Fluctuations in the ambient oxygen concentrations represent a major stressor for aerobic organisms causing ATP deficiency during hypoxia and excessive production of reactive oxygen species during reoxygenation. Modulation of the mitochondrial electron transport system activity was proposed as a major mechanism involved in both the mitochondrial injury and adaptive response, but the mechanisms of ETS regulation during hypoxia/reoxygenation (H/R) stress remain poorly understood in hypoxia-tolerant organisms. To address this gap, we focused on the effects of H/R on activities of the mitochondrial Complexes I and IV in hypoxia-tolerant marine bivalves, the blue mussel Mytilus edulis, the Arctic quahog Arctica islandica and the Pacific oyster Crassostrea gigas, exposing them for 1 or 6 days to extreme hypoxia (<0.1% O2) followed by 1 h of reoxygenation. We used a combination of bioinformatics analysis, biochemical and molecular studies to examine the potential role of the reversible protein phosphorylation in regulation of the Complex I and IV activities and in the mitochondrial responses to H/R stress. Our results showed a strong species-specific modulation of two important kinases, the serine/threonine protein kinase A (PKA) and protein kinase C (PKC) by H/R stress in the studied bivalves. The mitochondrial Complexes I and IV emerged as important targets for modulation by H/R stress, mediated in part through reversible phosphorylation by PKA and PKC. The effects of the reversible phosphorylation on the enzyme activities were species- and condition-specific. In mussels and quahogs, phosphorylation by PKA and PKC led to a strong increase in activity of Complexes I and IV. In oysters, Complexes I and IV were insensitive to PKA and PKC activation except after prolonged hypoxia and reoxygenation when elevated sensitivity to PKA and PKC activation indicated a change in the configuration and/or isoform composition of these enzymes. Non-site-specific dephosphorylation strongly suppressed the activity of Complex I and IV in all three studied species. Because in mammals PKA and PKC can have either damaging or protective effects depending on the timing of activation, our findings underscore the need to further study the physiological implications of H/R-induced modulation of the PKA and PKC activity in hypoxia-tolerant organisms.

中文翻译：

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可逆蛋白磷酸化在海洋双壳类缺氧和复氧应激过程中线粒体电子传递系统调节中的作用

环境氧浓度的波动代表了需氧生物的主要压力源，导致缺氧期间 ATP 缺乏和再氧合期间活性氧的过度产生。线粒体电子传递系统活性的调节被认为是参与线粒体损伤和适应性反应的主要机制，但在耐缺氧生物体中，对缺氧/复氧 (H/R) 应激期间 ETS 调节的机制仍知之甚少。为了解决这一差距，我们重点研究了 H/R 对耐缺氧海洋双壳类、蓝贻贝 Mytilus edulis、北极 quahog Arctica islandica 和太平洋牡蛎 Crassostrea gigas 中线粒体复合物 I 和 IV 活性的影响，并暴露它们持续 1 或 6 天至极度缺氧（<0. 1% O2)，然后再充氧 1 小时。我们结合使用生物信息学分析、生化和分子研究来检查可逆蛋白磷酸化在调节复合物 I 和 IV 活性以及线粒体对 H/R 应激的反应中的潜在作用。我们的结果表明，在所研究的双壳类动物中，H/R 应激对两种重要的激酶，丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶 A (PKA) 和蛋白激酶 C (PKC) 产生了强烈的物种特异性调节。线粒体复合物 I 和 IV 成为 H/R 应激调节的重要靶标，部分通过 PKA 和 PKC 的可逆磷酸化介导。可逆磷酸化对酶活性的影响是物种和条件特异性的。在贻贝和鹌鹑中，PKA 和 PKC 的磷酸化导致复合物 I 和 IV 活性的强烈增加。在牡蛎中，复合物 I 和 IV 对 PKA 和 PKC 活化不敏感，除非在长时间缺氧和再氧合之后，当对 PKA 和 PKC 活化的敏感性升高表明这些酶的构型和/或同种型组成发生变化时。在所有三个研究物种中，非位点特异性去磷酸化强烈抑制复合物 I 和 IV 的活性。因为在哺乳动物中，PKA 和 PKC 可以根据激活的时间产生破坏性或保护性作用，我们的研究结果强调需要进一步研究 H/R 诱导的 PKA 和 PKC 活性调节在耐缺氧生物中的生理意义。复合物 I 和 IV 对 PKA 和 PKC 活化不敏感，除非在长时间缺氧和再氧合之后，当对 PKA 和 PKC 活化的敏感性升高表明这些酶的构型和/或同种型组成发生变化时。在所有三个研究物种中，非位点特异性去磷酸化强烈抑制复合物 I 和 IV 的活性。因为在哺乳动物中，PKA 和 PKC 可以根据激活的时间产生破坏性或保护性作用，我们的研究结果强调需要进一步研究 H/R 诱导的 PKA 和 PKC 活性调节在耐缺氧生物中的生理意义。复合物 I 和 IV 对 PKA 和 PKC 活化不敏感，除非在长时间缺氧和再氧合之后，当对 PKA 和 PKC 活化的敏感性升高表明这些酶的构型和/或同种型组成发生变化时。在所有三个研究物种中，非位点特异性去磷酸化强烈抑制复合物 I 和 IV 的活性。因为在哺乳动物中，PKA 和 PKC 可以根据激活的时间产生破坏性或保护性作用，我们的研究结果强调需要进一步研究 H/R 诱导的 PKA 和 PKC 活性调节在耐缺氧生物中的生理意义。在所有三个研究物种中，非位点特异性去磷酸化强烈抑制复合物 I 和 IV 的活性。因为在哺乳动物中，PKA 和 PKC 可以根据激活的时间产生破坏性或保护性作用，我们的研究结果强调需要进一步研究 H/R 诱导的 PKA 和 PKC 活性调节在耐缺氧生物中的生理意义。在所有三个研究物种中，非位点特异性去磷酸化强烈抑制复合物 I 和 IV 的活性。因为在哺乳动物中，PKA 和 PKC 可以根据激活的时间产生破坏性或保护性作用，我们的研究结果强调需要进一步研究 H/R 诱导的 PKA 和 PKC 活性调节在耐缺氧生物中的生理意义。