta primeira linha de resposta rápida, Cth1 primeiro atua para regular negativamente as vias não essenciais ricas em ferro, como a respiração, enquanto Cth2 regula negativamente outras vias metabólicas não dependentes e o armazenamento vacuolar de ferro, permitindo a adaptação a mudanças rápidas na biodisponibilidade do ferro [71].
Um regulador transcricional dependente de ferro adicional, Yap5, mostrou responder aos níveis de ISC na mitocôndria. No entanto, o Yap5 medeia a resposta inversa: detectando níveis de ferro elevados e potencialmente tóxicos e ativando medidas de proteção [69]. Os mecanismos subjacentes à regulação do Yap5 são menos caracterizados, mas um dos resultados de sua atividade é permitir o sequestro do excesso de ferro no vacúolo, regulando positivamente a transcrição do vacuolar
transportador de ferro Ccc1 [72]. Sob crescimento normal, a redução na disponibilidade de ISC, que é detectada pelos fatores de transcrição Aft1 / 2, é devido aos níveis reduzidos de ferro. No entanto, a perda de mtDNA também mostrou causar uma redução na formação de ISC devido à perda do potencial de membrana e importação prejudicada de enzimas de biossíntese de ISC. Conseqüentemente,
a perda de mtDNA também ativa a cascata de sinalização do ferro [73,74]. É importante ressaltar que tais condições devem afetar não apenas a biossíntese de ISC, mas também a formação de heme e, portanto, é interessante notar que cada um tem sua própria via de sinalização única (veja abaixo).
Sinalização heme
Heme (ferro protoporfirina IX) é uma molécula essencial para vários organismos vivos, que desempenha papéis críticos na detecção e utilização de oxigênio, sinalização, respiração e como um grupo protético em enzimas. A síntese do heme começa e termina nas mitocôndrias
com uma parte intermediária da via ocorrendo no citosol [75].
Na levedura, o fator de transcrição Hap1 é um mediador chave da sinalização do heme. Hap1 consiste em sete motivos responsivos a heme e três módulos de repressão, todos eles responsáveis ​​por acoplar os níveis de heme com a ativação de Hap1 [75]. Em condições aeróbicas, o heme é sintetizado na mitocôndria e, conforme a concentração de heme aumenta, também aumenta a ativação do Hap1. Hap1pode ligar e promover a expressão de genes importantes para a respiração e controle do dano oxidativo [76-78], incluindo a regulação positiva da expressão de um repressor para genes necessários para o crescimento anaeróbio [76-79]. Hap1 é reprimido na ausência de heme e forma um complexo com os chaperones Hsp90, Hsp70, Sro9 e Ydj1 [80-82]. Durante a hipóxia, Hap1
reprime a expressão de vários genes, incluindo genes envolvidos na biossíntese de ergosterol [83].
Resposta de aminoácidos
A arginina é o principal aminoácido cuja biossíntese ocorre na mitocôndria. Portanto, não é surpreendente que a função mitocondrial esteja acoplada a respostas de sinalização que controlam a biossíntese de arginina. Recentemente, foi demonstrado que os genes envolvidos na síntese de arginina foram altamente induzidos após a perda de mtDNA [73]. Além disso, ocorreu uma redução significativa na expressão de dois genes envolvidos no catabolismo de aminoácidos aromáticos, ARO9 e ARO10, como resultado da perda de
mtDNA. Embora os eventos de sinalização responsáveis ​​por essa resposta ainda não tenham sido elucidados, foi demonstrado que essas mudanças foram revertidas pela inibição da via de PKA sensível à glicose [73]. A perda de mtDNA resulta em ciclo de TCA e OXPHOS prejudicados, o que pode levar à produção prejudicada das moléculas do esqueleto de carbono que estão envolvidas na biossíntese de aminoácidos. Portanto, essas mudanças em
o metabolismo de aminoácidos pode ser o resultado da necessidade de manter os níveis de aminoácidos em células sem mtDNA [73].
