Lipidomic fingerprint of MAMs in Alzheimer's disease - impact of its modulation on neuronal metabolism
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| Publication Date: | 2025 |
| Language: | eng |
| Source: | Repositórios Científicos de Acesso Aberto de Portugal (RCAAP) |
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Summary: | Tese de Programa de Doutoramento em Ciências da Saúde apresentada à Faculdade de Medicina |
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Lipidomic fingerprint of MAMs in Alzheimer's disease - impact of its modulation on neuronal metabolismCaracterização lipidómica das MAMs na doença de Alzheimer - impacto da sua modulação no metabolismo neuronal.neurodegenerative diseasesphospholipids metabolismmitochondrial functionsub-cellular fractionsenzymatic modulation;função mitocondrialmodulação enzimáticametabolismo de fosfolípidosfrações sub-celularesdoenças neurodegenerativasCiências médicas e da saúde::Ciências da saúdeTese de Programa de Doutoramento em Ciências da Saúde apresentada à Faculdade de MedicinaAlzheimer’s disease (AD) is the most common cause of dementia and it is characterized by progressive loss of memory and other cognitive functions. There are two forms of AD, the sporadic AD (SAD) and the familial AD (FAD). FAD represents <5% of all AD cases, and it is caused by mutations in the genes that encode the amyloid β (Aβ) precursor protein (APP) or presenilins 1 or 2 (PSEN1 and PSEN2). In addition, AD is neuropathologically characterized by the accumulation of Aβ peptide in senile plaques and by the deposition of neurofibrillary tangles formed by the hyperphosphorylated tau protein, which are associated with synaptic loss and neuronal degeneration. The APP, which are responsible for the generation of Aβ, are present in lipid rafts, including at the mitochondria-associated membranes (MAM). Consequently, alterations in the composition of these membrane regions potentiate APP processing and Aβ generation. MAM are dynamic structures representing biochemical and physical contacts between the ER and mitochondria. This region modulates several cellular events and MAM disruption have been implicated in AD physiopathology contributing to impaired lipid and glucose metabolism, aberrant Ca2+ homeostasis, ER and oxidative stress, compromised autophagy, mitochondrial dysfunction, and apoptotic cell death. Since MAM alterations seem to occur upstream of these AD-associated events, the study of these subcellular signaling platforms represents interesting therapeutic targets to fight AD. The work presented in this Thesis support the hypothesis that mutations in genes involved in Aβ production, particularly in the gene that codifies for APP, change the ER-mitochondria communication at MAM, affecting the lipidomic fingerprint of MAM and lipid metabolism regulated in this region. In Chapter 3, using an in vitro model of AD, namely the mouse neuroblastoma cell line (N2A) overexpressing APP containing the familial Swedish mutation (APPswe), we characterized the structural and functional alterations at the MAM. We found an accumulation of APP together with changes in the levels of proteins involved in the ER-mitochondria tethering, leading to a decrease in the number of ER-mitochondria contacts. Moreover, levels of protein mediators of Ca2+ signaling, mitochondrial dynamics, biogenesis, protein import, and stress response were also found altered. These alterations are associated with activation of the ER UPR and impaired mitochondrial function. These findings show that abnormal ER-mitochondria communication plays a key role in AD physiopathology.The data shown in Chapter 4 demonstrates an increase in the ER-mitochondria Ca2+ transfer after stimulation of Ca2+ release through the IP3R with BK that is correlate with enhanced ER Ca2+ content and with the generation of Ca2+ hotspots in the mitochondrial surface in APPswe cells. Furthermore, the clustering of IP3R3 near the mitochondria associates with an increase of VDAC1 protein levels can promote the increase of the Ca2+ transfer, even in the presence of fewer ER-mitochondria contacts in APPswe cells. Regarding