BNIP3 regulates bioenergetics in cardiomyocytes by interaction with mitochondrial ATP synthase
Mitochondrial F1FO-ATP synthase (ATP synthase) is pivotal for regulating cellular energy homeostasis through oxidative phosphorylation (OXPHOS). Notably, ATP synthase activity varies and is modulated by cardiac challenges and pathologies. However, the cause of changes in ATP synthase activity remains elusive. Emerging evidence suggests that ATP synthase is critical to mitochondrial permeability transition pore (mPTP) formation in the mitochondrial inner membrane, which is a key function in cell death. Members of the BCL-2 family such as BCL-2/adenovirus E1B 19 kDa protein-interacting protein 3 (BNIP3) play decisive roles in energy loss and mitochondria-mediated cell death. Therefore, we aimed to investigate BNIP3 as an auspicious regulator of ATP synthase activity that also defines mitochondrial integrity during health and disease.
After observing the spatial localization of BNIP3 in the inner mitochondrial membrane in mouse cardiomyocytes, we identified BNIP3 with ATP synthase in higher oligomeric complexes via native gel electrophoresis. Moreover, this previously unreported interaction between BNIP3 and ATP synthase in both human cardiomyocytes and mouse cells was verified by proximity ligation assays and co-immunoprecipitation. Structurally, BNIP3 interacts with subunit f via the ATP synthase amino acid sequence AFQRGYY, which is located in the membrane integral part of ATP synthase, as profiled by a protein-peptide interaction study performed with peptide microarrays.
The genetic ablation of BNIP3 promoted the formation of ATP synthase dimers and increased the cristae density, resulting in an altered mitochondrial matrix charge that favoured ATP synthase-mediated energy production. Under physiological conditions, extracellular flux analyser technology revealed a functional metabolic shift towards increased oxygen consumption leading to ATP production mediated via oxidative phosphorylation after BNIP3 ablation. The observation of elevated ATP levels during acute BNIP3 inhibition reinforced the finding of a negative regulatory effect of BNIP3 on ATP synthase action.
In summary, BNIP3 plays a suppressive role in cardiac mitochondrial energy homeostasis through its interaction with ATP synthase. Acute inhibition of BNIP3 leads to the positive modulation of ATP levels.
This study not only expands our knowledge of mitochondrial energy and integrity regulation but also reveals that, because it enhanced energy production, BNIP3 inhibition may be a promising strategy for the treatment of cardiomyocyte loss and cardiovascular diseases.
Nach der räumlichen Lokalisation von BNIP3 in der inneren mitochondrialen Membran, konnte BNIP3 in höheren oligomeren Komplexen mit der ATP Synthase identifiziert werden. Eine bisher unbekannte direkte Interaktion der Proteine wurde über die Proximitäts-Ligations-Analyse und die Ko-Immunpräzipitation in humanen Kardiomyozyten und Mäusen nachgewiesen. Ein Peptid-Protein Array erbrachte den Nachweis der strukturellen Interaktion von BNIP3 mit der Aminosäure Sequenz AFQRGYY der Membran-integralen ATP Synthase Untereinheit f.
Die genetische Ablation von BNIP3 im Mausmodell bewirkte eine vermehrte Formation von ATP Synthase Dimeren und erhöhte die Cristae Dichte neben einer verstärkt negativen Ladung der mitochondrialen Matrix. Eine sich hieraus ergebende metabolische Verschiebung zur mitochondrialen ATP Gewinnung konnte durch den Nachweis der erhöhten Respiration über die extrazelluläre Fluss-Analyse bestätigt werden. Zudem konnten bei der akuten Inhibition von BNIP3 erhöhte ATP-Level im Herzgewebe von Mäusen determiniert werden.
Durch die Interaktion mit der mitochondrialen ATP Synthase übernimmt BNIP3 eine suppressive regulatorische Rolle im kardialen Energiemetabolismus. Die akute Inhibition von BNIP3 führte zur positiven Modulation der ATP-Level. Basierend auf diesen Ergebnissen kann die physiologische Modulation des Energiemetabolismus weiter definiert werden und zudem die strukturelle Organisation unter pathologischen Bedingungen neu beleuchtet werden.
Vor allem im Zusammenhang mit kardiovaskulären Erkrankungen kann der Energiebedarf der Zellen oftmals nicht gedeckt werden und es kommt zum Verlust von Kardiomyozyten. Die Inhibition von BNIP3 ist aufbauend auf den dargestellten Untersuchungen ein vielversprechendes therapeutisches Zielprotein, um die Energielevel bei kardiovaskulären Erkrankungen zu erhöhen und die Herzfunktion zu verbessern.