Mitochondrial quality control in neurodegenerative diseases: focus on Parkinson’s disease and Huntington’s disease

Abstract

Darrerament s’han produït avanços importants que han contribuït al coneixement dels mecanismes de disfunció cel·lular i mort en la malaltia de Parkinson (MP) i en la malaltia de Huntington (MH). Ambdues malalties són trastorns del moviment que es caracteritzen per la pèrdua específica de neurones dels ganglis basals, les neurones dopaminèrgiques de la substància nigra (SN), en el cas de la MP i les neurones espinoses de l’estriat, en el cas de la MH. Malgrat les diferències, ambdues comparteixen processos patològics comuns com la presència de proteïnes malplegades, l’estrés oxidatiu i disfunció mitocondrial. La mitocòndria és la font d’energia principal en les cèl·lules eucariotes, però també és un orgànul dinàmic relacionat amb una gran quantitat de processos cel·lulars. La disrupció de la homeòstasis mitocondrial i la subseqüent disfunció mitocondrial juguen un paper important en la patofisiologia de les malalties neurodegeneratives. El manteniment de la integritat mitocondrial a través de diferents mecanismes de control és crític per a la superviviència neuronal. Aquesta tesi es centra en l’estudi dels mecanismes de control de qualitat mitocondrial en la MP i la MH, per tal d’entendre millor els mecanismes que duen a la mort cel·lular. En el primer capítol, he estudiat el transport de proteïnes a la mitocòndria en models in vitro i in vivo de la MP. In vitro, la inhibició del complexe I produeix una alteració del transport de proteïnes a la mitocòndria així com una disminució dels nivells de proteïnes OXPHOS, acumulació de proteïnes agregades i disminució dels nivells de chaperones mitocondrials. Per tal de restablir el transport de proteïnes mitocondrials es van sobreexpressar dos components clau del sistema de translocases: la translocasa de la membrana externa 20 (TOM20) i la translocasa de la membrana interna 23 (TIM23). La sobreexpressió in vitro de TOM20 i TIM23 va restaurar el transport de proteïnes mitocondrials i va alleugerar la disfunció mitocondrial i la mort cel·lular. La inhibició del complexe I en ratolins també dóna lloc a una alteració del transport de proteïnes mitocondrials i produeix neurodegeneració del sistema dopaminèrgic. La sobreexpressió de TIM23 va restaurar parcialment el transport de proteïnes i va protegir lleugerament les neurones dopaminèrgiques de la SN. En canvi, la sobreexpressió de TOM20 va ser incapaç de millorar el transport de proteïnes mitocondrials i, fins i tot, va exacerbar la mort cel·lular. Aquests resultats posen de relleu el paper de la disfunció del transport de proteïnes mitocondrials, en particular de dos dels seus components, en la patogènesis de la MP i suggereixen la necessitat de futurs estudis es centrin en altres elements d’aquest sistema. En el segon capítol, he estudiat el paper de la proteïna huntingtina en la mitofàgia i com la seva mutació, que dóna lloc a una expansió de glutamines, pot afectar a aquesta funció. Per a tal fi, he treballat en un model in vitro de cèl·lules estriatals ST-Q7 (control) i ST-Q111 (mutant). En condicions fisiològiques, la mitofàgia induïda no es troba mitjançada pel reclutament de parkin als mitocondris despolaritzats. La huntingtina mutada afecta la mitofàgia induïda a través de l’alteració de la seva funció de scaffold en diferents passos del procés de mitofàgia: (i) activació d’ULK1 a través de l’alliberament de mTORC1, (ii) formació del complexe Beclin 1-Vps15,(iii) interacció dels adaptadors de mitofàgia OPTN i NDP52 amb huntingtina i, (iv) amb LC3. Com a resultat, els mitocondris de les cèl·lules ST-Q111 estan més danyats i tenen una respiració mitocondrial deficient. Aquests resultats demostren la presència d’una alteració en la mitofàgia com un mecanisme lligat a la MH. En conclusió, el descobriment de noves dianes mitocondrials en la MP i MH emfatitza el paper important que juga el control de qualitat mitocondrial en la neurodegeneració.

In the past years, several important advances have expanded our understanding of the pathways that lead to cell dysfunction and death in Parkinson’s disease (PD) and Huntington’s disease (HD). Both diseases are movement disorders characterized by the loss of a specific subset of neurons within the basal ganglia, dopaminergic neurons in the substantia nigra pars compacta (SNpc), in the case of PD, and medium spiny neurons in the striatum, in the case of HD,. Despite distinct clinical and pathological features, these two neurodegenerative disorders share critical underlying pathogenic mechanisms such as the presence of misfolded and/or aggregated proteins, oxidative stress and mitochondrial anomalies. Mitochondria are the prime energy source in most eukaryotic cells, but these highly dynamic organelles are also involved in a multitude of cellular events. Disruption of mitochondrial homeostasis and the subsequent mitochondrial dysfunction plays a key role in the pathophysiology of neurodegenerative diseases. Therefore, maintenance of mitochondrial integrity through different surveillance mechanisms is critical for neuronal survival. In this thesis I have studied in depth some mitochondrial quality control mechanisms in the context of PD and HD, in order to broaden the knowledge about the pathomechanisms leading to cell death. In the first chapter I have studied mitochondrial protein import in in vitro and in vivo models of PD. In vitro, complex I inhibition, a characteristic pathological hallmark in PD, impaired mitochondrial protein import. This was associated with OXPHOS protein downregulation, accumulation of aggregated proteins inside mitochondria and downregulation of mitochondrial chaperones. Therefore, we aimed to reestablish the mitochondrial protein import by overexpressing two key components of the system: translocase of the outer membrane 20 (TOM20) and translocase of the inner membrane 23 (TIM23). Overexpression of TOM20 and TIM23 in vitro restored protein import into mitochondria and ameliorated mitochondrial dysfunction and cell death. Complex I inhibition also impaired mitochondrial protein import and led to dopaminergic neurodegeneration in vivo. Overexpression of TIM23 partially rescued protein import into mitochondria and slightly protected dopaminergic neurons in the SNpc. On the contrary, TOM20 overexpression did not rescue protein import into mitochondria and exacerbated neurodegeneration in both SNpc and striatum. These results highlight mitochondrial protein import dysfunction and the distinct role of two of their components in the pathogenesis of PD and suggest the need for future studies to target other elements in the system. In the second chapter, I have studied the role of huntingtin in mitophagy and how the polyglutamine expansion present in mutant huntingtin can affect its function. For such, I worked with differentiated striatal ST-Q7 (as control) and ST-Q111 (as mutant) cells, expressing full length huntingtin. In these conditions, induced mitophagy was not mediated by Parkin recruitment into depolarized mitochondria. Mutant huntingtin impaired induced mitophagy by altering wildtype huntingtin scaffolding activity at different steps of mitophagy process: (i) ULK1 activation through its release from the mTORC1, (ii) Beclin1-Vps15 complex formation, (iii) interaction of the mitophagy adapters OPTN and NDP52 with huntingtin and (iv) with LC3. As a result, mitochondria from ST-Q111 cells exhibited increased damage and altered mitochondrial respiration. These results uncover impaired mitophagy as a potential pathological mechanism linked with HD. In conclusion, we have discovered new mitochondrial targets for PD and HD emphasizing the important role that mitochondrial quality control plays in neurodegeneration