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Isolated complex I deficiency is a common biochemical phenotype observed in pediatric mitochondrial disease and often arises as a consequence of pathogenic variants affecting one of the ∼65 genes encoding the complex I structural subunits or assembly factors. Such genetic heterogeneity means that application of next-generation sequencing technologies to undiagnosed cohorts has been a catalyst for genetic diagnosis and gene-disease associations. We describe the clinical and molecular genetic investigations of four unrelated children who presented with neuroradiological findings and/or elevated lactate levels, highly suggestive of an underlying mitochondrial diagnosis. Next-generation sequencing identified bi-allelic variants in NDUFA6, encoding a 15 kDa LYR-motif-containing complex I subunit that forms part of the Q-module. Functional investigations using subjects’ fibroblast cell lines demonstrated complex I assembly defects, which were characterized in detail by mass-spectrometry-based complexome profiling. This confirmed a marked reduction in incorporated NDUFA6 and a concomitant reduction in other Q-module subunits, including NDUFAB1, NDUFA7, and NDUFA12. Lentiviral transduction of subjects’ fibroblasts showed normalization of complex I. These data also support supercomplex formation, whereby the ∼830 kDa complex I intermediate (consisting of the P- and Q-modules) is in complex with assembled complex III and IV holoenzymes despite lacking the N-module. Interestingly, RNA-sequencing data provided evidence that the consensus RefSeq accession number does not correspond to the predominant transcript in clinically relevant tissues, prompting revision of the NDUFA6 RefSeq transcript and highlighting not only the importance of thorough variant interpretation but also the assessment of appropriate transcripts for analysis.
Hypoxia poses a stress to cells and decreases mitochondrial respiration, in part by electron transport chain (ETC) complex reorganization. While metabolism under acute hypoxia is well characterized, alterations under chronic hypoxia largely remain unexplored. We followed oxygen consumption rates in THP-1 monocytes during acute (16 h) and chronic (72 h) hypoxia, compared to normoxia, to analyze the electron flows associated with glycolysis, glutamine, and fatty acid oxidation. Oxygen consumption under acute hypoxia predominantly demanded pyruvate, while under chronic hypoxia, fatty acid- and glutamine-oxidation dominated. Chronic hypoxia also elevated electron-transferring flavoproteins (ETF), and the knockdown of ETF–ubiquinone oxidoreductase lowered mitochondrial respiration under chronic hypoxia. Metabolomics revealed an increase in citrate under chronic hypoxia, which implied glutamine processing to α-ketoglutarate and citrate. Expression regulation of enzymes involved in this metabolic shunting corroborated this assumption. Moreover, the expression of acetyl-CoA carboxylase 1 increased, thus pointing to fatty acid synthesis under chronic hypoxia. Cells lacking complex I, which experienced a markedly impaired respiration under normoxia, also shifted their metabolism to fatty acid-dependent synthesis and usage. Taken together, we provide evidence that chronic hypoxia fuels the ETC via ETFs, increasing fatty acid production and consumption via the glutamine-citrate-fatty acid axis.
Glucose hypometabolism, mitochondrial dysfunction, and cholinergic deficits have been reported in early stages of Alzheimer’s disease (AD). Here, we examine these parameters in TgF344-AD rats, an Alzheimer model that carries amyloid precursor protein and presenilin-1 mutations, and of wild type F344 rats. In mitochondria isolated from rat hippocampi, we found reductions of complex I and oxidative phosphorylation in transgenic rats. Further impairments, also of complex II, were observed in aged (wild-type and transgenic) rats. Treatment with a “cocktail” containing magnesium orotate, benfotiamine, folic acid, cyanocobalamin, and cholecalciferol did not affect mitochondrial activities in wild-type rats but restored diminished activities in transgenic rats to wild-type levels. Glucose, lactate, and pyruvate levels were unchanged by age, genetic background, or treatment. Using microdialysis, we also investigated extracellular concentrations of acetylcholine that were strongly reduced in transgenic animals. Again, ACh levels in wild-type rats did not change upon treatment with nutrients, whereas the cocktail increased hippocampal acetylcholine levels under physiological stimulation. We conclude that TgF344-AD rats display a distinct mitochondrial and cholinergic dysfunction not unlike the findings in patients suffering from AD. This dysfunction can be partially corrected by the application of the “cocktail” which is particularly active in aged rats. We suggest that the TgF344-AD rat is a promising model to further investigate mitochondrial and cholinergic dysfunction and potential treatment approaches for AD.
