Prenatal environmental exposure and neurodevelopmentally important gene expression in malformed brain tissue from pediatric intractable epilepsy patients

The primary objective of this proposal was to determine whether mitochondrial oxidative stress and variation in a particular mtDNA lineage contribute to the risk of developing cortical dysplasia and are potential contributing factors in epileptogenesis in children. The occurrence of epilepsy in children is highly associated with malformations of cortical development (MCD). It appears that MCD might arise from developmental errors due to environmental exposures in combination with inherited variation in response to environmental exposures and mitochondrial function. Therefore, it is postulated that variation in a particular mtDNA lineage of children contributes to the effects of mitochondrial DNA damage on MCD phenotype. Quantitative PCR and dot blot were used to examine mitochondrial oxidative damage and single nucleotide polymorphism (SNP) in the mitochondrial genome in brain tissue from 48 pediatric intractable epilepsy patients from Miami Children’s Hospital and 11 control samples from NICHD Brain and Tissue Bank for Developmental Disorders. Epilepsy patients showed higher mtDNA copy number compared to normal health subjects (controls). Oxidative mtDNA damage was lower in non-neoplastic but higher in neoplastic epilepsy patients compared to controls. There was a trend of lower mtDNA oxidative damage in the non-neoplastic (MCD) patients compared to controls, yet, the reverse was observed in neoplastic (MCD and Non-MCD) epilepsy patients. The presence of mtDNA SNP and haplogroups did not show any statistically significant relationships with epilepsy phenotypes. However, SNPs G9804A and G9952A were found in higher frequencies in epilepsy samples. Logistic regression analysis showed no relationship between mtDNA oxidative stress, mtDNA copy number, mitochondrial haplogroups and SNP variations with epilepsy in pediatric patients. The levels of mtDNA copy number and oxidative mtDNA damage and the SNPs G9952A and T10010C predicted neoplastic epilepsy, however, this was not significant due to a small sample size of pediatric subjects. Findings of this study indicate that an increase in mtDNA content may be compensatory mechanisms for defective mitochondria in intractable epilepsy and brain tumor. Further validation of these findings related to mitochondrial genotypes and mitochondrial dysfunction in pediatric epilepsy and MCD may lay the ground for the development of new therapies and prevention strategies during embryogenesis.

Avaliação do efeito da inibição do reparo de sítios abásicos na resposta inflamatória celular

Base excision repair (BER) proteins has been associated with functions beyond DNA repair. Apurynic/apyrimidinic endonuclease 1 (APE1) is a multifunctional protein involved in a plethora of cellular activities, such as redox activation of transcription factors, RNA processing and DNA repair. Some studies have described the action of the protein 8-oxoguanine (OGG1) in correcting oxidized lesions in promoters as a step in the transcription of pro-inflammatory cytokines. Despite being especially important in redox activation of transcription factors such as nuclear factor κB (NF-κB) and AP- 1, the repair activity of APE1 has not yet been associated with the inflammatory response. In this study, experimental and bioinformatic analysis approaches have been used to investigate the relationship between inhibition of the repair of abasic sites in DNA by MX, a synthetic molecule designed to inhibt the repair activity of APE1, and the modulation of the inflammatory response. The results showed that treatment of monocytes with lipopolysaccharide (LPS) and MX reduced the expression of cytokines, chemokines and toll-like receptors, and negatively regulated biological immune processes, as macrophages activation, and NF-κB and tumor necrosis factor (TNF-α) and interferon pathways, without inducing cell death. The transcriptomic analysis suggests that LPS/MX treatment induces mitochondrial dysfunction, endoplasmic reticulum stress and activation of autophagy pathways, probably activated by impairment of cellular energy and/or the accumulation of nuclear and mitochondria DNA damage. Additionally, it is proposed that the repair activity of APE1 is required for transcription of inflammatory genes by interaction with abasic sites at specific promoters and recruitment of transcriptional complexes during inflammatory signaling. This work presents a new perspective on the interactions between the BER activity and the modulation of inflammatory response, and suggests a new activity for APE1 protein as modulator of the immune response in a redox-independent manner.

Dysfonctions mitochondriales associées à l’acidose lactique du Saguenay-Lac-Saint-Jean révélées par l’étude d’un nouveau modèle murin de la maladie

