Pereira, Cláudia Figueiredo
Carbon monoxide against cerebral ischemia: role of mitophagy, mitochondria and cell metabolism / Cláudia Figueiredo Pereira ; orient. Helena L. A. Vieira, Henrique Girão
Carbon monoxide against cerebral ischemia: role of mitophagy, mitochondria and cell metabolism / Cláudia Figueiredo Pereira ; orient. Helena L. A. Vieira, Henrique Girão . - Lisboa : NOVA Medical School : Faculdade de Medicina Universidade de Coimbra : Escola de Medicina Universidade do Minho, 2019 . - xvi, 128 p. : il. . -
ABSTRACT: Cerebral ischemic stroke is the third cause of death in west countries and the first in Portugal. An interruption of a few minutes in the blood flow results in severe brain damage. Likewise, it is believed that during the insult there are two phases of damage; i) after hypoxia/ischemia and ii) following reperfusion, as a result of exacerbated oxidative stress. Oxidative stress is a hallmark of cerebral ischemic stroke. There is an increase in the production of reactive oxygen species (ROS) and reactive nitrogen species (RNS), which cause damage in several components of the cell. Moreover, excessive and aberrant ROS generation is one of the major consequences of mitochondrial dysfunction. Therefore, the efficient removal of damaged mitochondria is essential to prevent cellular dysfunction, and this elimination occurs throughout mitophagy. Mitophagy is known to be activated after cerebral ischemia/reperfusion. Several evidences show that carbon monoxide (CO) activates endogenous protective mechanisms and prevents tissue and cellular damage. The main aim of this PhD thesis was to address the cellular and biochemical pathways, underlying CO promotion of cytoprotection against oxidative stress in astrocytes, with a particular focus on the role of mitophagy and mitochondria function. In Chapter I, there is a general introduction concerning oxidative stress and importance of astrocytes in neuroprotection. Particular attention is- given to mitochondria quality control process, namely, mitophagy and mitochondrial biogenesis. Finally, the biological role of CO is addressed. The capability of CO gas to trigger autophagy and promote cytoprotection dependent on autophagy was already described in several models, but there is no evidence with the use of CO releasing molecule (CORM-A1). Thus, Chapter II, evaluates the role of CORM-A1 on the control of autophagic process in yeast models and astrocytes. Here, CORM-A1 partially prevented oxidative stressinduced cell death via autophagy. As the main target of CO in the cell is known to be mitochondria, in Chapter III, the role of CO in mitochondria turnover was studied. Herein, first insights of COmediated cross-talk between mitophagy and mitochondrial biogenesis were observed. Moreover, at early time points CO induced mitophagy mediated by both PINK1/Parkin and also by BNIP3 pathways and activates novo synthesis of mitochondria, by stimulating mitochondrial DNA replication and increasing gene expression of peroxisome proliferator-activated receptor gamma coactivator-1 (PGC-1α), specific mitochondrial transcription factor. In Chapter IV is shown,for the first time, that glutathione appears to regulate CCCP-induced mitophagy via protein glutathionylation of PINK1. However, this is still a work in progress and further studies are needed to fully understand the complete mechanism.
RESUMO: O acidente vascular cerebral (AVC) é a principal causa de morte em Portugal e a terceira nos países ocidentais. Durante um episódio de AVC, a interrupção do fluxo sanguíneo durante alguns minutos pode levar a danos cerebrais graves, resultante de duas fases de resposta por parte do organismo, i) após isquémia e ii) na sequência do restabelecimento da corrente sanguínea, uma vez que durante esta última fase existe um aumento do stress oxidativo, pela produção exacerbada de espécies reativas de oxigénio (ROS). O stress oxidativo é um marcador do AVC. Por sua vez, a produção excessiva de ROS é umas das principais consequências da disfunção mitocondrial. A eficiente e rápida eliminação destas mitocôndrias é fundamental para o prognóstico final. A eliminação das mitocôndrias disfuncionais ocorre por processos mitofágicos. Neste sentido, sabese que durante um episódio de AVC, a mitófagia é induzida com o objetivo de reduzir o stress oxidativo. Por outro lado, vários estudos têm mostrado a capacidade anti-apoptótica do monóxido de carbono em diversos tecidos e células. O principal objectivo deste projecto de doutoramento foi investigar quais as principais vias celulares e bioquímicas subjacentes à proteção do CO contra o stress oxidativo, em astrócitos com foco na função mitocondrial, nomeadamente nos processos mitofágicos e na biogénese mitocondrial. O Capítulo I introduz o papel dos astrócitos no contexto de stress oxidativo, com foco no papel na função mitocondrial. Por último, é abordado o papel biológico do CO. A capacidade do CO promover a citoproteção em vários modelos dependentes de autofagia já é conhecida, contudo não existe nenhuma evidência relativamente ao uso de moléculas dadoras de CO (CORMs). No Capítulo II é demostrada, pela primeira vez, a habilidade da CORM-A1 em prevenir a indução de morte celular em contexto de stress oxidativo pela indução de autofagia. Uma vez que, o centro de ação do CO na célula é a mitocondria, no Capítulo III, foi estudado o papel do CO na modulação mitocondrial. Foi demonstrado que o CO promove a indução de mitofagia mediada pela via PINK1/Parkin e também pela expressão da proteína BNIP3, ao mesmo tempo que induz a síntese de mitocondria, pelo aumento da replicação do DNA mitocondrial e expressão PGC- 1α, factor específico de transcrição mitocondrial. No Capítulo IV é demonstrado, pela primeira vez, o papel regulador do glutatião na mitófagia dependente de PINK1 mediado por CCCP. Este último capítulo mostra resultados preliminares que necessitam de mais estudo para melhor compreensão do processo. Ischemia
