Mitochondrial dysfunction in hereditary optic neuropathies

MITOCHONDRIAL DYSFUNCTION IN HEREDITARY OPTIC NEUROPATHIES Mitochondrial pathologies are a heterogeneous group of clinical manifestations characterized by oxidative phosphorylation impairment. At the beginning of their recognition mitochondrial pathologies were regarded as rare disorders but indeed they are more frequent than originally thought. Due to the unique mitochondria peculiarities mitochondrial pathologies can be caused by mutations in both mitochondrial and nuclear genomes. The poor knowledge of pathologic mechanism of these disorders has not allowed a real development of the “mitochondrial medicine”, that is currently limited to symptoms mitigation. Leber hereditary optic neuropathy (LHON) was the first pathology to be linked to a point mutation in the mtDNA. The mechanism by which point mutations in mitochondrial gene encoding Complex I subunits leads to optic nerve degeneration is still unknown, although is well accepted that other genetic or environmental factors are involved in the modulation of pathology, where a pivotal role is certainly played by oxidative stress. We studied the relationship between the Ala16Val dimorphism in the mitochondrial targeting sequence of nuclear gene SOD2 and the 3460/ND1 LHON mutation. Our results show that, in control population, the heterozygous SOD2 genotype is associated to a higher activity and quantity of MnSOD, particularly with respect to Val homozygotes. Furthermore, we demonstrated that LHON patients harboring at least one Ala allele are characterized by an increased MnSOD activity with respect to relative control population. Since the ATP synthesis rate – severely reduced in LHON patients lymphocytes - is not affected by the SOD2 genotype, we concluded that SOD2 gene could modulate the pathogenicity of LHON mutations through a mechanism associated to an increase of reactive oxygen species production. Autosomal dominant optic atrophy (ADOA) is a pathology linked to mutations in nuclear gene encoding Opa1, a dynamin-related protein localized in the mitochondrial matrix. Although the clinical course is slightly different, the endpoint of ADOA is exactly the same of LHON: optic nerve degeneration with specific involvement of retinal ganglion cells. Opa1 is a relatively new protein, whose major role is the regulation of mitochondrial fusion. Mitochondrial morphology is the results of the equilibrium between two opposite force: fusion and fission, two processes that have to be finely regulated in order to preserve mitochondrial and cellular physiology. We studied fibroblasts deriving from ADOA patients characterized by a new deletion in the GTPase domain of the OPA1 gene. The biochemical characterization of ADOA and control fibroblasts has concerned the evaluation of ATP synthesis rate, mitochondrial membrane potential in different metabolic conditions and the morphological status of mitochondria. Regarding ATP synthesis rate we did not find significant differences between ADOA and control fibroblasts even though a trend toward increased reduction in ADOA samples is observed when fibroblasts are grown in absence of glucose or in the medium containing gramicidin. Furthermore, we found that also in ADOA fibroblasts membrane potential is actively maintained by proton pumping of fully functional respiratory chain complexes. Our results indicate that the mutation found in the pedigree analyzed acts primary impairing the mitochondrial fusion without affecting the energy production, supporting the notion that cell function is tightly linked to mitochondrial morphology. Mitochondrial dysfunctions are acquiring great attention because of their recognized relevance not only in aging but also in age-related pathologies including cancer, cardiovascular disease, type II diabetes, and neurodegenerative disorders. The involvement of mitochondria in such detrimental pathologies that, currently, have become so common enhances the necessity of standardization of therapeutic strategies capable of rescuing the normal mitochondrial function. In order to propose an alternative treatment for energy deficiency-disorders we tested the effect of substrates capable to stimulate the substrate-level phosphorylation on viability and energy availability in different experimental models grown under different metabolic conditions. In fibroblasts, the energy defect was achieved by culturing cells in presence of oligomycin, an inhibitor of ATP synthase complex. NARP cybrids have been used as model of mitochondrial pathology. Cell viability and ATP content have been considered as parameters to assay the capability of exogenous substrate to rescue energy failure. Our results suggest that patients suffering for some forms of ATP synthase deficiency, or characterized by a deficiency in energy production, might benefit from dietary or pharmacological treatment based on supplementation of α-ketoglutarate and aspartate.

Characterization of the Staphylococcus aureus bone sialoprotein-binding protein SdrE and the serine protease EpiP