Produtos mitocondriais que modulam diretamente a atividade da proteína
As cascatas de sinalização são essenciais para a transdução de informações da mitocôndria para o núcleo, culminando na ativação de fatores de transcrição e em uma resposta transcricional. No entanto, as informações sobre o estado mitocondrial também podem ser transmitidas diretamente por proteínas regulatórias de acoplamento para detectar os produtos da produção mitocondrial. Esses reguladores irão mudar em seu comportamento em resposta a um aumento ou diminuição dos produtos mitocondriais. Abaixo estão alguns
pequenos metabólitos que estão afetando a função das proteínas nucleares e, portanto, servem como um sinal de transmissão do estado mitocondrial (Fig.2).
Dinucleotídeo de adenina nicotinamida (NADH)
Este cofator vital desempenha um papel central no metabolismo energético e como um importante transportador redox. Na mitocôndria, as moléculas de NADH são produzidas pelo ciclo do TCA e, em seguida, juntamente com as moléculas produzidas pela glicólise no citosol, são oxidadas pelas cadeias de transferência de elétrons
a fim de formar o gradiente de prótons necessário para a produção de ATP [84]. Portanto, a respiração é o principal contribuinte para a oxidação do NADH em NAD +. Em células de mamíferos, os níveis de NAD + são duas a quatro vezes maiores nas mitocôndrias do que no resto da célula [84]. NAD + afeta a sinalização de duas maneiras principais [85]:
Primeiro, muitas desacetilases da família das sirtuínas, que são altamente conservadas de bactérias para humanos, são dependentes de NAD + [86]. A histona desacetilase, Sir2, foi identificada como parte do complexo de silenciamento Sir1 / 2/3/4 em leveduras, que é necessário para a manutenção e repressão de muitos genes através da formação de estados de cromatina compactos. Portanto, a geração normal de NAD + como cofator é essencial para a formação desse estado basal [87]. NADH é um inibidor competitivo de Sir2; portanto, a redução dos níveis de NADH, seja pelo aumento da respiração ou por manipulações genéticas, resulta na ativação do Sir2 [87,88]. No entanto, resta saber se, em condições fisiológicas, os níveis de NADH realmente atuariam como inibidores eficazes dessa desacetilase [89]. Em segundo lugar, durante o dano ao DNA em vermes e moscas, foi demonstrado que o NAD + é utilizado por poli (ADPribose) polimerases (PARPs) [84]. Os inibidores de PARP mostraram aumentar a tradução mitocondrial, sem alterações nas taxas de tradução citosólica [90]. Esse desequilíbrio entre as duas máquinas de tradução resultou na indução de mtUPR e na regulação positiva de Hsp60 [91]. Assim, a utilização de NAD + por PARPs é importante para sincronizar a expressão dos genomas nuclear e mitocondrial. Não está claro se também existe um mecanismo semelhante na levedura.
Acetil coenzima A
A acetil coenzima A (acetil-CoA) é uma molécula crucial que serve como combustível para o ciclo mitocondrial do TCA e a produção de ATP em condições aeróbicas. AcetylCoA também é o principal bloco de construção para componentes celulares, como lipídios, aminoácidos, nucleotídeos, etc.
Para este fim, os níveis de acetil-CoA devem ser monitorados rigorosamente para garantir que um equilíbrio ideal entre ATP e os blocos de construção seja alcançado a qualquer momento. Portanto, é bastante intrigante que a mesma molécula exata seja usada pelas enzimas histona acetiltransferase (HAT) para modificar as caudas das histonas e alterar o estado epigenético da cromatina [92,93]. Na verdade, os níveis de acetil-CoA mostraram flutuar dramaticamente ao longo do ciclo metabólico da levedura e esta flutuação
afeta o estado de acetilação dos promotores de diferentes genes. Curiosamente, no pico do ciclo metabólico, quando os níveis de acetil-CoA são mais elevados, os promotores que são diferencialmente acetilados e, portanto, ativados são aqueles que codificam para proteínas e RNA
moléculas que são necessárias para o crescimento celular. Esta relação
precisa de altos níveis de acetil-CoA e indução de genes de crescimento provavelmente representa a via regulatória que permite às células vincular o compromisso de crescimento e divisão celular ao seu estado nutricional.
