Role of mitochondrial dynamics in Wolfram syndrome

Abstract

Neuroarengulised ja neurodegeneratiivsed haigused on tänapäeva ühiskonnas oluliseks elukvaliteedi vähendajaks ja majanduslikuks koormaks. Seniste uuringute jooksul on saanud selgemaks, et ajuhaiguste väljakujunemises võib olla oluline osa mitokondrite ehituse ja/või talitluse kõrvalekalletel. Mitokondrid on dünaamilised organellid, mis tähendab, et nad liiguvad aktiivselt mööda närvirakkude jätkeid ringi, ühinevad (fusioon) ja lahknevad (fission) omavahel ning vigased/üleliigsed mitokondrid suunatakse lagundamisele (mitofaagia). Wolframi sündroom (WS) on harvikhaigus, mis avaldub progressiivsete neuroendokriinsete kõrvalekalletena, nagu magediabeet, diabeet, optiline atroofia ja kurtus. Haiguse avastamise ja kirjeldamise järel peeti seda kauaaegselt mitokondriaalseks haiguseks. Hiljem avastati, et WS põhjustavad mutatsioonid WFS1 (WS1) ja CISD2 (WS2) geenides, mille poolt kodeeritud valgud paiknevad endoplasmaatilise retiikulumi (ER) ja mitokondrite ühenduskohtades. Senini ei ole teada, millised on WFS1 ja CISD2 täpsed ülesanded rakkudes. WS1 peetakse peamiselt ER haiguseks, sest varem on leitud WFS1 osalemist ER stressi ning rakusisese kaltsiumi tasakaalu regulatsioonis. Käesoleva uurimistöö eesmärgiks oli kirjeldada mitokondriaalse dünaamika rolli WS rakuliste mehhanismide hulgas kasutades katseklaasimudelit ja otsida võimalikke farmakoloogilisi sekkumisi, mis aitaksid leevendada tekkinud kõrvalekaldeid mitokondrite talitluses ja närvirakkude arengus. Uurimistöös leiti, et WFS1 puuduse korral vähenes mitokondrite fusioonide sagedus ja mitokondrid olid lühenenud. Lisaks oli suurenenud mitokondrite lagundamine ja seeläbi vähenenud ka mitokondrite tihedus närvirakkude aksonites. Mitokondrite dünaamika muutuseid seostati membraanipotentsiaali languse ja ATP tootmise vähenemisega, mis omakorda viis närvirakkude arengu aeglustumiseni. Seejärel leiti, et kõrvalekalded mitokondrite dünaamikas ja bioenergeetikas olid seotud häirunud kaltsiumi tasakaaluga ER-s ja vähenenud kaltsiumi vooludega ER-st mitokondritesse. WFS1 puuduse korral esinevaid kõrvalekaldeid mitokondrite dünaamikas ja närvirakkude arengus aitasid leevendada keemilised ained, mis taastasid kaltsiumi tasakaalu ER-s ja mitokondrites. Kokkuvõttes laiendavad antud doktoritöö tulemused praeguseid teadmisi WS rakulistest mehhanismidest ning võivad olla abiks tulevikus uute ravimite väljatöötamisel. Antud tulemustest järeldub, et neuroloogiliste sümptomite väljakujunemisel võib olla oluline roll vähenenud energiatootmisel närvirakkudes, mille põhjusteks on omakorda nii mitokondrite dünaamikahäired kui ka ER-mitokondrite kaltsiumi voolude vähenemine.

Neurodevelopmental and neurodegenerative disorders are both growing major public health concerns causing substantial burdens. Interestingly, mitochondrial abnormalities are regularly described as an early pathological feature in common neurodegenerative diseases. Moreover, mitochondrial dynamics, including fusion and fission, trafficking, and mitophagy, are crucial for neuronal development. In this context, we investigated an in vitro neuronal model of Wolfram syndrome (WS), a progressive autosomal recessive neuroendocrine disorder characterized by diabetes mellitus, optic atrophy, diabetes insipidus, and deafness. Interestingly, WS was initially proposed to be a mitochondriopathy, but later studies located the two responsible proteins, WFS1 (WS1) and CISD2 (WS2), to endoplasmatic reticulum (ER) membranes forming contacts with mitochondria. WS1 is primarily considered an ER disease affecting Ca2+ homeostasis and ER stress regulation. This thesis aimed to elucidate the role of mitochondrial dynamics in the pathogenesis of WS and find possible pharmacological interventions to alleviate the impaired mitochondrial phenotype and delayed neuronal development. Our studies found decreased mitochondrial fusion rate and fragmentation alongside increased mitochondrial elimination and reduced density in axons of WFS1-deficient neurons. The disruption of mitochondrial dynamics adversely affected cellular bioenergetics and decreased axonal ATP levels leading to delayed neuronal development. The perturbations in mitochondrial dynamics and bioenergetics in an in vitro model of WS were connected to the impaired ER Ca2+ homeostasis and diminished ER-mitochondria Ca2+ flux. The chemical compounds activating Ca2+ uptake to the ER and the mitochondria were able to restore mitochondrial dynamics and rescue neuronal development. In conclusion, novel insights into the role of mitochondrial dysfunction in the neuronal pathogenesis of Wolfram syndrome 1 broaden our understanding of the disease's mechanisms and provide new targets for pharmacological interventions.