Le syndrome de Leigh version canadienne-française (LSFC) est une maladie autosomale récessive causée par une mutation du gène LRPPRC, encodant une protéine du même nom. LRPPRC est impliquée dans la traduction des gènes mitochondriaux qui encodent certains complexes de la chaine respiratoire. Les répercussions biochimiques incluent un déficit tissu spécifique de la cytochrome c oxydase (COX), principalement dans le foie et le cerveau, et la survenue de crises d’acidose fatales chez 80 % des enfants atteints avant l’âge de 3-4 ans. L’identification d’options thérapeutiques demeure encore un défi de taille et ceci est en partie relié au manque de connaissances des fonctions biologiques de LRPPRC et des mécanismes impliqués dans la pathogenèse du LSFC, au niveau des dysfonctions mitochondriales résultantes. Afin d’étudier ces mécanismes, le consortium de l’acidose lactique, dont fait partie notre laboratoire, a récemment développé un modèle murin portant une ablation de LRPPRC spécifique au foie (souris H-Lrpprc-/-). L’objectif principal est de déterminer si ce modèle reproduit le phénotype pathologique observé dans les cultures de fibroblastes humains issus de biopsies de peau de patients LSFC. Dans le cadre des travaux de ce mémoire, nous avons amorcé la caractérisation de ce nouveau modèle, en examinant le phénotype général, l’histopathologie hépatique et les fonctions mitochondriales, et en nous focalisant principalement sur les fonctions respiratoires et la capacité à oxyder divers types de substrats. Nous avons observé un retard de croissance, une hépatomégalie ainsi que plusieurs anomalies histologiques du foie chez la souris HLrpprc-/-. De plus, l’ablation de LRPPRC induit un déficit du complexe IV, mais aussi de l’ATP synthase, et affecte l’oxydation des acides gras à longues chaines. À la lumière de ces résultats, nous croyons que le modèle murin H-Lrpprc-/- contribuera à l’avancement des connaissances générales sur LRPPRC, nous permettant de mieux comprendre l’influence de la protéine sur les fonctions mitochondriales.

Effets préventifs et thérapeutiques des polyphénols dans un modèle in vitro et in vivo de maladie inflammatoire de l’intestin : caractérisation des polyphénols de la pelure de pomme et de la canneberge par spectrométrie de masse

