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Title: O-GlcNAcylation represents a “sweet” route to tackle Alzheimer’s disease-related phenotype
Other Titles: A O-GlcNacilação representa uma via "doce" para combater o fenótipo típico da doença de Alzheimer
Authors: Pinho, Tiffany Santos 
Orientador: Moreno, António Joaquim de Matos
Moreira, Paula Isabel da Silva
Keywords: Doença de Alzheimer; Tecido cerebral humano e modelos in vitro e in vivo; Metabolismo e dinâmica mitocondrial; O-GlcNAc; Thiamet-G; Alzheimer’s disease; Human brain tissue and in vitro and in vivo models; Mitochondrial metabolism and dynamics; O-GlcNAc; Thiamet-G
Issue Date: 18-Jul-2017
Serial title, monograph or event: O-GlcNAcylation represents a “sweet” route to tackle Alzheimer’s disease-related phenotype
Place of publication or event: CNC- Centro de Neurociências e Biologia Celular
Abstract: O normal funcionamento dos neurónios, onde se inclui o transporte axonal de macromoléculas e organelos e a atividade e a plasticidade sinápticas, depende do contínuo fornecimento de glucose. Desta forma, não nos surpreende que a progressão da doença de Alzheimer se caracterize por uma diminuição no transporte e metabolismo da glucose. De salientar, que o hipometabolismo cerebral na doença de Alzheimer é acompanhado por alterações na função e distribuição mitocondrial e consequente perda sináptica e neurodegenerescência. Recentemente, a modificação pós-traducional O-glicosilação com N-acetil-glucosamina (O-GlcNAc) foi descrita como tendo um papel fulcral na regulação da bioenergética mitocondrial, bem como no transporte e distribuição destes organelos em neurónios. Assim sendo, esta modificação é vista como um sensor metabólico servindo de elo entre o metabolismo da glucose e o funcionamento neuronal. Contudo, até à data não existe um consenso relativamente ao envolvimento desta modificação pós-traducional no desenvolvimento e progressão da doença de Alzheimer. Desta forma, este estudo visou clarificar o papel da O-GlcNAc na doença de Alzheimer e o seu potencial como alvo terapêutico. Recorrendo a amostras de tecido cerebral humano foi observada uma redução nos níveis de O-GlcNAc no córtex cerebral e hipocampo de indivíduos com a doença de Alzheimer. De forma semelhante, observou-se uma redução progressiva e dependente da idade nos níveis de O-GlcNAc no hipocampo de ratinhos triplo-transgénicos para a doença de Alzheimer (3xTg-AD), o que sugere que alterações nesta modificação pós-traducional ocorrem numa fase precoce da doença e contribuem para a sua progressão. Estes resultados foram corroborados em modelos in vitro da doença (células SH-SY5Y diferenciadas expostas ao peptídeo amiloidogénico Aβ1-42, ácido ocadaico e estreptozotocina), nos quais também se observou uma drástica redução nos níveis globais de O-GlcNAc. De realçar que esta redução está fortemente correlacionada com características patológicas associadas à doença, incluindo alterações na função mitocondrial evidenciadas pela perda de potencial mitocondrial e disrupção da rede mitocondrial e do equilíbrio fusão-fissão. Consequentemente, foi observada a perda de viabilidade celular e a diminuição dos níveis proteicos dos marcadores sinápticos sinaptotagmina I e PSD-95. Por último, a modulação farmacológica desta modificação pós-traducional com Thiamet-G preveniu a redução dos níveis de O-GlcNAc, bem como a perda de viabilidade celular e a integridade sináptica nos modelos in vitro da doença.Estes resultados mostram que a modificação pós-traducional O-GlcNAc está na base da doença de Alzheimer podendo funcionar como um mecanismo de ligação entre a crise energética e a neurodegenerescência observadas nesta doença. Assim, a O-GlcNAc parece representar um alvo atrativo para o desenho de estratégias terapêuticas destinadas ao combate desta doença neurodegenerativa devastadora.
Neurons critically rely on a continuous supply of glucose to sustain several energy-consuming processes including axonal transport of macromolecules and organelles and synaptic transmission and plasticity. In this sense, it is not surprising that faulty glucose uptake and utilization has been pinpointed as an early event during the course of Alzheimer’s disease (AD). Importantly, AD-related glucose hypometabolism is accompanied by an abnormal mitochondrial function and distribution within neurons, which ultimately culminates in synaptic “starvation” and neuronal degeneration. Recently, the post-translational modification O-GlcNAcylation was shown to modulate mitochondrial function, motility and distribution, being proposed to act as a metabolic sensor that links glucose metabolism to neuronal function. However, there is no consensus regarding the role of this post-translational modification in the onset and progression of AD pathology. Within this scenario, the present study was undertaken to clarify the involvement O-GlcNAcylation in AD pathology and its potential as a therapeutic target to counteract the pathological phenotype associated to this disease. Using post-mortem human brain tissue, a reduction in global O-GlcNAc levels was observed in the brain cortex and hippocampus of AD subjects. In accordance, O-GlcNAc levels were also diminished in the brain of the triple transgenic mouse model of familial AD (3xTg-AD). Particularly, it was detected a progressive and age-dependent decrease in global O-GlcNAc levels in the hippocampus of this animal model of AD, suggesting that O-GlcNAcylation loss occurs early and is a contributing factor for the progression of this disease. In vitro models of AD (differentiated SH-SY5Y cells exposed to the amyloidogenic peptide Aβ1-42, okadaic acid and streptozotocin) also exhibited a marked reduction in global O-GlcNAc levels, which was strongly correlated with the occurrence of some AD-associated pathological features, including hampered mitochondrial bioenergetics function as denoted by the loss of mitochondrial membrane potential, and disruption of the mitochondrial network and fusion-fission balance. Consequently, an alteration in the protein levels of synaptic integrity markers synaptotagmin I and post-synaptic density protein-95 (PSD-95) and loss of cell viability were also observed. Conversely, the pharmacological modulation of O-GlcNAcylation levels with Thiamet-G, a highly selective inhibitor for O-linked-β-N-acetylglucosaminidase (OGA), restored O-GlcNAc levels, cell viability and synaptic integrity in the in vitro models of AD.Overall, these results suggest that O-GlcNAcylation is in the basis of AD pathology acting as a potential link between mitochondrial energetic crisis and synaptic and neuronal degeneration, and thus representing an exciting and promising therapeutic target to tackle this devastating neurodegenerative disease.
Description: Dissertação de Mestrado em Biologia Celular e Molecular apresentada à Faculdade de Ciências e Tecnologia
URI: http://hdl.handle.net/10316/83113
Rights: closedAccess
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