Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/10316/21231
Title: Mitochondrial Preconditioning-Triggered Brain Tolerance. Implications for Alzheimer's Disease and Diabetes
Authors: Correia, Sónia Catarina de Sousa 
Orientador: Moreira, Paula
Santos, Maria Sancha de Jesus Vieira dos
Issue Date: 12-Nov-2012
Citation: CORREIA, Sónia Catarina de Sousa - Mitochondrial preconditioning-triggered brain tolerance. Implications for Alzheimer's disease and diabetes. Coimbra : [s.n.], 2012. Tese de doutoramento.
Project: info:eu-repo/grantAgreement/FCT/SFRH/SFRH/BD/40702/2007/PT/ROLE OF MITOCHONDRIA IN THE REGULATION OF THE TRANSCRIPTION FACTOR HYPOXIA-INDUCIBLE FACTOR-1 IN BRAIN ENDOTHELIUM: POTENTIAL PROTECTION AGAINST DIABETIC COMPLICATIONS 
info:eu-repo/grantAgreement/FCT/5876-PPCDTI/110990/PT/Mitochondrial preconditioning: potential neuroprotective effect in Alzheimer's disease 
Abstract: Alzheimer’s disease, the most common form of dementia, is a leading cause of morbidity and mortality in the elderly. Existing in both genetic and sporadic forms, this disease is characterized by severe neurodegeneration associated with the occurrence of two specific pathological hallmarks: the extracellular deposition of amyloid-β in brain parenchyma and cerebral blood vessels and the intracellular accumulation of neurofibrillary tangles composed of hyperphosphorylated tau protein. Several risk factors have been identified that may shed light on the mechanisms that may trigger or facilitate the development of Alzheimer’s disease. Among them, type 2 diabetes mellitus has emerged as a major risk factor for sporadic Alzheimer’s disease. These two disorders share several common abnormalities including impaired brain glucose and energy metabolism, defective brain insulin signaling and brain mitochondrial dysfunction and oxidative stress. Despite all scientific efforts in Alzheimer’s disease field, there are still no effective treatments to prevent or, at least, to effectively modify the course of the disease. The quote "what does not kill you makes you stronger" perfectly describes the preconditioning phenomenon - a paradigm that affords robust brain tolerance in face of neurodegenerative insults. During the last decades, considerable progress has been made to decipher the mechanistic basis of preconditioning-mediated brain tolerance. However, the knowledge concerning the role of structural and functional adaptations of the brain mitochondrial network in the preconditioning process remained unclear. In this regard, the two major goals of this doctoral research project were to investigate the potential protective effects of preconditioning against diabetes mellitus- and Alzheimer’s disease-related brain malfunction and to unveil the role of mitochondria in this phenomenon. Data derived from the first part of this study (Chapter 4), revealed that the in vitro model of preconditioning induced by sub-lethal doses of cyanide (a cytochrome c oxidase inhibitor) was effective in protecting both brain endothelial and neuronal cells against high glucose-induced damage by modulating mitochondrial function and network organization and activating the hypoxia-inducible factor-1α signaling pathway. Cyanide preconditioning was reliant on functional mitochondria and mitochondrial reactive oxygen species production, since its cytoprotective effects were abrogated by treating the cells with the antioxidant N-acetyl-L-cysteine and absent in mitochondrial DNA-depleted ρ0 cells, characterized by the absence of functional mitochondria. This study also strength the existence of a crosstalk between mitochondrial-derived reactive oxygen species and hypoxia-inducible factor-1α, which is believed to be the master regulator of the adaptive and pro-survival response underlying the preconditioning process. In order to validate the rat intracerebroventricularly injected with streptozotocin as a model of sporadic Alzheimer’s disease, we evaluated the impact of central insulin resistance induced by streptozotocin in brain mitochondrial dysfunction and oxidative stress, which are considered early events in sporadic Alzheimer’s disease (Chapter 5). The intracerebroventricular administration of streptozotocin resulted in cognitive deficits and increased levels of amyloid-β peptide 1-42 and hyperphosphorylated tau protein. As expected, the insulin-resistant brain state that characterizes this animal model was intimately associated with impaired brain cortical and hippocampal mitochondrial bioenergetics and increased oxidative