Serum Response Factor and Actin Treadmilling Influence Neuronal Mitochondrial Dynamics

Abstract

This work addresses the influences of the transcription factor SRF, actin treadmilling and cofilin activity on mitochondrial dynamics with regard to size, (ultra)structure and trafficking. In vivo experiments showed that SRF loss-of-function (LOF) resulted in multi-vesiculated mitochondria in corpus-callosal cross-sections and impairment of mitochondrial distribution in cortical neurons. Furthermore, ATP-content of Srf mutant brain was reduced as well as ATP-production capacity. In vitro Srf mutant neurons displayed mitochondrial fragmentation, impaired mitochondrial occupancy and ultrastructural membrane disorganization. Furthermore, fewer mitochondria moved at slower velocities as compared to wild-type neurons. Of note, all parameters could be rescued upon overexpression of constitutively active SRF-VP16 in an Srf mutant background. Furthermore, in wild-type neurons SRF-VP16 overexpression resulted in the formation of large mitochondrial networks and increased movement velocity. These effects were SRF- as well as mitochondria-specific. As SRF is a major regulator of actin treadmilling, the contribution of actin microfilament dynamics to mitochondria was investigated. It turned out that shifting the G/F-actin ratio towards monomeric G-actin led to mitochondrial fragmentation (similar to SRF LOF), whereas increasing the F-actin amount enlarged mitochondria and directed them to F-actin rich growth cone areas. Furthermore, it was shown that cofilin activity regulates mitochondrial size and distribution. A constitutively active cofilin mutant as well as increasing the cofilin activity by overexpression of slingshot phosphatase rescued mitochondria as well as neurite outgrowth in Srf mutant neurons. Furthermore, a permanently inactive cofilin mutant decreased mitochondrial size and circumvented the SRF-VP16-effect on mitochondria. This speaks in favor of an SRF-cofilin-actin axis controlling mitochondrial dynamics: SRF normally activates cofilin indirectly, leading to actin severing, formation of new F-actin filaments and subsequent positive effects on mitochondrial size as well as distribution. Additionally, it was shown that SRF exerts a mitochondria-protective function by saving mitochondria against toxic stress or protecting them against the effects of mutant huntingtin protein. In this context SRF expression was reduced in mutant huntingtin brains which might provide a new understanding of this neurodegenerative disease.

In dieser Arbeit wurden die Einflüsse des Transkriptionsfaktors Serum Response Factor (SRF), des Aktin-Zytoskeletts sowie der Aktivität von Cofilin auf die mitochondriale Dynamik in Neuronen hinsichtlich Größe (Ultra)Struktur und Transport untersucht. In vivo Experimente zeigten, dass ein Knockout des Srf Gens in einer veränderten mitochondrialen Ultrastruktur, sowie in einer Beeinträchtigung des mitochondrialen Verteilungsmusters resultierte. Darüber hinaus waren sowohl Menge als auch Produktionsrate von ATP in Hirngewebe von Srf mutierten Mäusen vermindert. In vitro waren Mitochondrien in SRF-defizienten Neuronen signifikant verkleinert und akkumulierten im Zellkernbereich. Elektronenmikroskopische Untersuchungen zeigten auch in vitro eine veränderte Ultrastruktur der Mitochondrien. Des Weiteren waren die Bewegungseigenschaften verändert und es wurden weniger Mitochondrien mit einer geringeren Geschwindigkeit als in wildtypischen Neuronen transportiert. Alle diese beobachteten mitochondrialen Parameter konnten durch Überexpression eines konstitutiv aktiven SRF-VP16-Konstruktes in SRF-defizienten Neuronen auf ein Kontrollniveau zurückgeführt werden. Die SRF-VP16 vermittelte konstitutive Aktivierung von SRF-Zielgenen führte in wildtypischen Neuronen zur Ausbildung von großen mitochondrialen Netzwerken und erhöhte die Bewegungsgeschwindigkeit von mitochondrialen Objekten. Alle diese beobachteten Effekte waren spezifisch hinsichtlich des betroffenen Organells (den Mitochondrien) als auch des aktiven Transkriptionsfaktors (SRF). Da SRF ein Hauptregulator der Dynamik des Aktin-Zytoskeletts ist, wurde der Einfluss des Aktin-Mikrofilaments auf Mitochondrien untersucht. Es zeigte sich, dass die Verschiebung des G/F-Aktin-Gleichgewichtes zugunsten des monomeren G-Aktins in mitochondrialer Fragmentierung resultierte. Hingegen führte die Bildung von filamentösem F-Aktin zu einer Größenzunahme der Mitochondrien, die sich in F-Aktin reichen zellulären Regionen (vor allem dem Wachstumskegel) ansammelten. Des Weiteren konnte gezeigt werden, dass das Aktin-Bindeprotein Cofilin sowohl Größe als auch Verteilung von Mitochondrien beeinflusst. Eine konstitutiv aktive Cofilin-Mutante konnte die Größe von Mitochondrien und das Neuritenwachstum in SRF-defizienten Neuronen auf ein Normalmaß erhöhen. Derselbe Effekt wurde durch eine Cofilin-Aktivierung mittels Überexpression der Slingshot-Phosphatase in Srf mutierten Neuronen erreicht. Hingegen führte die Überexpression einer inaktiven Cofilin-Mutante in wildtypischen Neuronen zu einer Verkleinerung der Mitochondrien und blockierte den durch SRF-VP16 vermittelten Effekt auf Mitochondrien. Zusammengenommen legt diese Arbeit die Beteiligung einer SRF-Cofilin-Aktin-Achse bei der Kontrolle mitochondrialer Dynamik nahe: Normalerweise aktiviert SRF Cofilin indirekt, was zu einem Abbau des F-Aktins führt. Die dadurch generierten Aktin-Oligomere können als neue Polymerisationskeime fungieren, was die Ausbildung von weiterem F-Aktin begünstigt und nachfolgend positive Effekte auf Größe und Verteilung der Mitochondrien hat. Zusätzlich konnte in dieser Arbeit gezeigt werden, dass der Transkriptionsfaktor SRF schützende Effekte auf die mitochondriale Dynamik im Zusammenhang mit der neurodegenerativen Erkrankung Chorea Huntington ausübt. Dabei bewahrte die Überexpression von SRF-VP16 in vitro die Mitochondrien vor einer Huntingtin vermittelten Fragmentierung. In vivo Experimente zeigten, dass die Expression von SRF im Hippocampus von Huntingtin mutierten Maushirnen im Vergleich zu wildtypischen Gehirnen vermindert war. Diese Erkenntnisse könnten zukünftig Bedeutung für ein neuartiges Verständnis dieser neurodegenerativen Erkrankung besitzen.