Виментиновые и десминовые промежуточные филаменты поддерживают мембранный потенциал митохондрий

Аннотация

Промежуточные филаменты (ПФ) – один из трёх компонентов цитоскелета животных клеток, характерной особенностью которого является многообразие белков, представляющих эти филаменты в различных клетках. Они обеспечивают механическую прочность клеток, а также внутриклеточную локализацию ядер и различных органелл. Десмин представляет собой белок ПФ, характерный для мышечных клеток, а близкий ему по структуре виментин встречается во многих клетках мезенхимальной природы. В процессе миогенеза, а также при регенерации повреждённой мышечной ткани в клетках могут экспрессироваться оба этих белка, образуя смешанную сеть ПФ. Известно, что каждый из этих белков контролирует функции митохондрий в соответствующих клетках, отвечает за их локализацию и поддержание мембранного потенциала. Вместе с тем неясно, как осуществляется контроль митохондриальных функций в клетках со смешанными ПФ. Чтобы выяснить, какое влияние на митохондриальный потенциал оказывают эти белки, находясь в клетке одновременно, были использованы клетки ВНК21, содержащие виментиновые и десминовые ПФ. Экспрессию одного из них или обоих этих белков одновременно подавляли при помощи нокаута их генов и/или РНК-интерференции. Оказалось, что при удалении любого из них мембранный потенциал митохондрий оставался на том же уровне, что и в присутствии двух белков. Удаление двух белков одновременно приводило к снижению потенциала на 20%. Таким образом, виментин и десмин играют одинаковую роль в поддержании мембранного потенциала митохондрий.

Сноски

* Адресат для корреспонденции.

Вклад авторов

И.Б. Алиева, А.А. Минин – концепция и руководство работой; А.А. Даял, О.И. Парфентьева, Ван Хуэйин – проведение экспериментов; А.А. Даял, О.И. Парфентьева, А.С. Шахов – обсуждение результатов исследования; А.А. Даял, А.А. Минин – написание текста; И.Б. Алиева, А.С. Шахов – редактирование текста статьи.

Финансирование

Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда (грант № 23-74-00036 ААМ).

Благодарности

Авторы выражают благодарность Дж. Агнетти (Болонья, Италия) за любезно предоставленные антитела против десмина, Р. Голдману (Чикаго, США) за генетические конструкции, И.И. Кирееву за помощь в работе с микроскопом высокого разрешения, Н.В. Мининой за квалифицированную техническую помощь.

Конфликт интересов

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Соблюдение этических норм

Настоящая статья не содержит описания каких-либо исследований с участием людей или животных в качестве объектов.

Список литературы

1. Kennedy, E. P., and Lehninger, A. L. (1949) Oxidation of fatty acids and tricarboxylic acid cycle intermediates by isolated rat liver mitochondria, J. Biol. Chem., 179, 957-972.

2. Muller, F. (2000) The nature and mechanism of superoxide production by the electron transport chain: its relevance to aging, J. Am. Aging Assoc., 23, 227-253, https://doi.org/10.1007/s11357-000-0022-9.

3. Thayer, S. A., and Miller, R. J. (1990) Regulation of the intracellular free calcium concentration in single rat dorsal root ganglion neurones in vitro, J. Physiol., 425, 85-115, https://doi.org/10.1113/jphysiol.1990.sp018094.

4. Wolvetang, E. J., Johnson, K. L., Krauer, K., Ralph, S. J., and Linnane, A. W. (1994) Mitochondrial respiratory chain inhibitors induce apoptosis, FEBS Lett., 339, 40-44, https://doi.org/10.1016/0014-5793(94)80380-3.

5. Nakahira, K., Haspel, J. A., Rathinam, V. A., Lee, S. J., Dolinay, T., Lam, H. C., Englert, J. A., Rabinovitch, M., Cernadas, M., Kim, H. P., Fitzgerald, K. A., Ryter, S. W., and Choi, A. M. (2011) Autophagy proteins regulate innate immune responses by inhibiting the release of mitochondrial DNA mediated by the NALP3 inflammasome, Nat. Immunol., 12, 222-230, https://doi.org/10.1038/ni.1980.

6. Cavalli, L. R., Varella-Garcia, M., and Liang, B. C. (1997) Diminished tumorigenic phenotype after depletion of mitochondrial DNA, Cell Growth Differ., 8, 1189-1198.

