Les fragments dérivés de trnaGlu induits par le vieillissement perturbent la biosynthèse du glutamate en ciblant la traduction mitochondriale dépendante de la structure des crêtes

Contexte académique

Les crêtes mitochondriales sont des structures qui se projettent vers l’intérieur de la membrane interne des mitochondries et subissent des changements morphologiques importants au cours du vieillissement. Cependant, les mécanismes moléculaires à l’origine de ces changements et leur contribution au vieillissement cérébral restent mal compris. Le maintien de l’ultrastructure des crêtes mitochondriales est crucial pour le fonctionnement normal des enzymes respiratoires présentes dans les crêtes, et si la structure des crêtes est perturbée, l’activité enzymatique sur la membrane interne sera considérablement réduite. La glutaminase (GLS) est une enzyme importante située dans les crêtes, responsable de la catalyse de la production de glutamate et du maintien des niveaux de glutamate dans l’environnement neuronal. Le glutamate, l’acide aminé neuroactif le plus abondant et le principal neurotransmetteur excitateur, voit ses niveaux diminuer progressivement au cours du vieillissement cérébral, souvent accompagné d’un déclin de la mémoire.

Les petits ARN dérivés des ARN de transfert (tsRNAs) sont produits à partir d’ARNt matures sous diverses conditions de stress et participent à de nombreux processus physiologiques et pathologiques. Cependant, les fonctions et les mécanismes moléculaires des tsRNAs dans la spécificité des organes ne sont pas encore entièrement élucidés. Cette étude a examiné le rôle et le mécanisme d’un tsRNA dérivé de l’ARNt Glu-CTC (ARNt Glu) codé par le noyau, à savoir le glu-50tsRNA-CTC, dans le processus de vieillissement cérébral.

Présentation de la source de l’étude

Cette étude a été réalisée par des chercheurs de l’Université des Sciences et Technologies de Chine, dont Dingfeng Li, Xinyi Gao, Xiaolin Ma, Ming Wang, Chuandong Cheng, Tian Xue, Feng Gao, Yong Shen, Juan Zhang et Qiang Liu. L’étude a été publiée dans la revue “Cell Metabolism” le 7 mai 2024.

Description détaillée de la recherche

Conception et processus expérimental

Cette étude a analysé les profils d’expression des tsRNAs dans le cortex préfrontal médian (mPFCs) de souris âgées de 3 mois et 22 mois par séquençage de petits ARN (RNA-seq), révélant une augmentation significative du glu-50tsRNA-CTC. L’accumulation de glu-50tsRNA-CTC dans les mPFCs de souris âgées a été identifiée et validée par Northern blot, et son accumulation spécifique dans les neurones glutamatergiques a été confirmée par hybridation in situ combinée à l’immunofluorescence.

L’étude a en outre révélé le mécanisme de génération du glu-50tsRNA-CTC. Par le biais d’expériences de pull-down d’ARN et d’immunoprécipitation (IP), il a été découvert que le glu-50tsRNA-CTC est importé dans les mitochondries en se liant à la leucyl-ARNt synthétase 2 (LARS2), où il inhibe de manière compétitive l’aminoacylation du mt-tRNALeu, perturbant ainsi la synthèse des protéines mitochondriales et conduisant finalement à des dommages aux crêtes et à une diminution des niveaux de GLS.

À l’aide de la microscopie électronique à transmission (TEM) et de la PCR quantitative (qPCR), l’étude a également montré que l’atténuation du glu-50tsRNA-CTC peut améliorer les défauts des crêtes et la diminution des niveaux de glutamate dans les mPFCs de souris âgées, et améliorer significativement leur structure synaptique et leurs capacités mnésiques.

Principaux résultats de la recherche

Le vieillissement induit la production de glu-50tsRNA-CTC dans le cerveau

L’analyse par RNA-seq a révélé que le tsRNA glu-50tsRNA-CTC est formé par un clivage spécifique de l’ARNt Glu-CTC mature par l’angiogénine (Ang) et s’accumule significativement dans les mPFCs de souris âgées. Des expériences supplémentaires ont montré que la déphosphorylation d’Ang induit sa translocation nucléo-cytoplasmique, conduisant à la génération et à l’accumulation de glu-50tsRNA-CTC dans le cytoplasme.

