MIRO1を介したミトコンドリアの位置決め形状細胞移動に必要な細胞内エネルギー勾配

ミトコンドリアはエネルギー生産のための局所的な要件を満たすために、ミトコンドリアが細胞質に戦略的に位置付けられていることは、直接実証されたことはありませんが、長い間仮定されてきました。ここでは、マウス胚性線維芽細胞（MEFS）におけるミトコンドリアの位置が、生細胞の細胞内エネルギー勾配の形状を決定することを示します。具体的には、ATPに対するADPの比率は、密なミトコンドリアの核周囲領域で最も高く、より周期的な部位に近づくにつれて徐々に減少しました。さらに、ミトコンドリアの大部分は細胞の腹部表面に配置され、腹側膜に近いATP：ADP比が高いと相関して、背面に向かって急速に減少しました。微小管ベースのミトコンドリア運動性の重要なメディエーターであるミトコンドリアRho-GTPase 1（MIRO1）が不足している細胞を使用して、ミトコンドリアの位置付けの変化が細胞質エネルギー分布と細胞移動にどのように影響するかを研究しました。MIRO1-/ - MEFSのミトコンドリアネットワークは、細胞周辺にはほとんどミトコンドリアが存在する核周囲領域に限定されていました。ミトコンドリア分布のこの変化は、ATPの細胞皮質でのADPの比を劇的に減少させ、アクチンダイナミクス、ラメリポディア突起、膜フリルなど、細胞の動きに不可欠なイベントを破壊しました。細胞接着状態は、ミトコンドリアの位置の変化の影響も受けました。MIRO1+/+ MEFと比較して、MIRO1/ - MEFSで焦点接着アセンブリと安定性が低下しました。その結果、MIRO1 - / - MEFは、集合的および単一細胞移動の両方で、対照細胞よりも遅く移動しました。これらのデータは、MIRO1を介したリーディングエッジでのミトコンドリアの位置決めが、膜突起と焦点接着安定性をサポートすることにより細胞移動を促進する局所エネルギー生産を提供することを確立しています。

It has long been postulated, although never directly demonstrated, that mitochondria are strategically positioned in the cytoplasm to meet local requirements for energy production. Here we show that positioning of mitochondria in mouse embryonic fibroblasts (MEFs) determines the shape of intracellular energy gradients in living cells. Specifically, the ratio of ATP to ADP was highest at perinuclear areas of dense mitochondria and gradually decreased as more-peripheral sites were approached. Furthermore, the majority of mitochondria were positioned at the ventral surface of the cell, correlating with high ATP:ADP ratios close to the ventral membrane, which rapidly decreased toward the dorsal surface. We used cells deficient for the mitochondrial Rho-GTPase 1 (Miro1), an essential mediator of microtubule-based mitochondrial motility, to study how changes in mitochondrial positioning affect cytoplasmic energy distribution and cell migration, an energy-expensive process. The mitochondrial network in Miro1-/- MEFs was restricted to the perinuclear area, with few mitochondria present at the cell periphery. This change in mitochondrial distribution dramatically reduced the ratio of ATP to ADP at the cell cortex and disrupted events essential for cell movement, including actin dynamics, lamellipodia protrusion, and membrane ruffling. Cell adhesion status was also affected by changes in mitochondrial positioning; focal adhesion assembly and stability was decreased in Miro1-/- MEFs compared with Miro1+/+  MEFs. Consequently Miro1-/- MEFs migrated slower than control cells during both collective and single-cell migration. These data establish that Miro1-mediated mitochondrial positioning at the leading edge provides localized energy production that promotes cell migration by supporting membrane protrusion and focal adhesion stability.