7. Morais, R., Zinkewich-Péotti, K., Parent, M., Wang, H., Babai, F., and Zollinger, M. (1994) Tumor-forming ability in athymic nude mice of human cell lines devoid of mitochondrial DNA, Cancer Res., 54, 3889-3896.

8. Manoli, I., Alesci, S., Blackman, M. R., Su, Y. A., Rennert, O. M., and Chrousos, G. P. (2007) Mitochondria as key components of the stress response, Trends Endocrinol. Metab., 18, 190-198, https://doi.org/10.1016/j.tem.2007.04.004.

9. Davies, K. J. A., Packer, L., and Brooks, G. A. (1981) Biochemical adaptation of mitochondria, muscle, and whole-animal respiration to endurance training, Arch. Biochem. Biophys., 209, 539-554, https://doi.org/10.1016/0003-9861(81)90312-x.

10. Linnane, A. W., Marzuki, S., Ozawa, T., and Tanaka, M. (1989) Mitochondrial DNA mutations as an important contributor to ageing and degenerative diseases, Lancet, 333, 642-645, https://doi.org/10.1016/s0140-6736(89)92145-4.

11. Mitchell, P. D. (1981) Chemiosmotic Proton Circuits in Biological Membranes (Skulachev, V. P., and Hinkle, P. C., eds), Addison-Wesley, Advanced Book Program/World Science Division, University of Michigan, pp. 633.

12. Tanaka, A., Cleland, M. M., Xu, S., Narendra, D. P., Suen, D. F., Karbowski, M., and Youle, R. J. (2010) Proteasome and p97 mediate mitophagy and degradation of mitofusins induced by Parkin, J. Cell Biol., 191, 1367-1380, https://doi.org/10.1083/jcb.201007013.

13. Green, D. R., and Reed, J. C. (1998) Mitochondria and apoptosis, Science, 281, 1309-1312, https://doi.org/10.1126/science.281.5381.1309.

14. Vasan, K., Clutter, M., Fernandez Dunne, S., George, M. D., Luan, C. H., Chandel, N. S., and Martínez-Reyes, I. (2022) Genes involved in maintaining mitochondrial membrane potential upon electron transport chain disruption, Front. Cell Dev. Biol., 10, 781558, https://doi.org/10.3389/fcell.2022.781558.

15. Begum, H. M., and Shen, K. (2023) Intracellular and microenvironmental regulation of mitochondrial membrane potential in cancer cells, WIREs Mech. Dis., 15, e1595, https://doi.org/10.1002/wsbm.1595.

16. Uttam, J., Hutton, E., Coulombe, P. A., Anton-Lamprecht, I., Yu, Q. C., Gedde-Dahl, T., Fine, J. D., and Fuchs, E. (1996) The genetic basis of epidermolysis bullosa simplex with mottled pigmentation, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 93, 9079-9084, https://doi.org/10.1073/pnas.93.17.9079.

17. Kumar, V., Bouameur, J.-E., Bär, J., Rice, R. H., Hornig-Do, H.-T., Roop, D. R., Schwarz, N., Brodesser, S., Thiering, S., Leube, R. E., et al. (2015) A keratin scaffold regulates epidermal barrier formation, mitochondrial lipid composition, and activity, J. Cell Biol., 211, 1057-1075, https://doi.org/10.1083/jcb.201404147.

18. Kumemura, H., Harada, M., Yanagimoto, C., Koga, H., Kawaguchi, T., Hanada, S., Taniguchi, E., Ueno, T., and Sata, M. (2008) Mutation in keratin 18 induces mitochondrial fragmentation in liver-derived epithelial cells, Biochem. Biophys. Res. Commun., 367, 33-40, https://doi.org/10.1016/j.bbrc.2007.12.116.

19. Chernoivanenko, I. S., Matveeva, E. A., Gelfand, V. I., Goldman, R. D., Minin, A. A. (2015) Mitochondrial membrane potential is regulated by vimentin intermediate filaments, FASEB J., 29, 820, https://doi.org/10.1096/fj.14-259903.

20. Capetanaki, Y. (2002) Desmin cytoskeleton: a potential regulator of muscle mitochondrial behavior and function, Trends Cardiovasc. Med., 12, 339-348, https://doi.org/10.1016/s1050-1738(02)00184-6.

