The role of dynamins and dynamin-related protein 1 (Drp 1) in the regulation of mitochondrial and peroxisomal fission.

Abstract

Peroxisomas e mitocôndrias são organelos extremamente dinâmicos presentes em quase todas as células. As mitocôndrias, fábricas energéticas, apresentam ciclos contínuos de fusão e fissão que constantemente influenciam e adaptam o retículo mitocondrial às necessidades das células. Por outro lado, peroxisomas conseguem proliferar continuamente através de processos de divisão, mas também são capazes de ser formados a partir de outros compartimentos celulares. Em ambos os casos, estes processos dinâmicos são regulados por proteínas capazes de remodelarem membranas, algumas das quais são mesmo partilhadas entre estes dois organelos, nomeadamente a Dynamin-related protein 1 (Drp1), uma proteína que pertence à superfamília das dinaminas. Quando recrutada, a Drp1 forma estruturas em hélice em torno das membranas de um peroxisoma ou de uma mitocôndria para completar a separação das suas membranas. Contudo, foi recentemente sugerido que o diâmetro destas hélices da Drp1 parece não proporcionar a energia necessária para a divisão das mitocôndrias e que a Dinamina 2 (Dyn 2), também da superfamília das dinaminas, seria capaz de resolver esta limitação da Drp1, provocando a clivagem final das membranas durante a sua divisão. No entanto, este mecanismo ainda não foi estudado para a fissão dos peroxisomas.Dado que a Dyn2 e outras duas isoformas (Dyn1/2/3) constituem as dinaminas clássicas, nós decidimos usar um modelo condicional para eliminar todas estas isoformas de forma a estudar o seu papel na fissão dos peroxisomas e em mais detalhe na divisão mitocondrial. Os nossos resultados mostram que a morfologia dos peroxisomas não depende destas proteínas. Além disso, a eliminação das três isoformas não resulta na elongação das mitocôndrias, ao contrário do que acontece com a inibição da Drp1. Por outro lado, através de live-cell imaging observámos diversos estímulos que induziram a fragmentação mitocondrial independentemente das Dyn1/2/3. Contudo, é importante realçar que a funcionalidade da mitocôndria poderá estar alterada neste modelo de triple knockout das Dyn1/2/3.Os nossos resultados revelam a complexidades de ambos os processos de divisão e ajudam a compreender mais a regulação dos mesmos, mostrando que provavelmente as Dyn1/2/3 são dispensáveis tanto para a divisão dos peroxisomas como para a divisão mitocondrial em resposta a certos estímulos ou em condições basais.

Peroxisomes and mitochondria are extremely dynamic organelles. Mitochondria, the cellular powerhouse, present ongoing cycles of fusion and fission that constantly influence and reshape the mitochondrial reticulum. Peroxisomes, in turn, proliferate through growth and division processes, being also capable of arising from different cellular compartments. These dynamic processes are regulated by membrane-remodelling proteins, some of which are shared between the two organelles, such as Dynamin-related protein 1 (Drp1), a member of the superfamily of dynamin proteins. Drp1 is recruited and assembled in helical rings around peroxisomes or mitochondria undergoing division to fully separate their membranes. However, the diameter of Drp1 rings has been suggested to not provide the necessary constricting force in mitochondrial fission. Recently, Dynamin 2 (Dyn 2), another member of this family, seems to assume the final cleavage step in Drp1-mediated mitochondrial division, thereby resolving this conundrum in Drp1 fission. Whether this mutual Drp1-Dyn2 division is involved in peroxisome division is unknown. Since Dyn2 is one of the three classical dynamins (Dyn1/2/3) expressed in mammalian cells, we decided to use a conditional-triple knockout model of these three dynamins to investigate their role in peroxisome division and mitochondrial division. Our results suggest that peroxisome morphology is unaltered regardless of Dyn1/2/3 deletion. Moreover, depletion of Dyn1/2/3 did not result in mitochondrial elongation, whereas knockdown of Drp1 induced the formation of a hyperfused mitochondrial network. Furthermore, in live-cell imaging of calcium- and depolarisation-induced fragmentation of mitochondria, Dyn1/2/3-depleted cells did not reveal a division blockage. However, mitochondrial metabolism in this triple knockout model is altered. Our results shed light on the complexity of mitochondrial and peroxisomal fission and help understand in more detail how peroxisome and mitochondrial fission are regulated, suggesting that Dyn1/2/3 are not involved in peroxisomal fission and that certain stimuli might not require Dyn2 and/or that Dyn2 is not absolutely needed for mitochondrial fission.