The effect of mitochondrial toxins on cytochrome c oxidase subunit IV isoforms and its consequences on mitochondrial function and neural cell survival

Misiak, Magdalena Maria; Arnold, Susanne

doi:999910018861

The effect of mitochondrial toxins on cytochrome c oxidase subunit IV isoforms and its consequences on mitochondrial function and neural cell survival = Die Wirkung von Toxinen auf mitochondriale Cytochrom c Oxidase-Untereinheit IV Isoformen und ihre Auswirkungen auf die Funktion der Mitochondrien und das neuronale Überleben der Zelle

Misiak, Magdalena Maria

2010

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Magdalena Maria Misiak

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2010

Umfang125 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2010

Zsfassung in dt. u. engl. Sprache

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Arnold, Susanne (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2010-09-16

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-33705
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/63548/files/3370.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Neuroanatomie (511001-2)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Mitochondrium (Genormte SW) ; Nervendegeneration (Genormte SW) ; Cytochromoxidase (Genormte SW) ; Huntington-Chorea (Genormte SW) ; Parkinson-Krankheit (Genormte SW) ; Biowissenschaften, Biologie (frei) ; Neurodegenerative Erkrankung (frei) ; Morbus Parkinson (frei) ; mitochondria (frei) ; cytochrome c oxidase (frei) ; neurodegeneration (frei) ; neural cells (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 570

Kurzfassung
Mitochondrien spielen eine entscheidende Rolle bei neurodegenerativen Erkrankungen. Verschiedene Atmungskettenmängel sind für Morbus Parkinson (PD: Komplex I), Chorea Huntington (HD: Komplex II) oder der Alzheimer-Krankheit (AD: Komplex IV) identifiziert worden. Darüber hinaus unterstützen Studien mit in vivo angewendeten Toxinen, die neurodegenerative Erkrankungen imitieren, , die zentrale Rolle der mitochondrialen Enzymkomplexe. So untersuchte ich die Effekte von zwei strukturell unabhängigen mitochondrialen Toxinen auf die mitochondriale Regulation, Funktion und das Überleben von Zellen: 6-Hydroxydopamin (6-OHDA), dass die NADH-Dehydrogenase (ND; Komplex I) beeinträchtigt und 3-Nitropropionsäure (NPA), welches die Succinat-Dehydrogenase (SDH; Komplex II) hemmt. Die Ergebnisse hier zeigen, dass das terminale Enzym der Atmungskette, Cytochrom c Oxidase (COX), auch an den in-vitro-Effekten dieser Neurotoxine beteiligt ist. In Bezug auf die potenzielle Rolle der COX bei Toxin-induziertem neuronalen Zelltod, fand ich, dass Isoformen der COX Untereinheit IV eine wichtige Hirnregion-spezifische Rolle für den mitochondrialen Energiestoffwechsel, oxidativen Stress und damit das Überleben von Astrozyten unter toxischen Bedingungen spielen. NPA-behandelten Astrozyten aus dem Striatum zeigten eine höhere Anfälligkeit als die aus Kortex und Mittelhirn. Den niedrigsten ATP-Spiegel zusammen mit der höchsten reaktiven Sauerstoffspezies- (ROS-) Produktion in striatalen Astrozyten die hohe nekrotische Zelltodrate in Astrozytenkulturen des Striatums erklären. Die Veränderungen von ATP- und ROS-Niveau wurden durch ein erhöhtes COX IV-2/COX IV-1-Verhältnis durch hoch-regulierte COX Isoform IV-2 und herunter-regulierte COX Isoform IV-1-Expression verursacht, welche am stärksten in striatalen Astrozyten ausgeprägt ist. So spielt die COX eine Hirnregion-spezifische Rolle für die Lebensfähigkeit der Zellen unter toxischen Bedingungen. Der zugrunde liegende Mechanismus dieses regulatorischen Prozesses beinhaltet die Bindung von ATP an die COX Untereinheit VI-1 in Gegenwart eines hohen ATP/ADP-Verhältnisses, die die allosterische Hemmung der COX verursacht. Dieser Mechanismus wird durch die Expression der COX Isoform IV-2 unterbunden (Singh et al , 2009). Insgesamt unterstützen meine in vitro Beobachtungen das Konzept einer selektiven Anfälligkeit der striatalen Astrozyten in HD, die, zumindest teilweise, auf einer erhöhten COX IV-2 Transkription und erhöhter ROS-Produktion und Nekroserate beruht. Im zweiten Teil meiner Arbeit, analysierte ich die mögliche Rolle von Kern-kodierten COX Untereinheit IV Isoformen und Mitochondrien-kodierten repräsentativen katalytischen Untereinheiten der mitochondrialen Atmungsketten (MRC)-Komplexe für das Überleben der weiblichen und männlichen mesencephalischen Neuronen während der 6-OHDA Applikation. Ich fand, dass weibliche Neurone besser als männliche Zellen vor apoptotischem und nekrotischem Zelltod geschützt sind. Dieser Schutz könnte durch eine weniger starke Herunter-Regulation der katalytischen Untereinheiten des Komplexes I und V und eine höhere ATP- und niedrigere ROS-Produktion in weiblichen verglichen mit männlichen Neuronen erklärt werden . Ich zeige, dass Östrogen (E) einem 6-OHDA-induzierten ROS-Anstieg und dadurch verringerter Zelltodrate von mesencephalischen Neuronen entgegenwirkt. Die hier präsentierten Daten unterstützen die Hypothese, dass mitochondriale Toxine zu einer erhöhten ROS-Produktion durch Veränderungen der MRC-Funktion und damit zu mitochondrialem Toxin-induzierten Zelltod führen. Die weitere Erforschung der regulatorischen Rolle der COX Untereinheit IV und ihrer Isoformen unter pathologischen Bedingungen kann bei der Entwicklung neuer therapeutischer Strategien, die die grundlegenden Prozesse wie die mitochondriale Energie-und ROS- Produktion adressieren, von Niutzen sein. Zahlreiche Studien belegen die direkte oder indirekte Wirkung von mutierten Proteinen, die bei neurodegenerativen Erkrankungen vorhanden sind, wie z. B. mutiertes Huntingtin (Htt) oder α-Synuclein, auf die mitochondriale Struktur und Funktion. Schwerpunkte der künftigen Forschung über den Einfluss von pathogenen Proteinen auf MRC Enzyme können zusätzliche Informationen über die Vorgänge während neurodegenerativer Porzesse liefern. Deshalb denken wir, dass basierend auf unseren in-vitro-Studien, die Rolle der COX für der Regulation der Mitochondrien bei Neurodegeneration in Tiermodellen mit besonderem Schwerpunkt auf Hirnregion-und geschlechtsspezifischen Besonderheiten überprüft werden sollte.

