PTRH2 as a checkpoint of mitochondrial induced-apoptosis in Cancer and Neurodegeneration

Mitochondria are structures within the cells able to decode a variety of extracellular stimuli into greatly different intracellular actions, ranging from energy production to cell death. When mitochondrial Ca2+ homeostasis is compromised, very different pathological conditions can occur, from cancer to neurodegenerative diseases, depending on the cell type and pathway involved. During my Phd, I tried to shed light on the molecular mechanism by which PTRH2, a mitochondrial protein, regulates cell-survival and death both in cancer and in neurodegenerative disease. PTRH2 is a protector of stress-induced apoptosis in adherent cells. The pro-survival activity of PTRH2 has been attributed to its effects at the mitochondria by an unknown mechanism. Patients with an inherited homozygous germ line PTRH2 mutation (PTRH2DF) develop infantile multisystem neurologic disease characterized by postnatal microcephaly, progressive cerebellar atrophy and neurodegenerative disease (IMNPED). Cells with reduced PTRH2 levels or PTRH2DF patient cells exhibit increased sensitivity to stress-induced apoptosis whereas cells with high PTRH2 levels are resistant. In this project, I demonstrated that high PTRH2 expression in Neuroblastoma (NB) patient tumors correlates with poor prognosis, stage 4 metastasis, low mitochondrial Ca2+ and resistance to treatment. NB cells with reduced PTRH2 and PTRH2DF cells display high mitochondrial Ca2+ and enhanced apoptotic response to treatment. In this work, we demonstrate that PTRH2 modulate, by interacting with deubiquitinase Trabid, protein expression of mt-ND5 of mitochondrial complex I. Thus, PTRH2 stabilizes MT-ND5 activity modulating Ca2+ fluxes and ATP levels in mitochondria and protecting cells from stress-induced apoptosis. We propose that PTRH2 is a mitochondrial gatekeeper whereby loss of PTRH2 results in mitochondrial Ca2+ overload and cell death leading to neurodegenerative disease. High PTRH2 expression induces low mitochondrial Ca2+ uptake promoting resistance to cell death and tumor development. Our data provide a mechanistic rationale for the ability of PTRH2 to regulate mitochondrial-induced apoptosis and provide a new starting point for future investigations aimed at identifying new therapies for and against mitochondrial-mediated cell death.

I mitocondri sono strutture intracellulari in grado di decodificare una varietà di stimoli extracellulari, che vanno dalla produzione di energia alla morte cellulare. Quando l'omeostasi del Ca2+ mitocondriale è compromessa, possono verificarsi condizioni patologiche molto diverse, dal cancro alle malattie neurodegenerative, a seconda del tipo di cellula e del pathway molecolare coinvolto. Durante il mio dottorato, ho cercato di fare luce sul meccanismo molecolare attraverso il quale PTRH2, una proteina mitocondriale, regola la sopravvivenza e la morte cellulare sia in neuroblastoma che nelle malattie neurodegenerative. PTRH2 è un protettore dell'apoptosi indotta da stress nelle cellule aderenti. L'attività pro-survival di PTRH2 è stata attribuita ai suoi effetti sui mitocondri, tuttavia il meccanismo d’azione resta ancora sconosciuto. I pazienti con una mutazione germinale omozigote PTRH2 (PTRH2DF) sviluppano una malattia neurologica multisistemica infantile caratterizzata da microcefalia postnatale, atrofia cerebellare progressiva e malattia neurodegenerativa (IMNPED). Le cellule con bassi livelli di espressione di PTRH2 o quelle da pazienti con PTRH2DF mostrano una maggiore sensibilità all'apoptosi indotta da stress, mentre le cellule con alti livelli di espressione di PTRH2 sono resistenti alla morte indotta da stimoli apoptotici. In questo progetto, ho dimostrato che un'elevata espressione di PTRH2 nei tumori dei pazienti con neuroblastoma (NB) è correlata a prognosi sfavorevole, con sviluppo di metastasi allo stadio 4, livelli di Ca2+mitocondriale bassi e resistenza al trattamento chemioterapico. Al contrario, cellule di NB che esprimono poco o mancano di PTRH2 mostrano un elevato Ca2+ mitocondriale e una risposta apoptotica migliorata al trattamento chemioterapico. In questo lavoro, dimostriamo che PTRH2 modula, interagendo con la deubiquitinasi Trabid, l'espressione proteica di mt-ND5, subunità del complesso I mitocondriale. Pertanto, PTRH2 stabilizza l'attività di mt-ND5 modulando i flussi di Ca2+ e i livelli di ATP nei mitocondri e proteggendo le cellule dallo stress indotto apoptosi. Proponiamo che PTRH2 sia un gatekeeper mitocondriale, per cui la perdita di PTRH2 provoca sovraccarico di Ca2+ mitocondriale e morte cellulare che porta a sviluppo di malattie neurodegenerative. Al contrario, un'elevata espressione di PTRH2 induce un basso assorbimento mitocondriale di Ca2+ promuovendo la resistenza alla morte cellulare e allo sviluppo del tumore. I nostri dati forniscono un razionale meccanicistico per la capacità del PTRH2 di regolare l'apoptosi indotta dai mitocondri e forniscono un nuovo punto di partenza per future indagini volte a identificare nuove terapie per e contro la morte cellulare mediata dai mitocondri.