Una nuova variante di giunzione di Elp3/Kat9 regola la modifica e la funzione del tRNA mitocondriale

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 14804 (2022) Citare questo articolo

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Le modifiche post-traduzionali, come l'acetilazione della lisina, regolano l'attività di diverse proteine ​​in molti compartimenti cellulari. La deacetilazione delle proteine ​​nei mitocondri è catalizzata dall'attività enzimatica della deacetilasi sirtuina 3 NAD+-dipendente (SIRT3), tuttavia non è chiaro se esistano corrispondenti acetiltransferasi mitocondriali. Abbiamo utilizzato un approccio bioinformatico per cercare proteine ​​mitocondriali con un dominio catalitico dell'acetiltransferasi e identificato una nuova variante di giunzione di ELP3 (mt-ELP3) del complesso elongatore, che si localizza nella matrice mitocondriale nelle cellule di mammifero. Inaspettatamente, mt-ELP3 non media l'acetilazione delle proteine ​​mitocondriali ma induce invece una modifica post-trascrizionale degli RNA di trasferimento mitocondriale (mt-tRNA). La sovraespressione di mt-ELP3 porta alla protezione dei mt-tRNA contro l'angiogenina RNasi specifica del tRNA, aumenta la traduzione mitocondriale e inoltre aumenta l'espressione dei complessi OXPHOS. Questo studio identifica quindi mt-ELP3 come un enzima modificante il mt-tRNA non canonico.

L'acetilazione della lisina è un importante regolatore di molteplici proteine ​​che risiedono in diversi compartimenti cellulari, inclusi gli enzimi metabolici mitocondriali1. Questa modifica post-traduzionale reversibile è controllata da lisina acetiltransferasi (KAT) e deacetilasi (KDAC) concorrenti che catalizzano rispettivamente l'aggiunta e la rimozione di un gruppo acetile da un residuo di lisina2. Abbiamo precedentemente dimostrato che SIRT3 è una proteina deacetilasi mitocondriale NAD+-dipendente che controlla il metabolismo energetico3. Questi risultati ci hanno motivato a cercare eventuali KAT mitocondriali corrispondenti. Poiché la matrice mitocondriale ha una concentrazione di acetil-CoA più elevata e un pH più elevato rispetto ad altri compartimenti cellulari, è stato proposto che l'acetilazione mitocondriale avvenga tramite un meccanismo non enzimatico1. Tuttavia, questo meccanismo non esclude l'esistenza di un KAT mitocondriale. Infatti, GCN5L1 (controllo generale della sintesi degli amminoacidi 5)-like 1 e ACAT1 (acetil-CoA acetiltransferasi 1) sono plausibili KAT mitocondriali4,5.

Qui, abbiamo utilizzato un approccio bioinformatico per cercare proteine ​​mitocondriali con un dominio catalitico dell'acetiltransferasi. Questa analisi ha portato all'identificazione di una nuova variante di giunzione della proteina elongatrice 3 (ELP3), nota anche come KAT9, la nota subunità catalitica del complesso elongatore di trascrizione a sei subunità (Elp1-Elp6). ELP3 ha due presunti domini enzimatici: il dominio radicale S-adenosilmetionina (SAM) contiene ferro-zolfo [4Fe–4S], un cluster importante per la metilazione dei tRNA mediante attività di scissione riduttiva del SAM6,7,8,9 e un dominio C-terminale Dominio KAT con sequenza simile alla superfamiglia delle acetil transferasi simili a GCN5. Pertanto, ELP3 potrebbe acetilare gli istoni10 e altri bersagli proteici, utilizzando l'acetil-CoA come cofattore11. Tuttavia, ELP3 può anche modificare i (cyt)-tRNA citoplasmatici12,13. A questo proposito, ELP3 è necessario per formare la modifica 5-metossi-carbonilmetil-2-tiouridina (mcm5s2U34) e 5-carbamoil-metil-2-tiouridina (ncm5s2U34) delle uridine oscillanti U34 (posizione 34) in molti cyt-tRNA obiettivi12,13,14. Queste modifiche post-trascrizionali del tRNA sono necessarie per l'accuratezza e l'efficienza della traduzione delle proteine15,16 e la loro mancanza porta a una varietà di malattie umane17,18. In particolare, la disregolazione dell'attività di modifica del tRNA di ELP3 è principalmente associata a disturbi neurologici19,20.

Nel presente studio, caratterizziamo questa nuova variante di giunzione di ELP3 (mt-ELP3) e forniamo prove che mt-ELP3, ma non altre varianti, si localizza nei mitocondri. Inaspettatamente, mt-ELP3 non è coinvolto nell'acetilazione delle proteine ​​mitocondriali ma nella modificazione post-trascrizionale dei tRNA mitocondriali (mt). Mostriamo che la sovraespressione di mt-ELP3 porta alla protezione dei mt-tRNA contro l'angiogenina RNasi specifica del tRNA e migliora la funzione mitocondriale aumentando la traduzione mitocondriale, l'espressione dei complessi del sistema di fosforilazione ossidativa (OXPHOS) e la respirazione mitocondriale. In particolare, mt-ELP3 è altamente espresso nel cervello, suggerendo che potrebbe svolgere un ruolo importante in questo tessuto. Nel complesso, i nostri risultati identificano mt-ELP3 come un enzima modificante il mt-tRNA non canonico.