Mitochondriën-geassocieerde endoplasmatische reticulumcontacten (MERC's), die biochemisch worden geïsoleerd als mitochondriën-geassocieerde ER-membranen (MAMM's), worden geïntroduceerd bij verschillende neurodegeneratieve aandoeningen, waaronder de ziekte van Alzheimer (AD)1. De recent voorgestelde "MAM-hypothese" suggereert dat MAMA's een centrale rol spelen bij de vorming van amyloïde β (Aβ), en daarmee de pathogene cascade van AD inluiden. Deze cascade omvat de vorming van neurofibrillaire tangles (NFT's), calciumdyshomeostase en neuro-ontsteking2. MAMA's bestaan uit cholesterolrijke, lipidenvlotachtige microdomeinen in het endoplasmatisch reticulum en het buitenste mitochondriale membraan (OMM), verbonden door specifieke verbindingseiwitten die bijdragen aan zowel hun structurele als functionele diversiteit3. De stabilisatie van ER-mitochondriëncontacten beïnvloedt verschillende cellulaire processen, waaronder ER-calciumsignalering en apoptose 4,5. Er wordt geschat dat 5%-20% van de mitochondriën fysiek contact maakt met de ER om MAMs6 te vestigen. Verschillende studies hebben aangetoond dat het aantal, de lengte en de breedte (dikte) tussen de ER en mitochondriën op MAM-locaties belangrijke bepalende factoren zijn voor hun functionele rol. Cryo-elektronenmicroscopie en in vivo-analyses van de muizenlever hebben aangetoond dat de metabole toestand van hepatocyten zowel de dikte (variërend van 14 nm tot 20 nm) als de lengte (variërend van 145 nm tot 270 nm) van MAMs7 moduleert.
MAMA's komen ook op als potentiële therapeutische doelwitten voor diverse aandoeningen, waaronder kanker en stofwisselingsstoornissen. MAM-dikte of spleetbreedte reguleert de celoverleving. De constitutieve MAM-stabilisatoren, MAM 1X en MAM 9X, ontworpen om respectievelijk strakke (6 nm ± 1 nm gapbreedte) en losse MAMA's (24 nm ± 3 nm gapbreedte) te stabiliseren, toonden aan dat de stabilisatie van strakke MAMs de Aβ-generatie drastisch verhoogde in een nieuw 3D-neurale cultuurmodel van AD. Daarentegen had de stabilisatie van de losse MAMA's geen effect8. Het omzetten van de stabilisatie van strakke MAMA's naar losse MAMA's kan dus gunstig zijn voor het verlagen van de amyloïdepathologie. De structurele en functionele complexiteiten en het gebrek aan nauwkeurige kwantitatieve analyse van de mate van MAM-stabilisatie maken het uitdagen van het richten op MAMA's voor geneesmiddelenontdekking. Een nieuwe live-cel beeldvorming en kymografie-gebaseerde analyse van de axonale snelheid van de door ER gebonden mitochondriën toonde aan dat de axonale snelheid van mitochondriën kan worden gebruikt als maatstaf om de stabilisatie van MAM kwantitatief te meten, omdat een nauwer contact met de ER de mitochondriale axonale snelheid significant verminderde vergeleken met vrije mitochondriën 8,9. Met behulp van een induceerbare stabilisator van MAMA's in hAPP-expressieve Neuro 2A (N2AAPP) cellen8, ontdekten we dat het versmallen van MAM-gapbreedtes de Aβ-generatie op dosisafhankelijke wijze verhoogt8. De induceerbare MAM-stabilisatoren zijn expressieplasmiden die coderen voor de CFP (cyan fluorescence protein)-epitoop-getagd ER-targeting en YFP (yellow fluorescence protein)-epitope-taged mitochondriën-targetende biosensoren, gefuseerd met de rapamycine-induceerbare FK506 rapamycinebinding (FRB) of 12-kDa FK506-bindende eiwit (FKBP) domeinen. De biosensoren werden respectievelijk aangeduid als ER-CFP en Mito-YFP. De CFP is een donorfluorofor die energie overdraagt aan de acceptorfluorofoor YFP wanneer deze met >10 nm van elkaar gescheiden zijn. Cellen (N2AAPP) die de induceerbare biosensoren tot expressie brachten, verhoogden de Aβ-aanmaak bij rapamycinebehandeling8, wat suggereert dat het toenemende strakke MAMA's de Aβ-aanmaak verhoogde. Deze methoden zijn gunstig voor het screenen van kleine molecuulmodulatoren van MAMA's en hun effectieve concentratie die nodig is om een optimaal niveau van strakke MAMA's te stabiliseren die pathogene ("Aβ-verhogende") naar therapeutische ("Aβ-verlagende") MAMA's omzetten zonder de ER- en mitochondriëncontacten, die belangrijk zijn voor celoverleving, volledig te destabiliseren.
