Investigating the role of the NEET protein family in ageing and neurodegeneration of the nematode Caenorhabditis elegans

Abstract

NEET family comprises a special type of Iron Sulfur Cluster (ISC) binding proteins implicated in various human pathologies ranging from neurodegeneration to cancer and reduced life expectancy. Despite the well-known structural and functional characteristics of mammalian NEETs, it remains largely enigmatic how their deficiency accelerates ageing and contributes to the manifestation of age-related pathologies. In our study we used the nematode Caenorhabditis elegans as a simple model organism to delineate the molecular pathways through which NEETs mediate their effects on longevity and healthspan. The nematode’s genome encodes for three NEET proteins: CISD-1, CISD-3.1 and CISD-3.2. CISD-1 is a single ortholog for both mammalian CISD1/mitoNEET and CISD2/Miner1, as it has one CDGSH domain for binding to ISCs. CISD-3.1 and CISD-3.2 have 2 CDGSH domains and thus are homologous to mammalian CISD3/MiNT. Our study is mainly focused on CISD-1, since its mammalian ortholog CISD2/Miner1 has been associated with Wolfram syndrome type 2, a rare neurodegenerative disorder characterized by premature ageing phenotypes. CISD-1 is a ubiquitously expressed protein localized at the outer mitochondrial membrane. CISD-1 deficient nematodes display reduced lifespan, enhanced neurodegeneration and exacerbated proteostasis. Our data reveal that CISD-1 preserves longevity through the mitochondrial intrinsic apoptosis pathway. Notably, the detrimental consequences of CISD-1 deficiency on lifespan, neuronal integrity and proteostasis are fully rescued upon depletion of the anti-apoptotic Bcl-2 nematode ortholog, CED-9. This rescue is dependent on autophagy induction, suggesting that CISD-1 mediates its effects by coupling the apoptosis and autophagic pathways through CED-9. In an attempt to further investigate the molecular function of CISD-1, we found that CISD-1 deficiency disturbs iron homeostasis, as evident by reduced Fe2+/Fetotal ratio in mitochondria, elevated ferritin expression and deregulated expression of iron-related genes. Importantly, our data suggest that intracellular iron abundance is critical for CISD-1 function, since mild iron supplementation is sufficient to decelerate ageing and partly ameliorates the disturbed proteostasis and neuronal integrity upon CISD-1 deficiency. Our work establishes CISD1 as a mitochondrial effector engaging autophagy and apoptosis pathways, and demonstrates novel approaches which could potentially facilitate the development of effective therapeutic interventions against WS2 or related diseases.