Tauopathien sind eine Gruppe von neurodegenerativen Erkrankungen zu denen auch die Alzheimer Demenz zählt, die als gemeinsames pathologisches Merkmal die intrazelluläre Akkumulation von neurofibrillären Bündeln (NFTs) aufweisen. Diese bestehen aus hyperphosphoryliertem Tau-Protein, das hierdurch seine physiologische Funktion, die Assemblierung von Mikrotubuli zu fördern und diese zu stabilisieren, verliert. Der genaue Mechanismus, der bei diesen Erkrankungen zur Neurodegeneration führt und mit Demenz, Parkinsonismus und motorischen Störungen einhergehen kann, ist bisher weitgehend ungeklärt. Da mitochondriale Dysfunktion bei vielen neurodegenerativen Erkrankungen eine entscheidende Rolle spielt, wurde in der vorliegenden Arbeit anhand eines Zellmodells zum Einen der Effekt durch die Überexpression von gesundem Wildtyp-Tau (hTau40) und zum Anderen die Auswirkungen der P301L-Mutation, wie sie auch bei der frontotemporalen Demenz mit Parkinsonismus (FTDP-17) auftritt, auf die mitochondriale Morphologie und Funktion untersucht. Die grundlegende Charakterisierung deckte eine weitreichende Einflussnahme von Tau auf den Energiestoffwechsel der Zellen auf. Die Überexpression von Tau führt zu einer verminderten Expression der Komplexe I, II und IV sowie einer veränderten Aktivität der mitochondrialen Atmungskettenkomplexe I-III. Zudem weist die verminderte Aktivität der Citrat-Synthase auf eine Beeinträchtigung des Citratzyklus hin. Der maßgebliche Unterschied zwischen den Tau überexprimierenden Zellen besteht in dem deutlich erniedrigtem Gehalt (NADH:HAR-Aktivität) und der drastisch erniedrigten Aktivität (NADH:DBQ-Aktivität) von Komplex I in den TauP301L-Zellen, wohingegen die hTau40-Zellen trotz eines vermindertem Gehalts im Vergleich zu den Kontroll-Zellen eine deutlich erhöhte Aktivität (DBQ/HAR-Aktivität) aufweisen. Diese gegensätzliche Aktivität von Komplex I führt zu weitreichenden Veränderungen der Zellphysiologie, was sich am deutlichsten in der daraus resultierenden metabolischen Aktivität (NADH-Spiegeln), den ATP-Spiegeln und dem mitochondrialen Membranpotential zeigt. Diese Parameter sind in den hTau40-Zellen aufgrund der hohen Komplex I-Aktivität erhöht und in den TauP301L-Zellen entsprechend erniedrigt. Ebenso spiegeln sich diese funktionellen Parameter in der veränderten Morphologie, Dynamik sowie der Ultrastruktur der Mitochondrien wieder. Die Cristae-Struktur sowie die Dichte der Matrix lassen eindeutige Rückschlüsse auf die aus den unterschiedlichen Komplex I-Aktivitäten resultierenden ATP-Spiegel zu. Weiterhin gibt es in der Literatur Hinweise, dass zum Einen die Transportrichtung der Mitochondrien von der Affinität der Motormoleküle von dem ATP-Gehalt der Mitochondrien abhängig zu sein scheint und zum Anderen, dass die Hemmung von Komplex I zu einem retrograden Transport und perinukleären Morphologie der Mitochondrien führt. Dies konnte ebenfall in den TauP301L-Zellen gezeigt werden. Zusätzlich sind hier die mitochondriale Bewegung sowie die Dynamik (Fusion und Fission) verringert. Interessanterweise spiegeln viele der funktionellen und strukturellen Veränderungen der TauP301L-Zellen den Alterungsprozess wieder, da es im Alter zu einer erhöhten Rate an oxidativen mtDNA-Schäden, einer verminderten Aktivität von Komplex I sowie zu einer verringerten Effektivität und Kapazität der oxidativen Phosphorylierung kommt, die in niedrigeren ATP-Spiegeln resultiert. Anhaltspunkte aus der Literatur bringen auch die morphologischen und dynamischen Veränderungen der Mitochondrien mit dem Alterungsprozess in Verbindung, wodurch das in dieser Arbeit verwendete Zellmodell anscheinend den Alterungsprozess widerspiegelt, der bei vielen neurodegenerativen Erkrankungen den Hauptrisikofaktor für die Erkrankung darstellt. Die Mutation P301L führt weiterhin dazu, dass die Zellen eine erhöhte Vulnerabilität gegenüber sekundären Insulten aufweisen. Obwohl die Toxizität der einzelnen Stimuli – seien es nun Inhibitoren der einzelnen Atmungskettenkomplexe oder oxidativer sowie nitrosativer Stress – sich unterschiedlich auf die gemessenen physiologischen Parameter der Zellen auswirkte, so zeigt sich durchgängig bei den TauP301L-Zellen ein stärkerer Abfall der metabolischen Aktivität und der ATP-Spiegel. Zudem führte die Überexpression von hTau40 zu einer geringeren Vulnerabilität gegenüber den sekundären Insulten. Trotz der geringen Auswirkungen von oligomerem und fibrillärem Aß1-42 auf die mitochondriale Funktion der SH-SY5Y Zellen kann nicht ausgeschlossen werden, dass in vivo nicht doch ein Teufelskreislauf besteht, sodass sich die Toxizität von Aß und Tau potenziert. Insgesamt machen die Ergebnisse dieser Arbeit deutlich, dass mitochondriale Dysfunktion auch bei Tauopathien eine entscheidende Rolle in der Pathogenese spielt und sich hierdurch neue Aspekte zur therapeutischen Intervention ergeben.