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von Stockum, Sophia (2013) A Novel Ca2+ Release Channel in Mitochondria of Drosophila melanogaster: Properties and Role in Ca2+ Homeostasis. [Ph.D. thesis]

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Abstract (english)

Mitochondrial Ca2+ uptake and release play a pivotal role in different physiological processes such as intracellular Ca2+ signaling and cell metabolism, while their dysregulation can lead to cell death induction. In energized mitochondria the Ca2+ uniporter (MCU) mediates Ca2+ uptake across the inner mitochondrial membrane (IMM) while the Na+/Ca2+ exchanger and the H+/Ca2+ exchanger are responsible for Ca2+ efflux. However, when mitochondrial matrix Ca2+ load exceeds the capacity of the efflux pathway by exchangers, an additional pathway for Ca2+ release from mitochondria may exist through opening of the permeability transition pore (PTP). The mitochondrial permeability transition (PT) describes a process of Ca2+-dependent, tightly regulated increase in the permeability of the IMM to solutes with molecular masses below 1500 Da, due to the opening of a high-conductance channel, the PTP. Prolonged PTP opening causes several effects, such as depolarization, osmotic swelling, outer mitochondrial membrane rupture and release of apoptogenic proteins like cytochrome c (cyt c). Transient openings of the PTP on the other hand, might be involved in physiological Ca2+ homeostasis and may protect mitochondria from Ca2+ overload. Several studies allowed a thorough characterization of the functional properties and regulation of the putative channel, but its molecular nature remains still elusive. One of the best defined modulators of the PTP is the mitochondrial peptidyl-prolyl-cis-trans-isomerase (PPIase) Cyclophilin D (Cyp-D), that plays an important role in protein folding and can be selectively inhibited by the immunosuppressant drug Cyclosporin A (CsA).
In spite of its importance as a model organism and as a genetic tool, remarkably little is known about the properties of Ca2+ transport in mitochondria of the fruit fly Drosophila melanogaster, and on whether these mitochondria can undergo a PT. In this study we have characterized the pathways of Ca2+ transport in the digitonin-permeabilized embryonic Drosophila cell line S2R+. We demonstrated the presence of ruthenium red-sensitive Ca2+ uptake, and of Na+-stimulated Ca2+ release in energized mitochondria, which match well characterized Ca2+ transport pathways of mammalian mitochondria. Furthermore we identified and characterized a novel mitochondrial Ca2+-dependent Ca2+ release channel in Drosophila. Like the mammalian PTP, Drosophila Ca2+ release is inhibited by tetracaine and opens in response to matrix Ca2+ loading, IMM depolarization and thiol oxidation. As the yeast pore (and at variance from the mammalian PTP), the Drosophila channel is inhibited by Pi and insensitive to CsA. A striking difference between the pore of Drosophila and that of mammals is its selectivity to Ca2+ and H+ and the lack of mitochondrial swelling and cyt c release during the opening of the channel.
The apparent absence of a mitochondrial Cyp in Drosophila prevents an investigation based on the effects of CsA, a classical inhibitor of the mammalian PTP. Thus, in the second part of this study we expressed human Cyp-D in Drosophila S2R+ cells in order to investigate its impact on the Ca2+-induced Ca2+ release channel. Preliminary Ca2+ retention capacity studies demonstrated that human Cyp-D induces opening of the Drosophila Ca2+ release channel in a rotenone-sensitive but CsA-insensitive manner. If the Cyp-D in Drosophila cells changes selectivity, size and properties of the Ca2+-induced Ca2+ release channel can now be addressed.
We conclude that Drosophila mitochondria possess a selective Ca2+ release channel with features intermediate between yeast and mammals that is probably involved in Ca2+ homeostasis but not in Ca2+-mediated cell death induction. In this study we paved the way for the application from the sophisticated genetic strategies that Drosophila provides to define the molecular nature of the PTP and its role in pathophysiology of Ca2+ homeostasis.

Abstract (italian)