the role of MAM in lipid metabolism, we characterized the lipidome alterations at MAM in comparison with other subcellular fractions. Our data revealed down-regulation in the relative abundance of some PC, LPC, and LPE species with PUFA and a few PC with saturated and long-chain FA in APPswe cells. An up-regulation of CL, and antioxidant alkyl acyl phospholipids was also found, indicating that each organelle has a specific lipid profile adaptation in APPswe cells. In this in vitro AD model, we also observed alterations in the FA profile. The results from Chapter 5 suggest that the overexpression of APPswe affects lipid homeostasis in MAM and other subcellular fractions and supports the important role of lipids in AD physiopathology. In Chapter 6 we explored the LD metabolism and their impact on MAM. In APPswe cells, we observed increased levels of ROS and lipid peroxidation. More, we found a depletion of LD in these cells that was associated with the accumulation of FFA and TAG that correlates with LD degradation by CMA and with an impairment in LD formation. The pharmacological modulation of DGAT1, which mediates TAG synthesis, restores the LD size and to potentiate the formation of ER-mitochondria contacts and the mitochondrial function in APPswe cells.Taken together, the findings presented in this Thesis revealed that the overexpression of APPswe affects the ER-mitochondria interaction and affects several cellular functions, namely Ca2+ signaling and lipid metabolism, leading to mitochondrial dysfunction and oxidative distress. Furthermore, modulation of DGAT1 normalizes LD size, ER-mitochondria contacts, and mitochondrial function in APPswe cells. These findings reinforce the idea that the defective ER-mitochondria crosstalk is an important player in AD physiopathology, and that the modulation of lipid metabolism can be a relevant therapeutic target in ADA doença de Alzheimer (AD) é a causa mais comum de demência e caracteriza-se pela perda progressiva de memória e de outras funções cognitivas e por alterações de comportamento. Mutações nos genes que codificam para a proteína precursora do peptídeo β amilóide (Aβ) (APP) ou para a presenilina 1 ou 2 (PSEN1 e PSEN2) são as principais causa para a forma familiar da AD, que representa menos de 5% dos casos de AD. Do ponto de vista neuropatológico, AD é caracterizada pela acumulação do peptídeo Aβ em placas senis e pela deposição de tranças neurofibrilares formadas maioritariamente pela proteína tau hiperfosforilada, estando estas características associadas com a perda sináptica e degeneração neuronal. A proteína APP que é responsáveis pela formação de Aβ, está presente nas jangadas lipídicas, incluindo nas membranas associadas com a mitocôndria (MAM). Consequentemente, alterações na composição destas regiões membranares potenciam a formação de Aβ. As MAM são estruturas dinâmicas representando um contacto físico e bioquímico entre o ER e a mitocôndria. Esta região modula diversos eventos celulares, incluindo a sinalização pelo Ca2+, o metabolismo lipídico e a função mitocondrial. Uma vez que, as alterações nas MAM parecem ocorrer a montante dos eventos associados à AD, o estudo destas plataformas de sinalização subcelular representam novos alvos terapêuticos contra a AD. O trabalho apresentado nesta Tese suporta a hipótese que mutações no gene que codifica para a APP, afeta as MAM, alterando o metabolismo lipídico regulado nesta região, afetando a comunicação entre o ER e a mitocôndria, levando à disfunção mitocondrial. No Capítulo 3, usando um modelo in vitro da AD, nomeadamente a linha celular de neuroblastoma de ratinho (N2A) que sobre-expressa a APP com a mutação familiar sueca (APPswe), caracterizámos as alterações estruturais e funcionais das MAM. Neste conjunto de resultados, observámos que acumulação de APP está associada com a diminuição do número de contactos entre o ER e a mitocôndria. Também encontrámos alterações nos níveis de proteínas envolvidas na sinalização do Ca2+, função mitocondrial e resposta ao stress. Estas alterações estão associadas com a ativação UPR e disfunção mitocondrial. Estas observações corroboram que