The role of the actin-binding proteins cofilin1 and INF2 on mitochondrial dynamics and cellular resilience

Neurologische Erkrankungen, wie Schlaganfall oder Morbus Alzheimer, gehören weltweit zu den häufigsten Ursachen für Invalidität und Tod. Viele für diese Erkrankungen relevante Zelltodmechanismen, einschließlich der Apoptose, Nekrose und Nekroptose, Oxytose oder Ferroptose, führen über vermehrten oxidativen Stress zum neuronalen Zelluntergang. Zahlreiche Untersuchungen der letzten Jahre haben bereits wichtige Erkenntnisse über die zugrunde liegenden pathophysiologischen Mechanismen gebracht, die zum neuronalen Untergang und entsprechenden Einschränkungen der Gehirnfunktion führen. Es ist jedoch immer noch unklar, welche weiteren Faktoren und molekularen Mechanismen zu diesen Erkrankungen beitragen und wie diese miteinander verbunden sind. Die Rolle der Mitochondrien und ihrer dynamischen Regulierung, sowie die Charakterisierung der Aktin-bindenden Proteine Cofilin1 und INF2 im Kontext der mitochondrialen Dynamik und neuronalen Zelltodmechanismen, ist Gegenstand der vorliegenden Arbeit. Die Ergebnisse aus den Untersuchungen in MEF-Zellen zeigen, dass eine Deletion der Cofilin1-kodierenden Genregion indirekt zur mitochondrialen Fragmentierung durch DRP1-Aktivierung beiträgt. Die mitochondriale Dynamik ist besonders wichtig für die Bereitstellung von Energie in zellulären Bereichen mit hohem ATP-Bedarf. Die beobachtete mitochondriale Fragmentierung in Cofilin1-/- Zellen hat in den vorliegenden Untersuchungen nicht zu einer Beeinträchtigung der mitochondrialen Funktion geführt, was durch ein unverändertes bioenergetisches Profil, konstante ATP-Level und eine erhaltene mitochondriale Integrität belegt werden konnte. Die Deletion von Cofilin1 war außerdem mit erhöhten basalen mitochondrialen Ca2+-Spiegeln, sowie mit einer erhöhten Proteinexpression des mitochondrialen Ca2+ Transporters (MCU) verbunden, was vermutlich zur mitochondrialen Fragmentierung beiträgt. Die Rolle von Cofilin1 nach Erastin- oder Glutamat-induziertem Zelltod in MEF-Zellen ist jedoch vernachlässigbar, da die Deletion des Proteins keinen relevanten Einfluss auf die zelluläre Widerstandsfähigkeit hatte. Im Gegensatz zu den Fibroblasten wurde in der vorliegenden Arbeit in neuronalen HT22 Zellen Cofilin1 als Redox-Sensor identifiziert. In den Modellsystemen der Glutamat-induzierten Oxytose und der Erastin-induzierten Ferroptose in den hippocampalen HT22 Zellen wurden hier erstmals die kritische zelluläre ROS-Akkumulation über die Aktivierung von Cofilin1 mit der mitochondrialen Schädigung in Verbindung gebracht. Insbesondere die Cofilin1-Deletion in neuronalen HT22 Zellen zeigte erhebliche positive Auswirkungen auf die mitochondriale Resilienz, die durch Quantifizierung der mitochondrialen ROS-Produktion, des mitochondrialen Membranpotenzials oder der Biolumineszenz-basierten Messung der zellulären ATP-Spiegel nachgewiesen wurde. Zellen mit Cofilin1-Depletion zeigen eine deutliche metabolische Verschiebung hin zur Glykolyse, um ihren Energiebedarf nach Erastin- oder Glutamatbehandlung zu decken, während Kontrollzellen unter diesen Behandlungsbedingungen deutlich geschädigt wurden und somit metabolisch inaktiv blieben. Überraschenderweise übte die Depletion eines anderen Aktin-bindenden Proteins, nämlich INF2, ähnliche Effekte auf die zelluläre Resistenz neuronaler HT22 Zellen aus. Dementsprechend waren die mitochondrialen Parameter nach Oxytose und Ferroptoseinduktion geschützt, was zu einem verbesserten Zellüberleben führte. Weitere Ergebnisse der Studie zeigen eindeutig, dass INF2 indirekt an der Regulierung der mitochondrialen Fragmentierung durch Beeinflussung der Aktindynamik und der DRP1-Aktivität beteiligt ist. Cofilin1 konnte unter pathophysiologischen Bedingungen in primären kortikalen Neuronen nach Glutamatbehandlung als Schlüsselfaktor identifiziert werden, da Cofilin1-defiziente Zellen geschützt waren. Die mitochondriale Atmung war in primären Cofilin1-/- Neuronen unter der Glutamatbehandlung erhalten, was letztendlich zu einem verbesserten Gesamtüberleben der Neurone führte. Zusätzlich könnte die Tatsache, dass Cofilin1-/- Neurone weniger Cofilin-Aktin-Polymer-Ablagerungen pro Neuron nach ATP-Depletion entwickelten, auch zum protektiven Effekt in Cofilin1-defizienten Neuronen beitragen. Ein wichtiger Nachweis für die positiven Auswirkungen der Deletion von Cofilin1 ist die Tatsache, dass Cofilin1 direkte schädliche Effekte auf das Membranpotenzial, die mitochondrialen ROS-Akkumulation und die mitochondriale Atmung ausübte. Diese Eigenschaft ist von der Oxidation spezifischer Cysteine an den Positionen 139 und 147 abhängig; entsprechende Mutationen zu Serin verminderten die schädigende Funktion von Cofilin1. Insgesamt zeigen die vorliegenden Ergebnisse, dass die Aktin-regulierenden Proteine Cofilin1 und INF2 eine entscheidende Rolle bei den intrazellulären Zelltodmechanismen spielen, die an der Pathophysiologie neurodegenerativer Erkrankungen beteiligt sind.