Cytochrome c oxidase mediates the regulation of mitochondrial function in an in vitro model of Huntington's disease

Singh, Shilpee; Wagner, Hermann

doi:29614

Cytochrome c oxidase mediates the regulation of mitochondrial function in an in vitro model of Huntington's disease = Cytochrom-c-oxidase beeinflußt die Regulation der mitochondrialen Funktion in einem in vitro Model für die Huntington-Krankheit

Singh, Shilpee

2009

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Sheplee Singh

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2009

UmfangIV, 73 S. : graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2009

Zsfassung in dt. u. engl. Sprache

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Wagner, Hermann (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2009-10-08

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-29753
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/51370/files/Singh_Shilpee.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Neuroanatomie (511001-2)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Mitochondrium (Genormte SW) ; Cytochromoxidase (Genormte SW) ; Astrozyt (Genormte SW) ; Nervenzelle (Genormte SW) ; Huntington-Chorea (Genormte SW) ; Biowissenschaften, Biologie (frei) ; mitochondria (frei) ; neurons (frei) ; astrocytes (frei) ; Chorea Huntington (frei) ; cytochrom oxidase (frei) ; 3-nitropropionic acid (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 570

Kurzfassung
Mitochondriale Fehlfunktionen, die zu neurodegenerativen Erkrankungen führen, involvieren strukturelle und funktionelle Veränderungen der Enzymkomplexe der mitochondrialen Atmungskette. Die hier gezeigten Ergebnisse zeigen den Effekt von 3-Nitropropionsäure (NPA), eines mitochondrialen Toxins und in vitro Models für Morbus Huntington (HD), auf die Regulation der Funktion von Mitochondrien. Dies ist ein weiterer Hinweis, dass die COX als wichtiges Atmungskettenenzym in neurodegenerative Erkrankungen involviert ist. Im Hinblick auf die potentielle Rolle der COX in toxin-induziertem Zelltod und degenerativen Erkrankungen war mein Ziel, die Expression der COX Untereinheit IV Isoform im Zusammenhang zu den entsprechenden funktionellen Konsequenzen für die Überlebensfähigkeit striataler Astrozyten und Neurone zu analysieren. Obwohl bekannt ist, dass NPA zu einer Verschlechterung des zellulären Energiestatus führt, beobachtete ich einen Anstieg des ATP Spiegels in NPA-behandelten striatalen Astrozyten. Dieser Effekt konnte auf eine Veränderung des Expressionsverhaltens der COX Untereinheit IV Isoform nach 48 h Behandlung der Astrozyten mit 10 mM NPA zurückgeführt werden. Die antidromische Veränderung der COX Isoformen IV-1 und IV-2, die einen Switch der COX IV Isoformen in striatalen Astrozyten hervorrief, führte zu einer gesteigerten Enzymaktivität zu Lasten einer erhöhten mitochondrialen Peroxidproduktion. Die resultierende Steigerung des oxidativen Stresses kann, zumindest teilweise, den erhöhten nekrotischen Zelltod NPA-behandelter Zellen erklären. Die Anwendung eines siRNA-vermittelten Knock-down-Systems unterstützte den kausalen Zusammenhang zwischen der COX IV-2 Expression und gesteigertem nekrotischen Zelltod infolge erhöhter ROS-Produktion. Der dem zugrunde liegende Mechanismus dieses Regulationsprozesses involviert die Bindung von ATP an die COX-Untereinheit IV-1 in Gegenwart eines hohen ATP/ADP-Spiegels, was zu einer allosterischen Hemmung der COX führt, die durch die COX IV-2 Expression aufgehoben wird. Neurone zeigen allgemein eine höhere Vulnerabilität gegenüber NPA als Astrozyten. Striatale, allerdings nicht kortikale, Neurone zeigten ähnliche Befunde, beginnend mit einer gesteigerten Transkription der COX Isoform IV-2, die von gesteigerten ATP- und ROS-Niveaus begleitet wurde. Zusammenfassend konnte ich die bedeutende Rolle der COX Isoform IV-2 für die Entwicklung von oxidativem Stress und nekrotischem Zelltod nach NPA-Behandlung in Astrozyten zeigen. Dies könnte astrogliale Funktionen unter pathologischen Bedingungen beeinträchtigen und dementsprechend das neuronale Überleben indirekt beeinflussen. Dies unterstützt auch die unterschiedliche Reaktion unterschiedlicher Gehirnregionen auf toxische Bedingungen und könnte erklären, warum die Neurone des Striatums am stärksten dem Zelltod durch NPA unterliegen als Neurone anderer Gehirnregionen.

Mitochondrial dysfunction leading to neurodegenerative diseases involves structural and functional changes of respiratory chain enzyme complexes. The data shown here manifested the effect of 3-nitropropionic acid (NPA), a mitochondrial toxin and in vitro model of Huntington’s disease (HD), on mitochondrial regulation and function which adds another evidence for COX as a respiratory chain enzyme to be an important participant in a neurodegenerative disease. With respect to the potential role of COX in toxin-induced cell death and degenerative diseases, I particularly aimed to analyze the expression of the COX subunit IV isoform and related it to functional consequences for the survival of striatal astrocytes and neurons. Although it is well-known that NPA leads to an impairment of the cellular energy status, I found increased ATP levels in NPA-treated striatal astrocytes. This effect could be explained by an alteration of the expression pattern of COX subunit IV isoforms after 48 h of treatment of astrocytes with 10 mM NPA. The antidromic change caused by a switch of COX IV isoforms in striatal astrocytes led to a higher enzyme activity at the expense of a higher mitochondrial peroxide production. The resulting increased oxidative stress could, at least in part, explain the increased necrotic death of NPA-treated cells. The application of a siRNA-mediated knock-down system supported the causal link between the COX IV-2 expression and increased necrotic cell death due to elevated ROS production. The underlying mechanism of this regulatory process involves the binding of ATP to COX subunit IV-1 in the presence of a high ATP/ADP ratio, thereby causing an allosteric inhibition of COX, which is abolished by the expression of COX isoform IV-2. Overall, neurons showed a higher vulnerability towards NPA-mediated toxicity than astrocytes. Striatal but not cortical neurons demonstrated a similar chain of features and events beginning with increased transcription of COX isoform IV-2 accompanied by elevated ATP and ROS. In conclusion, I demonstrated the crucial role of COX isoform IV-2 for the development of oxidative stress after NPA treatment leading to elevated necrosis in astrocytes, which could affect proper astroglia function under pathological conditions and, in turn, indirectly contribute to reduction of neuronal survival. Along with this, the fact of different brain regions responding differently to toxic conditions was highlighted and could explain why striatal neurons are more prone to death under intoxication of NPA.

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