Analisi della funzione mitocondriale in modelli cellulari di neurodegenerazione per lo sviluppo di nuovi approcci terapeutici

Mitochondria are indispensable cell organelles which play a central role in bioenergetic metabolism as well as being a crossroad of the apoptotic process for the establishment of cell fate. Maintaining mitochondrial homeostasis is crucial in neurons that relies almost exclusively on this organelle to the general energy supply. In human, neurons are the highest energy demand cell types because of their necessity to sustain activities with high metabolic rate such as neurotransmitter release and restoration of membrane potential. Therefore, even small alterations in proper mitochondrial functioning may result detrimental and could play an important role in the process of aging and in several neurodegenerative diseases including Amyotrophic lateral sclerosis (ALS), Parkinson’s (PD), and Alzheimer’s disease (AD). Although the mitochondrial dysfunction has been widely recognized has a common and shared feature of these disorders, a comprehensive understanding of the underlying mechanisms that lead to the bioenergetic failure of the organelle is still lacking. Accordingly, the aim of this PhD project was to investigate and characterize mitochondrial dysfunction in cellular model of neurodegeneration in order to subsequently test the potential beneficial effect of promising therapeutic molecules. To this purpose, High-resolution respirometry measurements of intact and permeabilized cells, in combination with other biochemical and cellular assays, were conducted. The studies included in this dissertation comprise three main findings: i) a small synthetic peptide derived from the HK1 sequence (NHK1) recovered cell viability and the defective mitochondrial respiratory profile in an ALS cell model; ii) in a toxin-based PD cell model (MPP+ treatment), an expected decrease in complex I activity was detected. In addition, a previously unknown compensatory effect of complex II and an accentuated raise of the dissipative component of respiration were observed; iii) in a genetic PD cell model, the α-Synuclein A53T mutant on one hand increased the dissipative respiration flux not compromising the ATP production, on the other hand it diminished the excess capacity of the mitochondria increasing the organelle’s susceptibility to further stress stimuli. Together with future studies these results may potentially lead to the development of effective therapeutic strategies in order to improve mitochondrial function in patients with neurodegenerative diseases and counteract neurons death.

I mitocondri sono organelli cellulari indispensabili che svolgono un ruolo centrale nel metabolismo bioenergetico, oltre ad essere un crocevia del processo apoptotico. Il mantenimento dell'omeostasi mitocondriale è cruciale nei neuroni, che si affidano quasi esclusivamente a questo organello per l'approvvigionamento energetico generale. Nell'uomo, i neuroni sono i tipi di cellule a più alta richiesta energetica a causa della loro necessità di sostenere attività ad alto tasso metabolico come il rilascio di neurotrasmettitori e il ripristino del potenziale di membrana. Pertanto, anche piccole alterazioni del corretto funzionamento mitocondriale possono risultare dannose e potrebbero giocare un ruolo importante nel processo di invecchiamento così come in diverse malattie neurodegenerative, tra cui la sclerosi laterale amiotrofica (SLA), il morbo Parkinson e il morbo di Alzheimer. Anche se la disfunzione mitocondriale è stata ampiamente riconosciuta come una caratteristica comune di questi disturbi, manca ancora una comprensione completa dei meccanismi sottostanti che portano al fallimento bioenergetico dell'organello. Di conseguenza, lo scopo di questo progetto di dottorato è stato quello di indagare e caratterizzare la disfunzione mitocondriale in modelli cellulari di neurodegenerazione al fine di testare successivamente il potenziale effetto benefico di promettenti molecole terapeutiche. A tale scopo, sono state condotte misure di respirometria ad alta risoluzione in cellule permeabilizzate, in combinazione con altri saggi biochimici e cellulari. Gli studi inclusi in questa tesi comprendono tre risultati principali: i) un piccolo peptide sintetico derivato dalla sequenza dell’esochinasi 1 (NHK1) ha recuperato la vitalità cellulare e il difettoso profilo respiratorio mitocondriale in un modello cellulare di SLA; ii) in un modello cellulare di PD basato sul trattamento con MPP+, è stata rilevata un’attesa diminuzione dell'attività del complesso I. Inoltre, sono stati osservati un effetto compensatorio precedentemente sconosciuto del complesso II e un aumento accentuato della componente dissipativa della respirazione. iii) in un modello cellulare genetico di PD, il mutante dell’ α-Sinucleina A53T da un lato ha indotto un aumento del flusso di respirazione dissipativa non compromettendo la produzione di ATP, dall'altro ha diminuito la capacità energetica di riserva dei mitocondri aumentando la suscettibilità dell'organello a ulteriori stimoli di stress. Insieme a studi futuri, questi risultati possono potenzialmente portare allo sviluppo di strategie terapeutiche efficaci per migliorare la funzione mitocondriale in pazienti con malattie neurodegenerative.