Experimenteelmodel
Deze studie gebruikte Neuro2A(N2A)-cellen die constitutief APP751 (N2AAPP) tot expressie brachten. Deze cellen geven detecteerbare niveaus van Aβ af in het geconditioneerde medium (CM), vergeleken met naïeve N2A-cellen. N2AAPP-cellen werden behouden in DMEM aangevuld met 10% FBS, 100 U/mL penicilline, 100 μg/mL streptomycine en 2 mM L-glutamaat aangevuld met 200 μg/mL G418, zoals eerder beschreven10.
Expressieplasmide
Een expressieplasmide werd gegenereerd door de YFP (geel fluorescent eiwit)-getagde mitochondriale targetingsequentie van het zoogdier-A-kinaseankereiwit 1 [AKAP1(34-63)] en de CFP-(cyaanfluorescerend eiwit)-gelabelde ER-targetingsequentie van fosfatidylinositol-3-fosfatase Sac1-fosfatase [Sac1(521-587)] samen te voegen met een zelfsplijtende Tav2A-sequentie die codeert voor de EGRGSLLTCTCGDVEENPGP-peptidesequentie, aangeduid als pYFP-AKAP1-Tav2A-Sac1-CFP8 . Het door Tav2A gefuseerde expressieplasmide wordt ook geflankeerd door nucleotidesequenties die coderen voor het FK506 rapamycine-bindingsdomein (FRB) [EMWHEGLEEASRLYFGERNVKGMFEVLEPL HAMMERGPQTLKETSFNQAYGRDLMEAQEWCRKYMKSGNV (K2095P)DLTQAWDLYYHVFRRISKQ] of het 12-kDa FK506-bindende eiwit (FKBP) domein (MGVEKQVIRPGNGPKPAPGQTVTVTVHCTGGGKD GDLSQKFWSTKDEGDEGQKPFSFQIGIGAVIKGWDEGVIGMQ IGEVARLRCSDYAYGAGGFPAWGIQPVLDFEIEVLSVQ). Het fusieplasmide FRB-YFP-AKAP1(34-63)-Tav2A-Sac1(521-587)-CFP-FKBP, hier aangeduid als MAM-Tav2A, werd gegenereerd om equimolaire expressieniveaus van FRB-YFP-AKAP1(34-63) en Sac1(521-587)-CFP-FKBP te verkrijgen voor de ratiometrische FET-analyse. De Sac1(521-587)-CFP-FKBP, aangeduid als ER-CFP, is de donorfluorofoor, terwijl Mito-YFP-FRB, aangeduid als Mito-YFP, de acceptorfluorofoor is die FRET genereert wanneer deze gescheiden is door ~10 nm8. Daarom detecteren de op FRET gebaseerde biosensoren strakke MAMA's (6-10 nm, gapbreedte). De FRB en FKBP werden geïntroduceerd om de MAM-gapbreedtes te stimuleren bij toevoeging van rapamycine op een dosisafhankelijke manier die gekwantificeerd kon worden door het verhoogde RET-signaal8 te meten.