Studio dell'interazione di NCX1 e EEAC1 nella produzione di ATP stimolata da glutammato in mitocondri del sistema nervoso centrale

Glutamate is emerging as a major factor stimulating energy production in CNS. Brain mitochondria can utilize this neurotransmitter as respiratory substrate and specific transporters are required to mediate the glutamate entry into the mitochondrial matrix. Glutamate transporters of the Excitatory Amino Acid Transporters (EAATs) family have been previously well characterized on the cell surface of neuronal and glial cells; here, by using western blot, confocal microscopy and immunoelectron microscopy, we report for the first time that the Excitatory Amino Acid Carrier 1 (EAAC1), an EAATs member, is expressed in neuronal and glial mitochondria where it participates in glutamate-stimulated ATP production. Mitochondrial metabolic response is counteracted when different EAATs pharmacological blockers or selective EAAC1 antisense oligonucleotides were used. Since EAATs are Na+-dependent proteins, this raised the possibility that other transporters regulating ion gradients across mitochondrial membrane were required for glutamate response. We describe colocalization, mutual activity dependency, physical interaction between EAAC1 and the sodium/calcium exchanger 1 (NCX1) both in neuronal and glial mitochondria. Only NCX1 activity is crucial for such glutamate-stimulated ATP synthesis, as demonstrated by pharmacological blockade and selective knock-down with antisense oligonucleotides. The EAAC1/NCX1-dependent mitochondrial response to glutamate may be a general and alternative mechanism whereby this neurotransmitter sustains ATP production, since we have documented such metabolic response also in mitochondria isolated from heart. The data reported here disclose a new physiological role for mitochondrial NCX1 as the key player in glutamate-induced energy production.

Il glutammato rappresenta uno dei fattori fondamentali per la produzione di energia a livello del sistema nervosa centrale. I mitocondri possono utilizzare questo neurotrasmettitore come substrato per la catena respiratoria e, a tale scopo, necessitano di specifici trasportatori per consentire l’ingresso del glutammato all’interno della matrice mitocondriale. I trasportatori del glutammato appartenenti alla famiglia degli Excitatory Amino Acid Transporters (EAATs) sono già stati identificati a livello della membrana plasmatica con il ruolo di modulare l’ingresso del glutammato a livello neuronale. In questo lavoro, utilizzando tecniche di Western Blotting, microscopia confocale e immunoelettronica, abbiamo osservato per la prima volta che un membro degli EAATs, l’ Excitatory Amino Acid Carrier 1 (EAAC1), viene espresso a livello dei mitocondri di neuroni e glia ed è coinvolto nella produzione di ATP stimolata da glutammato; infatti la risposta metabolica viene bloccata da inibitori di EAATs e da oligonucelotidi antisenso. Il fatto che gli EAATs sono proteine Na+-dipendenti ci ha suggerito il coinvolgimento di altri trasportatori in grado di modulare il gradiente attraverso la membrana mitocondriale. Abbiamo così descritto una colocalizzazione e un’interazione fisica/funzionale tra EAAC1 e lo scambiatore sodio/calcio 1 (NCX1) sia in mitocondri neuronali che gliali; inoltre è stato dimostrato attraverso l’utilizzo di inibitori selettivi e oligonucleotidi antisenso che NCX1 è in grado di modulare la produzione di ATP stimolata da glutammato. La risposta mitocondriale al glutammato, mediata da NCX1/EAAC1, potrebbe essere un meccanismo generale e alternativo attraverso il quale questo neurotrasmettitore regola la produzione di ATP; i dati qui riportati evidenziano un nuovo ruolo per l’NCX1 mitocondriale come fattore fondamentale per la produzione di energia indotta da glutammato.