La muqueuse intestinale est exposée à des agents oxydants provenant de l’ingestion d’aliments modifiés, de cellules immuno-inflammatoires et de la flore intestinale. Une diète élevée en fruits et légumes peut diminuer le stress oxydant (SOx) ainsi que l’inflammation via plusieurs mécanismes. Ces effets bénéfiques peuvent être attribuables à leur contenu élevé en polyphénols. La première étude de mon doctorat consistait à tester l’hypothèse que les polyphénols extraits de pelures de pomme (DAPP) pouvaient diminuer le stress oxydant et l'inflammation impliqués dans les maladies inflammatoires de l'intestin (MII). Nous avons caractérisé les polyphénols des DAPP par spectrométrie de masse (LC-MS) et examiné leur potentiel antioxydant et anti-inflammatoire au niveau des cellules intestinales. L’identification des structures chimiques des polyphénols a été effectuée par LC-MS. Le SOx a été induit par l’ajout du complexe fer/ascorbate (Fe/Asc, 200 µM/2 mM) et l’inflammation par la lipopolysaccharide (LPS, 200µg/mL) à des cellules intestinales Caco-2/15 pré-incubées avec les DAPP (250 µg/mL). L’effet du SOx est déterminé par le dosage du malondialdéhyde (MDA), de la composition des acides gras polyinsaturés et de l’activité des enzymes antioxydantes endogènes (SOD et GPx). L’impact des DAPP sur l’inflammation a été testé par l’analyse de l’expression des marqueurs inflammatoires: cyclooxygénase-2 (COX-2), le facteur de nécrose tumorale alpha (TNF-a et l’interleukine-6 (IL-6) et les facteurs de transcription NF-KB, Nrf-2 et PGC1α par immunobuvardage. Nos données ont montré que les flavonols et les flavan-3-ols constituent les composés polyphénoliques majoritaires des DAPP. L’ajout de Fer2+/Asc a provoqué une augmentation de la peroxidation lipidique comparativement aux cellules contrôles, un appauvrissement des acides gras polyinsaturés n-3 et n-6, et une modulation des enzymes antioxydantes, se traduisant par une augmentation de l’activité de la SOD et une diminution de la GPx. En contrepartie, les DAPP ont exhibé leur potentiel à corriger la plupart des perturbations, y compris l’expression protéique anormalement élevée du COX-2 et la production de la prostaglandine E2 (PGE2), ainsi que l’inflammation telle que réflétée par les facteurs NF-κB, TNF-α et IL-6. Par ailleurs, les mécanismes sous-jacents à ces changements bénéfiques des DAPP ont fait intervenir les facteurs de transcription antioxydants (Nrf-2, PGC1α). Vraisemblablement, cette première étude a permis de démontrer la capacité des DAPP à amoindrir le SOx et à réduire l’inflammation, deux processus étroitement impliqués dans les MII. Dans la deuxième étape de mon doctorat, nous avons voulu comparer les résultats de DAPP à ceux des polyphénols dérivant de la canneberge qui est considérée par la communauté scientifique comme le fruit ayant le plus fort potentiel antioxydant. À cette fin, nous avons caractérisé l’effet des composés polyphénoliques de la canneberge (CPC) sur le SOx, la défense antioxydante et l’inflammation au niveau intestinal tout en définissant leur métabolisme intraluminal. Les différents CPC ont été séparés selon leur poids moléculaire par chromatographie et leurs structures chimiques ont été identifiées par LC-MS. Suite à une pré-incubation des cellules Caco-2/15 avec les extraits CPC (250 µg/mL), le Fe/Asc et la LPS ont été administrés comme inducteurs du SOx et de l’inflammation, respectivement. La caractérisation globale des CPC a révélé que les acides phénoliques composaient majoritairement l’extrait de canneberge de petit poids moléculaire (LC) alors que les flavonoïdes et les procyanidines dimériques/trimériques représentaient l’extrait de poids moléculaire moyen (MC) tout en laissant les procyanidines oligo et polymériques à l’extrait de haut poids moléculaire (HC). Les CPC ont permis de restaurer la plupart des perturbations engendrées dans les Caco-2/15 par le Fe/Asc et le LPS. Les CPC exhibaient le potentiel d’abaisser les niveaux de MDA, de corriger la composition des acides gras polyinsaturés n-3 et n-6, d’augmenter l’activité des enzymes antioxydantes (SOD, GPx et CAT) et d’élever l’expression de Nrf2 et PGC1α. En outre, les CPC pouvaient aussi réduire les niveaux élevés des protéines inflammatoires COX-2, TNF-α et IL-6 ainsi que la production des PGE2 par un mécanisme impliquant le NF-κB. Au niveau mitochondrial, les procyanidines oligomériques ont réussi à corriger les dysfonctions reliées à la production d’énergie (ATP), l’apoptose (Bcl-2, Cyt C et AIF) et le statut des facteurs de transcription mitochondriaux (mtTFA, mtTFB1, mtTFB2). Dans le but de bien comprendre les mécanismes d’action des CPC, nous avons défini par LC-MS les composés polyphénoliques qui ont été transportés ou absorbés par l’entérocyte. Nos analyses soulignent le transport (i) des acides cinnamiques et benzoïques (LC); (ii) la quercétine glycosylée et conjuguée et les procyanidines dimériques de type A (MC); et (iii) l’épicatéchine et les procyanidines oligomériques (HC). Les processus de métabolisation (méthylation, glucuronidation et sulfatation) au niveau de l’entérocyte ont probablement permis le transport de ces CPC surtout sous leur forme conjuguée. Les procyanidines oligomériques ayant un degré de polymérisation supérieur à 2 (HC) ont semblé adhérer aux cellules Caco-2/15. L’épicatéchine suivi par les procyanidines dimériques de type A ont été trouvés majoritaires au niveau des mitochondries. Même si nous ignorons encore l’action biologique de chaque composé polyphénolique, nous pouvons suggérer que leurs effets combinatoires exercent des fonctions antioxydantes, anti-inflammatoires et mitochondriales dans le modèle intestinal Caco-2/15. Dans une troisième étape, nous avons procédé à l’évaluation des aspects préventifs et thérapeutique des DAPP tout en sondant les mécanismes sous-jacents dans une étude préclinique. À cette fin, nous avons exploité le modèle de souris avec colite expérimentale provoquée par le Dextran Sulfate de Sodium (DSS). L’induction de l’inflammation intestinale chez la souris C57BL6 a été effectuée par l’administration orale de DSS à 2.5% pendant 10 jours. Des doses physiologiques et supra-physiologiques de DAPP (200 et 400 mg/kg/j, respectivement) ont été administrées par gavage pendant 10 jours pré- et post-DSS. L’inflammation par le DSS a provoqué une perte de poids, un raccourcissement du côlon, le décollement dystrophique de l’épithélium, l’exulcération et les infiltrations de cellules mono et polynucléaires au niveau du côlon. De plus, le DSS a induit une augmentation de la peroxidation lipidique, une régulation à la baisse des enzymes antioxydantes, une expression protéique à la hausse de la myéloperoxidase (MPO), du COX-2 et de la production des PGE2. Par ailleurs, les DAPP ont permis de corriger ou du moins d’alléger la plupart de ces anomalies en situation préventive ou thérapeutique, en plus d’abaisser l’expression protéique de NF-κB et des cytokines inflammatoires (TNF-a et l’IL-6) tout en stimulant les facteurs de transcription antioxydants (Nrf-2, PGC1α). Conséquemment, les polyphénols des DAPP ont exhibé leur puissant pouvoir antioxydant et anti-inflammatoire au niveau intestinal dans un modèle in vivo. Leurs actions sont associées à la régulation des voies de signalisation cellulaire et des changements dans la composition du microbiote. Ces trois projets de recherche permettent d’envisager l’évaluation des effets préventifs et thérapeutiques des DAPP cliniquement chez les patients avec des désordres inflammatoires de l’intestin.

