Ferroptosis pathway regulation by the Dynamin superfamily of large GTPases

Prieto Clemente, Laura (2022). Ferroptosis pathway regulation by the Dynamin superfamily of large GTPases. PhD thesis, Universität zu Köln. Open Access

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Abstract

Ferroptosis is a recently described form of regulated cell death characterised by the iron-dependent generation of lethal amounts of lipid reactive oxygen species (ROS). Therefore, iron import is an essential process for the execution of ferroptosis. Iron uptake via transferrin receptor endocytosis is dependent on the GTPases dynamin 1 and 2. Indeed, the dynamin 1 and 2 inhibitor dynasore, can protect from ischemia/reperfusion injury, a type of tissue damage that has been shown to be also blocked by the ferroptosis inhibitor ferrostatin-1. Yet, it is unknown whether the regulation of iron uptake by dynamin 1 and 2 is essential for the execution of ferroptosis. A second characteristic hallmark of ferroptosis is the accumulation of ROS. Mitochondria play a central role in the generation of ROS through oxidative phosphorylation (OXPHOS). Importantly, experimental induction of ferroptosis was shown to induce mitochondrial fragmentation and mitochondrial ROS. Morphological changes of mitochondria are mainly regulated by another member of the dynamin family of GTPases, dynamin-related protein 1 (Drp1). Interestingly, heterozygous drp1 knockout mice show defective mitochondrial fission and low levels of lipid ROS in tissues. Yet, how mitochondrial events are regulated during ferroptosis, including a potential role of Drp1, have remained unexplored. The aim of this study was to investigate potential roles for the dynamin family members dynamin 1, 2 and Drp1 in the regulation of the ferroptosis pathway and to elucidate underlying molecular mechanisms. Surprisingly, while the dynamin 1 and 2 inhibitor dynasore efficiently blocked ferroptosis induction, silencing of its main molecular targets dynamin 1 and 2 was not sufficient to block ferroptosis. Instead, in cell free systems, dynasore showed radical scavenger properties and acted as a broadly active antioxidant. Moreover, we found that Drp1 translocates to mitochondria and promotes cysteine-deprivation induced (CDI) ferroptosis. Of note, we observed Drp1 to be phosphorylated upon induction of ferroptosis in a manner dependent on CaMKIIα. Collectively, these data propose that dynasore can function as a highly active inhibitor of ROS-driven types of cell death via combined modulation of the iron pool and inhibition of general ROS. On the other hand, our data reveal that dynamin 1 and 2 silencing is insufficient to regulate ferroptosis execution. Furthermore, we have reported a key role of Drp1 in the regulation of mitochondrial fragmentation in CDI ferroptosis. These findings contribute towards our understanding of the ferroptosis pathway, as well as its implication in the physiopathology of diseases associated with this type of cell death.

Item Type:

Thesis (PhD thesis)

Translated abstract:

Abstract

Language

Ferroptose ist eine kürzlich beschriebene Form des regulierten Zelltods, der durch die eisenabhängige Entstehung von Lipid-reaktiver Sauerstoffspezies (ROS) gekennzeichnet ist, die zu einer Destabilisierung der Membran führen können. Daher ist der Eisenimport ein wesentlicher Bestandteil des Ferroptose�Signalwegs. Die Eisenaufnahme über die Endozytose des Transferrinrezeptors ist von den GTPasen Dynamin 1 und 2 abhängig. Tatsächlich kann der Dynamin 1 und 2-Inhibitor Dynasore vor Gewebsschäden durch Ischämie/Reperfusion schützen und der Gleiche Effekt kann durch den Ferroptose-Inhibitor Ferrostatin�1 erreicht werden. Es ist jedoch nicht bekannt, ob die Regulierung der Eisenaufnahme durch Dynamin 1 und 2 eine Voraussetzung für den durch Ferroptose ausgelösten Zelltod ist. Ein zweites charakteristisches Merkmal der Ferroptose ist die Akkumulation von ROS. Die Mitochondrien spielen eine zentrale Rolle bei der Erzeugung von ROS durch oxidative Phosphorylierung (OXPHOS). Es konnte gezeigt werden, dass die experimentelle Induktion der Ferroptose die mitochondriale Fragmentierung und die Entstehung von mitochondrialem ROS auslöst. Morphologische Veränderungen der Mitochondrien werden hauptsächlich durch ein anderes Mitglied der Dynamin�Familie von GTPasen, Dynamin-related Protein 1 (Drp1), reguliert. Interessanterweise zeigen heterozygote Drp1-Knockout-Mäuse eine defekte mitochondriale Fission und verminderte Lipid-ROS Mengen im Gewebe. Wie die mitochondrialen Prozesse während der Ferroptose reguliert werden, einschließlich einer möglichen Rolle von Drp1, ist jedoch noch nicht erforscht worden. Ziel dieser Studie war es, die mögliche Rolle der Dynamin�Familienmitglieder Dynamin 1, 2 und Drp1 bei der Regulierung des Ferroptose�Signalwegs zu untersuchen und die zugrunde liegenden molekularen Mechanismen aufzuklären. Überraschenderweise konnte der der Dynamin 1 und 2-Inhibitor Dynasore zwar effizient die Ferroptose-Induktion blockieren, aber der Knockdown seiner wichtigsten molekularen Ziele Dynamin 1 und 2 war nicht ausreichend, um Zelltod durch Ferroptose zu blockieren. Stattdessen konnte in zellfreien Systemen gezeigt werden, dass dynasore Eigenschaften eines Radikalfängers besitzt und als breit wirksames Antioxidans fungiert. Darüber hinaus fanden wir heraus, dass Drp1 in die Mitochondrien transloziert und die durch Cystin-Entzug induzierte Ferroptose (CDI) fördert. Bemerkenswert ist, dass wir beobachtet haben, dass die Phosphorylierung von Drp1 bei der Induktion der Ferroptose von CamKIIalpha abhängig ist. Insgesamt deuten diese Daten darauf hin, dass Dynasore über eine kombinierte Modulation des Eisenpools und die Hemmung allgemeiner ROS Spezies als hochaktiver Inhibitor von ROS-getriebenen Arten des Zelltods fungieren kann. Andererseits zeigen unsere Daten, dass der Knockdown von Dynamin 1 und 2 nicht ausreicht, um Ferroptose zu regulieren. Darüber hinaus haben wir eine Schlüsselrolle von Drp1 bei der Regulierung der mitochondrialen Fragmentierung in der CDI-Ferroptose entdeckt. Diese Ergebnisse tragen zu unserem Verständnis des Ferroptose�Signalwegs bei sowie seiner Bedeutung für die Physiopathologie von Krankheiten bei, die mit dieser Art von Zelltod einhergehen.

German

Creators:

Creators	Email	ORCID	ORCID Put Code
Prieto Clemente, Laura	lauraprietoclemente@hotmail.com	UNSPECIFIED	UNSPECIFIED

Contributors:

Contribution	Name	Email
Thesis advisor	von Karstedt, Silvia	s.vonkarstedt@uni-koeln.de
Corrector	von Karstedt, Silvia	s.vonkarstedt@uni-koeln.de
Other	Langer, Thomas	langer@age.mpg.de
Other	Jan, Riemer	jan.riemer@uni-koeln.de