stress, highlighting the interplay between insulin signaling and mitochondria in sporadic Alzheimer’s disease pathology. Further, these results support the idea that the rat intracerebroventricularly injected with streptozotocin is a reliable animal model for the study of sporadic Alzheimer’s disease. Then, we tested the hypothesis that hypoxic preconditioning is able to prevent the sporadic Alzheimer’s disease-like phenotype induced by the intracerebroventricular administration of streptozotocin in rats (Chapter 6). Particularly, our results demonstrated that hypoxic preconditioning avoided learning and memory deficits, brain hypometabolism, mitochondrial dysfunction and oxidative stress. Mechanistically, mitochondrial-derived reactive oxygen species and hypoxia-inducible factor-1 alpha played a role in mediating the hypoxic preconditioning-related protective response. To further investigate the role of mitochondria in hypoxic preconditioningtriggered brain tolerance, we performed a time-course analysis of the mitochondrial behavior and function in response to hypoxia preconditioning, characterized by repetitive periods of hypoxia-reoxygenation (Chapter 7). Interestingly, hypoxic preconditioning induced a more efficient mitochondrial population that could represent a major adaptive strategy in the preconditioning phenomenon. Both brain cortical and hippocampal preconditioned mitochondria displayed an enhanced bioenergetic function, which might be the result of a coordinated interaction between mitochondrial biogenesis and fusion-fission. We observed that immediately after hypoxic preconditioning mitochondrial biogenesis was stimulated, whereas in a latter phase the mitochondrial fusion-fission balance was shifted towards fusion favoring the generation of elongated mitochondria. Taken together, the results obtained from the in vitro and in vivo/ex vivo studies revealed that brain mitochondria act as signaling organelles in the preconditioning realm, with reactive oxygen species playing the role of “redox signaling messengers”. During preconditioning, mitochondria undergo functional and structural alterations that allow brain cells to survive upon a subsequent, potentially lethal stimulus. So, the reprogramming of mitochondrial biology underlying preconditioning-triggered tolerance represent a potential therapeutic strategy against pathologies associated to central insulin resistance such as diabetes mellitus and Alzheimer’s disease.
A doença de Alzheimer, a forma mais comum de demência, é uma das principais causas de morbidade e mortalidade em idosos. Existindo nas formas genética e esporádica, esta doença é caracterizada por uma neurodegenerescência severa associada à presença de dois marcadores patológicos específicos: a deposição extracelular do peptídeo β-amilóide no parênquima cerebral e vasos sanguíneos cerebrais e a acumulação intracelular de tranças neurofibrilares compostos de proteína tau hiperfosforilada. Foram identificados vários fatores de risco, os quais poderão ser uma mais-valia na descoberta dos mecanismos que desencadeiam ou facilitam o desenvolvimento da doença de Alzheimer. A diabetes tipo 2 é um dos principais fatores de risco para a doença de Alzheimer do tipo esporádico. Estas duas doenças partilham várias anomalias, tais como a diminuição do metabolismo energético e da glucose, alteração das vias de sinalização da insulina, disfunção mitocondrial e stress oxidativo. Apesar de todos os esforços científicos feitos na área da doença de Alzheimer, ainda não existem tratamentos eficazes para prevenir ou, pelo menos, modificar o curso da doença. A citação "o que não nos mata torna-nos mais fortes" descreve perfeitamente o fenómeno do pré-condicionamento - um fenómeno que aumenta significativamente a tolerância do cérebro a estímulos lesivos. Durante as últimas décadas, foram feitos progressos consideráveis para decifrar a base mecanística da tolerância cerebral mediada pelo pré-condicionamento. No entanto, pouco se sabe sobre o papel das adaptações estruturais e funcionais da rede mitocondrial durante o précondicionamento. Deste modo, os principais objetivos deste projeto de doutoramento foram: investigar os potenciais efeitos protetores do pré-condicionamento na disfunção cerebral associada à diabetes e doença de Alzheimer, e desvendar o papel da mitocôndria cerebral neste fenómeno. Na primeira parte deste estudo (Capítulo 4), observámos que o no nosso modelo in vitro de pré-condicionamento induzido por doses subletais de cianeto (um inibidor da