Las mitocondrias son orgánulos dinámicoscon la capacidad de fusionarse y dividirse ( fisión ), formando redes tubulares que cambian constantemente en la mayoría de las células eucariotas. Esta dinámica mitocondrial, observada por primera vez hace más de cien años [1], es importante para la salud de la célula, y los defectos en la dinámica conducen a trastornos genéticos . A través de la fusión, las mitocondrias pueden superar las peligrosas consecuencias del mal funcionamiento genético. [2] El proceso de fusión mitocondrial involucra una variedad de proteínas que ayudan a la célula a lo largo de la serie de eventos que forman este proceso.
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Cuando las células experimentan estrés metabólico o ambiental , la fusión y fisión mitocondrial trabajan para mantener las mitocondrias funcionales. Un aumento en la actividad de fusión conduce a la elongación mitocondrial, mientras que un aumento en la actividad de fisión resulta en la fragmentación mitocondrial. [3] Los componentes de este proceso pueden influir en la muerte celular programada y conducir a trastornos neurodegenerativos como la enfermedad de Parkinson . Dicha muerte celular puede ser causada por interrupciones en el proceso de fusión o fisión. [4]
Las formas de las mitocondrias en las células cambian continuamente a través de una combinación de fisión, fusión y motilidad. En concreto, la fusión ayuda a modificar el estrés al integrar el contenido de las mitocondrias ligeramente dañadas como una forma de complementación. Al permitir la complementación genética , la fusión de las mitocondrias permite que dos genomas mitocondriales con diferentes defectos dentro del mismo orgánulo codifiquen individualmente lo que le falta al otro. Al hacerlo, estos genomas mitocondriales generan todos los componentes necesarios para una mitocondria funcional. [2]
Los efectos combinados de la fusión y la fisión continuas dan lugar a las redes mitocondriales. Los mecanismos de fusión y fisión mitocondriales están regulados por la proteólisis y las modificaciones postraduccionales. Las acciones de fisión, fusión y motilidad hacen que las formas de las mitocondrias cambien continuamente.
Los cambios en el equilibrio entre las tasas de fisión y fusión mitocondrial afectan directamente la amplia gama de longitudes mitocondriales que se pueden observar en diferentes tipos de células. Se ha demostrado que la rápida fisión y fusión de las mitocondrias en fibroblastos cultivados promueve la redistribución de la proteína verde fluorescente (GFP) mitocondrial de una mitocondria a todas las demás mitocondrias. Este proceso puede ocurrir en una célula en un período de tiempo tan breve como una hora. [4]
La importancia de la fisión y fusión mitocondriales es distinta para las neuronas no proliferantes, que no pueden sobrevivir sin la fisión mitocondrial. Estas neuronas no proliferantes causan dos enfermedades humanas conocidas como atrofia óptica dominante y enfermedad de Charcot-Marie-Tooth tipo 2A, ambas causadas por defectos de fusión. Aunque la importancia de estos procesos es evidente, todavía no está claro por qué la fisión y fusión mitocondriales son necesarias para las células no proliferantes.
Se han identificado muchos productos genéticos que controlan la fusión mitocondrial, y se pueden reducir a tres grupos principales que también controlan la fisión mitocondrial. Estos grupos de proteínas incluyen mitofusinas, OPA1 /Mgm1 y Drp1/ Dnm1 . Todas estas moléculas son proteínas hidrolizadoras de GTP ( GTPasas ) que pertenecen a la familia de las dinaminas . La dinámica mitocondrial en diferentes células se entiende por la forma en que estas proteínas se regulan y se unen entre sí. [2] Estas GTPasas en el control de la fusión mitocondrial están bien conservadas entre mamíferos, moscas y levaduras. Los mediadores de la fusión mitocondrial difieren entre las membranas externas e internas de las mitocondrias. Los miembros específicos de la familia de las dinaminas ancladas a la membrana median la fusión entre las membranas externas mitocondriales conocidas como Mfn1 y Mfn2 . Estas dos proteínas son mitofusinas contenidas en los humanos que pueden alterar la morfología de las mitocondrias afectadas en condiciones de sobreexpresión. Sin embargo, un solo miembro de la familia de dinaminas conocido como OPA1 en los mamíferos media la fusión entre las membranas internas mitocondriales. Estas proteínas reguladoras de la fusión mitocondrial dependen del organismo; por lo tanto, en Drosophila (moscas de la fruta) y levaduras, el proceso está controlado por la GTPasa transmembrana mitocondrial, Fzo. En Drosophila , Fzo se encuentra en las espermátidas postmeióticas y la disfunción de esta proteína da como resultado la esterilidad masculina. Sin embargo, una eliminación de Fzo1 en la levadura en ciernes da como resultado mitocondrias más pequeñas y esféricas debido a la falta de ADN mitocondrial (ADNmt).
