Dinamica mitocondriale: fusione, fissione e regolazione

Quali sono i vantaggi della compartimentalizzazione?

La compartimentalizzazione è un vantaggio poiché rende più efficienti le reazioni chimiche: avere le molecole che devono reagire vicine facilita il loro incontro e la reazione. Inoltre, avere gli elementi tossici separati dal resto dell’ambiente cellulare impedisce loro di creare danni. Questi vanno infatti nei lisosomi, ricchi di enzimi idrolitici che andranno a rompere l’agente patogeno. Ogni organello avrà le proprie proprietà, componenti molecolari e funzioni; inoltre sono altamente plastici, cioè possono rispondere ai cambiamenti della cellula.

Dinamica dei mitocondri

I mitocondri sono anche organelli dinamici: si muovono lungo i microtubuli grazie a proteine come le chinesine e sono in costante equilibrio tra fissione e fusione. Questi processi non sono casuali, ma regolati e funzionali:

• la fissione serve per eliminare mitocondri danneggiati tramite mitofagia, oppure per permettere una distribuzione più efficiente, ad esempio nei neuroni lungo l’assone

• la fusione, invece, consente un meccanismo di compensazione tra mitocondri sani e danneggiati.

→ quando l’equilibrio tra fusione e fissione viene meno si ha l’insorgenza di patologie; una di queste è la sindrome di Down, dove la fissione è maggiore della fusione e quindi il RER appare segmentato!

Nei lieviti abbiamo queste tre proteine FZO1, UGO, MGM1. Le prime due sono presenti a livello della membrana esterna, mentre la MGM1 è a livello della membrana interna e media l’interazione con FZO1, mentre UGO fa da ponte tra le due.

Fusione mitocondriale nell'uomo

Nell’uomo, invece, la fusione è mediata da MFN1 e MFN2 nella membrana esterna (al posto di FZO1) e da OPA1 nella membrana interna (al posto di MGM1). Questo processo è GTP-dipendente e richiede un gradiente elettrico e di pH: solo mitocondri funzionanti possono fondersi.

→ le mitofusine sulla membrana esterna di due mitocondri diversi agiscono tra di loro attraverso la fissione di GTP; una volta avvicinati agisce OPA1 che fa fondere le membrane interne attraverso l’idrolisi del GTP. Per fondere le membrane esterne è necessario un gradiente di pH tra lo spazio intermembrana e la matrice, mentre per far fondere le membrane interne è necessario un gradiente elettrico.

Coinvolge Fis1 (nella membrana esterna) e DRP1, proteina GTPasica che si avvolge intorno al mitocondrio e lo divide; Caf4 funge da nucleatore. Questo nei lieviti; nell’uomo Caf4 non è presente.

Fissione mitocondriale nei mammiferi

Nei mammiferi, Fis1 ha il compito di reclutare DRP1, una proteina GTPasica. DRP1, una volta reclutata, si polimerizza in modo circolare attorno al mitocondrio. Utilizzando l’energia derivante dall’idrolisi del GTP, stringe progressivamente l’anello e porta alla divisione del mitocondrio in due porzioni. Nei lieviti, questo stesso meccanismo coinvolge altre proteine come Mdv1 o Caf4, che fanno da ponte tra Fis1 e Dnm1 (l’omologo di DRP1), facilitando il processo.

Regolazione della fissione e fusione

È importante sottolineare che la dinamica della fissione e della fusione non è lasciata al caso, ma è regolata in modo preciso.

Un primo livello di regolazione riguarda il turnover delle proteine coinvolte: se, ad esempio, i livelli di Fis1 o DRP1 sono troppo bassi, il processo viene compromesso. A regolare questo turnover interviene anche il processo di ubiquitinazione, che segna le proteine per la degradazione. Le ubiquitin ligasi che intervengono sono:

MDM30 nei lieviti

MARCH5 nei mammiferi

→ queste ligasi degradano principalmente le mitofusine e quindi agiscono indirettamente anche sul bilancio tra fusione e fissione.

Alterazioni di questi processi sono implicate in patologie come: l’atrofia del nervo ottico (a causa di mutazioni che codificano per il gene OPA1), la sindrome di Down e il Parkinson (tramite mutazioni di PINK1 e PARK2, che regolano la mitofagia).