Dysfonctions mitochondriales associées à l’acidose lactique du Saguenay-Lac-Saint-Jean révélées par l’étude d’un nouveau modèle murin de la maladie

Le syndrome de Leigh version canadienne-française (LSFC) est une maladie autosomale récessive causée par une mutation du gène LRPPRC, encodant une protéine du même nom. LRPPRC est impliquée dans la traduction des gènes mitochondriaux qui encodent certains complexes de la chaine respiratoire. Les répercussions biochimiques incluent un déficit tissu spécifique de la cytochrome c oxydase (COX), principalement dans le foie et le cerveau, et la survenue de crises d’acidose fatales chez 80 % des enfants atteints avant l’âge de 3-4 ans. L’identification d’options thérapeutiques demeure encore un défi de taille et ceci est en partie relié au manque de connaissances des fonctions biologiques de LRPPRC et des mécanismes impliqués dans la pathogenèse du LSFC, au niveau des dysfonctions mitochondriales résultantes. Afin d’étudier ces mécanismes, le consortium de l’acidose lactique, dont fait partie notre laboratoire, a récemment développé un modèle murin portant une ablation de LRPPRC spécifique au foie (souris H-Lrpprc-/-). L’objectif principal est de déterminer si ce modèle reproduit le phénotype pathologique observé dans les cultures de fibroblastes humains issus de biopsies de peau de patients LSFC. Dans le cadre des travaux de ce mémoire, nous avons amorcé la caractérisation de ce nouveau modèle, en examinant le phénotype général, l’histopathologie hépatique et les fonctions mitochondriales, et en nous focalisant principalement sur les fonctions respiratoires et la capacité à oxyder divers types de substrats. Nous avons observé un retard de croissance, une hépatomégalie ainsi que plusieurs anomalies histologiques du foie chez la souris HLrpprc-/-. De plus, l’ablation de LRPPRC induit un déficit du complexe IV, mais aussi de l’ATP synthase, et affecte l’oxydation des acides gras à longues chaines. À la lumière de ces résultats, nous croyons que le modèle murin H-Lrpprc-/- contribuera à l’avancement des connaissances générales sur LRPPRC, nous permettant de mieux comprendre l’influence de la protéine sur les fonctions mitochondriales.

Effets préventifs et thérapeutiques des polyphénols dans un modèle in vitro et in vivo de maladie inflammatoire de l’intestin : caractérisation des polyphénols de la pelure de pomme et de la canneberge par spectrométrie de masse