a comunicação anormal entre o ER e a mitocôndria tem um papel importante na fisiopatologia da AD. Os resultados do Capítulo 4 demostram que a exposição das células APPswe à BK, que promove a saída de Ca2+ do ER através IP3R, aumenta a transferência de Ca2+ do ER para a mitocôndria. Estas alterações estão associadas com o aumento dos níveis de Ca2+ no ER e com a formação de “hotspots” de Ca2+ na superfície da mitocôndria. Ademais, a aglomeração de IP3R3 junto da mitocôndria e o aumento dos níveis da proteína VDAC1 sugere uma estimulação da formação do complexo IP3R3-GRP75-VDAC1, estimulando a transferência de Ca2+ do ER para a mitocôndria.No que diz respeito ao papel das MAM no metabolismo lipídico, o perfil lipídico das MAM foi caracterizado comparativamente ao das outras frações subcelulares. As nossas análises revelaram uma diminuição na abundância relativa de algumas espécies de PC, LPC e LPE com PUFA e um aumento da abundância da CL e de fosfolípidos antioxidantes, sugerindo a existência de adaptações específicas do perfil lipídico nos diferentes organelos das células APPswe. Neste modelo in vitro de AD também observámos alterações no perfil dos ácidos gordos. Os resultados do Capítulo 5 sugerem que a sobre-expressão APPswe afeta a homeostase lipídica nas MAM, o que apoia o papel essencial dos lípidos na fisiopatologia da AD. No Capítulo 6 explorámos o metabolismo das LD e o seu impacto nas MAM. Um aumento nos níveis de ROS e peroxidação lipídica foi observado nas células APPswe. Além disso, encontrámos uma depleção de LD que poderá estar associada com a degradação de LD por CMA e com o comprometimento da formação de LD, levando à acumulação de FFA e TAG. Além disso, a modulação farmacológica da DGAT1, envolvida na síntese de TAG, normalizou o tamanho das LD e aumentou o número de contactos entre o ER e a mitocôndria melhorando a função mitocondrial nas células APPswe.Em conjunto, os resultados descritos nesta Tese revelam que a sobre-expressão da APPswe afeta a interação física entre o ER e a mitocôndria e, consequentemente, as diversas funções celulares reguladas na região das MAM, nomeadamente a sinalização pelo Ca2+ e o metabolismo lipídico, levando à disfunção mitocondrial e ao stresse oxidativo. Além disso, a modulação da DGAT1, normaliza o tamanho das LD, o contacto entre o ER e a mitocôndria e o potencial da membrana mitocondrial nas células APPswe. Estes resultados reforçam a ideia de que uma ancoragem defeituosa entre o ER e a mitocôndria é um fator importante na fisiopatologia da AD e que a modulação do metabolismo lipídico, incluindo a formação e degradação das LD, pode representar um alvo terapêutico relevante na AD.Outro - This work was supported by the European Regional Development Fund (ERDF), through the Centro 2020 Regional Operational Programme: project CENTRO-01-0145-FEDER-000012-HealthyAging2020; by COMPETE 2020 - Operational Programme for Competitiveness and Internationalization, and the Portuguese national funds via FCT – Fundação para a Ciência e a Tecnologia, I.P.: projects POCI-01-0145-FEDER-028214, POCI-01-0145-FEDER-029369, UIDB/04539/2020, UIDP/04539/2020, and LA/P/0058/2020; by the University of Aveiro and CESAM: projects UIDP/50017/2020, UIDB/50017/2020, and LA/P/0094/2020; and by the European Social Fund (Fellowship https://doi.org/10.54499/SFRH/BD/148801/2019 to T. Fernandes).2025-02-282031-02-27T00:00:00Zdoctoral thesisinfo:eu-repo/semantics/publishedVersionhttps://hdl.handle.net/10316/118550https://hdl.handle.net/10316/118550TID:101816707engFernandes, Tânia Patrícia Diasinfo:eu-repo/semantics/embargoedAccessreponame:Repositórios Científicos de Acesso Aberto de Portugal (RCAAP)instname:FCCN, serviços digitais da FCT – Fundação para a Ciência e a Tecnologiainstacron:RCAAP2025-04-02T17:37:10Zoai:estudogeral.uc.pt:10316/118550Portal AgregadorONGhttps://www.rcaap.pt/oai/openaireinfo@rcaap.ptopendoar:https://opendoar.ac.uk/repository/71602025-05-29T06:12:42.361952Repositórios Científicos de Acesso Aberto de Portugal (RCAAP) - FCCN, serviços digitais da FCT – Fundação para a Ciência e a Tecnologiafalse |
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