A FRET based high content screen identifies DMPK as a novel tether of ER and mitochondria

Inter-organelle communication is a key feature of basic eukaryotic cells functions and of numerous cell signaling events (Bravo-Sagua et al., 2014). One of the best-characterized interorganelle cross talk is that between Endoplasmic Reticulum (ER) and mitochondria(Lopez-Crisosto et al., 2015). Also referred to as mitochondria associated ER-membranes (MAMs), the existence of mitochondria-ER contacts was uncovered 50 years ago through electron microscopic studies(Copeland and Dalton, 1959). The 90s saw the first break-through in functional significance of the MAMs, when Vance and Rizzuto et al., showed that exchange of phospholipids and calcium transfer occurs between the two organelles(Rizzuto et al., 1998; Vance, 1990). Despite the importance of the tether in metabolism and disease(Cali et al., 2013; Giorgi et al., 2015; Vance, 2014), only few proteins have so far been described to maintain the structural integrity of the tether in mammals (Lopez-Crisosto et al., 2015). MFN2was the firststructural tether to be identified. ER localized MFN2 forms homo and heterotypic interactions with mitochondrialMFN2 and MFN1, thus tethering the two organelles. As residual juxtapositionexist in Mfn2-/-cells, yet to be discovered tethersmust exist (de Brito and Scorrano, 2008). Hence, we set out to perform a genome wide screening to identify the structural components of the tether in mouse embryonic fibroblasts (MEFs). In order to perform the genome wide screening, we capitalized on the FRET based biosensor developed by Csordas et al., where CFP fused with FRB domain and YFP fused with FKBP domain were targeted to ER (by a Sac 1 signaling sequence) and mitochondria (by an Akap signaling sequence) respectively (Csordas et al., 2010). We modified this biosensor by driving expression of both fluorescent molecules from a single mRNA, introducing between their cDNAs a self-cleaving Tav2A peptide(Luke et al., 2008). This modification allows expressing equimolar level of the proteins. Thanks to FKBP and FRB binding domain, which interacts upon addition of rapamycin, we were able to study the basal and maximal level of juxtaposition between the two organelles. We then utilized this modified biosensor to perform a high content screen to identify molecules that either tether or space ER and mitochondria. We termed them as tethers and spacers respectively. We analyzed raw images from the screen and calculated the maximum number of contacts possible for every gene. Following automated image analysisand statistical analysis using R programming in cellHTS2 package of the primary screen performed on ~10,000 genes, we identified 14.4% genes as ER-mitochondria tethers (i.e., genes that once ablated increase the distance between the two organelles) and 5.3% genes as spacers (i.e., genes that once ablated decrease the distance between the two organelles). Pathway analysis using reactome and Panther predicted both existing and new pathways that are yet to explored in terms of ERmitochondria communication. Subcellular localization analysis of the tethers revealed eight proteins predicted to be present in both ER and outer mitochondrial membrane (OMM). One of the eight is myotonic dystrophy protein kinase (DMPK) and we have further characterized how DMPK tethers ER and mitochondria. DMPK is mutated in myotonic dystrophy 1 (DM1) (Cho and Tapscott, 2007). Having six known isoforms based on alternate splicing in humans and mouse (Wansink et al., 2003), DMPK’s role in myotonic dystrophy is not yet understood completely since the KO model of this gene developed late onset of myopathy and cardiac contractile dysfunction (Reddy et al., 1996). The subcellular localization either to ER or to mitochondria of the isoforms have been identified, although very less emphasis has been given to the functional relevance of different sub-cellular localizations. In conclusion, we have developed a new method to assess the proximity of ER and mitochondria and we have utilized this technology in a high content screen to identify novel structural components of the tether. The data from the screen has also spanned several existing pathways where ER-mitochondria junction has been implicated but not completely understood. Hence, the molecules identified from our screen, will help in unraveling the molecular players in these cellular pathways.