La muqueuse intestinale est exposée à des agents oxydants provenant de l’ingestion d’aliments modifiés, de cellules immuno-inflammatoires et de la flore intestinale. Une diète élevée en fruits et légumes peut diminuer le stress oxydant (SOx) ainsi que l’inflammation via plusieurs mécanismes. Ces effets bénéfiques peuvent être attribuables à leur contenu élevé en polyphénols. La première étude de mon doctorat consistait à tester l’hypothèse que les polyphénols extraits de pelures de pomme (DAPP) pouvaient diminuer le stress oxydant et l'inflammation impliqués dans les maladies inflammatoires de l'intestin (MII). Nous avons caractérisé les polyphénols des DAPP par spectrométrie de masse (LC-MS) et examiné leur potentiel antioxydant et anti-inflammatoire au niveau des cellules intestinales. L’identification des structures chimiques des polyphénols a été effectuée par LC-MS. Le SOx a été induit par l’ajout du complexe fer/ascorbate (Fe/Asc, 200 µM/2 mM) et l’inflammation par la lipopolysaccharide (LPS, 200µg/mL) à des cellules intestinales Caco-2/15 pré-incubées avec les DAPP (250 µg/mL). L’effet du SOx est déterminé par le dosage du malondialdéhyde (MDA), de la composition des acides gras polyinsaturés et de l’activité des enzymes antioxydantes endogènes (SOD et GPx). L’impact des DAPP sur l’inflammation a été testé par l’analyse de l’expression des marqueurs inflammatoires: cyclooxygénase-2 (COX-2), le facteur de nécrose tumorale alpha (TNF-a et l’interleukine-6 (IL-6) et les facteurs de transcription NF-KB, Nrf-2 et PGC1α par immunobuvardage. Nos données ont montré que les flavonols et les flavan-3-ols constituent les composés polyphénoliques majoritaires des DAPP. L’ajout de Fer2+/Asc a provoqué une augmentation de la peroxidation lipidique comparativement aux cellules contrôles, un appauvrissement des acides gras polyinsaturés n-3 et n-6, et une modulation des enzymes antioxydantes, se traduisant par une augmentation de l’activité de la SOD et une diminution de la GPx. En contrepartie, les DAPP ont exhibé leur potentiel à corriger la plupart des perturbations, y compris l’expression protéique anormalement élevée du COX-2 et la production de la prostaglandine E2 (PGE2), ainsi que l’inflammation telle que réflétée par les facteurs NF-κB, TNF-α et IL-6. Par ailleurs, les mécanismes sous-jacents à ces changements bénéfiques des DAPP ont fait intervenir les facteurs de transcription antioxydants (Nrf-2, PGC1α). Vraisemblablement, cette première étude a permis de démontrer la capacité des DAPP à amoindrir le SOx et à réduire l’inflammation, deux processus étroitement impliqués dans les MII. Dans la deuxième étape de mon doctorat, nous avons voulu comparer les résultats de DAPP à ceux des polyphénols dérivant de la canneberge qui est considérée par la communauté scientifique comme le fruit ayant le plus fort potentiel antioxydant. À cette fin, nous avons caractérisé l’effet des composés polyphénoliques de la canneberge (CPC) sur le SOx, la défense antioxydante et l’inflammation au niveau intestinal tout en définissant leur métabolisme intraluminal. Les différents CPC ont été séparés selon leur poids moléculaire par chromatographie et leurs structures chimiques ont été identifiées par LC-MS. Suite à une pré-incubation des cellules Caco-2/15 avec les extraits CPC (250 µg/mL), le Fe/Asc et la LPS ont été administrés comme inducteurs du SOx et de l’inflammation, respectivement. La caractérisation globale des CPC a révélé que les acides phénoliques composaient majoritairement l’extrait de canneberge de petit poids moléculaire (LC) alors que les flavonoïdes et les procyanidines dimériques/trimériques représentaient l’extrait de poids moléculaire moyen (MC) tout en laissant les procyanidines oligo et polymériques à l’extrait de haut poids moléculaire (HC). Les CPC ont permis de restaurer la plupart des perturbations engendrées dans les Caco-2/15 par le Fe/Asc et le LPS. Les CPC exhibaient le potentiel d’abaisser les niveaux de MDA, de corriger la composition des acides gras polyinsaturés n-3 et n-6, d’augmenter l’activité des enzymes antioxydantes (SOD, GPx et CAT) et d’élever l’expression de Nrf2 et PGC1α. En outre, les CPC pouvaient aussi réduire les niveaux élevés des protéines inflammatoires COX-2, TNF-α et IL-6 ainsi que la production des PGE2 par un mécanisme impliquant le NF-κB. Au niveau mitochondrial, les procyanidines oligomériques ont réussi à corriger les dysfonctions reliées à la production d’énergie (ATP), l’apoptose (Bcl-2, Cyt C et AIF) et le statut des facteurs de transcription mitochondriaux (mtTFA, mtTFB1, mtTFB2). Dans le but de bien comprendre les mécanismes d’action des CPC, nous avons défini par LC-MS les composés polyphénoliques qui ont été transportés ou absorbés par l’entérocyte. Nos analyses soulignent le transport (i) des acides cinnamiques et benzoïques (LC); (ii) la quercétine glycosylée et conjuguée et les procyanidines dimériques de type A (MC); et (iii) l’épicatéchine et les procyanidines oligomériques (HC). Les processus de métabolisation (méthylation, glucuronidation et sulfatation) au niveau de l’entérocyte ont probablement permis le transport de ces CPC surtout sous leur forme conjuguée. Les procyanidines oligomériques ayant un degré de polymérisation supérieur à 2 (HC) ont semblé adhérer aux cellules Caco-2/15. L’épicatéchine suivi par les procyanidines dimériques de type A ont été trouvés majoritaires au niveau des mitochondries. Même si nous ignorons encore l’action biologique de chaque composé polyphénolique, nous pouvons suggérer que leurs effets combinatoires exercent des fonctions antioxydantes, anti-inflammatoires et mitochondriales dans le modèle intestinal Caco-2/15. Dans une troisième étape, nous avons procédé à l’évaluation des aspects préventifs et thérapeutique des DAPP tout en sondant les mécanismes sous-jacents dans une étude préclinique. À cette fin, nous avons exploité le modèle de souris avec colite expérimentale provoquée par le Dextran Sulfate de Sodium (DSS). L’induction de l’inflammation intestinale chez la souris C57BL6 a été effectuée par l’administration orale de DSS à 2.5% pendant 10 jours. Des doses physiologiques et supra-physiologiques de DAPP (200 et 400 mg/kg/j, respectivement) ont été administrées par gavage pendant 10 jours pré- et post-DSS. L’inflammation par le DSS a provoqué une perte de poids, un raccourcissement du côlon, le décollement dystrophique de l’épithélium, l’exulcération et les infiltrations de cellules mono et polynucléaires au niveau du côlon. De plus, le DSS a induit une augmentation de la peroxidation lipidique, une régulation à la baisse des enzymes antioxydantes, une expression protéique à la hausse de la myéloperoxidase (MPO), du COX-2 et de la production des PGE2. Par ailleurs, les DAPP ont permis de corriger ou du moins d’alléger la plupart de ces anomalies en situation préventive ou thérapeutique, en plus d’abaisser l’expression protéique de NF-κB et des cytokines inflammatoires (TNF-a et l’IL-6) tout en stimulant les facteurs de transcription antioxydants (Nrf-2, PGC1α). Conséquemment, les polyphénols des DAPP ont exhibé leur puissant pouvoir antioxydant et anti-inflammatoire au niveau intestinal dans un modèle in vivo. Leurs actions sont associées à la régulation des voies de signalisation cellulaire et des changements dans la composition du microbiote. Ces trois projets de recherche permettent d’envisager l’évaluation des effets préventifs et thérapeutiques des DAPP cliniquement chez les patients avec des désordres inflammatoires de l’intestin.

