Ένας μιτοχονδριακός ροοστάτης καθοδηγεί τη διαφοροποίηση των γαμετικών βλαστικών κυττάρων στον Caenorhabditis elegans

Abstract

The C. elegans germline recapitulates mammalian stem cell niches, and has proven instrumental in understanding key aspects of stem cell biology. However, the molecular and physiological requirements for germline stem cell homeostasis remain largely elusive. We investigated the role of mitochondrial biogenesis and function in the preservation of germline stem cell identity. Here, we show that general transcription activity in germline mitochondria is highly compartmentalized and parallels mitochondrial maturation. Expression of RPOM-1, the mitochondrial RNA polymerase, increases as germ nuclei progress from the distal to the proximal gonadal arm to form oocytes, and is directly regulated by IFET-1, a translational repressor required for normal P granule formation. Mitochondria transition from globular to tubular morphology and become polarized, as they approach the proximal gonad arm. Notably, we find that a similar transition and temporal mitochondrial RNA polymerase expression profile characterizes differentiation of mammalian stem cells. This shift is accompanied by increased ATP and ROS production. Perturbation of mitochondrial bioenergetics causes gonad syncytium hyperplasia by disrupting the balance between mitosis and differentiation to oocytes, resulting in a marked reduction of fecundity. Consequently, compensatory apoptosis is induced in the germline. Sperm-derived signals promote mitochondrial maturation and germ cell differentiation via the MEK/ERK kinase pathway. Germ cell fate decisions are determined by a crosstalk between Insulin/IGF-1 and TGF-β signaling, mitochondria and protein synthesis. Our findings demonstrate that a shift in mitochondrial bioenergetics guides germline stem cell differentiation, and implicate mitochondrial transcription in germ cell differentiation and germline tumor development.

Η γαμετική σειρά του C. elegans προσομοιάζει τους βλαστικούς θύλακες των θηλαστικών και έχει αποδειχτεί ανεκτίμητης αξίας για την κατανόηση βασικών πτυχών της βιολογίας των βλαστικών κυττάρων. Παρόλα αυτά, πολλά από τα μοριακά και φυσιολογικά προαπαιτούμενα για τη διατήρηση της ομοιόστασης των γαμετικών βλαστικών κυττάρων παραμένουν άγνωστα. Ερευνήσαμε το ρόλο της μιτοχονδριακής βιογένεσης και λειτουργίας στην διατήρηση της ταυτότητας των γαμετικών βλαστικών κυττάρων. Η δουλειά μας καταδεικνύει πως η μιτοχονδριακή μεταγραφή στα γαμετικά μιτοχόνδρια είναι διαμερισματοποιημένη και έρχεται παράλληλα με την μιτοχονδριακή ωρίμανση. Η έκφραση της RPOM-1, της μιτοχονδριακής RNA πολυμεράσης, αυξάνεται καθώς οι γαμετικοί πυρήνες μεταβαίνουν από τον άπω στον εγγύς βραχίονα της γονάδας και σχηματίζουν ωοκύτταρα. Η έκφραση της RPOM-1 ρυθμίζεται από τον IFET-1, ένα μεταφραστικό καταστολέα και συστατικό των P granules. Τα μιτοχόνδρια αυτά καθ’ αυτά μεταβαίνουν από μια σφαιρική σε μια επιμήκη μορφολογία και πολώνονται καθώς πλησιάζουν τον εγγύς βραχίονα της γονάδας και η παραγωγή ATP και ROS αυξάνεται. Μια αντίστοιχη μετάβαση και αλλαγή στην έκφραση της μιτοχονδριακής RNA πολυμεράσης χαρακτηρίζει και την διαφοροποίηση των βλαστικών κυττάρων των θηλαστικών. Διατάραξη της διαδικασίας αυτής προκαλεί υπερπλασία στο συγκύτιο της γονάδας λόγω αλλαγής στην ισορροπία μεταξύ μίτωσης και διαφοροποίησης σε ωοκύτταρα και ακολουθείται από μείωση της γονιμότητας. Ως αποτέλεσμα, η απόπτωση ενεργοποιείται για να αντισταθμίσει την υπερπλασία. Σήματα σπερματικής προέλευσης (MSP) προάγουν την μιτοχονδριακή ωρίμανση και διαφοροποίηση των γαμετικών κυττάρων μέσω του MEK/ERK μονοπατιού κινασών. Η μοίρα των γαμετικών κυττάρων καθορίζεται από την αλληλεπίδραση των μοναπατιών Insulin/IGF-1, TGF-β, των ρυθμών πρωτεϊνοσύνθεσης και των μιτοχονδρίων. Τα ευρήματα μας εμπλέκουν αλλαγές στη μιτοχονδριακή ενεργότητα στην διαφοροποίηση των βλαστικών κυττάρων και τη μιτοχονδριακή μεταγραφή στη διαφοροποίηση των γαμετικών κυττάρων και την υπερπλασία.