Defective FOF1-ATP Synthase in Cardiomyocyte Aging: Role of Dicarbonyl Stress

Abstract

Els cardiomiòcits envellits desenvolupen un desajust entre la demanda i l’oferta d’energia, la gravetat del qual determina l’aparició de la insuficiència cardíaca i es tornen propensos a patir la mort cel·lular. La FoF1-ATP sintasa és la màquina molecular que proporciona més del 90% de l’ATP consumit pels cardiomiòcits sans, i es proposa que formi el porus de transició de permeabilitat mitocondrial (mPTP), un canal de dissipació d’energia implicat en la mort cel·lular. Hem investigat si l’envelliment altera l’autoassemblatge de FoF1-ATP sintasa, un procés biològic fonamental implicat en la morfologia de les crestas mitocondrials i l’eficiència energètica, i les conseqüències funcionals que això pot tenir. Mètodes/Resultats: els mitocondris i els cardiomiòcits del cor purificats de ratolins envellits van mostrar una dimerització deteriorada de FoF1-ATP sintasa (assaig de lligadura nativa i de proximitat blava), associada a una curvatura anormal de la punta de les crestas mitocondrials (TEM). La dimerització defectuosa no va modificar l’activitat hidrolasa in vitro de FoF1-ATP sintasa, però va reduir l’eficiència de la fosforilació oxidativa en mitocondris intactes (en els quals l’arquitectura de la membrana juga un paper fonamental) i va augmentar la susceptibilitat dels cardiomiòcits a patir col·lapse energètic per mPTP. La proteòmica d’alt rendiment i la immunomarcació de fluorescència van identificar la glicació de 5 subunitats de FoF1-ATP sintasa com el mecanisme causant de la dimerització alterada. La inducció in vitro de la glicació de FoF1-ATP sintasa en mioblasts H9c2 va recapitular el conjunt defectuós de FoF1-ATP sintasa relacionat amb l’edat, va reduir la contribució relativa de la fosforilació oxidativa al metabolisme energètic cel·lular i va augmentar la susceptibilitat de mPTP. Conclusions: Aquests resultats identifiquen una dimerització alterada de FoF1-ATP sintasa secundària a la glicació enzimàtica com un nou mecanisme fisiopatològic implicat en la remodelació de les crestas mitocondrials, la deficiència energètica i l’augment de la vulnerabilitat dels cardiomiòcits per patir una fallada mitocondrial durant l’envelliment.

Los cardiomiocitos envejecidos desarrollan un desajuste entre la demanda y la oferta de energía, cuya gravedad determina la aparición de la insuficiencia cardíaca y se vuelven propensos a sufrir la muerte celular. La FoF1-ATP sintasa es la máquina molecular que proporciona más del 90% del ATP consumido por los cardiomiocitos sanos, y se propone que forme el poro de transición de permeabilidad mitocondrial (mPTP), un canal de disipación de energía implicado en la muerte celular. Hemos investigado si el envejecimiento altera el autoensamblaje de FoF1-ATP sintasa, un proceso biológico fundamental implicado en la morfología de las crestas mitocondriales y la eficiencia energética, y las consecuencias funcionales que esto puede tener. Métodos/Resultados: las mitocondrias y los cardiomiocitos del corazón purificados de ratones envejecidos mostraron una dimerización deteriorada de FoF1-ATP sintasa (ensayo de ligadura nativa y de proximidad azul), asociada a una curvatura anormal de la punta de las crestas ). La dimerización defectuosa no modificó la actividad hidrolasa in vitro de FoF1-ATP sintasa, pero redujo la eficiencia de la fosforilación oxidativa en mitocondrias intactas (en las que la arquitectura de la membrana juega un papel fundamental) y aumentó la susceptibilidad de los cardiomiocitos a sufrir colapso energético por mPTP. La proteómica de alto rendimiento y la inmunomarcación de fluorescencia identificaron la glicación de 5 subunidades de FoF1-ATP sintasa como mecanismo causante de la dimerización alterada. La inducción in vitro de la glicación de FoF1-ATP sintasa en mioblastos H9c2 recapituló el conjunto defectuoso de FoF1-ATP sintasa relacionado con la edad, redujo la contribución relativa de la fosforilación oxidativa al metabolismo energético celular y aumentó la susceptibilidad de mPTP. Conclusiones: Estos resultados identifican una dimerización alterada de FoF1-ATP sintasa secundaria a la glicación enzimática como un nuevo mecanismo fisiopatológico implicado en la remodelación de las crestas mitocondriales, la deficiencia energética y el aumento de la vulnerabilidad de los cardiomiocitos para sufrir un fallo el envejecimiento.

Aged cardiomyocytes develop a mismatch between energy demand and supply, the severity of which determines the onset of heart failure, and become prone to undergo cell death. The FoF1-ATP synthase is the molecular machine that provides >90% of the ATP consumed by healthy cardiomyocytes, and is proposed to form the mitochondrial permeability transition pore (mPTP), an energy-dissipating channel involved in cell death. We investigated whether aging alters FoF1-ATP synthase self-assembly, a fundamental biological process involved in mitochondrial cristae morphology and energy efficiency, and the functional consequences this may have. Methods/Results: Purified heart mitochondria and cardiomyocytes from aging mice displayed an impaired dimerization of FoF1-ATP synthase (blue native and proximity ligation assay), associated with abnormal mitochondrial cristae tip curvature (TEM). Defective dimerization did not modify the in vitro hydrolase activity of FoF1-ATP synthase but reduced the efficiency of oxidative phosphorylation in intact mitochondria (in which membrane architecture plays a fundamental role) and increased cardiomyocytes’ susceptibility to undergo energy collapse by mPTP. High throughput proteomics and fluorescence immunolabeling identified glycation of 5 subunits of FoF1-ATP synthase as the causative mechanism of the altered dimerization. In vitro induction of FoF1-ATP synthase glycation in H9c2 myoblasts recapitulated the age-related defective FoF1-ATP synthase assembly, reduced the relative contribution of oxidative phosphorylation to cell energy metabolism and increased mPTP susceptibility. Conclusions: These results identify altered dimerization of FoF1-ATP synthase secondary to enzyme glycation as a novel pathophysiological mechanism involved in mitochondrial cristae remodelling, energy deficiency and increased vulnerability of cardiomyocytes to undergo mitochondrial failure during aging.