エトポシドは、AMPK活性化を介してATM依存性ミトコンドリアの生合成を誘導します

背景：二本鎖DNA休憩（DSB）などのDNA損傷は、ミトコンドリアの生合成を刺激することが報告されています。ただし、根本的なメカニズムはあまり理解されていません。DSBに対応する主要なプレーヤーはATM（毛細血管症が変異した）です。DSBを検知すると、ATMは自己リン酸化によって活性化され、DNA修復、細胞周期調節、アポトーシスのために多くの基質がリン酸化されます。ATMは、細胞でAMP/ATP比を感知し、上流のキナーゼによって活性化できるAMP活性化プロテインキナーゼ（AMPK）のアルファサブユニットをリン酸化することが報告されています。ここでは、エトポシド誘発DNA損傷に応じて、AMPK活性化を介したミトコンドリア生合成におけるATMの新しい役割の証拠を提供します。 方法論/主要な調査結果：3組のヒトATM+およびATM細胞が採用されました。エトポシドで処理された細胞は、10-N-ノニルアクトリジンオレンジとミトトラッカーグリーンFM染色で測定されたミトコンドリア腫瘤のAT依存性の増加と、ミトコンドリアDNA含有量の増加を示しました。さらに、主要なミトコンドリア転写因子NRF-1、PGC-1アルファ、TFAMなどのいくつかの既知のミトコンドリア生合成調節因子の発現も、RT-PCRによって監視されているエトポシド治療に応答して上昇しました。エトポシド誘発ミトコンドリアの生合成は、AMPKのATM依存性の活性化によるものであることを示唆する3つの証拠が示唆されています。第一に、エトポシドは、AMPK活性化を示すThr172でのAMPKアルファサブユニットのATM依存性リン酸化を誘導しました。第二に、AMPKの阻害はエトポシド誘発ミトコンドリア生合成をブロックしました。第三に、AICAR（AMPアナログ）によるAMPKの活性化は、ATM依存的にミトコンドリア生合成を刺激し、ATMがミトコンドリア生合成経路におけるAMPKの上流キナーゼである可能性を示唆しています。 結論/重要性：これらの結果は、エトポシドによるATMの活性化がAMPK活性化を介してミトコンドリアの生合成につながる可能性があることを示唆しています。ATM依存性のミトコンドリア生合成は、DNA損傷反応とROS調節に役割を果たす可能性があり、ATM依存性のミトコンドリア生合成の欠陥がA-T疾患の症状に寄与する可能性があることを提案します。

BACKGROUND: DNA damage such as double-stranded DNA breaks (DSBs) has been reported to stimulate mitochondrial biogenesis. However, the underlying mechanism is poorly understood. The major player in response to DSBs is ATM (ataxia telangiectasia mutated). Upon sensing DSBs, ATM is activated through autophosphorylation and phosphorylates a number of substrates for DNA repair, cell cycle regulation and apoptosis. ATM has been reported to phosphorylate the alpha subunit of AMP-activated protein kinase (AMPK), which senses AMP/ATP ratio in cells, and can be activated by upstream kinases. Here we provide evidence for a novel role of ATM in mitochondrial biogenesis through AMPK activation in response to etoposide-induced DNA damage. METHODOLOGY/PRINCIPAL FINDINGS: Three pairs of human ATM+ and ATM- cells were employed. Cells treated with etoposide exhibited an ATM-dependent increase in mitochondrial mass as measured by 10-N-Nonyl-Acridine Orange and MitoTracker Green FM staining, as well as an increase in mitochondrial DNA content. In addition, the expression of several known mitochondrial biogenesis regulators such as the major mitochondrial transcription factor NRF-1, PGC-1alpha and TFAM was also elevated in response to etoposide treatment as monitored by RT-PCR. Three pieces of evidence suggest that etoposide-induced mitochondrial biogenesis is due to ATM-dependent activation of AMPK. First, etoposide induced ATM-dependent phosphorylation of AMPK alpha subunit at Thr172, indicative of AMPK activation. Second, inhibition of AMPK blocked etoposide-induced mitochondrial biogenesis. Third, activation of AMPK by AICAR (an AMP analogue) stimulated mitochondrial biogenesis in an ATM-dependent manner, suggesting that ATM may be an upstream kinase of AMPK in the mitochondrial biogenesis pathway. CONCLUSIONS/SIGNIFICANCE: These results suggest that activation of ATM by etoposide can lead to mitochondrial biogenesis through AMPK activation. We propose that ATM-dependent mitochondrial biogenesis may play a role in DNA damage response and ROS regulation, and that defect in ATM-dependent mitochondrial biogenesis could contribute to the manifestations of A-T disease.