Genetics studies on mitochondrial morphology in Caenorhabditis elegans

Abstract

Mitochondria are dynamic organelles controlling their size and morphology via fission and fusion. Mitochondria are critical for a number of cellular functions because of their roles in producing energy, buffering calcium, and regulating apoptosis. Mitochondrial abnormalities have been documented in Alzheimer’s disease (AD) and related neurodegenerative disorders. Calcineurin is a Ca2+/Calmodulin-dependent phosphatase of the nervous system and its localization to nervous tissue. The dynamin-related GTPase Drp1 is an evolutionarily conserved protein that is required for mitochondrial fission. Calcineurin has been reported to dephosphorylate Drp1. Then, dephosphorylated Drp1 relocates to OMM (outer mitochondrial membrane) and forms the Drp1 complex and fragments mitochondria. Fusion relies on the inner membrane protein optic atrophy 1 (Opa1) and on the outer membrane proteins mitofusin (Mfn) 1 and 2. In this research, we investigated the functions of drp-1 and eat-3 in PLM touch neuronal mitochondria in C. elegans via RNA interference method. Additionally, we conducted RNAi treatment targeted for kinases cmk-1, cdk-1 and kin-1 which are known to phosphorylate Drp1. Based on our research we suggest that drp-1 and eat-3 are required to mitochondrial fission or fusion events, respectively. Moreover, kin-1 and calcineurin modulate mitochondrial morphology. Our next goal is that find the answer to the question: Mitochondrial morphology might be associated with animal behavior? |미토콘드리아는 자신의 크기와 형태를 fission과 fusion이라는 과정을 반복하면서 조절하는 매우 활발한 소기관이다. 미토콘드리아는 에너지를 만들고 Ca2+을 저장하여 Ca2+의 농도를 조절하며, apoptosis에도 관여한다. 그러므로 이런 미토콘드리아의 fission과 fusion의 균형이 깨져 미토콘드리아가 형태를 조절하지 못하게 되면, neurodegenerative disorder를 보일 수 있다. 이러한 이유 때문에 미토콘드리아의 fission과 fusion을 조절하는 물질에 관한 연구가 필요하다. 칼시뉴린(calcineurin)은 Ca2+/Calmodulin과 결합하는 탈 인산화 효소 단백질로 뉴런에 많이 존재한다. 칼시뉴린은 신경세포 내에서 Ca2+의 농도를 조절하는 역할을 한다. 또한 신경전달물질(neurotransmitter)들의 작용과 방출을 조절하는 중요 물질로 여겨진다. 미토콘드리아의 fission을 조절하는 단백질로 Dynamine-related Protein 1인 Drp1이 알려져 있다. Drp1은 GTPase family protein으로 진화상 잘 보존되어있으며 세포분열과 apoptosis과정에 중요한 역할을 한다. 칼시뉴린은 Drp1의 Serine 637에 부착하여 Drp1을 탈 인산화시킨다고 보고 된 바 있다. 이렇게 탈 인산화 된 Drp1은 미토콘드리아의 바깥 막(OMM; Outer Mitochondrial Membrane)으로 이동하여 그 곳에서 여러 Drp1과 complex를 이루어 미토콘드리아가 두 개로 나누어지도록 유도한다. 미토콘드리아의 fusion은 fission보다 더 복잡하다. 미토콘드리아의 내막의 fusion은 Optic Atophy 1이라는 Opa1 단백질에 의해 일어나며, 미토콘드리아의 외막의 fusion은 mitofusin 1과 2(mfn1, mfn2)에 의해 조절된다.

우리는 drp-1과 eat-3가 예쁜꼬마선충의 감각 감지 뉴런 내의 미토콘드리아의 형태조절에 관여하는지 알아보기 위하여 RNA interference treatment를 수행하였다. 또한, Drp1을 인산화 시키는 단백질로 알려진 kin-1(PKA; Protein Kinase A), cdk-1(cyclin-dependent kinase 1), cmk-1(Ca2+/calmodulin-dependent protein kinase Iα; CaMKIα)을 이용하여 RNAi treatment를 수행하였다. 이 실험을 통해 drp-1은 미토콘드리아의 fission에, eat-3는 미토콘드리아의 fusion에 관여하는 주요 요소임을 확인하였다. 그리고 kin-1과 칼시뉴린이 미토콘드리아의 형태를 조절한다는 것을 알았다. 앞으로 우리가 실험을 전개해 나갈 방향은 이러한 미토콘드리아의 형태를 조절하는 유전자들에 의해 비정상적인 크기와 모양의 미토콘드리아를 갖는 생물이 행동에 있어 제약을 받는가? 라는 의문에 대한 해답을 찾아가는 것이다.; Mitochondria are dynamic organelles controlling their size and morphology via fission and fusion. Mitochondria are critical for a number of cellular functions because of their roles in producing energy, buffering calcium, and regulating apoptosis. Mitochondrial abnormalities have been documented in Alzheimer’s disease (AD) and related neurodegenerative disorders. Calcineurin is a Ca2+/Calmodulin-dependent phosphatase of the nervous system and its localization to nervous tissue. The dynamin-related GTPase Drp1 is an evolutionarily conserved protein that is required for mitochondrial fission. Calcineurin has been reported to dephosphorylate Drp1. Then, dephosphorylated Drp1 relocates to OMM (outer mitochondrial membrane) and forms the Drp1 complex and fragments mitochondria. Fusion relies on the inner membrane protein optic atrophy 1 (Opa1) and on the outer membrane proteins mitofusin (Mfn) 1 and 2. In this research, we investigated the functions of drp-1 and eat-3 in PLM touch neuronal mitochondria in C. elegans via RNA interference method. Additionally, we conducted RNAi treatment targeted for kinases cmk-1, cdk-1 and kin-1 which are known to phosphorylate Drp1. Based on our research we suggest that drp-1 and eat-3 are required to mitochondrial fission or fusion events, respectively. Moreover, kin-1 and calcineurin modulate mitochondrial morphology. Our next goal is that find the answer to the question: Mitochondrial morphology might be associated with animal behavior?