citocromo c oxidase) foi eficaz a proteger as células endoteliais cerebrais e neuronais dos danos causados por níveis elevados de glucose, através da modulação da função e organização da rede mitocondrial e da indução da via de sinalização mediada pelo fator de transcrição induzido por hipóxia 1α. O pré-condicionamento induzido por cianeto é dependente de mitocôndrias funcionais e da produção de espécies reativas de oxigénio, uma vez que os seus efeitos protetores foram inibidos na presença do antioxidante Nacetil- L-cisteína e inexistente em células depletadas de ADN mitocondrial. Este estudo também mostra a existência de uma interação entre as espécies reativas de oxigénio produzidas pelas mitocôndrias e o fator de transcrição induzido por hipóxia 1α, sendo este fator considerado o regulador da resposta adaptativa associada ao fenómeno do pré-condicionamento. De forma a validar o uso do modelo animal com insulino-resistência central como uma boa ferramenta experimental para o estudo da doença de Alzheimer do tipo esporádico, fomos avaliar o estado redox e a função de mitocôndrias isoladas de cérebros de ratos sujeitos a uma injeção intracerebroventricular de uma dose subdiabetogénica de estreptozotocina (Capítulo 5). É amplamente reconhecido que a disfunção mitocondrial e o stress oxidativo são alterações que ocorrem na fase inicial da doença de Alzheimer do tipo esporádico. A insulino-resistência central induzida pela administração intracerebroventricular de estreptozotocina induziu défices cognitivos e aumentou os níveis do peptídeo β-amilóide e proteína tau hiperfosforilada. Como esperado, observámos uma diminuição da bioenergética mitocondrial e stress oxidativo no córtex e hipocampo, comprovando a existência de uma interação entre a via de sinalização da insulina e a função mitocondrial na doença de Alzheimer do tipo esporádico. Este estudo mostrou que este modelo animal é uma boa ferramenta para estudar não só os mecanismos iniciais subjacentes à doença mas também a eficácia de possíveis estratégias terapêuticas. Desta forma, fomos avaliar o efeito do pré-condicionamento por hipóxia em ratos sujeitos à administração intracerebroventricular de estreptozotocina (Capítulo 6). Observámos que o pré-condicionamento por hipóxia preveniu os defeitos de aprendizagem e memória, o hipometabolismo cerebral, a disfunção mitocondrial e o dano oxidativo em ratos tratados com estreptozotocina. Mecanisticamente, as espécies reativas de oxigénio produzidas pelas mitocôndrias e o fator de transcrição induzido por hipóxia 1α parecem desempenhar um papel chave neste efeito do pré-condicionamento por hipóxia. De forma a clarificar o papel da mitocôndria na tolerância cerebral induzida pelo pré-condicionamento, avaliaram-se as alterações temporais que as mitocôndrias cerebrais sofreram em resposta ao pré-condicionamento por hipoxia, caracterizado por períodos de hipoxia e reoxigenação (Capítulo 7). Curiosamente, este estudo mostrou que o pré-condicionamento por hipoxia originou uma população mitocondrial mais eficaz do ponto de vista bioenergético, o que poderá representar uma importante estratégia adaptativa no fenómeno do pré-condicionamento. O pré-condicionamento causou um aumento da função bioenergética, e alterações ao nível da biogénese e da fusão e fissão mitocondrial. Imediatamente após o pré-condicionamento por hipóxia, observou-se que a biogénese mitocondrial foi estimulada, enquanto numa fase mais tardia o equilíbrio entre fusão e fissão mitocondrial foi alterado a favor da fusão, originando mitocôndrias alongadas. Em conjunto, os resultados obtidos a partir dos estudos in vitro e in vivo/ex vivo mostraram que as mitocôndrias cerebrais funcionam como organelos sinalizadores durante o pré-condicionamento, sendo as espécies reativas de oxigénio os mensageiros envolvidos neste processo. Durante o pré-condicionamento, as mitocôndrias sofrem alterações funcionais e estruturais que permitem às células do cérebro sobreviver quando expostas a estímulos potencialmente letais. Assim, podemos especular que a reprogramação da biologia mitocondrial associada à tolerância induzida pelo précondicionamento pode representar uma estratégia terapêutica contra a disfunção cerebral associada à diabetes e doença de Alzheimer.
Description: Tese de doutoramento em Biologia, na especialidade de Biologia Celular, apresentada à Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade de Coimbra.
URI: http://hdl.handle.net/10316/21231
Rights: openAccess
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