Ruolo della morfologia e della funzionalità mitocondriale sulla distribuzione intracellulare dei mitocondri in neuroni di Drosophila

RIASSUNTO I mitocondri sono organelli essenziali per la cellula e la loro funzione primaria è di produrre energia sottoforma di ATP. I mitocondri sono organelli altamente dinamici:processi di fusione e fissione delle membrane mitocondriali ne controllano la forma, la lunghezza e il numero e un equilibrio tra i due meccanismi è fondamentale per una corretta morfologia mitocondriale. Numerose proteine sono coinvolte nei processi di fusione e fissione mitocondriale: Mitofusina 1 e Mitofusina 2 (Mfn1 e Mfn2) e Optic atrophy 1 (Opa1) regolano i processi di fusione mitocondriale, mentre Dynamin-related protein 1 (Drp1)mediala fissione. Drosophila possiede il gene mitochondrial assembly regulatory factor (MARF), espresso in modo ubiquitario ed omologo al gene MFN2. Nel tessuto muscolare la riduzione di espressione di Marf induce frammentazione e alterazione della morfologia del mitocondrio. Inoltre, mutanti di Marf mostrano una severa deplezione dei mitocondri nelle giunzioni neuromuscolari (NMJs) ed un’alterazione della morfologia della giunzione caratterizzata dall’aumento nel numero e da una riduzione nella dimensione dei bottoni sinaptici. Un altro aspetto della dinamica mitocondriale, oltre ai processi di fusione e fissione, è la motilità dei mitocondri, che deve essere altamente regolata soprattutto in cellule come i neuroni. Il trasporto mitocondriale e la continua ridistribuzione dei mitocondri lungo l’assone è essenziale per il mantenimento dell’integrità assonale e delle normali funzioni della cellula. Studi hanno messo in evidenza come la mancanza di mitocondri a livello delle giunzioni neuromuscolari in Drosophila comprometta la trasmissione sinaptica e come difetti nel trasporto mitocondriale assonale siano implicati nello sviluppo di disordini neurologici e malattie neurodegenerative (Chan, 2006). Lo scopo di questo lavoro è quello di capire il ruolo della morfologia e della funzione mitocondriale nella distribuzione intracellulare dei mitocondri nei neuroni. Per fare questo abbiamo utilizzato Drosophila melanogaster, organismo modello efficace per l’analisi della funzione genica, inclusa quella di geni responsabili di patologie umane. L’analisi della morfologia mitocondriale è stata effettuata utilizzando linee di Drosophilache esprimono in vivo un transgene per RNA interference e che permette di ridurre l’espressione di geni endogeni coinvolti nei processi di fusione e fissione mitocondriale, quali Marf, Opa1 e Drp1. Abbiamo inoltre creato linee che esprimono contemporaneamente i trangeni per RNAi di Marf e Drp1 o Opa1 e Drp1, con lo scopo di bilanciare i meccanismi di fusione e/o fissione. Ci siamo soffermati in particolare sullo studio di due aspetti principali, la morfologia e la funzionalità mitocondriale, per capire se difetti nella morfologia e nella funzionalità mitocondriale siano collegate e concorrano insieme allo sviluppo di patologie.Numerose patologie neurodegenerative sono infatti caratterizzate da alterazioni del trasporto mitocondriale e spesso questo è associato a difetti nella morfologia e nella funzionalità mitocondriale. Per studiare la morfologia mitocondriale, le linee UAS-RNAi sono state incrociate con una linea che contiene il promotore ELAV per l’espressione tessuto-specifica nei neuroni ed esprime una GFP mitocondriale. Abbiamo analizzato la morfologia dei mitocondri, sia nel corpo cellulare sia negli assoni e la distribuzione mitocondriale in assoni lunghi come i motoneuroni e assoni corti come quelli del nervo ottico e la distribuzione mitocondriale nella giunzione neuromuscolare.I risultati ottenuti mostrano che frammentazione dei mitocondri e alterazione della distribuzione mitocondriale assonale in individui in cui sia ridotta l’espressione di proteine di fusione. Inoltre si osserva una diminuzione della percentuale dei mitocondri mobili e del numero assoluto dei mitocondri anterogradi e retrogradi. Questi dati dimostrano che vi è una stretta correlazione tra morfologia mitocondriale e distribuzione dei mitocondri, in particolare in assoni lunghi. Inoltre analizzando le linee Marf RNAi Drp1 RNAi e Opa1 RNAi Drp1 RNAi, nelle quali gli eventi di fusione e fissione ridotti ma sono in equilibrio tra loro, si osserva un miglioramento la morfologia, la distribuzione e il trasporto mitocondriale assonale in modo particolare nel caso di Opa1 e non nel caso di Marf. Abbiamo cercato di capire quindi se in questi individui vi fossero alterazioni delle funzionalità mitocondriali attraverso l’analisi della capacità respiratoria mitocondriale, dell’attività dei complessi della catena respiratoria e della capacità di produzione di ATP. I risultati ottenuti dimostrano che morfologia e funzionalità mitocondriale non sempre sono collegate tra loro hanno effetti diversi nella modulazione della distribuzione mitocondriale assonale. In conclusione possiamo affermare che solamente la morfologia e la dimensione del mitocondrio sembrano essere essenziali per la corretta distribuzione mitocondriale assonale.