SYM1, l’ortologo di lievito del gene umano MPV17, codifica per una proteina indotta da stress che modula lo stato bioenergetico e morfogenetico del mitocondrio

Abstract

Mutazioni nel gene MPV17 causano l’insorgenza di una forma epatocerebrale della sindrome da deplezione del DNA mitocondriale. MPV17 codifica per una piccola proteina idrofobica localizzata nella membrana mitocondriale interna con funzione sconosciuta. Per cercare di chiarire le basi molecolari che causano la patologia, abbiamo utilizzato il lievito S. cerevisiae come organismo modello grazie alla presenza di un ortologo di MPV17: SYM1. Abbiamo dimostrato che la proteina Sym1 è essenziale per il metabolismo OXPHOS, l’accumulo di glicogeno, la morfologia mitocondriale e la stabilità del mtDNA in condizioni di stress quali l’elevata temperatura e la crescita in presenza di etanolo. Per cercare di capire il ruolo cellulare di Sym1, abbiamo identificato e caratterizzato soppressori multicopia e metabolici. I nostri dati suggeriscono che i) il difetto metabolico e l’instabilità del mtDNA sono eventi indipendenti l’uno dall’altro; ii) la delezione di SYM1 provoca un difetto di accumulo di glicogeno, presumibilmente a causa di un difettoso flusso di metaboliti gluconeogenetici del ciclo di Krebs dal mitocondrio al citosol; iii) Sym1 svolge un ruolo strutturale cruciale per la membrana mitocondriale interna in quanto la sua assenza determina la scomparsa delle cristae, fornendo una possibile spiegazione dell’instabilità del genoma mitocondriale.

A peculiar form of hepatocerebral mtDNA depletion syndrome is caused by mutations in the MPV17 gene, which encodes a small hydrophobic protein of unknown function located in the mitochondrial inner membrane. In order to define the molecular basis of MPV17 variants associated with the human disorder, we have taken advantage of S. cerevisiae as a model system thanks to the presence of an MPV17 ortholog gene, SYM1. We demonstrate that the SYM1 gene product is essential to maintain OXPHOS, glycogen storage, mitochondrial morphology and mtDNA stability in stressing conditions such as high temperature and ethanol-dependent growth. To gain insight into the molecular basis of the Sym1-less phenotype, we identified and characterized multicopy suppressor genes and metabolic suppressor compounds. Our results suggest that (i) metabolic impairment and mtDNA instability occur independently from each other as a consequence of SYM1 ablation; (ii) ablation of Sym1 causes depletion of glycogen storage, possibly due to defective anaplerotic flux of tricarboxylic acid (TCA) cycle intermediates to the cytosol; (iii) flattening of mitochondrial cristae in Sym1-defective organelles suggests a role for Sym1 in the structural preservation of the inner mitochondrial membrane, which could in turn control mtDNA maintenance and stability.