Friedreich Ataxia

Friedreich's ataxia (FRDA) is the most common autosomal recessive hereditary ataxia in Caucasians. Neurological symptoms dominate the clinical picture. The underlying neuropathology affects the dorsal root ganglia, the spinal cord, and the deep cerebellar nuclei. In addition, most cases present a hypertrophic cardiomyopathy that may cause premature death. Other problems include a high risk of diabetes, skeletal abnormalities such as kyphoscoliosis, and pes cavus. Most patients carry a homozygous expansion of GAA trinucleotide repeat within the first intron of the FXN gene, leading to repressed transcription through epigenetic mechanisms. The encoded protein, frataxin, is localized in mitochondria and participates in the biogenesis of iron-sulfur clusters. Frataxin deficiency leads to mitochondrial dysfunction, altered iron metabolism, and oxidative damage. Thanks to progress in understanding pathogenesis and to the development of animal and cellular models, therapies targeted to correct frataxin deficiency or its downstream consequences are being developed and tested in clinical trials.

Friedreich Ataxia

Friedreich ataxia (FRDA) is an autosomal recessive disease characterized by progressive neurological and cardiac abnormalities. It has a prevalence of around 2×10⁵ in whites, accounting for more than one-third of the cases of recessively inherited ataxia in this ethnic group. FRDA may not exist in nonwhite populations.The first symptoms usually appear in childhood, but age of onset may vary from infancy to adulthood. Atrophy of sensory and cerebellar pathways causes ataxia, dysarthria, fixation instability, deep sensory loss, and loss of tendon reflexes. Corticospinal degeneration leads to muscular weakness and extensor plantar responses. A hypertrophic cardiomyopathy may contribute to disability and cause premature death. Other common problems include kyphoscoliosis, pes cavus, and, in 10% of patients, diabetes mellitus.The FRDA gene (FXN) encodes a small mitochondrial protein, frataxin, which is produced in insufficient amounts in the disease, as a consequence of the epigenetic silencing of the gene triggered by a GAA triplet repeat expansion in the first intron of the gene. Frataxin deficiency results in impaired iron-sulfur cluster biogenesis in mitochondria, in turn leading to widespread dysfunction of iron-sulfur center containing enzymes (in particular respiratory complexes I, II and III, and aconitase), impaired iron metabolism, oxidative stress, and mitochondrial dysfunction. Therapy aims to restore frataxin levels or to correct the consequences of its deficiency.

Protective effect of (-)-epigallocatechin gallate on ultraviolet b-induced skin damage in hairless mice

Purpose: To investigate the protective effect of green tea (-)-epigallocatechin gallate (EGCg) on ultraviolet B (UV-B)-induced skin damages in hairless mice in order to develop a natural sunscreen compound for use in skin care products and cosmetics. Methods: EGCg was dissolved in acetone at concentrations of 1.0, 10.0 and 50.0 mg/mL, and topically applied to the skin of hairless mice at doses of 0.2 mL/cm2, with acetone as control. The mice were then irradiatd m2 UV-B for 30 min daily. EGCg treatment and UV-B irradiation were carried out daily for 28 consecutive days. The mice were then sacrificed and their dorsal skin examined by transmission electron microscopy (TEM) on the 28th day. Results: UV-B irradiation induced severe macroscopic skin damage including chapping, cracking and abnormal desquamation in the treated hairless mice. EGCg showed dose-dependent protective effects against UV-B induced damage on the skin. Treatments with 10.0 and 50.0 mg/mL EGCg alleviated UVB-induced skin damage by suppressing both keratinocyte apoptosis and mitochondrial dysfunction, along with inhibiting the production of melanin pigment. Conclusion: Topical application of green tea EGCg shows dose-dependent protective effect against UV-B-induced damage on hairless mouse skin. Thus, the plant compound can potentially be used as an alternative agent for photoprotection against UV-B exposure.

cis-4-decenoic acid provokes mitochondrial bioenergetic dysfunction in rat brain

Aims: In the present work we investigated the in vitro effect of cis-4-decenoic acid, the pathognomonic metabolite of medium-chain acyl-CoA dehydrogenase deficiency, on various parameters of bioenergetic homeostasis in rat brain mitochondria. Main methods: Respiratory parameters determined by oxygen consumption were evaluated, as well as membrane potential, NAD(P)H content, swelling and cytochrome c release in mitochondrial preparations from rat brain, using glutamate plus malate or succinate as substrates. The activities of citric acid cycle enzymes were also assessed. Key findings: cis-4-decenoic acid markedly increased state 4 respiration, whereas state 3 respiration and the respiratory control ratio were decreased. The ADP/O ratio, the mitochondrial membrane potential, the matrix NAD(P)H levels and aconitase activity were also diminished by cis-4-decenoic acid. These data indicate that this fatty acid acts as an uncoupler of oxidative phosphorylation and as a metabolic inhibitor. cis-4-decenoic acid also provoked a marked mitochondrial swelling when either KCl or sucrose was used in the incubation medium and also induced cytochrome c release from mitochondria, suggesting a non-selective permeabilization of the inner mitochondria! membrane. Significance: It is therefore presumed that impairment of mitochondrial homeostasis provoked by cis-4-decenoic acid may be involved in the brain dysfunction observed in medium-chain acyl-CoA dehydrogenase deficient patients. (C) 2010 Elsevier Inc. All rights reserved.

