Mitocondriile disfuncționale pot iniția apariția bolii Parkinson

Un studiu realizat de Gladstone Institutes a investigat modul în care mutația CHCHD2 T61I influențează funcția mitocondrială și vulnerabilitatea neuronilor dopaminergici din substantia nigra pars compacta, oferind perspective noi asupra mecanismelor bolii Parkinson. Echipa a analizat această mutație într-un model murin generat prin editare genomică CRISPR și a extins observațiile la țesut cerebral uman afectat de boală Parkinson sporadică.
De mai multe decenii, disfuncția mitocondrială este considerată un element central în fiziopatologia bolii Parkinson, prin afectarea lanțului respirator, vulnerabilitatea neuronilor dopaminergici la inhibitori ai complexului I și acumularea de mutații ale ADN-ului mitocondrial odată cu înaintarea în vârstă. Mutațiile în proteine precum PINK1 și Parkin demonstrează că deteriorarea turnoverului mitocondrial poate cauza forme familiale de boală. Totuși, aceste modele nu reproduc fidel patologia umană, lăsând incertă legătura directă dintre disfuncția mitocondrială și boala Parkinson idiopatică.

Descoperirea faptului că mutații în proteina mitocondrială CHCHD2 pot provoca forme autosomal dominante de boală Parkinson cu manifestări similare formei sporadice – inclusiv agregare extinsă de alfa-sinucleină – a schimbat direcția cercetării. Mutația T61I, în particular, a atras atenția deoarece sugerează o toxicitate prin gain of function, dat fiind că șoarecii fără CHCHD2 nu prezintă fenotipuri marcate, iar agregatele proteice formate de proteina mutantă perturbă funcțiile mitocondriale.

Despre studiu

Modelul murin și verificarea expresiei mutante

Șoarecii purtători ai mutației CHCHD2 T61I au fost generați prin editare CRISPR, introducându-se mutația punctiformă și o modificare suplimentară silențioasă pentru genotipare. Datorită similarității secvențiale cu Zbed5, confirmarea a necesitat genotipare prin qPCR specifice ale polimorfismului introdus și validare proteică prin LC-MS/MS. Distribuția genotipurilor a urmat raportul mendelian, iar durata de viață nu a fost afectată până la 23 de luni.

Comportament motor și nonmotor

Șoarecii homozigoți au prezentat deficite motorii discrete, dependente de sex, cum ar fi scăderea latenței de cădere în testul de agățare inversată, fără modificări în testele de rotarod sau activitate spontană. Au fost observate și modificări nonmotorii – în special comportamente anxioase – la femelele homozigote, sugerând că mutația afectează circuite extra-dopaminergice.

Evaluarea neuronilor dopaminergici și a autoreglării dopaminergice

Înregistrările electrofiziologice din neuronii dopaminergici ai substantia nigra la 23 de luni au arătat că proprietățile de bază ale potențialelor de acțiune sunt în mare parte conservate, cu o ușoară reducere a amplitudinii vârfului. Totuși, un deficit major a fost identificat la nivelul receptorilor dopaminergici de tip D2: agonistul D2R nu a mai indus hiperpolarizarea normală, indicând pierderea autoreglării prin feedback.

Nivelurile de dopamină din striat au fost reduse în timp, deși nu s-au observat pierderi structurale semnificative ale neuronilor dopaminergici sau ale terminalelor lor, după cum arată analizele imunohistochimice și stereologia.

Alterarea localizării CHCHD2 și morfologia mitocondrială

Deși expresia totală de CHCHD2 și CHCHD10 a rămas neschimbată, mutația T61I a produs acumularea de puncte proteice mari, sugestive pentru agregate, doar în neuronii dopaminergici ai substantia nigra. Analizele de solubilitate au confirmat creșterea fracțiilor insolubile de CHCHD2, predominant în mitocondrii.

Studiile ultrastructurale au indicat o reducere a proporției de mitocondrii cu criste intacte și o creștere a mitocondriilor umflate – un semn clar de deteriorare structurală.

Expresia CHCHD2 în boala Parkinson sporadică

Aplicând transcriptomică spațială pe probe umane, autorii au observat că neuronii dopaminergici cei mai vulnerabili (ventrali) exprimă în mod normal nivele mai mari de CHCHD2. În stadiile incipiente ale bolii Parkinson sporadice, expresia CHCHD2 scade selectiv în aceste populații vulnerabile, sugerând că fie neuronii cu nivel crescut sunt pierduți, fie că expresia scade odată cu inițierea degenerării.

