Mitochondria in glutamatergic nerve terminals are selectively affected by exposure to Aβ1-42 modeling early Alzheimer's disease

Abstract

A doença de Alzheimer (DA) é definida pela perda de função cognitiva associada ao processamento anormal e acumulação do peptídeo β-amilóide (nomeadamente Aβ1-42) assim como pelo hipometabolismo e hipofunção de regiões corticais do cérebro, principalmente no hipocampo. Com o objetivo de deter a evolução da DA, tem sido dedicada particular atenção à disfunção e perda sinápticas, dado que estas são modificações precoces que acompanham a disfunção cognitiva. As mitocôndrias desempenham um papel fundamental na manutenção da função sináptica adequada, com anormalidades estruturais e funcionais nas mitocondriais sendo bem descritas na DA. Além disso, foi demonstrado que a acumulação mitocondrial de Aβ precede a deposição extracelular. Por outro lado, num modelo de DA baseado na administração de Aβ, foi descrita a predominante susceptibilidade das sinapses glutamatérgicas. Estas evidências levaram-nos a colocar a hipótese de que as mitocôndrias localizadas em terminais glutamatérgicos são particularmente afetadas na DA, perturbando a homeostase do cálcio assim como a disponibilidade energética, fatores que estão na base da degeneração sináptica na DA. Os principais objetivos deste trabalho foram: i) a otimização de um protocolo para avaliar in situ o potencial de membrana mitocondrial Δ (Δψm) em terminais nervosos individuais e ii) avaliar se as mitocôndrias pré-sinápticas localizadas nos terminais nervosos glutamatérgicos são particularmente afetadas num modelo in vitro da DA. Terminais nervosos do hipocampo obtidos através de um gradiente descontínuo de Percoll foram incubados com o peptídeo Aβ1-42 na sua forma oligomérica e análises qualitativas através de experiências de “live imaging” foram feitas com o objetivo de avaliar as diferenças do Δψm. Observou-se uma redução no Δψm, sobretudo nos terminais nervosos glutamatérgicos, após incubação com o peptídeo Aβ1-42, sem qualquer modificação no potencial de membrana plasmática (Δψp). Estes resultados suportam o papel das mitocôndrias sinápticas como um importante gatilho de "apoptose sináptica", contribuindo para a disfunção e degeneração sináptica na DA. Indicam ainda os terminais glutamatérgicos como principais alvos da toxicidade induzida pelo peptídeo Aβ1-42. Assim, a correção da disfunção de mitocôndrias sinápticas é cada vez mais um candidato justificável para aliviar terapeuticamente estados precoces da DA

Alzheimer’s disease (AD) is defined by a loss of cognitive function associated with an abnormal processing and accumulation of amyloid β-peptide (namely Aβ1-42) and by a hypometabolism and hypofunction of brain cortical regions, mainly the hippocampus. With the aim to arrest the evolution of AD, particular attention has been devoted to synaptic dysfunction and loss, which are one of the precocious modifications accompanying cognitive dysfunction. Mitochondria play a key role in the maintenance of adequate synaptic function and mitochondrial structural and functional abnormalities are well characterized features of AD. Additionally, mitochondrial accumulation of amyloid β peptide (Aβ) was shown to occur before extracellular Aβ deposition. On the other hand, a predominant susceptibility of glutamatergic synapses was already described, using an Aβ based model of AD. This prompted us to post the hypothesis that mitochondria located in glutamatergic terminals are particularly affected in AD, leading to modifications of calcium dynamics and energy supply that underlie the synaptic degeneration in AD. The main goals of this work were to: i) optimize a protocol to measure in situ the mitochondrial membrane potential Δ (Δψm) in single nerve terminals and ii) assess if presynaptic mitochondria located in glutamatergic nerve terminals are particularly affected in an in vitro model of AD. Hippocampal nerve terminals, obtained through a discontinuous Percoll gradient, were incubated with oligomeric Aβ1-42 peptide to analyze through live imaging experiments the changes of Δψm. We observed a reduction of Δψm in the total population of hippocampal nerve terminals after incubation with 500 nM of the Aβ1-42 peptide, without any modification in plasma membrane potential (Δψp). Notably, we observed that Aβ1-42 caused a selective decrease of Δψm in glutamatergic terminals whereas it did not affect Δψm in non glutamatergic terminals. These results are in agreement with the contention that synaptic mitochondria are an important trigger of “synaptic apoptosis”, contributing to synaptic dysfunction and degeneration in AD and further indicate glutamatergic terminals as primary targets of Aβ142-induced toxicity. This prompts the correction of synaptic mitochondria dysfunction as a justifiable candidate to therapeutically alleviate early AD.