La fisión mitocondrial es el proceso por el cual las mitocondrias se dividen o segregan en dos orgánulos mitocondriales separados. La fisión mitocondrial se contrarresta mediante el proceso de fusión mitocondrial , mediante el cual dos mitocondrias separadas pueden fusionarse para formar una grande. [1] La fusión mitocondrial, a su vez, puede dar lugar a redes mitocondriales alargadas. Tanto la fisión como la fusión mitocondrial están equilibradas en la célula, y las mutaciones que interfieren con cualquiera de los procesos están asociadas con una variedad de enfermedades. Las mitocondrias pueden dividirse mediante fisión binaria procariótica y dado que requieren ADN mitocondrial para su función, la fisión se coordina con la replicación del ADN . [2] Se han identificado algunas de las proteínas que intervienen en la fisión mitocondrial y algunas de ellas están asociadas con enfermedades mitocondriales . [3] La fisión mitocondrial tiene implicaciones importantes en la respuesta al estrés y la apoptosis . [4]
La proteína FtsZ (un homólogo de la tubulina eucariota ), que se encuentra en muchas bacterias y algunas arqueas , desempeña un papel en la fisión mitocondrial. El sistema Min desempeña un papel en la localización y el ensamblaje de las proteínas FtsZ en un anillo alrededor del centro de las mitocondrias y algunas proteínas unidas a la membrana mitocondrial interna también ayudan a anclar el anillo Z. El anillo Z está anclado en el sitio de constricción donde se llevará a cabo la división. El anillo Z actúa como armazón para la deposición del tabique, y en esto lo ayudan las proteínas FtsW, FtsI y FtsN. La translocasa FtsK ayuda a alejar el ADNmt del sitio de constricción.
La proteína Drp1 es un miembro de la familia dinamina de GTPasas grandes , transcrita del gen DNM1L y el empalme alternativo conduce a al menos diez isoformas de Drp1 para la regulación de la fisión específica de tejido. [5] Drp1 participa en la fisión tanto de mitocondrias como de peroxisomas. El monómero Drp1 plegado contiene cuatro regiones: cabeza, cuello, tallo y cola. El dominio principal es un dominio GTPasa G. El cuello se compone de tres elementos de señalización de haz (BSE). El tronco, que forma el tallo de la proteína, consta de dos unidades que participan en tres interacciones de interfaz diferentes. Una interacción de interfaz permite que dos monómeros se asocien en dímeros cuyo ensamblaje se promueve en parches hidrofóbicos en los tallos de cada Drp1. Otra interacción permite que dos dímeros se asocien en tetrámeros, y la tercera interacción permite que los tetrámeros se asocien en oligómeros de orden superior. [5] Si bien Drp1 no está localizado en la membrana mitocondrial, puede asociarse con la membrana mitocondrial mediante interacciones con varias proteínas adaptadoras . En las células de levadura (que son un modelo frecuente para estudiar la fisión mitocondrial), la proteína adaptadora Fis1 es una proteína de la membrana externa y se asocia con Mdv1 y Caf4, que a su vez reclutan a Drp1. La proteína FIS1 de los mamíferos no desempeña ningún papel en la fisión, sino que participa en la mitofagia . [6] En las células humanas, hay cuatro proteínas adaptadoras para Drp1, que son FIS1, MiD49, MiD51 y MFF . [7] [8] Por el contrario, MIEF1, cuando se une a Drp1, podría prevenir la fisión mitocondrial y, por lo tanto, cambiar el equilibrio hacia la fusión de las mitocondrias. [9] La regulación de Drp1 se produce mediante la fosforilación de sus residuos Ser616 y Ser637. La fosforilación de Ser616 promueve la actividad de Drp1 y, por tanto, la fisión, mientras que la fosforilación de Ser637 inhibe Drp1. La calcineurina es capaz de desfosforilar el sitio Ser637, activado por niveles crecientes de iones de calcio. [5]
Las mitocondrias forman un sitio de contacto con el retículo endoplásmico (RE) y el RE, a su vez, se asocia con las mitocondrias para formar sitios de preconstricción que son necesarios pero insuficientes para que se produzca la fisión mitocondrial. La formina 2 invertida (INF2), una proteína localizada en el RE, y con la ayuda de SPIRE1C localizada en las mitocondrias, [10] hace que la actina se polimerice donde los haces de actina se cruzan diagonalmente entre sí y reclutan miosina II, que ayuda a localizar Drp1. sobre las mitocondrias. [11] Los haces de actina son reservorios de proteínas Drp1 y su polimerización ayuda a proporcionar un conjunto de proteínas