Stroke
Academic Dissertation
Portugal
616
Carbon monoxide against cerebral ischemia: role of mitophagy, mitochondria and cell metabolism / Cláudia Figueiredo Pereira ; orient. Helena L. A. Vieira, Henrique Girão . - Lisboa : NOVA Medical School : Faculdade de Medicina Universidade de Coimbra : Escola de Medicina Universidade do Minho, 2019 . - xvi, 128 p. : il. . -
ABSTRACT: Cerebral ischemic stroke is the third cause of death in west countries and the first in Portugal. An interruption of a few minutes in the blood flow results in severe brain damage. Likewise, it is believed that during the insult there are two phases of damage; i) after hypoxia/ischemia and ii) following reperfusion, as a result of exacerbated oxidative stress. Oxidative stress is a hallmark of cerebral ischemic stroke. There is an increase in the production of reactive oxygen species (ROS) and reactive nitrogen species (RNS), which cause damage in several components of the cell. Moreover, excessive and aberrant ROS generation is one of the major consequences of mitochondrial dysfunction. Therefore, the efficient removal of damaged mitochondria is essential to prevent cellular dysfunction, and this elimination occurs throughout mitophagy. Mitophagy is known to be activated after cerebral ischemia/reperfusion. Several evidences show that carbon monoxide (CO) activates endogenous protective mechanisms and prevents tissue and cellular damage. The main aim of this PhD thesis was to address the cellular and biochemical pathways, underlying CO promotion of cytoprotection against oxidative stress in astrocytes, with a particular focus on the role of mitophagy and mitochondria function. In Chapter I, there is a general introduction concerning oxidative stress and importance of astrocytes in neuroprotection. Particular attention is- given to mitochondria quality control process, namely, mitophagy and mitochondrial biogenesis. Finally, the biological role of CO is addressed. The capability of CO gas to trigger autophagy and promote cytoprotection dependent on autophagy was already described in several models, but there is no evidence with the use of CO releasing molecule (CORM-A1). Thus, Chapter II, evaluates the role of CORM-A1 on the control of autophagic process in yeast models and astrocytes. Here, CORM-A1 partially prevented oxidative stressinduced cell death via autophagy. As the main target of CO in the cell is known to be mitochondria, in Chapter III, the role of CO in mitochondria turnover was studied. Herein, first insights of COmediated cross-talk between mitophagy and mitochondrial biogenesis were observed. Moreover, at early time points CO induced mitophagy mediated by both PINK1/Parkin and also by BNIP3 pathways and activates novo synthesis of mitochondria, by stimulating mitochondrial DNA replication and increasing gene expression of peroxisome proliferator-activated receptor gamma coactivator-1 (PGC-1α), specific mitochondrial transcription factor. In Chapter IV is shown,for the first time, that glutathione appears to regulate CCCP-induced mitophagy via protein glutathionylation of PINK1. However, this is still a work in progress and further studies are needed to fully understand the complete mechanism.
RESUMO: O acidente vascular cerebral (AVC) é a principal causa de morte em Portugal e a terceira nos países ocidentais. Durante um episódio de AVC, a interrupção do fluxo sanguíneo durante alguns minutos pode levar a danos cerebrais graves, resultante de duas fases de resposta por parte do organismo, i) após isquémia e ii) na sequência do restabelecimento da corrente sanguínea, uma vez que durante esta última fase existe um aumento do stress oxidativo, pela produção exacerbada de espécies reativas de oxigénio (ROS). O stress oxidativo é um marcador do AVC. Por sua vez, a produção excessiva de ROS é umas das principais consequências da disfunção mitocondrial. A eficiente e rápida eliminação destas mitocôndrias é fundamental para o prognóstico final. A eliminação das mitocôndrias disfuncionais ocorre por processos mitofágicos. Neste sentido, sabese que durante um episódio de AVC, a mitófagia é induzida com o objetivo de reduzir o stress oxidativo. Por outro lado, vários estudos têm mostrado a capacidade anti-apoptótica do monóxido de carbono em diversos tecidos e células. O principal objectivo deste projecto de doutoramento foi investigar quais as principais vias celulares e bioquímicas subjacentes à proteção do CO contra o stress oxidativo, em astrócitos com foco na função mitocondrial, nomeadamente nos processos mitofágicos e na biogénese mitocondrial. O Capítulo I introduz o papel dos astrócitos no contexto de stress oxidativo, com foco no papel na função mitocondrial. Por último, é abordado o papel biológico do CO. A capacidade do CO promover a citoproteção em vários modelos dependentes de autofagia já é conhecida, contudo não existe nenhuma evidência relativamente ao uso de moléculas dadoras de CO (CORMs). No Capítulo II é demostrada, pela primeira vez, a habilidade da CORM-A1 em prevenir a indução de morte celular em contexto de stress oxidativo pela indução de autofagia. Uma vez que, o centro de ação do CO na célula é a mitocondria, no Capítulo III, foi estudado o papel do CO na modulação mitocondrial. Foi demonstrado que o CO promove a indução de mitofagia mediada pela via PINK1/Parkin e também pela expressão da proteína BNIP3, ao mesmo tempo que induz a síntese de mitocondria, pelo aumento da replicação do DNA mitocondrial e expressão PGC- 1α, factor específico de transcrição mitocondrial. No Capítulo IV é demonstrado, pela primeira vez, o papel regulador do glutatião na mitófagia dependente de PINK1 mediado por CCCP. Este último capítulo mostra resultados preliminares que necessitam de mais estudo para melhor compreensão do processo. Ischemia
Stroke
Academic Dissertation
Portugal
616