Οι πρωτεΐνες της οικογένειας NEET αποτελούν μία ειδική κατηγορία πρωτεϊνών που έχουν την ιδιότητα να δεσμεύουν συμπλέγματα σιδήρου-θείου [2Fe-2S] και εμπλέκονται σε ένα ευρύ φάσμα παθολογικών καταστάσεων στον άνθρωπο, όπως νευροεκφυλισμό, καρκίνο καθώς και μειωμένο προσδόκιμο ζωής. Παρά τις πολύ καλά μελετημένες δομικές και λειτουργικές ιδιότητες των πρωτεϊνών ΝΕΕΤ των θηλαστικών, παραμένει σε μεγάλο βαθμό αινιγματικό το πώς η ανεπάρκειά τους επιταχύνει τη γήρανση και συμβάλλει στην εκδήλωση παθολογιών που σχετίζονται με την γήρανση. Στη συγκεκριμένη μελέτη χρησιμοποιήσαμε τον νηματώδη Caenorhabditis elegans ως έναν απλό οργανισμό-μοντέλο για να διερευνήσουμε τα μοριακά μονοπάτια μέσω των οποίων οι πρωτεΐνες NEET ασκούν τις επιδράσεις τους στη γήρανση αλλά και στην γενικότερη ποιότητα ζωής. Το γονιδίωμα του νηματώδους κωδικοποιεί τρεις πρωτεΐνες NEET, τις CISD-1, CISD-3.1 και CISD-3.2. Η CISD-1 είναι η μοναδική πρωτεΐνη ορθόλογη των CISD1/mitoNEET και CISD2/Miner1 των θηλαστικών, καθώς διαθέτει μία επικράτεια δέσμευσης για τα συμπλέγματα σιδήρου-θείου. Οι CISD-3.1 και CISD-3.2 φέρουν 2 επικράτειες δέσμευσης και συνεπώς είναι ομόλογες με την CISD3/MiNT των θηλαστικών. Η μελέτη μας επικεντρώνεται κυρίως στη CISD-1, δεδομένου ότι η ορθόλογη της, CISD2/Miner1 έχει συσχετιστεί με το σύνδρομο Wolfram τύπου 2 (WS2), μια σπάνια νευροεκφυλιστική διαταραχή που χαρακτηρίζεται από την εκδήλωση συμπτωμάτων πρόωρης γήρανσης. Η CISD-1 είναι μια πρωτεΐνη που εκφράζεται σε πολλούς ιστούς του νηματώδους και ως προς την ενδοκυτταρική της τοπολογία, εντοπίζεται στην εξωτερική μιτοχονδριακή μεμβράνη. Καταστολή έκφρασης της CISD-1 οδηγεί σε μειωμένο προσδόκιμο ζωής, επάγει την εκδήλωση νευροεκφυλισμού και διαταράσσει την πρωτεόσταση. Τα αποτελέσματά μας δείχνουν ότι η CISD-1 επιδρά στη γήρανση μέσω της εμπλοκής της στο μιτοχονδριακό ενδογενές αποπτωτικό μονοπάτι. Ειδικότερα, οι αρνητικές επιδράσεις απώλειας της CISD-1 στη διάρκεια ζωής, στην ακεραιότητα των νευρώνων, καθώς και στην πρωτεόσταση, εξαλείφονται υπό συνθήκες ταυτόχρονης καταστολής της αντι-αποπτωτικής πρωτεΐνης CED-9, η οποία φέρει ομολογία με την Bcl-2 των θηλαστικών. Η συγκεκριμένη βελτίωση στους φαινοτύπους εξαρτάται από την επαγωγή της αυτοφαγίας, γεγονός που υποδηλώνει ότι η CISD-1 ασκεί τις επιδράσεις της συνδέοντας τα μονοπάτια απόπτωσης και αυτοφαγίας μέσω του παράγοντα CED-9. Στην προσπάθειά μας να διερευνήσουμε περαιτέρω το τρόπο δράσης της CISD-1, διαπιστώσαμε ότι η ανεπάρκεια της διαταράσσει την ομοιόσταση του σιδήρου, όπως προκύπτει από τη μειωμένη αναλογία Fe2+/Feολικό στα μιτοχόνδρια, καθώς και την απορυθμισμένη έκφραση γονιδίων που σχετίζονται με το σίδηρο. Επιπλέον, τα δεδομένα μας υποδηλώνουν ότι τα ενδοκυτταρικά επίπεδα σιδήρου είναι κρίσιμα για τη λειτουργία της CISD-1, καθώς ήπια συμπλήρωση με σίδηρο σε ζώα στα οποία έχει κατασταλεί η CISD-1, αρκεί για την επιβράδυνση της γήρανσης και την εν μέρει βελτίωση της διαταραγμένης πρωτεόστασης και του νευροεκφυλισμού. Η εργασία μας αναδεικνύει τη CISD-1 του νηματώδους ως έναν μιτοχονδριακό παράγοντα που εμπλέκει τα μονοπάτια της αυτοφαγίας και της απόπτωσης και προτείνει νέες προσεγγίσεις που θα μπορούσαν ενδεχομένως να διευκολύνουν την ανάπτυξη αποτελεσματικών θεραπευτικών παρεμβάσεων κατά της WS2 ή συναφών ασθενειών.