Drp1 para ensamblar en las mitocondrias. La polimerización de actina también ayuda a desencadenar una entrada de iones de calcio desde el RE hacia las mitocondrias, lo que da como resultado la desfosforilación del residuo Ser637 en Drp1 y luego una escisión que escinde la membrana mitocondrial interna. Drp1 suele formar anillos de 16 monómeros alrededor de la membrana mitocondrial y esto, a su vez, constriñe profundamente la membrana. Varios anillos Drp1 de 16 unidades pueden ensamblarse y formar estructuras helicoidales que tubulan la membrana mitocondrial. [12] Los anillos cercanos de Drp1 experimentarán interacciones entre sus dominios G (o interacciones GG). Las interacciones GG reposicionan los sitios catalíticos para causar la hidrólisis de GTP, y la hidrólisis de GTP conduce a cambios conformacionales que ayudan aún más en la separación final en el sitio de constricción para producir dos mitocondrias diferentes. Aún no se comprende del todo el proceso exacto mediante el cual se produce la separación final. [5]
El PI(4)P debe llegar a la membrana mitocondrial y es necesario para que se produzca la fisión. Un modo de entrega de PI(4)P a los sitios de contacto entre las mitocondrias y el RE es desde el aparato de Golgi. El aparato de Golgi contiene proteínas ARF1 localizadas en sus membranas, que son capaces de reclutar quinasas que desencadenan la síntesis de PI(4)P. Luego, PI(4)P se administra a través de una vesícula a los sitios de contacto entre las mitocondrias y el RE. [13] Los lisosomas también suelen participar en la fisión mitocondrial, pero no son necesarios para ella. El contacto entre las mitocondrias y los lisosomas es posible porque la proteína Rab7 puede formar asociados con los lisosomas y una proteína incrustada en la membrana mitocondrial externa llamada TBC1D15. Antes de que continúe la fisión, Rab7 se disociará de los lisosomas hidrolizando el GTP. También se produce contacto entre el RE y los lisosomas y estos contactos también dependen de Rab7. Un subconjunto de estos contactos también está mediado por la proteína relacionada con la proteína de unión a oxisterol 1L (ORP1L). ORP1L forma asociaciones con lisosomas a través de Rab7 y también forma asociaciones con ER a través de proteínas asociadas a VAMP (VAP). En general, esto permite un contacto triple entre las mitocondrias, el RE y los lisosomas. El RE recluta lisosomas solo después de que Drp1 ya haya sido reclutado (mientras que Drp1 en sí se recluta después de que tiene lugar la constricción previa). ORP1L también es necesario en la transferencia de PI(4)P desde los lisosomas a las mitocondrias. Por lo tanto, el PI(4)P se entrega a las mitocondrias tanto desde el Golgi como desde los lisosomas, y es posible (aunque no se sabe actualmente) que los dos orgánulos proporcionen PI(4)P para diferentes propósitos durante la fisión o en diferentes pasos del proceso. o si contribuyen con PI(4)P para formas completamente distintas de fisión mitocondrial. [14]
Hallazgos recientes sugieren que las mitocondrias experimentan dos mecanismos diferentes de fisión. En una red mitocondrial alargada, las mitocondrias son capaces de dividirse cerca del centro (en la zona media) o hacia uno de los dos extremos (o la periferia). La división de la zona media y la división periférica en las redes mitocondriales parecen estar involucradas en dos actividades celulares diferentes. La división de la zona media es promovida por la biogénesis, cuando la célula está proliferando y se necesitan más mitocondrias. La división periférica da como resultado la eliminación de unidades mitocondriales dañadas de la red formada en la periferia, siendo estas mitocondrias destinadas a la autofagia (o mitofagia), destinadas a la destrucción. La división periférica parece estar precedida por concentraciones elevadas de especies reactivas de oxígeno y un potencial de membrana y un pH reducidos. Estos dos tipos de fisión parecen estar regulados por diferentes mecanismos moleculares. La proteína adaptadora FIS1 parece ser la proteína adaptadora involucrada que recluta a Drp1 en la división periférica, mientras que el adaptador MFF parece ser la proteína adaptadora involucrada que recluta a Drp1 durante la división de la zona media. Por otro lado, MiD49 y MiD51 parecen estar involucrados en ambas formas de división. Además, los sitios de contacto lisosomal con las mitocondrias sólo aparecen durante la división periférica. [15]