In an attempt to develop a Staphylococcus aureus vaccine, we have applied reverse vaccinology approach, mainly based on in silico screening and proteomics. By using this approach SdrE, a protein belonging to serine-aspartate repeat protein family was identified as potential vaccine antigen against S. aureus. We have investigated the biochemical properties as well as the vaccine potential of SdrE and its highly conserved CnaBE3 domain. We found the protein SdrE to be resistant to trypsin. Further analysis of the resistant fragment revealed that it comprises a CnaBE3 domain, which also showed partial trypsin resistant behavior. Furthermore, intact mass spectrometry of rCnaBE3 suggested the possible presence of isopeptide bond or some other post-translational modification in the protein.However, this observation needs further investigation. Differential Scanning Fluorimetry study reveals that calcium play role in protein folding and provides stability to SdrE. At the end we have demonstrated that SdrE is immunogenic against clinical strain of S. aureus in murine abscess model. In the second part, I characterized a protein, annotated as epidermin leader peptide processing serine protease (EpiP), as a novel S. aureus vaccine candidate. The crystal structure of the rEpiP was solved at 2.05 Å resolution by x-ray crystallography . The structure showed that rEpiP was cleaved somewhere between residues 95 and 100 and cleavage occurs through an autocatalytic intra-molecular mechanism. In addition, the protein expressed by S. aureus cells also appeared to undergo a similar processing event. To determine if the protein acts as a serine protease, we mutated the catalytic serine 393 residue to alanine, generating rEpiP-S393A and solved its crystal structure at a resolution of 1.95 Å. rEpiP-S393A was impaired in its protease activity, as expected. Protective efficacy of rEpiP and the non-cleaving mutant protein was comparable, implying that the two forms are interchangeable for vaccination purposes.

Studio neuroradiologico (morfologico e funzionale) nei pazienti con Epilessia Frontale Notturna

L'epilessia frontale notturna (EFN) è caratterizzata da crisi motorie che insorgono durante il sonno. Scopo del progetto è studiare le cause fisiopatologiche e morfo-funzionali che sottendono ai fenomeni motori nei pazienti con EFN e identificare alterazioni strutturali e/o metaboliche mediante tecniche avanzate di Risonanza Magnetica (RM). Abbiamo raccolto una casistica di pazienti con EFN afferenti al Centro Epilessia e dei Disturbi del Sonno del Dipartimento di Scienze Neurologiche, Università di Bologna. Ad ogni paziente è stato associato un controllo sano di età (± 5 anni) e sesso corrispondente. Tutti sono stati studiati mediante tecniche avanzate di RM comprendenti Spettroscopia del protone (1H-MRS), Tensore di diffusione ed imaging 3D ad alta risoluzione per analisi morfometriche. In particolare, la 1H-MRS è stata effettuata su due volumi di interesse localizzati nei talami e nel giro del cingolo anteriore. Sono stati inclusi nell’analisi finale 19 pazienti (7 M), età media 34 anni (range 19-50) e 14 controlli (6 M) età media 30 anni (range 19-40). A livello del cingolo anteriore il rapporto della concentrazione di N-Acetil-Aspartato rispetto alla Creatina (NAA/Cr) è risultato significativamente ridotto nei pazienti rispetto ai controlli (p=0,021). Relativamente all’analisi di correlazione, l'analisi tramite modelli di regressione multipla ha evidenziato che il rapporto NAA/Cr nel cingolo anteriore nei pazienti correlava con la frequenza delle crisi (p=0,048), essendo minore nei pazienti con crisi plurisettimanali/plurigiornaliere. Per interpretare il dato ottenuto è possibile solo fare delle ipotesi. L’NAA è un marker di integrità, densità e funzionalità neuronale. E’ possibile che alla base della EFN ci siano alterazioni metaboliche tessutali in precise strutture come il giro del cingolo anteriore. Questo apre nuove possibilità sull’utilizzo di strumenti di indagine basati sull’analisi di biosegnali, per caratterizzare aree coinvolte nella genesi della EFN ancora largamente sconosciute e chiarire ulteriormente l’eziologia di questo tipo di epilessia.

Altered transcriptional and epigenetic regulation affects brain cells proliferation and differentiation in the ultra-rare genetic demyelinating disease AGC1 deficiency: a study on in vitro models

AGC1 deficiency is a rare demyelinating disease caused by mutations in the SLC25A12 gene, which encodes for the mitochondrial glutamate-aspartate carrier 1 (AGC1/Alarar), highly expressed in the central nervous system. In neurons, impairment in AGC1 activity leads to reduction in N-acetyl-aspartate, the main lipid precursor for myelin synthesis (Profilo et al., 2017); in oligodendrocytes progenitors cells, AGC1 down regulation has been related to early arrest proliferation and premature differentiation (Petralla et al., 2019). Additionally, in vivo AGC1 deficiency models i.e., heterozygous mice for AGC1 knock-out and neurospheres from their subventricular zone, respectively, showed a global decrease in cells proliferation and a switch in neural stem cells (NSCs) commitment, with specific reduction in OPCs number and increase in neural and astrocytic pools (Petralla et al., 2019). Therefore, the present study aims to investigate the transcriptional and epigenetic regulation underlying the alterations observed in OPCs and NSCs biological mechanisms, in either AGC1 deficiency models of Oli-neu cells (murine immortalized oligodendrocytes precursors cells), partially silenced by a shRNA for SLC25A12 gene, and SVZ-derived neurospheres from AGC1+/- mice. Western blot and immunofluorescence analysis revealed significant variations in the expression of transcription factors involved in brain cells’ proliferation and differentiation, in association with altered histone post-translational modifications, as well as histone acetylases (HATs) and deacetylases (HDACs) activity/expression, suggesting an improper transcriptional and epigenetic regulation affecting both AGC1 deficiency in vitro models. Furthermore, given the large role of acetylation in controlling in specific time-windows OPC maturation (Hernandez and Casaccia; 2015), pharmacological HATs/HDACs inhibitions were performed, confirming the involvement of chromatin remodelling enzymes in the altered proliferation and early differentiation observed in the AGC1 deficiency models of siAGC1 Oli-neu cells and AGC1+/- mice-derived neurospheres.