21. Guichard, J. L., Rogowski, M., Agnetti, G., Fu, L., Powell, P., Wei, C. C., Collawn, J., and Dell’Italia, L. J. (2017) Desmin loss and mitochondrial damage precede left ventricular systolic failure in volume overload heart failure, Am. J. Physiol. Heart Circ. Physiol., 313, H32-H45, https://doi.org/10.1152/ajpheart.00027.2017.

22. Milner, D. J., Weitzer, G., Tran, D., Bradley, A., and Capetanaki, Y. (1996) Disruption of muscle architecture and myocardial degeneration in mice lacking desmin, J. Cell Biol., 134, 1255-1270, https://doi.org/10.1083/jcb.134.5.1255.

23. Milner, D. J., Mavroidis, M., Weisleder, N., and Capetanaki, Y. (2000) Desmin cytoskeleton linked to muscle mitochondrial distribution and respiratory function, J. Cell Biol., 150, 1283-1298, https://doi.org/10.1083/jcb.150.6.1283.

24. Vrabie, A., Goldfarb, L. G., Shatunov, A., Nägele, A., Fritz, P., Kaczmarek, I., and Goebel, H. H. (2005) The enlarging spectrum of desminopathies: new morphological findings, eastward geographic spread, novel exon 3 desmin mutation, Acta Neuropathol., 109, 411-417, https://doi.org/10.1007/s00401-005-0980-1.

25. Dayal, A. A., Medvedeva, N. V., and Minin, A. A. (2022) N-Terminal fragment of vimentin is responsible for binding of mitochondria in vitro, Biochemistry (Moscow) Suppl. Ser. A Membr. Cell Biol., 16, 151-157, https://doi.org/10.1134/S1990747822030059.

26. Dayal, A. A., Medvedeva, N. V., Nekrasova, T. M., Duhalin, S. D., Surin, A. K., and Minin, A. A. (2020) Desmin interacts directly with mitochondria, Int. J. Mol. Sci., 21, 8122, https://doi.org/10.3390/ijms21218122.

27. Bornemann, A., and Schmalbruch, H. (1992) Desmin and vimentin in regenerating muscles, Muscle Nerve, 15, 14-20, https://doi.org/10.1002/mus.880150104.

28. Mohamed, J. S., and Boriek, A. M. (2012) Loss of desmin triggers mechanosensitivity and up-regulation of Ankrd1 expression through Akt-NF-κB signaling pathway in smooth muscle cells, FASEB J., 26, 757-765, https://doi.org/10.1096/fj.10-160291.

29. Mendez, M. G., Kojima, S., and Goldman, R. D. (2010) Vimentin induces changes in cell shape, motility, and adhesion during the epithelial to mesenchymal transition, FASEB J., 24, 1838-1851, https://doi.org/10.1096/fj.09-151639.

30. Kojima, S., Vignjevic, D., and Borisy, G. G. (2004) Improved silencing vector co-expressing GFP and small hairpin RNA, Biotechniques, 36, 74-79, https://doi.org/10.2144/04361ST02.

31. Cong, L., Ran, F. A., Cox, D., Lin, S., Barretto, R., Habib, N., Hsu, P. D., Wu, X., Jiang, W., Marraffini, L. A., and Zhang, F. (2013) Multiplex genome engineering using CRISPR/Cas systems, Science, 339, 819-823, https://doi.org/10.1126/science.1231143.

32. Laemmli, U. K. (1970) Cleavage of structural proteins during the assembly of the head of bacteriophage T4, Nature, 227, 680-695, https://doi.org/10.1038/227680a0.

33. Steinert, P. M., Chou, Y. H., Prahlad, V., Parry, D. A., Marekov, L. N., Wu, K. C., Jang, S. I., and Goldman, R. D. (1999) A high molecular weight intermediate filament-associated protein in BHK-21 cells is nestin, a type VI intermediate filament protein. Limited co-assembly in vitro to form heteropolymers with type III vimentin and type IV alpha-internexin, J. Biol. Chem., 274, 9881-9890, https://doi.org/10.1074/jbc.274.14.9881.

34. Schwarz, N., and Leube, R. (2016) Intermediate filaments as organizers of cellular space: how they affect mitochondrial structure and function, Cells, 5, 30, https://doi.org/10.3390/cells5030030.

35. Alieva, I. B., Shakhov, A. S., Dayal, A. A., Parfenteva, O. I., Minin, A. A. (2024) Unique role of vimentin in the intermediate filament proteins family, Biochemistry (Moscow), 89, 726-736, https://doi.org/10.1134/S0006297924040114.