El equilibrio entre la fusión y la fisión mitocondrial en las células está determinado por la regulación ascendente y descendente de las mitofusinas, OPA1/Mgm1 y Drp1/Dnm1. La apoptosis , o muerte celular programada , comienza con la descomposición de las mitocondrias en fragmentos más pequeños. Este proceso es el resultado de la regulación ascendente de Drp1/Dnm1 y la regulación descendente de las mitofusinas. Más adelante en el ciclo de apoptosis, se produce una alteración de la actividad de OPA1/Mgm1 dentro de la membrana mitocondrial interna. El papel de la proteína OPA1 es proteger a las células contra la apoptosis inhibiendo la liberación de citocromo c . Una vez que se altera esta proteína, hay un cambio en la estructura de las crestas, la liberación de citocromo c y la activación de las enzimas destructivas caspasas. Estos cambios resultantes indican que la estructura de la membrana mitocondrial interna está vinculada con las vías reguladoras que influyen en la vida y la muerte celular. La OPA1 desempeña un papel tanto genético como molecular en la fusión mitocondrial y en la remodelación de las crestas durante la apoptosis. [5] La OPA1 existe en dos formas: la primera es soluble y se encuentra en el espacio intermembrana, y la segunda, como una forma integral de la membrana interna, que trabajan juntas para reestructurar y dar forma a las crestas durante y después de la apoptosis. La OPA1 bloquea la redistribución intramitocondrial del citocromo c que precede a la remodelación de las crestas. La OPA1 funciona para proteger a las células con disfunción mitocondrial debido a deficiencias de Mfn, doblemente para aquellas que carecen de Mfn1 y Mfn2, pero desempeña un papel más importante en células con solo deficiencias de Mfn1 en comparación con deficiencias de Mfn2. Por lo tanto, se apoya que la función de la OPA1 depende de la cantidad de Mfn1 presente en la célula para promover la elongación mitocondrial. [6]
Ambas proteínas, Mfn1 y Mfn2, pueden actuar juntas o por separado durante la fusión mitocondrial. Mfn1 y Mfn2 son un 81% similares entre sí y aproximadamente un 51% similares a la proteína Fzo de Drosophila . Los resultados publicados para un estudio para determinar el impacto de la fusión en la estructura mitocondrial revelaron que las células deficientes en Mfn mostraban células alargadas (mayoría) o células pequeñas y esféricas al observarlas.
La proteína Mfn tiene tres métodos de acción diferentes: oligómeros homotípicos Mfn1 , oligómeros homotípicos Mfn2 y oligómeros heterotípicos Mfn1-Mfn2. Se ha sugerido que el tipo de célula determina el método de acción, pero aún no se ha concluido si Mfn1 y Mfn2 realizan la misma función en el proceso o si son independientes. Las células que carecen de esta proteína están sujetas a graves defectos celulares, como un crecimiento celular deficiente, heterogeneidad del potencial de membrana mitocondrial y disminución de la respiración celular . [7]
La fusión mitocondrial desempeña un papel importante en el proceso de desarrollo embrionario , como lo demuestran las proteínas Mfn1 y Mfn2. Utilizando ratones knock-out Mfn1 y Mfn2 , que mueren en el útero a mitad de la gestación debido a una deficiencia placentaria, se demostró que la fusión mitocondrial no es esencial para la supervivencia celular in vitro, pero es necesaria para el desarrollo embrionario y la supervivencia celular a lo largo de etapas posteriores del desarrollo. Los ratones doblemente knock-out Mfn1 Mfn2, que mueren incluso antes en el desarrollo, se distinguieron de los ratones knock-out "sencillos". Los fibroblastos embrionarios de ratón (MEF) se originaron a partir de los ratones doblemente knock-out, que sobreviven en cultivo aunque hay una ausencia total de fusión, pero partes de sus mitocondrias muestran un número reducido de copias de ADN mitocondrial ( ADNmt ) y pierden potencial de membrana. Esta serie de eventos causa problemas con la síntesis de trifosfato de adenosina (ATP).