Mitochondria play a crucial role in neurodegenerative diseases. Different respiratory chain defects have been identified for Parkinson's disease (PD: complex I), Huntington's disease (HD: complex II) or Alzheimer’s disease (AD: complex IV). Additionally, studies with toxins that mimic neurodegenerative disorders when applied in vivo clearly support the pivotal role of mitochondrial enzyme complexes in neurodegeneration. Thus, I examined the effects of two structurally unrelated mitochondrial toxins on mitochondrial regulation, function and cell survival: 6-hydroxydopamine (6-OHDA) which impairs NADH dehydrogenase (ND; complex I) and 3-nitropropionic acid (NPA) which inhibits succinate dehydrogenase (SDH; complex II). Data shown here indicate that the terminal enzyme of respiratory chain, cytochrome c oxidase (COX), is also involved in the in vitro effects exerted by these two neurotoxins. With respect to the potential role of COX in toxin-induced neural cell death, I found that COX subunit IV isoforms play an essential brain region-specific role for mitochondrial energy metabolism, oxidative stress, and consequently survival of astrocytes under toxic conditions. NPA-treated astrocytes from striatum showed a higher vulnerability than those from cortex and mesencephalon. The lowest ATP level together with the highest reactive oxygen species (ROS) production in striatal astrocytes could explain the highest level of necrotic cell death rates in astrocyte cultures from striatum. The changes in ATP and ROS levels were caused by increased COX IV-2/COX IV-1 ratio due to up-regulated COX isoform IV-2 and down-regulated COX isoform IV-1 expression which is most pronounced in striatal astrocytes. Thus, COX plays a brain region-specific role in cell viability under toxic conditions. The underlying mechanism of this regulatory process involves the binding of ATP to COX subunit VI-1 in the presence of a high ATP/ADP ratio, thereby causing an allosteric inhibition of COX. This mechanism is abolished by the expression of COX isoform IV-2 (Singh et al., 2009). Overall, my in vitro observations support the concept of a selective vulnerability of striatal astrocytes in HD, which is, at least in part, based on increased COX IV-2 transcription accompanied by elevated ROS levels and increased necrosis rates. In the second part, I analyzed the possible role of nucleus-encoded COX subunit IV isoforms and mitochondria-encoded catalytic subunits of MRC complexes for the survival of mesencephalic female and male neurons during 6-OHDA intoxication. I found that female neurons are protected better than male cells from apoptotic and necrotic cell death. This protection may be explained by a less severe down-regulation of catalytic subunits of complex I and V accompanied by higher ATP level and lower ROS production in female when compared to male neurons. I show that estrogen (E) counteracts 6-OHDA-induced increase of ROS levels thereby decreasing cell death rates of mesencephalic neurons. The data presented herein support the hypothesis that mitochondrial toxins lead to increased ROS production through changes of MRC function, thereby contributing to mitochondrial toxin-induced cell death. Further exploration of the postulated regulatory role of COX subunit IV and its isoforms during pathological conditions can provide development of new therapeutical strategies that may target basic mitochondrial processes such as energy production and ROS generation. Numerous studies demonstrate the direct or indirect actions of mutated proteins which are present in neurodegenerative diseases such as mutated huntingtin (Htt) or alpha-synuclein on mitochondrial structure and function. Focus of future research on the influence of pathogenic proteins on MRC enzymes can provide additional information on the processes occurring during neurodegeneration. Therefore, we think, that based on our in vitro studies, the role of COX in the regulation of mitochondria during neurodegeneration should be verified in animal models with particular emphasis on brain region- and gender-specificity.

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