Roles of mitochondria morphodynamic changes in the DNA damage signaling and cellular stresses

Abstract

Mitochondria are dynamic organelles essential for the life and death of the cells. The dynamic nature of mitochondria allows them to organize a network of organelles that dynamically fuse and divide. Mitochondrial morphology determined by the equilibrium betIen fusion and fission processes, is controlled by a family of “mitochondrial shaping” proteins, including hFis1, Drp1, Mfn1/2 and Opa1. In response to cellular stress, signaling cascades require tight coordination between the nucleus and mitochondria to adapt the ever-changing cellular milieu. Despite our increasing knowledge on the core components of the mitochondria-shaping machinery, knowledge regarding to the mitochondrial dynamics and nuclear communication signaling is still scare. Therefore, the aim of this research is to study the role of mitochondria morphodynamic changes in response to DNA damage and cellular stress. It was reported that ablation of mitochondria elongation by hFis1 inhibition (a mitochondria fission factor) triggered nuclear accumulation of γ-H2AX. This was accompanied with a significant reduction in cell cycle regulators that induced cellular senescence. In the first part of this study, I show how mitochondria dynamics communicate with nuclear genome in DNA damage response. Here, I found that mitochondria fragmentation induced by MFN1 depletion significantly decreased γ-H2AX accumulation under DNA damage whereas re-expression of MFN1 restored the γ-H2AX, suggesting that mitochondria dynamics affect DNA damage response signaling. Notably, targeted cytosolic irradiation using micro-irradiation laser promotes γ-H2AX accumulation in nucleus. Mechanistically, I found that the JNK activation was significantly reduced in MFN1 knockout cells and γ-H2AX accumulation can be mediated by JNK activation associated ATM phosphorylation under DNA damage response. Accordingly, mitochondrial fission induced by MFN1 depletion or hFis1 overexpression attenuates the homologous recombination and NHEJ of DNA repair mechanisms. In the second part of this research, the mitochondrial elongation mechanism under hypoxic condition was studied. I revealed that mitochondria elongation under hypoxic condition is regulated through SIRT1-mediated MFN1 deacetylation and accumulation. I further observed MFN1 as a direct target of SIRT1 and TIP60. MFN1 is hyper-acetylated by TIP60 and this modification promotes the degradation of MFN1 through a proteasome dependent pathway. Moreover, upon hypoxic condition, SIRT1 de-acetylates MFN1 and this de-acetylation modulates its stabilization. Thus, these findings provide a novel function of how mitonuclear communication safeguards cellular and organismal fitness and regulates lifespan.

미토콘드리아는 세포의 생과 사에 중요한 다이나믹한 세포내 소기관이다. 미토콘드리아의 이 dynamics 한 성질은 hFis1, Drp1, Mfn1/2, Opa1 등과 같은 단백질들을 이용하여 융합과 분열을 조절함으로써 형태를 유지하게 하고 다른 세포내 소기관들과 네트워크를 형성하게 한다. 세포내 스트레스 반응에서는 일련의 신호전달 과정들이 핵과 미토콘드리아 사이의 긴밀한 상호작용을 통하여 끊임없이 변화하는 세포내 환경에 적응하도록 도와준다. 지금까지 미토콘드리아의 형태유지와 관련하여 여러 조절인자들이 알려져 왔지만, 그 형태조절인자와 핵 사이의 상호신호전달에 관하여는 아직도 알려진 바가 거의 없다. 그러므로 이 연구를 통하여 DNA damage 와 세포내 스트레스 상황에서 미토콘드리아의 형태변화가 세포내 미치는 영향을 연구하고자 하였다. 이전 보고에 의하면 미토콘드리아 분열에 관여하는 hFis1 을 억제하면 핵에 DNA damage 표지인자인 γ-H2AX 단백질이 축적되고, 세포주기 조절인자들이 유의하게 감소하며 세포노화가 유도된다는 연구결과들이 있었다. 이로부터 본 연구자는 먼저 DNA damage 하에서 미토콘드리아의 다이나믹스가 어떻게 핵의 genome 과 상호 작용하는지 연구하고자 하였다. 미토콘드리아 융합 단백질의 하나인 MFN1 을 억제시키면 DNA damage 하에서 γ-H2AX 단백질의 축적이 유효하게 감소하였고, 다시 MFN1 단백질을 발현시켰을 때 γ-H2AX 단백질의 축적이 회복되는 것을 관찰함으로써, 미토콘드리아 다이나믹스가 DNA damage 반응에 영향을 미친다는 것을 확인하였다. 특히 micro-irradation 을 이용하여 세포질에 damage 를 가했을 때 핵에 γ-H2AX 단백질 축적이 촉진됨도 관찰하였다. 뿐만 아니라, MFN1- knockout 세포에서 JNK 단백질의 활성화가 유의하게 감소하였고 DNA damage 하에서 ATM 인산화로 인한 γ-H2AX 단백질의 축적이 JNK 단백질의 활성화로 중재되어짐을 확인하였다. 이와 일맥상통하게 MFN1 의 억제나 hFis1 의 과발현으로 유도된 미토콘드리아 분열이 DNA repair 메커니즘인 homologous recombination 이나 nonhomologous end joining 반응을 약화시킴도 관찰하였다. 한편, 또다른 연구로써 hypoxic 조건하에서 SIRT1 을 통한 MFN1 의 탈아세틸화에 의해 미토콘드리아의 융합이 조절되어지고, TIP60 라고 하는 아세틸화 효소에 의하여 과다 아세틸화가 되면 proteosome 을 통하여 MFN1 단백질이 분해되는 것을 관찰하였다. 이러한 연구결과들로부터 mitonuclear communication 이 세포내 유기적 상호작용과 세포수명조절에 깊이 관여하고 있음을 새롭게 제시하게 되었다.