A Novel Ca2+ Release Channel in Mitochondria of Drosophila melanogaster: Properties and Role in Ca2+ Homeostasis

L’accumulo e il rilascio di Ca2+ da parte dei mitocondri svolge un ruolo centrale in diversi processi fisiologici, come nelle vie di segnalazione intracellulari e nel metabolismo cellulare, mentre la loro disregolazione può indurre la morte cellulare. In mitocondri energizzati, l’uniporto del Ca2+ (MCU) media l’accumulo di Ca2+ attraverso la membrane mitocondriale interna (MMI) mentre gli scambiatori Na+/Ca2+ e H+/Ca2+ sono responsabili del suo efflusso. Tuttavia, quando il carico di Ca2+ nella matrice mitocondriale supera la capacità di efflusso attraverso gli scambiatori, potrebbe attivarsi una via aggiuntiva di rilascio di Ca2+, attraverso l’apertura del poro di transizione di permeabilità (PTP). La transizione di permeabilità (TP) consiste nell’aumento della permeabilità della MMI a soluti con massa molecolare inferiore a 1500 Da, è un processo Ca2+-dipendente, strettamente regolato, e dovuto all’apertura di un canale ad alta conduttanza, il PTP. La prolungata apertura del PTP provoca diversi effetti, come la depolarizzazione, il rigonfiamento osmotico, la rottura della membrana mitocondriale esterna e il rilascio di proteine pro-apoptotiche come il citocromo c (cit c). L’apertura transiente del PTP, invece potrebbe essere coinvolta nell’omeostasi fisiologica del Ca2+ e potrebbe proteggere i mitocondri da un sovraccarico dello stesso. Diversi studi hanno consentito una caratterizzazione accurata delle proprietà funzionali e della regolazione del canale putativo, ma la sua natura molecolare rimane ignota. Uno dei miglior modulatori caratterizzati del PTP è la peptidil-prolil-cis-trans-isomerasi mitocondriale Ciclofilina D (Cip-D), che svolge un ruolo importante nel ripiegamento delle proteine e può essere selettivamente inibita dal farmaco immunosoppressore Ciclosporina A (CsA). Nonostante la sua importanza come organismo modello e come strumento genetico, poco si conosce a proposito delle proprietà di trasporto di Ca2+ mitocondriale del moscerino della frutta Drosophila melanogaster e dell’eventualità che i suoi mitocondri possano subire una TP. In questo studio abbiamo caratterizzato le vie di trasporto di Ca2+ mitocondriale nella linea cellulare embrionica di Drosophila S2R+, permeabilizzata con la digitonina. Abbiamo dimostrato la presenza di un effettivo accumolo di Ca2+, sensibile al rosso rutenio, come anche il rilascio di Ca2+ stimolato dal Na+ in mitocondri energizzati, processi che corrispondono alle ben caratterizzate vie di trasporto di Ca2+ in mammiferi. Inoltre, abbiamo identificato e caratterizzato un nuovo canale di rilascio del Ca2+ indotto dal Ca2+ stesso in Drosophila. Come il PTP dei mammiferi, il canale di rilascio di Ca2+ in Drosophila è inibito da tetracaina e apre in risposta al carico di Ca2+ nella matrice, depolarizzazione della MMI ed ossidazione di tioli. Come il poro in lievito (e in contrasto con il PTP dei mammiferi), il poro di Drosophila è inibito da Pi e insensibile alla CsA. Le principali differenze il poro di Drosophila e quello dei mammiferi sono la sua selettività per Ca2+ e H+, e la mancanza di rigonfiamento mitocondriale e il rilascio di cit c conseguente all’apertura del canale. L’apparente assenza di una Cip mitocondriale in Drosophila impedisce uno studio basato sugli effetti della CsA, un classico inibitore del PTP dei mammiferi. Perciò, nella seconda parte di questo studio abbiamo espresso la Cip-D umana nelle cellule S2R+ di Drosophila al fine di indagare il suo impatto sul canale di rilascio del Ca2+. Preliminari studi di capacità di ritenzione del Ca2+ hanno dimostrato che la Cip-D umana induce l’apertura del canale di rilascio del Ca2+ in Drosophila in modo rotenone-sensibile ma CsA-insensibile. Se la Cip-D in Drosophila cambia la selettività, la grandezza e le proprietà del canale di rilascio del Ca2+ può ora essere investigato. Concludiamo che i mitocondri di Drosophila possiedono un canale selettivo di rilascio di Ca2+ con caratteristiche intermedie tra il lievito e i mammiferi che probabilmente è coinvolto nell’omeostasi del Ca2+, ma non nell’induzione della morte cellulare mediata dal Ca2+. In questo studio abbiamo spianato la strada per l’applicazione delle strategie di genetica sofisticate, che la Drosophila offre per definire la natura molecolare del PTP ed il suo ruolo nella patofisiologia dell’omeostasi del Ca2+.