Metabolitos mitocondriais adicionais
Na seção de sinalização, discutimos como os metabólitos mitocondriais, como heme e ISC, podem afetar as respostas transcricionais. No entanto, ISC, heme, nucleotídeos e muitos outros produtos mitocondriais podem afetar as mudanças celulares simplesmente modulando as atividades de muitas enzimas que dependem delas para funcionar. Portanto, não é surpresa que a função mitocondrial prejudicada e a incapacidade de produzir eficientemente esses metabólitos e cofatores levem a um efeito generalizado no bem-estar celular, como instabilidade cromossômica, reparo de danos ao DNA e defesa antioxidante.
Proteínas de mitocôndria de alvo duplo
Outra forma possível pela qual as mitocôndrias podem se comunicar com o núcleo é por meio de proteínas com localização dupla (denominadas ecoformas [94]) (Fig. 3). A concentração relativa de ecoformas em cada organela específica pode transferir sinais em relação às outras
estado de organelas. Como o direcionamento para as mitocôndrias requer função mitocondrial, o movimento desequilibrado das proteínas mitocondriais para outros compartimentos é um sinal óbvio para uma mudança no bem-estar mitocondrial [95,96]. Um exemplo dessa proteína na levedura é a fumarase (Fum1), uma enzima conservada que participa do ciclo do TCA na mitocôndria. Esta enzima é essencial para a respiração celular em todos os eucariotos [97]. A fumarase tem uma forma citosólica adicional que se transloca para o núcleo quando ocorre dano ao DNA. No núcleo, o produto da reação mediada pela fumarase, o ácido fumárico, é necessário para uma resposta eficiente ao dano ao DNA. Pode ser que, durante o dano ao DNA, as proteínas mitocondriais necessárias para a respiração não sejam formadas com precisão e isso leve à perda do potencial de membrana, levando a mais fumarase no núcleo. Embora a localização dupla da fumarase seja alcançada por diferentes
mecanismos moleculares em diferentes organismos, a localização dupla da fumarase é altamente conservada atestando sua importância [97].
Outro exemplo interessante é o Nfs1, uma cisteína dessulfurase mitocondrial altamente conservada que participa da montagem do cluster ferro-enxofre [97]. Nfs1 abriga um MTS e uma sequência de localização nuclear (NLS). Nesse caso, as ecoformas mitocondriais e nucleares são essenciais para a viabilidade em leveduras. O Nfs1 é processado na mitocôndria pela protease de processamento mitocondrial (MPP) seguida pela aminopeptidase mitocondrial, Icp55. Curiosamente, o Icp55 também foi encontrado distribuído entre as mitocôndrias e o núcleo; no entanto, ainda não se sabe se o processamento de Nfs1 por Icp55 ocorre no núcleo [98]. Pode muito bem ser que, sob estresse mitocondrial, o Nfs1 aumentado no núcleo possa, direta ou indiretamente, promover o bem-estar mitocondrial. Um terceiro exemplo para uma proteína de localização dupla é Rpm2, uma subunidade da enzima RNase P. de processamento de tRNA mitocondrial. Esta proteína tem um papel na maturação de tRNA, bem como maturação de Rpm1r, a subunidade de RNA de RNase P [99]. Uma porção de Rpm2 foi mostrada para se localizar no núcleo e tem uma atividade de ativação transcricional lá. Rpm2 tem uma função em
definir os níveis de mRNA para algumas proteínas mitocondriais que são codificadas pelo núcleo. Em células com mitocôndrias disfuncionais, Rpm2 afeta os níveis de mRNA que codificam certos componentes dos complexos de translocase da membrana externa (TOM), também
como proteínas de choque térmico mitocondrial (HSPs). Assim, fica claro porque o nível exato de Rpm2 no núcleo afetaria o equilíbrio mitocondrial. Estudos recentes sugerem que centenas de proteínas mitocondriais, uma proporção significativa do proteoma mitocondrial, têm a capacidade de serem duplamente direcionadas [100]. Além disso, as proteínas de alvo duplo são encontradas para ser mais conservadas evolutivamente, indicando que elas têm funções específicas nas diferentes localizações [101]. Como essas proteínas transmitem informações sobre suas respectivas organelas-alvo ainda não está claro e este método de comunicação é obviamente pouco explorado.
