Characterization of mitochondrial isocitrate dehydrogenase in cellular reprogramming in C. elegans

Abstract

Direkte Zellreprogrammierung basiert auf Transkriptionsfaktoren (TFs), die die Identität bestimmter Zelltypen induzieren.Diese TF vermittelte Zellreprogrammierung ist in den meisten Zelltypen häufig durch hemmende Mechanismen limitiert.Um solche Barrieren in C. elegans zu identifizieren, verwendeten wir den zuvor charakterisierten Zinkfinger-TF CHE-1, der erforderlich ist, um glutamaterge ASE-Neuronen zu induzieren.In dieser Studie haben wir eine mögliche Barriere für die Reprogrammierung von Keimzellen zu Neuronen identifiziert und charakterisiert:die NAD+ abhängige mitochondriale Isocitratdehydrogenase 3 (IDH3).Der RNAi-Knockdown ergab in Kombination mit ektopischer Expression von CHE-1 einen konsistenten Phänotyp hinsichtlich der Expression des neuronalen ASE- Reporters in der Keimbahn. Wir konnten feststellen,dass IDH3-Knockdowns zu globalen Veränderungen der repressiven Histonmodifikationen führen.Mittels genetischer Untersuchungen identifizierten wir Mitglieder der Jumonji-Proteine sowie die a-KG-abhängigen Histon-Demethylasen, die an diesem Reprogammierungsphänotyp beteiligt sind. Durch Massenspektrometrie und weiterführenden genetische Untersuchungen haben wir festgestellt, dass Zellen bei IDH3-Mangel eine sogenannte Glutamin-Anaplerose verwenden, um den a-KG-Spiegel wieder aufzufüllen und somit einen teilweise aktiven Zitronensäurezyklus beizubehalten.Des Weiteren sind diese Prozesse erforderlich, damit die TF vermittelte Zellreprogrammierung stattfinden kann.Wir haben außerdem festgestellt, dass Signale von Zellen der somatischen Gonade diesen durch IDH3-Mangel vermittelten Zellreprogrammierungsprozess von Keimzellen ermöglichen.Daher ist anzunehmen, dass der Reprogrammierungsphänotyp in der Keimbahn nicht gewebsautonom ist. Zusammengefasst identifiziert diese Studie die Rolle der evolutionär konservierten Isocitrat-Dehydrogenase 3 (IDH3) bei der Aufrechterhaltung der Zellidentität und damit auch als Barriere für die Zellreprogrammierung.

Direct reprogramming makes use of transcription factors (TFs) that induce the identity of specific cell types. These TFs often are restricted in most cell types by inhibitory mechanisms. In order to identify these barriers in C. elegans, we used the previously described zinc-finger TF CHE-1 that is required to induce the glutamatergic ASE neuron fate. In this study, we identified and characterized a candidate barrier for reprogramming germ cells into neurons, the NAD+ dependent mitochondrial isocitrate dehydrogenase 3 (IDH3). RNAi knockdown of alpha (IDHA-1) or gamma (IDHG-1) subunit of this complex gave a consistent and reliable phenotype of the expression of ASE reporter in the germ line upon ectopic expression of CHE- 1. This study shows that idha-1 depletion-mediated reprogramming of germ cells to neurons is partially repressed in animals that lack the hypoxia-induced factor, TF HIF-1. It has been shown that mitochondrial dynamics change during differentiation. This suggests that disturbing mitochondrial function may feed-back to chromatin thus altering gene expression and allowing reprogramming. We were able to identify that knock down of idha-1 leads to global histone modification changes; and by performing a genetic screen we identified members of the Jumonji proteins, the a-KG dependent histone demethylases, involved in this conversion phenotype. By performing Mass Spectrometry and genetic screens, we have identified that cells utilize glutamine anaplerosis to replenish a-KG levels and display a partially active citric acid cycle upon IDH3 depletion; and these processes are required for the TF- mediated reprogramming to occur. Furthermore, the IDH3 depletion-mediated germ cell reprogramming is not tissue autonomous. We identified that signals from the somatic gonad enable the reprogramming process. Overall, this study identifies the role of the conserved Isocitrate Dehydrogenase 3 in cell fate safeguarding and thus as a barrier to reprogramming.