Identificación de la gelsolina como posible biomarcador de las enfermedades mitocondriales del sistema OXPHOS

Abstract

Las mitocondrias son orgánulos intracelulares cuya principal función es generar energía celular en forma de adenosín trifosfato (ATP), a partir de un proceso conocido como fosforilación oxidativa (OXPHOS). El sistema OXPHOS tiene un origen bi-genómico y está formado por cinco complejos enzimáticos multiproteicos, que catalizan la síntesis de ATP acoplada a un potencial electroquímico de protones en la membrana interna mitocondrial. Las enfermedades que afectan al sistema OXPHOS constituyen la primera causa de errores congénitos del metabolismo energético y están asociados a un grupo heterogéneo de enfermedades neuromusculares o multisistémicas de severidad variable, que pueden manifestarse tanto en la infancia como en adultos. Su variabilidad genética, clínica y fenotípica, junto con la inexistencia de biomarcadores suficientemente específicos, dificulta enormemente el diagnóstico de las enfermedades mitocondriales OXPHOS. Este trabajo se ha centrado en la identificación, validación y caracterización funcional de nuevos biomarcadores proteicos de enfermedades mitocondriales del sistema OXPHOS. Estudios previos revelaron que en células con un déficit enzimático del complejo III, se producía un aumento significativo de una proteína implicada en el mantenimiento del citoesqueleto: la Gelsolina (GSN) citosólica (Marín-Buera et al., 2015). Los resultados obtenidos en este trabajo demuestran que la GSN se acumula específicamente en las mitocondrias de células humanas como respuesta a las alteraciones enzimáticas de los complejos de la cadena respiratoria. La GSN se localiza en la membrana externa mitocondrial, donde forma parte de un complejo de 150 kDa e interactúa con la proteína del poro de permeabilidad de membrana VDAC1. La disminución de los niveles de GSN conduce a un aumento específico de la dimerización de VDAC1 y de la liberación del Citocromo c mitocondrial al citosol, sin alterar las estructuras supramoleculares de VDAC1 ni la estabilidad de los complejos OXPHOS. Además, el tratamiento con estaurosporina provoca la proteolización de la GSN específicamente en la mitocondria de células con déficits enzimáticos de cadena respiratoria. Los niveles de la isoforma plasmática de la GSN disminuyen significativamente, en respuesta a déficits enzimáticos de cadena respiratoria, tanto en modelos celulares como en muestras sanguíneas de pacientes con enfermedad mitocondrial. Por ello, se propone que la ratio entre los niveles de GSN mitocondrial y plasmática podría servir como un nuevo indicador de los cambios moleculares asociados a la disfunción de la cadena respiratoria mitocondrial

Mitochondria are intracellular organelles that generate most of the cellular energy in the term of adenosine triphosphate (ATP) in a process known as oxidative phosphorylation (OXPHOS). The OXPHOS system, of dual genetic origin, is located in the mitochondrial inner membrane. It consists of five multiprotein enzyme complexes, which are responsible for the transfer of electrons coupled to the generation of the proton gradient in the mitochondrial intermembrane space, which is used by the H+-ATP synthase to produce ATP. The OXPHOS system enzyme deficiencies are the leading cause of the inborn errors of energy metabolism. They comprise a heterogeneous group of neuromuscular and multisystemic disorders of variable severity that are present in both childhood and adulthood. Currently, there are very limited means for objectively monitoring disease progression, and non invasive ways to measure respiratory chain disorders based on the use of specific biomarkers are not currently available. Consequently, the diagnosis of these diseases can be challenging. This work has focused on the identification, validation and functional characterization of novel protein biomarkers for mitochondrial diseases. Previous studies showed that the citosolic isoform of Gelsolin (GSN), a cytoskeleton maintenance protein, was significantly overexpressed in complex III-deficient cells (Marín-Buera et al., 2015). In this work, we show that the increase in GSN levels occurs specifically in the mitochondria from human cells with respiratory chain enzyme deficiencies. Gelsolin is located in the mitochondrial outer membrane, where it forms a ~150 kDa complex and it interacts with the voltage-dependent annion channel protein 1 (VDAC1). GSN downregulation led to the specific accumulation of VDAC1 dimers and to the mitochondrial Cytochrome c release into the cytosol, without a major effect on the levels of larger VDAC1- containing complexes or on the stability of the OXPHOS system. Moreover, citosolic GSN is specifically proteolyzed in the mitochondrial fraction from OXPHOS-deficient cells upon staurosporine treatment. In addition, the levels of the plasma isoform of GSN were significantly decreased in the extracellular media from cells with OXPHOS deficiencies and in blood samples from patients biochemically and/or genetically diagnosed with mitochondrial disease. Therefore, the ratio between mitochondrial and plasma GSN is proposed as a novel indicator of the molecular alterations associated with mitochondrial respiratory chain dysfunction.