L’accumulo e il rilascio di Ca2+ da parte dei mitocondri svolge un ruolo centrale in diversi processi fisiologici, come nelle vie di segnalazione intracellulari e nel metabolismo cellulare, mentre la loro disregolazione può indurre la morte cellulare. In mitocondri energizzati, l’uniporto del Ca2+ (MCU) media l’accumulo di Ca2+ attraverso la membrane mitocondriale interna (MMI) mentre gli scambiatori Na+/Ca2+ e H+/Ca2+ sono responsabili del suo efflusso. Tuttavia, quando il carico di Ca2+ nella matrice mitocondriale supera la capacità di efflusso attraverso gli scambiatori, potrebbe attivarsi una via aggiuntiva di rilascio di Ca2+, attraverso l’apertura del poro di transizione di permeabilità (PTP). La transizione di permeabilità (TP) consiste nell’aumento della permeabilità della MMI a soluti con massa molecolare inferiore a 1500 Da, è un processo Ca2+-dipendente, strettamente regolato, e dovuto all’apertura di un canale ad alta conduttanza, il PTP. La prolungata apertura del PTP provoca diversi effetti, come la depolarizzazione, il rigonfiamento osmotico, la rottura della membrana mitocondriale esterna e il rilascio di proteine pro-apoptotiche come il citocromo c (cit c). L’apertura transiente del PTP, invece potrebbe essere coinvolta nell’omeostasi fisiologica del Ca2+ e potrebbe proteggere i mitocondri da un sovraccarico dello stesso. Diversi studi hanno consentito una caratterizzazione accurata delle proprietà funzionali e della regolazione del canale putativo, ma la sua natura molecolare rimane ignota. Uno dei miglior modulatori caratterizzati del PTP è la peptidil-prolil-cis-trans-isomerasi mitocondriale Ciclofilina D (Cip-D), che svolge un ruolo importante nel ripiegamento delle proteine e può essere selettivamente inibita dal farmaco immunosoppressore Ciclosporina A (CsA).
Nonostante la sua importanza come organismo modello e come strumento genetico, poco si conosce a proposito delle proprietà di trasporto di Ca2+ mitocondriale del moscerino della frutta Drosophila melanogaster e dell’eventualità che i suoi mitocondri possano subire una TP. In questo studio abbiamo caratterizzato le vie di trasporto di Ca2+ mitocondriale nella linea cellulare embrionica di Drosophila S2R+, permeabilizzata con la digitonina. Abbiamo dimostrato la presenza di un effettivo accumolo di Ca2+, sensibile al rosso rutenio, come anche il rilascio di Ca2+ stimolato dal Na+ in mitocondri energizzati, processi che corrispondono alle ben caratterizzate vie di trasporto di Ca2+ in mammiferi. Inoltre, abbiamo identificato e caratterizzato un nuovo canale di rilascio del Ca2+ indotto dal Ca2+ stesso in Drosophila. Come il PTP dei mammiferi, il canale di rilascio di Ca2+ in Drosophila è inibito da tetracaina e apre in risposta al carico di Ca2+ nella matrice, depolarizzazione della MMI ed ossidazione di tioli. Come il poro in lievito (e in contrasto con il PTP dei mammiferi), il poro di Drosophila è inibito da Pi e insensibile alla CsA. Le principali differenze il poro di Drosophila e quello dei mammiferi sono la sua selettività per Ca2+ e H+, e la mancanza di rigonfiamento mitocondriale e il rilascio di cit c conseguente all’apertura del canale.
L’apparente assenza di una Cip mitocondriale in Drosophila impedisce uno studio basato sugli effetti della CsA, un classico inibitore del PTP dei mammiferi. Perciò, nella seconda parte di questo studio abbiamo espresso la Cip-D umana nelle cellule S2R+ di Drosophila al fine di indagare il suo impatto sul canale di rilascio del Ca2+. Preliminari studi di capacità di ritenzione del Ca2+ hanno dimostrato che la Cip-D umana induce l’apertura del canale di rilascio del Ca2+ in Drosophila in modo rotenone-sensibile ma CsA-insensibile. Se la Cip-D in Drosophila cambia la selettività, la grandezza e le proprietà del canale di rilascio del Ca2+ può ora essere investigato.
Concludiamo che i mitocondri di Drosophila possiedono un canale selettivo di rilascio di Ca2+ con caratteristiche intermedie tra il lievito e i mammiferi che probabilmente è coinvolto nell’omeostasi del Ca2+, ma non nell’induzione della morte cellulare mediata dal Ca2+. In questo studio abbiamo spianato la strada per l’applicazione delle strategie di genetica sofisticate, che la Drosophila offre per definire la natura molecolare del PTP ed il suo ruolo nella patofisiologia dell’omeostasi del Ca2+.

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EPrint type:Ph.D. thesis
Tutor:Bernardi, Paolo
Ph.D. course:Ciclo 25 > Scuole 25 > BIOSCIENZE E BIOTECNOLOGIE > BIOLOGIA CELLULARE
Data di deposito della tesi:30 January 2013
Anno di Pubblicazione:30 January 2013
Key Words:mitochondria, Ca2+ transport, permeability transition, Drosophila melanogaster
Settori scientifico-disciplinari MIUR:Area 05 - Scienze biologiche > BIO/10 Biochimica
Struttura di riferimento:Dipartimenti > Dipartimento di Scienze Biomediche
Codice ID:5871
Depositato il:14 Oct 2013 13:14
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