I contatti del reticolo endoplasmatico associato ai mitocondri (MERC), isolati biochimicamente come membrane ER associate ai mitocondri (MAMs), sono implicati in diversi disturbi neurodegenerativi, tra cui la malattia di Alzheimer (AD)1. La recente proposta "ipotesi MAM" suggerisce che le MAM svolgano un ruolo centrale nella generazione della β amiloide (Aβ), dando così inizio alla cascata patogena dell'AD. Questa cascata include la formazione di grovigli neurofibrillari (NFT), la dishomeostasi calciale e laneuroinfiammazione 2. Le MAM sono costituite da microdomini ricchi di colesterolo, simili a zattere lipidiche, nel reticolo endoplasmatico e nella membrana mitocondriale esterna (OMM), collegati da specifiche proteine di collegamento che contribuiscono sia alla loro diversità strutturale chefunzionale 3. La stabilizzazione dei contatti dei mitocondri ER influenza vari processi cellulari, tra cui la segnalazione del calcio ER el'apoptosi 4,5. Si stima che il 5%-20% dei mitocondri avvicini a contatti fisici con la RE per stabilire laMAMs 6. Diversi studi hanno indicato che il numero, la lunghezza e la larghezza (spessore) tra il RE e i mitocondri nei siti MAM sono determinanti importanti dei loro ruoli funzionali. La criomicroscopia elettronica e le analisi in vivo del fegato del topo hanno dimostrato che lo stato metabolico degli epatociti modula sia lo spessore (da 14 nm a 20 nm) sia la lunghezza (da 145 nm a 270 nm) deiMAMs 7.
Le MAM stanno inoltre emergendo come potenziali bersagli terapeutici per vari disturbi, tra cui il cancro e i disturbi metabolici. Lo spessore o la larghezza della fessura del MAM regola la sopravvivenza cellulare. Gli stabilizzatori costitutivi MAM, MAM 1X e MAM 9X, progettati per stabilizzare rispettivamente MAM stretti (6 nm ± larghezza di gap 1 nm) e larghi (24 nm ± larghezza gap di 3 nm), hanno dimostrato che la stabilizzazione di MAM stretti ha aumentato drasticamente la generazione di Aβ in un nuovo modello di coltura neurale 3D dell'AD. Al contrario, la stabilizzazione delle MAM allentate non ebbe effetto8. Pertanto, convertire la stabilizzazione di MAM strette in MAM lassi può essere vantaggiosa per ridurre la patologia amiloide. Le complessità strutturali e funzionali e la mancanza di un'analisi quantitativa precisa del grado di stabilizzazione MAM rendono difficile indirizzare le MAM per la scoperta di farmaci. Una nuova analisi di imaging a cellule vive e basata sulla cimografia della velocità assonale dei mitocondri legati al RE ha dimostrato che la velocità assonale dei mitocondri può essere utilizzata come metrica per misurare quantitativamente la stabilizzazione del MAM, poiché un contatto più stretto con il RE ha ridotto significativamente la velocità assonale mitocondriale rispetto ai mitocondriliberi 8,9. Utilizzando uno stabilizzatore indutibile delle MAM nelle cellule Neuro 2A (N2AAPP) che esprimonohAPP 8, abbiamo riscontrato che il restringimento delle larghezze del gap MAM aumenta la generazione di Aβ in modo dipendentedalla dose 8. Gli stabilizzatori MAM indutibili sono plasmidi di espressione che codificano i biosensori di mira per ER (proteina di fluorescenza cian) e per i biosensori MITOCONDRI marcati da YFP (proteina di fluorescenza gialla) e per i mitocondri, fusi con i domini di legame della rapamicina indotti dalla rapamicina FK506 (FRB) o della proteina di legame FK506 a 12-kDa (FKBP). I biosensori erano indicati rispettivamente come ER-CFP e Mito-YFP. Il CFP è un fluoroforo donatore che trasferisce energia al fluoroforo accettore YFP quando sono separati da >10 nm. Le cellule (N2A APP) che esprimono i biosensori induttibili aumentano la generazione di Aβ dopo il trattamentocon rapamicina 8, suggerendo che l'aumento delle MAM strette aumenta la generazione di Aβ. Questi metodi saranno utili per lo screening dei modulatori di piccole molecole delle MAM e della loro concentrazione efficace necessaria per stabilizzare un livello ottimale di MAM stretti che convertano le MAM patogeniche ("aumento di Aβ") in terapiche ("abbassamento dell'Aβ") senza destabilizzare completamente i contatti di RE e mitocondri, importante per la sopravvivenza cellulare.
Modello sperimentale
Questo studio ha utilizzato cellule Neuro2A(N2A) che esprimono costitutivamente APP751 (N2A APP). Queste cellule rilasciano livelli rilevabili di Aβ nel mezzo condizionato (CM) rispetto alle cellule N2A ingenue. Le celluleN2A APP sono state mantenute in DMEM integrato con FBS al 10%, 100 U/mL di penicillina, 100 μg/mL di estreptomicina e 2 mM di L-glutammato integrato con 200 μg/mL di G418, come descritto inprecedenza 10.
Plasmide di espressione
Un plasmide di espressione è stato generato fondendo la sequenza di targeting mitocondriale marcata YFP (proteina fluorescente gialla) della proteina ancoraggio A-chinasi 1 [AKAP1(34-63)] e della sequenza di targeting ER marcata con CFP (proteina fluorescente cian ) della fosfatasi-Sac1 [Sac1(521-587)] con una sequenza auto-scindente di Tav2A che codifica per la sequenza peptidica EGRGSLLTCGDVEENPGP, indicata come pYFP-AKAP1-Tav2A-Sac1-CFP8. Il plasmide di espressione fuso con Tav2A è inoltre affiancato da sequenze nucleotidiche che codificano il dominio di legame della rapamicina FK506 (FRB) [EMWHEGLEEASRLYFGERNVKGMFEVLEPL HAMMERGPQTLKETSFNQAYGRDLMEAQEWCRKYMKSGNV (K 2095P)DLTQAWDLYYHVFRRISKQ] o il dominio della proteina di legame FK506 (FKBP) a 12-kDa (MGVEKQVIRPGNGPKPAPGQTVTVTVHCTGKD GDLSQKFWSTKDEGQKPFSFFFSFQIGKGAVIKGWDEGVIGMQ IGEVARLRCSSSDYAYGAGGFPAWGIQPNSVLDFEIEVLSVQ). Il plasmide di fusione FRB-YFP-AKAP1(34-63)-Tav2A-Sac1(521-587)-CFP-FKBP, qui indicato come MAM-Tav2A, è stato generato per ottenere livelli di espressione equimolare di FRB-YFP-AKAP1(34-63) e Sac1(521-587)-CFP-FKBP per l'analisi FRET ratiometrica. Il Sac1(521-587)-CFP-FKBP, indicato come ER-CFP, è il fluoroforo donatore, mentre Mito-YFP-FRB, indicato come Mito-YFP, è il fluoroforo accettore che genera FRET quando separato da ~10nm 8. Pertanto, i biosensori basati su FRET rilevano MAM stretti (6-10 nm, larghezza del divario). FRB e FKBP sono stati introdotti per indurre il restringimento delle larghezze del gap MAM all'aggiunta di rapamicina in modo dipendente dalla dose, quantificato misurando l'aumento del segnaleFRET 8.