Role of galectin-8 in mitochondrial dynamics and its impact in cell metabolism in epithelial cells

Abstract

Galectin-8 (Gal-8) pertenece a una familia de proteínas que regulan diversos procesos celulares al interactuar con b-galactosidos expuestos en glicoproteínas y glicolípidos en la superficie celular y en endolisosomas dañados. Gal-8 tiene dos dominios de reconocimiento de carbohidratos unidos por una cadena peptídica y se distingue de otros galectinas por tener una alta preferencia por ácidos siálicos α-2,3 en su dominio de reconocimiento de carbohidratos N-terminal (N-CRD). Demostramos previamente que el tratamiento con Gal-8 recombinante activa la vía de la quinasa de adhesión focal (FAK) - receptor del factor de crecimiento epidermal (EGFR), llevando a la activación de ERK, proliferación y migración en células epiteliales de riñón de perro de la raza Madin-Darby (MDCK). Extensas investigaciones han establecido que la activación de ERK a través del eje RAS-MAPK modula la dinámica mitocondrial, incluyendo fisión, fusión y distribución. La fisión mitocondrial es realizada por la proteína similar a la dinamina 1 (DRP1). La fusión mitocondrial está garantizada por mitofusinas 1 y 2 (MFN1 y MFN2) y la proteína atrofia óptica tipo 1 (OPA1), que median la fusión de la membrana externa de la mitocondria (OMM) y la membrana interna de la mitocondria (IMM), respectivamente. Además, MFN2 regula los sitios de contacto entre mitocondrias y retículo endoplásmico. La activación de ERK dentro del eje RAS-MAPK promueve directamente la fragmentación mitocondrial al activar DRP1 y suprimir MFN1, lo que conduce a la redistribución mitocondrial, reducción en el amortiguamiento de calcio y activación de factores de transcripción que participan en diversos procesos celulares como la reparación de tejidos y el cáncer. La identificación de moléculas que pueden alterar la dinámica mitocondrial es de gran interés porque podrían modificar el metabolismo celular, afectando la cicatrización de heridas, la regeneración de tejidos y el cáncer. En este estudio, investigamos el efecto de Gal-8 en la dinámica mitocondrial y la participación de su dominio de reconocimiento de carbohidratos en la modulación de esta dinámica a través de la activación de la vía de ERK. Nuestros resultados muestran que Gal-8 recombinante y Gal-4 inducen la fragmentación, y solo Gal-8 promueve la distribución perinuclear de las mitocondrias en MDCK dependiendo de los glicanos α-2,3 sialilados. Estos efectos mediados por XIX Gal-8 también se observaron en células de ovario de hámster chino (CHO) y en células epiteliales de túbulos renales proximales humanos (RPTEC). En células CHOLEC3.2.8.1, que tienen deficiencia en la N-glicosilación pero conservan la capacidad de sintetizar O-glicoproteínas, no se observó ningún efecto de Gal-8. Gal-8 podría promover la proximidad de las mitocondrias al núcleo probablemente mediante MFN2 de manera dependiente de carbohidratos al reconocer β-galactósidos α-2,3 sialilados, en células MDCK. La fragmentación mitocondrial y la redistribución a la zona perinuclear inducidas por Gal-8 requirieron la actividad de ERK y SRC pero son independientes de la activación de EGFR. Por otro lado, la activación de DRP1 inducida por Gal-8 depende de la actividad de ERK en células epiteliales. También encontramos que Gal-8 promueve la mitofagia de manera dependiente de carbohidratos en células MDCK. Gal-8 modifica la tasa metabólica de las células MDCK, reflejado en un aumento de la acidificación del medio (ECAR) y en la fuga de protones, acompañado por una disminución en la producción de ATP acoplada a la tasa de consumo de oxígeno (OCR). La fragmentación mitocondrial se ha asociado con la proliferación y la transición epitelio-mesénquima (EMT). Nuestros resultados muestran que Gal-8 induce la proliferación de manera dependiente de carbohidratos y la actividad de EMT dependiente de ERK. En resumen, Gal-8 es un nuevo regulador de la dinámica mitocondrial que puede tener un impacto en enfermedades asociadas con disfunción mitocondrial o en procesos fisiológicos como la cicatrización de heridas y la reparación de tejidos.