La comunicazione tra organelli cellulari è una delle principali funzioni delle cellule eucariotiche e di numerosi processi di segnalazione (Bravo-Sagua et al., 2014). Uno dei cross-talk intracellulari maggiormente caratterizzati è quello tra reticolo endoplasmatico (ER) e mitocondri (Lopez-Crisosto et al., 2015). Definiti anche come “Membrane ER Associate ai Mitocondri” (MAMs), l’esistenza dei contatti tra mitocondri ed ER è stata scoperta più di 50 anni fa tramite studi di microscopia elettronica (Copeland and Dalton, 1959). Gli anni 90 videro poi il primo punto di svolta per la comprensione del significato funzionale dei MAMs quando Vance e Rizzuto et al., dimostrarono che lo scambio di fosfolipidi ed il trasferimento di ioni calcio avviene proprio nei punti di giunzione tra questi due organelli. Malgrado l’importanza di questi contatti nei processi metabolici e patologici, finora solo per poche proteine è stata descritta la funzione di mantenimentodell’integrità strutturale dei MAMsnei mammiferi (Lopez-Crisosto et al., 2015). MFN2 è stato il primo componente strutturale dei MAMs ad essere identificato. La componente di Mfn2 localizzata sulla membrana dell’ER è in grado di formare interazioni omo- ed eterotipiche con molecole di MFN2 e MFN1 presenti nella membrana mitocondriale, formando così un ponte tra i due organelli. Poiché una residua giustapposizione tra mitocondri ed ER è stata osservata anche in cellule Mfn2-/-, ne consegue che devono esistere altre molecoleancora da scoprire coinvolte nella modulazione dei contatti tra i due organelli. Abbiamo quindi voluto eseguire uno screening genomico su larga scala per identificare i componenti strutturali delle giunzioni tra mitocondri ed ER in fibroblasti embrionali murini (MEF). Per fare ciò, abbiamo sfruttato al meglio un biosensore basato sulla FRET sviluppato da Csordas et al., in cui la proteina CFP è fusa con il dominio funzionale FRB, e la proteina YFP con il dominio funzionale FKBP. Queste proteine andranno a legarsi rispettivamente all’ER (tramite la sequenza di localizzazione Sac1) ed ai mitocondri (tramite la sequenza di localizzazione Akap) (Csordas et al., 2010). Abbiamo modificato questo biosensore affinchéentrambe le molecole fluorescenti si trovassero su unico mRNA e la loro espressione fosse guidata da un singolo promotore, tramitel’introduzione tra i loro cDNA del peptide auto-catalitico Tav2a (Luke et al., 2008). Grazie ai domini di legame FKBP e FRB, che interagiscono dopo l’aggiunta di rapamicina, siamo stati in grado di misurare sia il livello basale sia il massimo livello di giustapposizione tra i due organelli. Abbiamo poi utilizzato questo biosensore così modificato per seguire uno screening genetico su larga scala in modo da identificare le molecole che avvicinano o allontanano ER e mitocondri, definite rispettivamente come “tethers” e “spacers”. Abbiamo analizzato le immagini non processate ottenute tramite lo screening e calcolato per ogni gene il numero massimo di contatti possibili. A seguito dell’analisi automatizzata delle immagini e successivamente dell’analisi statistica, effettuata utilizzando il pacchetto cellHTS2 tramite la programmazione in R,dei dati dello screening primario effettuato su ~10000 geni, abbiamo classificato il 14.4% dei geni come tethers tra ER e mitocondri (i.e., geni che una volta rimossi aumentano la distanza tra i due organelli) e il 5.3% come spacers (i.e., geni che una volta rimossi diminuiscono la distanza tra i due organelli). L’analisi dei processi cellulari in cui questi geni risultano coinvolti tramite i programmi Reactome ePanther ha evidenziato sia pathways già noti sia altri che devono ancora essere esplorati in termini di comunicazione tra mitocondri ed ER. L’analisi della localizzazione subcellulare delle proteine classificate come “tethers” ha rivelato otto proteine per cui è stata predetta la localizzazione sia all’ER sia nella membrana mitocondriale esterna (OMM). Una di queste otto proteine è DMPK (myotonicdystrophyproteinkinase), abbiamo quindi ulteriormente caratterizzato come DMPK tether tra ER e mitocondri. DMPK risulta mutata nella distrofia miotonica 1 (DM1) (Cho and Tapscott, 2007). Questa proteina presenta sei isoforme note dovute asplicing alternativo sia nell’uomo sia nel topo (Wansink et al., 2003). Il ruolo di DMPK nella distrofia miotonica non è ancora completamente chiarito, in quanto il modello animale KO per questo gene sviluppa tardivamente miopatia e disfunzioni cardiache contrattili (Reddy et al., 1996). La localizzazione subcellulare delle varie isoformeè stata riportata ai mitocondri o all’ER, tuttavia molta meno enfasi è stata data alla sua rilevanza funzionale. In conclusione, abbiamo sviluppato un nuovo metodo per determinare la prossimità tra ER e mitocondri ed abbiamo utilizzato questa tecnologia in uno screening genetico su larga scala per identificare nuovi componenti strutturali che regolano i contatti tra i due organelli. I dati ricavati da questo screening mettono in evidenza anche molti processi cellulari in cui le giunzioni tra mitocondri ed ER erano state implicate, ma il loro ruolo non è stato ancora completamente compreso. Le molecole identificate tramite il nostro screen aiuteranno quindi a svelare i componenti molecolari in questi pathways cellulari.