Toll-like receptor 9 activation: a novel mechanism linking placenta-derived mitochondrial DNA and vascular dysfunction in pre-eclampsia

Emerging evidence suggests that in addition to being the 'power houses' of our cells, mitochondria facilitate effector responses of the immune system. Cell death and injury result in the release of mtDNA (mitochondrial DNA) that acts via TLR9 (Toll-like receptor 9), a pattern recognition receptor of the immune system which detects bacterial and viral DNA but not vertebrate DNA. The ability of mtDNA to activate TLR9 in a similar fashion to bacterial DNA stems from evolutionarily conserved similarities between bacteria and mitochondria. mtDNA may be the trigger of systemic inflammation in pathologies associated with abnormal cell death. PE (pre-eclampsia) is a hypertensive disorder of pregnancy with devastating maternal and fetal consequences. The aetiology of PE is unknown and removal of the placenta is the only effective cure. Placentas from women with PE show exaggerated necrosis of trophoblast cells, and circulating levels of mtDNA are higher in pregnancies with PE. Accordingly, we propose the hypothesis that exaggerated necrosis of trophoblast cells results in the release of mtDNA, which stimulates TLR9 to mount an immune response and to produce systemic maternal inflammation and vascular dysfunction that lead to hypertension and IUGR (intra-uterine growth restriction). The proposed hypothesis implicates mtDNA in the development of PE via activation of the immune system and may have important preventative and therapeutic implications, because circulating mtDNA may be potential markers of early detection of PE, and anti-TLR9 treatments may be promising in the management of the disease.

Time-dependent and somatically acquired mitochondrial DNA mutagenesis and respiratory chain dysfunction in a scleroderma model of lung fibrosis.

Reactive oxygen species (ROS) have been implemented in the etiology of pulmonary fibrosis (PF) in systemic sclerosis. In the bleomycin model, we evaluated the role of acquired mutations in mitochondrial DNA (mtDNA) and respiratory chain defects as a trigger of ROS formation and fibrogenesis. Adult male Wistar rats received a single intratracheal instillation of bleomycin and their lungs were examined at different time points. Ashcroft scores, collagen and TGFβ1 levels documented a delayed onset of PF by day 14. In contrast, increased malon dialdehyde as a marker of ROS formation was detectable as early as 24 hours after bleomycin instillation and continued to increase. At day 7, lung tissue acquired significant amounts of mtDNA deletions, translating into a significant dysfunction of mtDNA-encoded, but not nucleus-encoded respiratory chain subunits. mtDNA deletions and markers of mtDNA-encoded respiratory chain dysfunction significantly correlated with pulmonary TGFβ1 concentrations and predicted PF in a multivariate model.

The mitochondrial ADP/ATP carrier (SLC25 family): pathological implications of its dysfunction.

In aerobic eukaryotic cells, the high energy metabolite ATP is generated mainly within the mitochondria following the process of oxidative phosphorylation. The mitochondrial ATP is exported to the cytoplasm using a specialized transport protein, the ADP/ATP carrier, to provide energy to the cell. Any deficiency or dysfunction of this membrane protein leads to serious consequences on cell metabolism and can cause various diseases such as muscular dystrophy. Described as a decisive player in the programmed cell death, it was recently shown to play a role in cancer. The objective of this review is to summarize the current knowledge of the involvement of the ADP/ATP carrier, encoded by the SLC25A4, SLC25A5, SLC25A6 and SLC25A31 genes, in human diseases and of the efforts made at designing different model systems to study this carrier and the associated pathologies through biochemical, genetic, and structural approaches.

