Las mitocondrias son orgánulos dinámicoscon capacidad de fusionarse y dividirse ( fisión ), formando redes tubulares en constante cambio 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 . Mediante 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 funcionan para mantener las mitocondrias funcionales. Un aumento en la actividad de fusión conduce a el alargamiento mitocondrial, mientras que un aumento en la actividad de fisión resulta en fragmentación mitocondrial. [3] Los componentes de este proceso pueden influir en la muerte celular programada y provocar trastornos neurodegenerativos como la enfermedad de Parkinson . Esta muerte celular puede deberse a alteraciones en el proceso de fusión o fisión. [4]
Las formas de las mitocondrias en las células cambian continuamente mediante una combinación de fisión, fusión y motilidad. Específicamente, 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 al otro le falta. Al hacerlo, estos genomas mitocondriales generan todos los componentes necesarios para una mitocondria funcional. [2]
Los efectos combinados de la fusión y fisión continua dan lugar a redes mitocondriales. Los mecanismos de fusión y fisión mitocondrial están regulados por proteólisis y modificaciones postraduccionales. Las acciones de fisión, fusión y motilidad hacen que las formas de estos orgánulos subcelulares unidos a una doble membrana que conocemos como mitocondrias cambien continuamente.
Los cambios en el equilibrio entre las tasas de fisión y fusión mitocondrial afectan directamente a 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 fluorescente verde mitocondrial (GFP) de una mitocondria a todas las demás mitocondrias. Este proceso puede ocurrir en una celda en un período de tiempo tan corto como una hora. [4]
La importancia de la fisión y fusión mitocondrial es distinta para las neuronas no proliferativas, que no pueden sobrevivir sin la fisión mitocondrial. Estas neuronas no proliferativas 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 mitocondrial son necesarias para que las células no proliferen.
Se han identificado muchos productos genéticos que controlan la fusión mitocondrial y pueden reducirse a tres grupos centrales que también controlan la fisión mitocondrial. Estos grupos de proteínas incluyen mitofusinas, OPA1 /Mgm1 y Drp1/ Dnm1 . Todas estas moléculas son proteínas hidrolizantes 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 que controlan la fusión mitocondrial están bien conservadas entre mamíferos, moscas y levaduras. Los mediadores de la fusión mitocondrial difieren entre las membranas externa e interna de las mitocondrias. "Miembros específicos de la familia dinamina anclados a membranas median en 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 sobreexpresadas. Sin embargo, un solo miembro de la familia dinamina 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 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 posmeióticas y la disfunción de esta proteína produce esterilidad masculina. Sin embargo, una eliminación de Fzo1 en la levadura en ciernes da como resultado mitocondrias esféricas más pequeñas debido a la falta de ADN mitocondrial (ADNmt).
El equilibrio entre la fusión y fisión mitocondrial en las células está dictado por la regulación hacia arriba y hacia abajo de las mitofusinas, OPA1/Mgm1 y Drp1/Dnm1. La apoptosis , o muerte celular programada , comienza con la descomposición de las mitocondrias en pedazos más pequeños. Este proceso resulta de la regulación positiva de Drp1/Dnm1 y la regulación negativa 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. La función de la proteína OPA1 es proteger las células contra la apoptosis inhibiendo la liberación de citocromo c . Una vez alterada esta proteína, se produce un cambio en la estructura de las crestas, la liberación de citocromo c y la activación de las enzimas caspasas destructivas. Estos cambios resultantes indican que la estructura de la membrana mitocondrial interna está relacionada con vías reguladoras que influyen en la vida y muerte celular. OPA1 desempeña un papel genético y molecular en la fusión mitocondrial y en la remodelación de las crestas durante la apoptosis. [5] OPA1 existe en dos formas; el primero es soluble y se encuentra en el espacio intermembrana, y el segundo como una forma integral de la membrana interna, trabajan juntos para reestructurar y dar forma a las crestas durante y después de la apoptosis. OPA1 bloquea la redistribución intramitocondrial del citocromo c que procede a la remodelación de las crestas. OPA1 funciona para proteger 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 deficiencias únicamente de Mfn1 en comparación con las deficiencias de Mfn2. Por lo tanto, se respalda que la función de OPA1 depende de la cantidad de Mfn1 presente en la célula para promover el alargamiento mitocondrial. [6]
Ambas proteínas, Mfn1 y Mfn2, pueden actuar juntas o por separado durante la fusión mitocondrial. Mfn1 y Mfn2 son 81% similares entre sí y aproximadamente 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 con deficiencia de Mfn demostraron células alargadas (mayoría) o células pequeñas y esféricas tras la observación.
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 están separados. Las células que carecen de esta proteína están sujetas a defectos celulares graves, como un crecimiento celular deficiente, heterogeneidad del potencial de membrana mitocondrial y disminución de la respiración celular . [7]
La fusión mitocondrial juega un papel importante en el proceso de desarrollo embrionario , como lo demuestran las proteínas Mfn1 y Mfn2. Utilizando ratones knock-out para 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 sí necesaria para el desarrollo embrionario y la supervivencia celular en etapas posteriores del desarrollo. Los ratones con doble knock-out Mfn1 y Mfn2, que mueren incluso antes en el desarrollo, se distinguieron de los ratones con knock-out "simple". Los fibroblastos de embriones de ratón (MEF) se originaron a partir de ratones con doble knock-out, que sobreviven en cultivo a pesar de que 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 membranas internas y externas mitocondriales (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 portadores mitocondriales (MC) más grande . La naturaleza dinámica de las mitocondrias es fundamental para su funcionamiento. Chen y Chan (2010) han discutido las bases moleculares de la fusión mitocondrial, su papel protector en la neurodegeneración y su importancia en la función celular. [8] Las mitofusinas de mamíferos Mfn1 y Mfn2, GTPasas localizadas en la membrana externa, median en la fusión de la membrana externa. OPA1, una GTPasa asociada con la membrana interna, media la fusión posterior de la membrana interna. Las mutaciones en Mfn2 u OPA1 provocan enfermedades neurodegenerativas . La fusión mitocondrial permite mezclar contenidos 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 respiración deficiente, y su acumulación en las neuronas conduce a un crecimiento deficiente de los procesos celulares y la consiguiente neurodegeneración.
Una lista representativa de las proteínas que pertenecen a la familia MMF está disponible en la base de datos de clasificación de transportadores.
Mfn1 y Mfn2 (TC# 9.B.25.2.1; Q8IWA4 y O95140, respectivamente), en células de mamíferos, son necesarios para la fusión mitocondrial, Mfn1 y Mfn2 poseen distinciones funcionales. Por ejemplo, la formación de estructuras unidas 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 produce 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 se combina 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 como resultado el trastorno neurológico síndrome de Charcot-Marie-Tooth . Estas mutaciones pueden complementarse con la formación de heterooligómeros Mfn1 – Mfn2 CMT2A pero no 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 represente 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 unión de la membrana y mezcla de lípidos. El tercer componente esencial es Ugo1, una proteína de la membrana externa con una región homóloga pero lejanamente relacionada con una región de la familia de portadores mitocondriales (MC). Hoppins y cols. , 2009 demostró 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 necesario para la fusión de la membrana interna y externa después de la fijación de la membrana, lo que indica que opera en el paso de fusión de mezcla de lípidos. Esta función es distinta de la de las proteínas relacionadas con la dinamina de fusión 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 de proteínas más complejo. Aún no se ha demostrado la formación de un poro de fusión. [13] [14] La proteína Ugo1 es un miembro de la superfamilia MC .
