THE ROLE OF THE POLYCYSTINS AND CILIA IN REGULATION OF MITOCHONDRIA AND METABOLISM

Indagare il ruolo ancora non completamente scoperto delle ciglia potrebbe far luce sulla loro funzione sia in contesti fisiologici che patologici. Le ciglia primarie sono organelli solitari che sporgono dalla maggior parte delle cellule di mammifero e sono considerate come "antenne" che potrebbero regolare le risposte cellulari a diversi stimoli. La loro disfunzione porta a una vasta gamma di disturbi chiamati ciliopatie, spesso caratterizzati da polidattilia, cecità, obesità e cistogenesi renale. Nella mia tesi abbiamo scoperto che le ciglia primarie rispondono alla disponibilità di nutrienti e facilitano l'utilizzo della glutammina attraverso l'anaplerosi da parte dell'asparagina sintetasi (ASNS). In particolare, le nostre analisi hanno rivelato che le ciglia si allungano su uno stress metabolico come la privazione di nutrienti e che la glutammina, ma non il glucosio, è in grado di accorciare le ciglia, guidando la respirazione mitocondriale e, di conseguenza, la produzione di ATP. I nostri risultati mostrano che le cellule senza ciglia mostrano un utilizzo alterato dei nutrienti e la produzione di energia. Infatti, l'assenza di ciglia induce una diminuzione delle cariche energetiche e compromette l'ossidazione degli acidi grassi in caso di privazione di nutrienti. Inoltre, le cellule senza ciglia sono meno in grado di utilizzare la glutammina per guidare la respirazione mitocondriale. L'assenza di ciglia induce la diminuzione dei livelli di asparagina, suggerendo che ASNS potrebbe mediare la risposta ciliare alla glutammina. Infatti, mentre l'integrazione e la degradazione dell'asparagina da parte dell'asparaginasi (ASNasi) non influenzano drammaticamente la lunghezza delle ciglia in risposta alla glutammina, interferire con Asns allunga significativamente le ciglia e compromette la capacità della cellula di rispondere alla glutammina in termini di accorciamento ciliare e respirazione mitocondriale. Questi risultati suggeriscono che le ciglia facilitano l'uso della glutammina nella respirazione mitocondriale attraverso la sua conversione guidata da ASNS in glutammato. È importante sottolineare che abbiamo scoperto che ASNS si localizza nel complesso centrosoma-ciglio, rafforzando il suo ruolo nella regolazione ciliare dell'uso di glutammina. In conclusione, questa tesi rivela un nuovo ruolo delle ciglia come sensori di disponibilità di nutrienti e regolatori del metabolismo cellulare guidando l'uso di glutammina attraverso ASNS per alimentare la respirazione mitocondriale e, di conseguenza, la produzione di energia. Questi risultati potrebbero essere rilevanti non solo per comprendere il ruolo delle ciglia in fisiologia, ma anche per trovare nuovi approcci terapeutici per il trattamento delle ciliopatie.

Investigating the still not completely uncovered role of cilia could shed light on their function both in physiological and in pathological contexts. Primary cilia are solitary organelles that protrude from most mammalian cells and are considered as “antennae” that could regulate cellular responses to different stimuli. Their dysfunction leads to a wide range of disorders called ciliopathies, frequently characterized by polydactyly, blindness, obesity, and renal cystogenesis. In my thesis we found that primary cilia respond to nutrient availability and facilitate glutamine utilization through anaplerosis by asparagine synthetase (ASNS). In particular, our analyses revealed that cilia elongate upon a metabolic stress such as nutrient deprivation and that glutamine, but not glucose, is able to shorten cilia, by driving mitochondrial respiration and, as a consequence, ATP production. Our results show that cilia-deficient cells display impaired nutrient utilization and energy production. Indeed, the absence of cilia induces decreased energy charges and impairs fatty acid oxidation upon nutrient deprivation. Furthermore, cilia-deficient cells are less able to utilize glutamine to drive mitochondrial respiration. The absence of cilia induces the decrease of asparagine levels, suggesting that ASNS could mediate the ciliary response to glutamine. Indeed, while asparagine supplementation and degradation by asparaginase (ASNase) does not dramatically affect cilia length in response to glutamine, interfering with Asns significantly elongates cilia and impairs the capability of the cell to respond to glutamine in terms of ciliary shortening and mitochondrial respiration. These results suggest that cilia facilitate glutamine usage into mitochondrial respiration through its ASNS-driven conversion into glutamate. Importantly, we found that ASNS localizes at the centrosome-cilium complex, strengthening its role in the ciliary regulation of glutamine usage. In conclusion, this thesis reveals a new role of cilia as sensors of nutrient availability and regulators of cellular metabolism by driving glutamine usage through ASNS to fuel mitochondrial respiration and, as a consequence, energy production. These findings could be relevant not only to understand the cilia role in physiology, but also to possibly find new therapeutic approaches to treat ciliopathies.