Comprendere come lo stato genetico di TP53 influenza la risposta al deficit indotto sul Complesso I mitocondriale come terapia anticancro

Il Complesso I (CI) mitocondriale è uno dei target metabolici più promettenti nelle terapie anti- cancro. In particolare, la metformina è un inibitore noto del CI, capace di inibire la crescita delle cellule tumorali, ma non di eradicare la patologia. Recentemente, l’associazione metformina ed ipoglicemia si è rivelata letale per i tumori, sebbene l’efficacia terapeutica del trattamento sinergico possa essere influenzata dall’accumulo di alterazioni genetiche nei più noti drivers della tumorigenesi. Abbiamo così investigato l’effetto dello stress metabolico indotto dalla restrizione di glucosio in un pannello di linee cellulari tumorali con un severo deficit sul CI e con un diverso stato genetico di TP53. Il deficit del CI associato alla carenza di glucosio inducono un abbattimento dei livelli di espressione della proteina p53 mutata, ma non della controparte wild-type. Il fenomeno biologico osservato non dipende né da un blocco trascrizionale, né dall’innesco di vie di degradazione intracellulare, come proteasoma ed autofagia. La scomparsa di p53 mutata, invece, sembra dipendere da un blocco generale della sintesi proteica, verosimilmente indotto dallo stress energetico e nutrizionale. Nella controparte p53 wild-type, invece, si osserva solo una parziale riduzione della sintesi proteica, suggerendo l’innesco di possibili vie di adattamento per compensare il danno sul CI. La carenza di amminoacidi è una caratteristica dei tumori solidi che potrebbe essere esacerbata in condizioni di deficit generali della catena respiratoria mitocondriale. In particolare, l’inibizione del CI causa auxotrofia da aspartato, metabolita limitante per la proliferazione, condizione che potrebbe generare il blocco della sintesi proteica osservato. L’incremento di espressione dei livelli del trasportatore aspartato/glutatammato mediata da p53 mutata compensa l’auxotrofia da aspartato, identificando un meccanismo di adattamento al deficit del CI. Dunque, i risultati ottenuti sottolineano l’importanza di implementare la terapia anti-complesso I nel cancro, poiché il diverso stato di p53 può alterare l’efficacia del trattamento.

Specificità, efficacia e risposte adattative mediate da mutazioni dell'oncosoppressore TP53 degli inibitori del Complesso I mitocondriale nella terapia oncologica personalizzata: dai meccanismi molecolari allo sviluppo di modelli preclinici avanzati

L'inibizione del complesso respiratorio I (CI) è una strategia antitumorale emergente, sebbene la specificità e l’efficacia di nuovi farmaci restino poco investigate. La generazione di modelli cellulari tumorali nulli per il CI rivela la specificità di EVP 4593 e BAY 872243 nell’indurre gli effetti antiproliferativi non associati all’apoptosi, selettivamente via CI, riducendo eventuali effetti collaterali. Studi preliminari in vivo evidenziano un rallentamento della crescita tumorale negli animali trattati con EVP 4593, il quale emerge come l’inibitore più potente. Per il suo ruolo nella riprogrammazione metabolica, e la sua elevata frequenza di mutazioni nelle neoplasie umane, sono stati investigati i potenziali meccanismi di adattamento alla terapia anti-CI sulla base dello stato mutazionale di TP53. L’auxotrofia da aspartato, un hallmark metabolico delle cellule tumorali con un danno al CI, causa un blocco della sintesi proteica mTORC1-dipendente nelle linee cellulari con una p53 mutata o nulla, inducendo un collasso metabolico. Viceversa, l'attivazione del sensore energetico AMPK promuove un recupero parziale della sintesi di aspartato in linee cellulari con la forma wild type di P53, che è in grado di sostenere una migliore anaplerosi attraverso SCO2, fattore di assemblaggio del complesso respiratorio IV. Al fine di traslare questi risultati in un modello preclinico, si è ottimizzato l’ottenimento di colture di tumori umani espiantati tramite il bioreattore U-CUP. Il modello scelto è stato quello di carcinoma sieroso ad alto grado dell’ovaio (HGSOC), a partire da tessuto congelato, per l’elevata frequenza di mutazioni driver in TP53. I tessuti congelati preservano l'eterogeneità delle componenti cellulari del tessuto di origine e sono caratterizzati da cellule in attiva proliferazione senza attivazione di apoptosi. Dati preliminari mostrano un trend di riduzione dell’area tumorale nei tessuti trattati con EVP 4593 e supportano l’utilizzo del modello preclinico nello studio di nuovi inibitori del CI sfruttando materiale primario di pazienti oncologici.