MECHANISMS AND EFFECTS OF MITOCHONDRIAL DNA INSTABILITY AND COPY NUMBER MANIPULATION

Defects in mitochondrial DNA (mtDNA) maintenance cause a range of human diseases, including autosomal dominant progressive external ophthalmoplegia (adPEO). This study aimed to clarify the molecular background of adPEO. We discovered that deoxynucleoside triphosphate (dNTP) metabolism plays a crucial in mtDNA maintenance and were thus prompted to search for therapeutic strategies based on the modulation of cellular dNTP pools or mtDNA copy number. Human mtDNA is a 16.6 kb circular molecule present in hundreds to thousands of copies per cell. mtDNA is compacted into nucleoprotein clusters called nucleoids. mtDNA maintenance diseases result from defects in nuclear encoded proteins that maintain the mtDNA. These syndromes typically afflict highly differentiated, post-mitotic tissues such as muscle and nerve, but virtually any organ can be affected. adPEO is a disease where mtDNA molecules with large-scale deletions accumulate in patients tissues, particularly in skeletal muscle. Mutations in five nuclear genes, encoding the proteins ANT1, Twinkle, POLG, POLG2 and OPA1, have previously been shown to cause adPEO. Here, we studied a large North American pedigree with adPEO, and identified a novel heterozygous mutation in the gene RRM2B, which encodes the p53R2 subunit of the enzyme ribonucleotide reductase (RNR). RNR is the rate-limiting enzyme in dNTP biosynthesis, and is required both for nuclear and mitochondrial DNA replication. The mutation results in the expression of a truncated form of p53R2, which is likely to compete with the wild-type allele. A change in enzyme function leads to defective mtDNA replication due to altered dNTP pools. Therefore, RRM2B is a novel adPEO disease gene. The importance of adequate dNTP pools and RNR function for mtDNA maintenance has been established in many organisms. In yeast, induction of RNR has previously been shown to increase mtDNA copy number, and to rescue the phenotype caused by mutations in the yeast mtDNA polymerase. To further study the role of RNR in mammalian mtDNA maintenance, we used mice that broadly overexpress the RNR subunits Rrm1, Rrm2 or p53R2. Active RNR is a heterotetramer consisting of two large subunits (Rrm1) and two small subunits (either Rrm2 or p53R2). We also created bitransgenic mice that overexpress Rrm1 together with either Rrm2 or p53R2. In contrast to the previous findings in yeast, bitransgenic RNR overexpression led to mtDNA depletion in mouse skeletal muscle, without mtDNA deletions or point mutations. The mtDNA depletion was associated with imbalanced dNTP pools. Furthermore, the mRNA expression levels of Rrm1 and p53R2 were found to correlate with mtDNA copy number in two independent mouse models, suggesting nuclear-mitochondrial cross talk with regard to mtDNA copy number. We conclude that tight regulation of RNR is needed to prevent harmful alterations in the dNTP pool balance, which can lead to disordered mtDNA maintenance. Increasing the copy number of wild-type mtDNA has been suggested as a strategy for treating PEO and other mitochondrial diseases. Only two proteins are known to cause a robust increase in mtDNA copy number when overexpressed in mice; the mitochondrial transcription factor A (TFAM), and the mitochondrial replicative helicase Twinkle. We studied the mechanisms by which Twinkle and TFAM elevate mtDNA levels, and showed that Twinkle specifically implements mtDNA synthesis. Furthermore, both Twinkle and TFAM were found to increase mtDNA content per nucleoid. Increased mtDNA content in mouse tissues correlated with an age-related accumulation of mtDNA deletions, depletion of mitochondrial transcripts, and progressive respiratory dysfunction. Simultaneous overexpression of Twinkle and TFAM led to a further increase in the mtDNA content of nucleoids, and aggravated the respiratory deficiency. These results suggested that high mtDNA levels have detrimental long-term effects in mice. These data have to be considered when developing and evaluating treatment strategies for elevating mtDNA copy number.

The profound effects of microcystin on cardiac antioxidant enzymes, mitochondrial function and cardiac toxicity in rat

Deaths from microcystin toxication have widely been attributed to hypovolemic shock due to hepatic interstitial hemorrhage, while some recent studies suggest that cardiogenic complication is also involved. So far, information on cardiotoxic effects of MC has been rare and the underlying mechanism is still puzzling. The present study examined toxic effects of microcystins on heart muscle of rats intravenously injected with extracted MC at two doses, 0.16LD(50) (14 mu g MC-LReq kg(-1) body weight) and 1LD(50) (87 mu g MC-LReq kg(-1) body weight). In the dead rats, both TTC staining and maximum elevations of troponin I levels confirmed myocardial infarction after MC exposure, besides a serious interstitial hemorrhage in liver. In the 1LD(50) dose group, the coincident falls in heart rate and blood pressure were related to mitochondria dysfunction in heart, while increases in creatine kinase and troponin I levels indicated cardiac cell injury. The corresponding pathological alterations were mainly characterized as loss of adherence between cardiac myocytes and swollen or ruptured mitochondria at the ultrastructural level. MC administration at a dose of 1LD(50) not only enhanced activities and up-regulated mRNA transcription levels of antioxidant enzymes, but also increased GSH content. At both doses, level of lipid peroxides increased obviously, suggesting serious oxidative stress in mitochondria. Simultaneously. complex I and III were significantly inhibited, indicating blocks in electron flow along the mitochondrial respiratory chain in heart. In conclusion, the findings of this study implicate a role for MC-induced cardiotoxicity as a potential factor that should be considered when evaluating the mechanisms of death associated with microcystin intoxication in Brazil. (C) 2009 Elsevier Ireland Ltd. All rights reserved.