Genetic and Metabolic Suppression of Mitochondrial Disease Phenotype in Drosophila

Abstract

Geneettisten ja aineenvaihdunnan muutosten vaikutus mitokondriosairauksien banaanikärpäsmalliin

Mitokondriot ovat soluorganelleja, joiden pääasiallisena tehtävänä useimmissa soluissa on vastata niiden energiantuotannosta. Mitokondriot pystyvät muuttamaan ravintoaineiden sisältämän kemiallisen energian soluille käyttökelpoiseen muotoon, adenosiinitrifosfaattimolekyyleiksi (ATP). Mitokondriot sisältävät lisäksi pienen osan eukaryoottisolujen perintöaineksesta. Tämän mitokondriaalisen DNA:n tehtävä on ohjata ATP-tuotannossa tarvittavien elektroninsiirtoketjun proteiinikompleksien ja ATP-syntaasin rakenneproteiinien synteesiä. Lisäksi mitokondriaalisia geenejä tarvitaan sen oman proteiinisynteesikoneiston komponenttien tuottamiseen.

Väitöskirjatutkimuksessa on hyödynnetty tko25t-banaanikärpäsiä (<i>Drosophila melanogaster</i>), joilla on pistemutaatio mitokondrioiden oman proteiinituoton kannalta välttämättömässä tuman technical knockout-geenissä (tko). Mutaation seurauksena mitokondrioiden proteiinisynteesi häiriintyy, mikä aikaansaa elektroninsiirtoketjun vajaatoimintaa ja ATP-puutosta. Tämän seurauksena sekä tko25t-kärpäsillä että vastaavista perimän muutoksista kärsivillä potilailla esiintyy muun muassa vakavia kehitys- ja neurologisia häiriöitä.

Väitöskirjatutkimuksessa on keskitytty tutkimaan monisoluisten organismien luontaista sopeutumista mitokondrioiden vajaatoimintaan. Tutkimuksessa havaittiin, että banaanikärpäset pyrkivät sopeuttamaan aineenvaihduntansa tehostamalla ravinnon rasvojen ja proteiinien hyödyntämistä. Samaan aikaan sokerien aineenvaihduntaan osallistuvien entsyymien ja kalvokuljetusproteiinien ilmentyminen oli merkittävästi alentunut. Tutkimuksen merkittävimpänä löydöksenä voidaan pitää sitä, että matalasokerinen ruokavalio tuki tko25t-kärpästen kehitystä ja rajoitti näille tyypillisten, neuromuskulaarista alkuperää olevin epileptisten kohtausten kestoa. Korkeasokerisella ruokavaliolla puolestaan oli päinvastainen, mutatoituneiden kärpästen ilmiasua pahentava vaikutus. Tutkimuksen tulokset vahvistavat osaltaan nykyistä uskomusta siitä, että ruokavaliolla voi olla huomattava vaikutus mitokondriosairauksien taudinkuvaan, mutta osoittavat myös kärpäsen ja muiden malliorganismien sopivan ravinnon ja mitokondrioiden toiminnan yhteisvaikutusten tutkimiseen molekyyli- ja solutasolla.

Mutations in genes encoding the components of the mitochondrial translational apparatus give rise to various human mitochondrial disorders with a range of clinical phenotypes. We have used a <i>Drosophila</i> mutant harbouring a missense mutation in the gene technical knockout (tko), which encodes the highly conserved mitoribosomal protein S12, to elucidate the pathophysiology and metabolic adaptation to such defects in multicellular organisms. The tko25t mutant flies suffer from a severe oxidative phosphorylation and ATP deficiency, and exhibit a phenotype of developmental delay occurring during larval stages, sensitivity to paralytic and epileptic seizures and hearing impairment, features analogous with common clinical manifestations of mitochondrial disease in humans.

Based on my studies, this phenotype is exacerbated when mutant flies are reared on high-sugar diet. Although the exact mechanism of this sugar toxicity remains unknown, rearing the mutant flies on low-sugar diet results in significant phenotypic recovery which is associated with partial rescue of severe ATP and NADPH deficiencies as well as decreased pyruvate and lactate burden. The tko25t phenotype is also rescued by overexpression of the endogenous allele in suppressor lines carrying duplications of the tko gene. Yet, the mutant larvae do not respond to mitochondrial dysfunction by inducing mitochondrial biogenesis or by over-expressing components of the mitochondrial translational apparatus. In turn, the mutant larvae exhibit transcriptionally a large-scale metabolic reprogramming highlighted by down-regulation of sugar metabolism and increased catabolism of lipids - changes indicating shift in fuel-preference from carbohydrates to fats and fatty acids. The results also suggest that the primary cause underlying the pathophysiology of the disease-like phenotype might be severe metabolic crisis rather than isolated ATP or NADPH deficiency.

Altogether, this study highlights the importance of understanding the molecular basis of disease and the therapeutic potential of dietary intervention in the treatment of mitochondrial disorders.