Interacțiunea dintre CHCHD2 și alfa-sinucleină

Atât la șoareci, cât și în țesutul uman, CHCHD2 și CHCHD10 se localizează în agregatele de alfa-sinucleină. Mutația T61I determină o creștere progresivă a alfa-sinucleinei totale și fosforilate (pS129) în substantia nigra și striat, urmată de acumulare corticală la vârste înaintate, replicând caracteristicile neuropatologice ale bolii Parkinson.

Metabolomica și schimbarea globală a metabolismului energetic

Metabolomica cu trasori [U-13C] a demonstrat o redirecționare amplă a metabolismului către glicoliză și calea pentozofosfaților, cu acumularea de metaboliți glicolitici și etichetare crescută cu 13C. Etichetarea ciclului tricarboxilic nu a crescut în paralel, sugerând o reducere a fluxului mitocondrial.

Monitorizarea metabolismului întregului organism a arătat creșterea raportului RER, indicând trecerea către utilizarea predominantă a carbohidraților – un semn al compensării pentru slăbirea respirației oxidative.

Transcriptomică spațială și perturbarea lanțului respirator

Analizele transcriptomice spațiale din substantia nigra și ventral tegmental area au arătat scăderi robuste ale genelor care codifică componente ale complexelor I și III în modelul T61I, mult mai marcate decât în șoarecii knock-out CHCHD2. O parte din aceste modificări au fost regăsite în probe umane cu boală Parkinson incipientă.

Proteomica și rețelele proteice mitocondriale

Studiile complexe de cofracționare și masă au identificat mii de interacțiuni proteice alterate. Perturbările au afectat module funcționale esențiale, precum ansamblurile respiratorii, enzimele glicolitice și proteine asociate bolilor neurodegenerative.

Au fost observate atât modificări sugestive de pierdere de funcție (asemănătoare șoarecilor KO), cât și modificări exclusiv prezente în mutația T61I, susținând un mecanism mixt gain of function și loss of function.

Stres oxidativ și pierderea rețelelor de protecție antioxidante

Deși activitatea complexului I nu a fost semnificativ afectată, nivelurile de peroxid de hidrogen din mitocondrii au crescut substanțial la 11 luni. Analizele PPI au arătat pierderea totală a 501 interacțiuni antioxidante la mutanți, incluzând proteine relevante pentru boala Parkinson precum DJ-1, SOD2 și peroxiredoxinele – un fenomen neobservat în alte modele.

Rezultate

• Mutația CHCHD2 T61I duce la acumularea de agregate proteice în mitocondriile neuronilor dopaminergici vulnerabili.
• Apare o deteriorare progresivă a ultrastructurii mitocondriale și o pierdere a interacțiunilor esențiale în lanțul respirator.
• Metabolismul energetic se reorientează către glicoliză, însoțit de o creștere a consumului de carbohidrați la nivel sistemic.
• Nivelurile de alfa-sinucleină totală și fosforilată cresc progresiv, formând agregate în zone motorii și nonmotorii.
• Crește stresul oxidativ mitocondrial, cu pierderea completă a rețelelor antioxidante mitocondriale identificate la șoareci sănătoși.
• Transcriptomica spațială arată o reducere a expresiei genelor respiratorii în neuronii dopaminergici, în paralel cu modificările observate în boala Parkinson sporadică.
• Nu există pierdere semnificativă de neuroni dopaminergici, sugerând că deficitele funcționale preced degenerarea structurală.

În ansamblu, studiul arată că mutația CHCHD2 T61I acționează ca un catalizator al unei cascade multiplu convergente – agregare proteică mitocondrială, perturbare metabolică, stres oxidativ și acumulare de alfa-sinucleină – recapitulate ulterior și în boala Parkinson sporadică. Aceste descoperiri întăresc legătura cauzală dintre disfuncția mitocondrială și mecanismele centrale ale bolii Parkinson și sugerează că măsurile terapeutice viitoare ar putea viza restaurarea funcției mitocondriale, reducerea stresului oxidativ și normalizarea interacțiunilor proteice.