Redox regulation of mitochondrial dynamics and function in parkinson’s disease

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Main Author: Santos, Fabiana Alexandra Carvalho dos
Publication Date: 2023
Format: Master thesis
Language: eng
Source: Repositórios Científicos de Acesso Aberto de Portugal (RCAAP)
Download full: http://hdl.handle.net/10451/63400
Summary: Tese de mestrado, Ciências Biofarmacêuticas, 2023, Universidade de Lisboa, Faculdade de Farmácia.
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spelling Redox regulation of mitochondrial dynamics and function in parkinson’s diseaseParkinson’s diseaseMitofusin 2Mitochondrial dysfunctionOxidative stressCysteineTeses de mestrado - 2023Ciências da SaúdeTese de mestrado, Ciências Biofarmacêuticas, 2023, Universidade de Lisboa, Faculdade de Farmácia.As espécies reativas de oxigénio (ROS) desempenham papéis fisiológicos importantes, nomeadamente na sinalização celular. No entanto, a produção excessiva de ROS está associada ao stress oxidativo, uma caraterística patológica que, juntamente com a disfunção mitocondrial, é um fator central que contribui para a neurodegenerescência, nomeadamente nas doenças neurodegenerativas associadas ao envelhecimento como a Doença de Parkinson (PD). Foi levantada a hipótese de as ROS poderem regular a dinâmica mitocondrial através da ação em proteínas como a Mitofusina 2 (MFN2). Os resíduos de cisteína (Cys) das proteínas são extremamente sensíveis a alterações nas condições redox, funcionando como sensores de stress. Resultados anteriores do nosso laboratório identificaram Cys na MFN2, que poderiam ser alteradas por modificações pós-traducionais baseadas no estado redox. Neste trabalho, colocamos a hipótese de que as células que sobreexpressam MFN2, com mutações em Cys específicas, teriam uma resposta alterada ao stress oxidativo, devido a alterações na dinâmica mitocondrial. Começámos por investigar os níveis de expressão de factores-chave envolvidos na dinâmica mitocondrial e na resposta antioxidante em amostras de tecido cerebral obtido post-mortem a partir de indivíduos controlo e de doentes com PD. Os genes de fusão e fissão mitocondrial foram analisados, tanto a nível de mRNA como da proteína, e os resultados sugerem um desequilíbrio na dinâmica mitocondrial e uma co-regulação entre os níveis de expressão de MFN1 e MFN2. Não se registaram alterações significativas nos níveis de mRNA dos genes antioxidantes, embora a tioredoxina-1 e a peroxirredoxina 1 tenham mostrado uma tendência para diminuir. Curiosamente, os níveis da proteína homóloga de ligação a CCAAT parecem aumentar nas amostras de PD, o que sugere uma potencial ativação da unfolded protein response. Concomitantemente, observámos uma tendência para a diminuição dos níveis de glutationo (GSH) nas amostras dos doentes. Além disso, gerámos vectores de expressão recombinantes, que codificam para formas mutadas de cisteína-para-alanina da MFN2, alteradas nas Cys390 e Cys700. Em estudos de ganho e perda de função, fibroblastos embrionários de murganho de tipo selvagem (WT) e knocked-out para MFN2, foram transfectados com vectores de expressão que codificam as formas WT ou mutadas de MFN2. Observámos que as células MFN2-KO apresentam alterações no potencial de membrana mitocondrial e na geração de ião superóxido, e respondem de forma diferente a fármacos que depletam os níveis de GSH total ou mitocondrial. Além disso, a expressão ectópica dos mutantes MFN2-C700A e MFN2-C390A afeta seletivamente a resposta celular a estes compostos. Os nossos resultados, embora preliminares, sugerem uma potencial ligação entre a disfunção da dinâmica mitocondrial, o stress oxidativo e as modificações redox na patologia da PD.Reactive oxygen species (ROS) play important physiological roles. However, excessive ROS production is associated to oxidative stress, a pathological feature that, together with mitochondrial dysfunction, is a core-contributing factor to neurodegeneration. ROS have been hypothesized to regulate mitochondrial dynamics through acting on proteins such as Mitofusin 2 (MFN2). Protein cysteine (Cys) residues are extremely sensitive to changes in redox conditions, functioning as stress sensors. Previous results from our lab have identify Cys in MFN2, that could be altered by redox-based post-translational modifications. Herein, we hypothesize that cells overexpressing MFN2, with mutations in these specific Cys, would have impaired response to oxidative stress due to deficient mitochondrial dynamics. We started by investigating the expression levels of key factors involved in mitochondrial dynamics and antioxidant response in postmortem brain tissue samples from controls and Parkison’s Disease (PD) patients. Mitochondrial fusion and fission genes were analyzed at both mRNA and protein levels and results suggest an imbalance in mitochondrial dynamics, and a co-regulation between MFN1 and MFN2 expression levels. There were no significant changes in mRNA levels of antioxidant genes, although thioredoxin-1 and peroxiredoxin 1 showed a tendency to decrease. Interestingly, C/EBP homologous protein levels appears to increase in PD samples suggesting a potential activation of the unfolded protein response in this disease. Concomitantly, we observed a trend towards decreased glutathione (GSH) levels in PD. Additionally, we have generated recombinant expression vectors, encoding for cysteine-to-alanine mutated forms of MFN2, at Cys390 or Cys700. In gain and loss of function studies, in wild-type (WT) and MFN2-KO cells, transfected with expression vectors encoding for WT or MFN2 mutated forms, we observed that MFN2-KO cells have alterations in mitochondrial membrane potential and superoxide generation, and respond differently to drugs that deplete total or mitochondrial GSH levels. Moreover, ectopic expression of MFN2-C700A and MFN2-C390A mutants selective affect the cellular response to these compounds. Our results, although preliminary, suggest a potential link between mitochondrial dynamics dysfunction, oxidative stress, and redox modifications in PD pathology.iMed.Ulisboa.Carvalho, Andreia Margarida Gonçalves das NevesRodrigues, Elsa Margarida TeixeiraRepositório da Universidade de LisboaSantos, Fabiana Alexandra Carvalho dos2023-12-212023-12-152026-12-21T00:00:00Z2023-12-21T00:00:00Zinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisapplication/pdfhttp://hdl.handle.net/10451/63400TID:203490398enginfo: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:RCAAP2025-03-17T15:12:55Zoai:repositorio.ulisboa.pt:10451/63400Portal AgregadorONGhttps://www.rcaap.pt/oai/openaireinfo@rcaap.ptopendoar:https://opendoar.ac.uk/repository/71602025-05-29T03:36:50.540270Repositórios Científicos de Acesso Aberto de Portugal (RCAAP) - FCCN, serviços digitais da FCT – Fundação para a Ciência e a Tecnologiafalse
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