Resumo
À medida que a comunicação mitocondrial está se tornando mais ativamente estudada, mais vias de transferência de informações entre as mitocôndrias e o núcleo estão surgindo. Na maioria dos casos, os mecanismos exatos subjacentes a essas vias não são totalmente compreendidos.
Muitas das vias descobertas se concentram em condições extremas, como mudanças completas na fonte de carbono ou perda de DNA mitocondrial, mas chegou a hora de testar mais mudanças fisiológicas, como pequenas flutuações nos níveis de ISC, heme, arginina, ATP e pirimidinas. Um desafio importante neste campo é verificar
quantos caminhos realmente existem. Para muitas das vias, é impossível, pelos dados publicados, atribuir com precisão se elas são realmente uma resposta independente ou melhor, parte de uma cascata de transdução de sinal mais geral que pode ser modulada com base nas condições para dar origem a vários resultados. Como a maioria dos estudos é feita em diferentes condições com diferentes origens genéticas, é difícil determinar quantas vias de sinalização distintas entre as mitocôndrias e o núcleo realmente existem. Especificamente no futuro,
seria importante atribuir com precisão para cada caminho:
1 Quais são os sinais que o ativam diretamente?
2 Quais são as proteínas (ou outras moléculas) que transmitem os sinais da mitocôndria até o núcleo ou citosol?
3 Quais são os resultados primários dessa via de sinalização?
Com cada novo caminho agora descoberto, seria importante primeiro verificar se a resposta não é simplesmente aquela que foi descrita antes. Até o momento, a via de sinalização mais caracterizada entre
mitocôndrias e o núcleo são a resposta retrógrada, a marca registrada da qual é a ativação dos genes dependentes de RTG. Vários caminhos adicionais, que foram discutidos na revisão, foram relatados para funcionar em paralelo à resposta retrógrada, mas é difícil determinar se eles são realmente retrógrados independentes. Muitas dessas vias foram consideradas distintas devido à falta de indução dos genes dependentes retrogradados; no entanto, eles não foram testados sob
condições em que as proteínas RTG estão ausentes. Portanto, eles podem realmente representar um resultado mais amplo e indireto da mesma via de sinalização sob diferentes antecedentes genéticos ou condições. Fortalecendo isso é o fato de que diferentes cepas de levedura mostram
variabilidade na extensão de sua resposta retrógrada como resultado da perda de mtDNA. Nas mesmas condições, algumas cepas exibem ativação do RTG quando cultivadas com glicose, enquanto outras apenas mostram a reação quando cultivadas com rafinose [27]. Portanto, para determinar o desfecho exato dos diferentes tipos de disfunção mitocondrial, mais estudos, que são feitos nas mesmas condições, devem ser realizados. Um único estudo que mede diferentes insultos mitocondriais e seus resultados, na ausência ou presença de proteínas-chave mediando as diferentes vias, ajudará a mapear as diferentes respostas e proteínas que as medeiam. De forma mais geral, no futuro, seria essencial começar a mapear como essas vias se interconectam ou se afetam, quantas delas são conservadas, se são homeostáticas (mantendo o equilíbrio correto das várias funções), ou melhor, patológicas (reativas a extremas condições de sobrevivência). Tudo isso e muito mais ainda não estão claros e tornam esse campo um foco intrigante do futuro.