Accumulation de glu-50tsRNA-CTC dans les mitochondries des neurones glutamatergiques

L’étude a révélé que le glu-50tsRNA-CTC s’accumule spécifiquement dans les mitochondries des neurones glutamatergiques, cette accumulation étant médiée par un mécanisme d’importation impliquant LARS2. L’interaction entre glu-50tsRNA-CTC et LARS2 a été validée par des expériences de pull-down d’ARN et d’immunoprécipitation, et il a été découvert que la séquence uua de glu-50tsRNA-CTC et le domaine anticodon de LARS2 sont essentiels à leur interaction.

Le glu-50tsRNA-CTC interfère avec la liaison de mt-tRNALeu à LARS2 et perturbe l’aminoacylation de mt-tRNALeu

En augmentant l’expression de glu-50tsRNA-CTC, une diminution significative du mt-tRNALeu lié à LARS2 a été observée, indiquant que glu-50tsRNA-CTC est en compétition avec mt-tRNALeu pour la liaison à LARS2, entraînant une inhibition de l’aminoacylation de mt-tRNALeu et perturbant ainsi la traduction des protéines mitochondriales.

Les défauts de traduction mitochondriale médiés par glu-50tsRNA-CTC conduisent à des dommages structurels des crêtes mitochondriales

L’étude a validé que la surexpression de glu-50tsRNA-CTC ou l’inhibition de LARS2 entraîne des défauts de traduction des protéines mitochondriales, perturbant ainsi l’organisation normale des crêtes mitochondriales et conduisant à une diminution significative de l’efficacité des crêtes et une augmentation de leur diamètre. À l’inverse, il a été constaté que la surexpression de LARS2 peut atténuer ces défauts, restaurant l’aminoacylation de mt-tRNALeu et la traduction mitochondriale.

L’organisation normale des crêtes mitochondriales maintient la synthèse de glutamate dépendante de GLS

L’étude a révélé que glu-50tsRNA-CTC réduit les niveaux de glutamate dans les mitochondries en endommageant l’organisation des crêtes et la stabilité de la protéine GLS. L’observation par TEM et l’analyse quantitative ont montré que Glu-50tsRNA-CTC peut entraîner l’ubiquitination et la dégradation de GLS, réduisant davantage les niveaux de glutamate. L’utilisation d’inhibiteurs du protéasome a pu bloquer la dégradation de GLS, confirmant l’implication du mécanisme d’ubiquitination.

La réduction des niveaux de glu-50tsRNA-CTC dans le cerveau améliore les capacités mnésiques des souris âgées

À l’aide d’expériences comportementales (telles que le labyrinthe aquatique de Morris, la reconnaissance d’objets et les tâches de conditionnement à la peur), il a été constaté que l’interférence avec glu-50tsRNA-CTC peut améliorer significativement la mémoire spatiale et contextuelle des souris âgées, indiquant que glu-50tsRNA-CTC est un facteur important dans le déclin de la mémoire lié au vieillissement cérébral.

Conclusion et valeur de la recherche

En explorant la génération et l’accumulation de glu-50tsRNA-CTC et son rôle dans la perturbation de la biosynthèse du glutamate via l’altération de la structure des crêtes dépendante de la traduction mitochondriale, cette étude révèle en profondeur le rôle pathologique des tsRNAs dans le vieillissement cérébral et le déclin de la mémoire. En même temps, la stratégie thérapeutique ASO ciblant glu-50tsRNA-CTC offre une voie de traitement potentielle pour les troubles cognitifs liés au vieillissement. Cette recherche fournit non seulement des informations scientifiques importantes sur les mécanismes moléculaires du vieillissement cérébral, mais présente également une valeur applicative significative pour le développement de nouvelles approches thérapeutiques.