Galectin-8 (Gal-8) belongs to a family of proteins that regulate a variety of cellular processes by interacting with b-galactosidase moieties exposed in glycoproteins and glycolipids on the cell surface and in damaged endolysosomes. Gal8 has two carbohydrate recognition domains linked by a peptide chain and is unique among other galectins, with a high preference for a-2,3 sialic acids within its N-terminal carbohydrate recognition domain (N-CRD). We previously demonstrated that overexpression of Gal-8 or treatment with recombinant Gal-8 activates the Focal Adhesion Kinase (FAK) - Epidermal Growth Factor Receptor (EGFR) pathway, leading to ERK activation, proliferation, migration and EMT in Madin-Darby Canine Kidney (MDCK) epithelial cells. Extensive research has established that ERK activation via the RAS-MAPK axis modulates mitochondrial dynamics, including fission, fusion, and distribution. Mitochondrial fission is carried out by the Dynamin-related/-like protein 1 (DRP1). Mitochondrial fusion is ensured by mitofusins 1 and 2 (MFN1 and MFN2) and optic atrophy 1 (OPA1), which mediate outer mitochondria membrane (OMM) and inner mitochondria membrane (IMM) fusion, respectively. Additionally, MFN2 regulates mitochondria-endoplasmic reticulum contact sites. Activation of ERK within the RAS-MAPK axis directly promotes mitochondrial fragmentation by activating DRP1 and suppressing MFN1, leading to mitochondrial redistribution, reduction in calcium buffering, and activation of transcription factors that participate in different cellular processes such as tissue repair and cancer. Identifying molecules that can change mitochondrial dynamics is of great interest because they could modify cell metabolism, impacting wound healing, tissue regeneration, and cancer. In this thesis, we investigate the effect of Gal-8 on mitochondrial dynamics and the participation of its carbohydrate-recognition domain in modulating these dynamics through the activation of the ERK pathway. Our results show that recombinant Gal-8 and Gal-4 induce fragmentation, and only Gal-8 promotes the perinuclear distribution of mitochondria in MDCK depending on a-2,3 sialylated glycans. These Gal-8 mediated effects were also observed in Chinese Hamster Ovary cells (CHO) and Human Renal proximal tubule Epithelial Cells XVII (RPTEC). In CHO-LEC3.2.8.1 cells, which have N-glycosylation deficiency but conserve the ability to synthesize O-glycoproteins, no effect of Gal-8 was observed. Gal-8 could promote the proximity of mitochondria to the nucleus probably by MFN2 in a carbohydrate-dependent manner by recognizing a-2-3 sialylated b-galactosides, in MDCK cells The mitochondrial fragmentation and redistribution to the perinuclear zone induced by Gal-8 required ERK and SRC activity but is independent of EGFR activation. On the other hand, DRP1 activation induced by Gal-8 depends on ERK activity in epithelial cells. We also found that Gal-8 promotes mitophagy in a carbohydrate-dependent manner in MDCK cells. Gal-8 triggers modification on the metabolic rate of MDCK cells, leading to a rise in extracellular acidification rate (ECAR) and proton leak, which is accompanied by a decrease in ATP production coupled with oxygen consumption rate (OCR). Mitochondrial fragmentation has been associated with proliferation and EMT. Our results show that Gal-8 induces proliferation in a carbohydrate-dependent manner and EMT-dependent ERK activity. In summary, Gal-8 is a novel regulator of mitochondrial dynamics that can impact diseases associated with mitochondrial dysfunction or physiological processes such as wound healing and tissue repair.