La familia de fusión de membrana interna/externa mitocondrial (MMF) (TC# 9.B.25) es una familia de proteínas que desempeñan un papel en los eventos de fusión mitocondrial. Esta familia pertenece a la superfamilia de transportadores mitocondriales (MC) más grande . La naturaleza dinámica de las mitocondrias es fundamental para la función. Chen y Chan (2010) han analizado la base molecular de la fusión mitocondrial, su papel protector en la neurodegeneración y su importancia en la función celular. [8] Las mitofusinas mamíferas Mfn1 y Mfn2, GTPasas localizadas en la membrana externa, median la fusión de la membrana externa. OPA1, una GTPasa asociada con la membrana interna, media la fusión de la membrana interna posterior. Las mutaciones en Mfn2 u OPA1 causan enfermedades neurodegenerativas . La fusión mitocondrial permite la mezcla de contenido dentro de una población mitocondrial, evitando así la pérdida permanente de componentes esenciales. Las células con fusión mitocondrial reducida muestran una subpoblación de mitocondrias que carecen de nucleoides de ADNmt. Estos defectos del ADNmt conducen a mitocondrias con deficiencias en la respiración, y su acumulación en las neuronas conduce a un crecimiento deficiente de los procesos celulares y a la consiguiente neurodegeneración.
Una lista representativa de las proteínas pertenecientes a la familia MMF está disponible en la base de datos de clasificación de transportadores.
En las células de mamíferos, Mfn1 y Mfn2 (TC# 9.B.25.2.1; Q8IWA4 y O95140, respectivamente) son necesarias para la fusión mitocondrial; Mfn1 y Mfn2 poseen diferencias funcionales. Por ejemplo, la formación de estructuras ancladas in vitro ocurre más fácilmente cuando las mitocondrias se aíslan de células que sobreexpresan Mfn1 que Mfn2. [9] Además, se ha demostrado que Mfn2 se asocia específicamente con Bax y Bak (familia Bcl-2, TC#1.A.21), lo que da como resultado una actividad alterada de Mfn2, lo que indica que las mitofusinas poseen características funcionales únicas. Los agujeros lipídicos pueden abrirse en bicapas opuestas como intermediarios, y la fusión en los miocitos cardíacos está acoplada con la desestabilización de la membrana mitocondrial externa que se emplea de manera oportunista durante la transición de la permeabilidad mitocondrial. [10]
Las mutaciones en Mfn2 (pero no en Mfn1) dan lugar al trastorno neurológico síndrome de Charcot-Marie-Tooth . Estas mutaciones pueden complementarse con la formación de heterooligómeros Mfn1–Mfn2 CMT2A pero no de homooligómeros de Mfn2 + –Mfn2 CMT2A . [11] Esto sugiere que dentro del complejo heterooligomérico Mfn1–Mfn2, cada molécula es funcionalmente distinta. Esto sugiere que el control de los niveles de expresión de cada proteína probablemente representa la forma más básica de regulación para alterar la dinámica mitocondrial en los tejidos de los mamíferos. De hecho, los niveles de expresión de Mfn1 y Mfn2 varían según el tipo de célula o tejido, al igual que la morfología mitocondrial. [12]
En la levadura, tres proteínas son esenciales para la fusión mitocondrial. Fzo1 (P38297) y Mgm1 (P32266) son guanosina trifosfatasas conservadas que residen en las membranas externa e interna, respectivamente. En cada membrana, estas proteínas conservadas son necesarias para los distintos pasos de anclaje a la membrana y mezcla de lípidos. El tercer componente esencial es Ugo1, una proteína de membrana externa con una región homóloga pero lejanamente relacionada con una región en la familia Mitochondrial Carrier (MC). Hoppins et al. , 2009 demostraron que Ugo1 es un miembro modificado de esta familia, que contiene tres dominios transmembrana y existe como un dímero, una estructura que es crítica para la función de fusión de Ugo1. [13] Sus análisis de Ugo1 indican que es necesaria tanto para la fusión de la membrana externa como para la interna después del anclaje a la membrana, lo que indica que opera en el paso de mezcla de lípidos de la fusión. Esta función es distinta de la de las proteínas de fusión relacionadas con la dinamina y, por lo tanto, demuestra que en cada membrana, una sola proteína de fusión no es suficiente para impulsar el paso de mezcla de lípidos. En cambio, este paso requiere un ensamblaje más complejo de proteínas. La formación de un poro de fusión aún no se ha demostrado. [13] [14] La proteína Ugo1 es un miembro de la superfamilia MC .
