Disruption of Mitocondria-Associated Membranes in Bipolar Disorder: From Molecular Mechanisms to New Therapeutic Targets

Abstract

Bipolar disorder (BD) is a chronic neuropsychiatry condition characterized by drastic mood swings between mania and depression. Affecting approximately 1-4% of the global population, BD is associated with a significant decrease in the quality of life and a notable increase in disability-adjusted life years. These patients also face a reduction in life expectancy due to high rates of suicide and metabolic comorbidities. The diagnosis of BD represents a great challenge to clinicians, primarily due to the absence of specific biomarkers. Misdiagnosis is common, especially in the early stages of the disease, due to a significant overlap of clinical manifestations, genetic and environmental causes between BD and schizophrenia (SCZ). Gaining insights into the neurobiology of these severe mental disorders, characterized by cognitive and functional impairments, will enable the identification of disease-specific biomarkers, thereby paving the way for early and accurate diagnosis. This understanding is fundamental for developing targeted therapeutic strategies and personalized treatment approaches, ultimately improving outcomes and quality of life of affected individuals. Although the pathophysiological mechanisms associated with BD and SCZ remain unclear, recent evidence suggest that these illnesses are closely linked to mitochondrial dysfunction, compromised Ca2+ homeostasis and lipid metabolism, endoplasmic reticulum (ER) stress, and inflammation, which are cellular events regulated by the close contacts established between the ER and mitochondria, the so-called Mitochondria-Associated Membranes (MAMs). Building upon this insight, and considering the central role played by MAMs in modulating cellular functions in both health and disease, our working hypothesis was that the dysfunction of these subcellular platforms, which play a major role in stress response in a variety of cells and tissues, represents a major contributor to the pathophysiology of BD and SCZ. Our data showed reduced ER-mitochondria distance and increased contacts at MAMs in BD patient-derived cells, which is correlated with alterations in lipid exchange, ER stress markers, and oxidative stress. Despite closer proximity, there was no increase in Ca2+ transfer from the ER to mitochondria, possibly due to the inhibited Store-Operated Calcium Entry (SOCE) pathway and ER Ca2+ depletion. Inflammation, particularly the innate immune response mediated by activation of the NLRP3 inflammasome has emerged as a multifaceted mechanism in BD in which MAMs play a crucial role. Interestingly, our findings indicate that cellular resilience towards inflammatory and ER stress conditions is compromised in BD patients, which is probably linked to the baseline pro-inflammatory status observed in cells from these patients. Findings from THP-1 monocytes and BV2 microglia cell lines showed that ER stress-induced NLRP3 inflammasome activation occurs in both peripheral and central innate immune systems, respectively. The investigation into the underlying molecular mechanisms unveiled that this activation is a Ca2+-dependent and ROS-independent event. Interestingly, the induction of ER stress was associated with MAMs upregulation as shown by the increased number of ER-mitochondria contacts. Data from SCZ patient-derived cells indicated upregulation of MAMs, associated with disruption of calcium balance, ER stress, mitochondrial dysfunction, compromised dynamics, and mitophagy. These changes are linked to the accumulation of truncated DISC1 protein. SCZ cybrids, however, showed decreased trDISC1 levels and reduced ER-mitochondria contacts without MAM alterations. This results in impaired calcium transfer, mitochondrial dysfunction, and increased mitophagy, suggesting that SCZ-related mitochondrial alterations arise from disrupted ER-mitochondria contacts due to nuclear DNA-associated changes, rather than mtDNA issues. Given the key role of MAMs in lipid transfer and metabolism, an untargeted C18 reversed-phase liquid chromatography-mass spectrometry (RP-LC-MS) approach was employed to comprehensively explore changes in plasma lipid profiles of BD and SCZ patients, compared to healthy controls. Our findings show that alterations in lipid metabolism occur in both BD and SCZ patients in comparison with healthy controls and further support the impairment of MAMs platforms, which modulate lipid exchange, in these pathologies. Moreover, beyond revealing a clear separation among individuals with BD, SCZ, and healthy controls, this analysis has pointed out six lipid species as potential plasma-based biomarkers with the ability to discriminate between the three groups. Overall, this work suggests that detailed characterisation of MAMs impairment in BD and SCZ uncovers innovative targets for early diagnosis, therapeutic intervention, and precision medicine in mental health, and points out MAMs as a new piece of the puzzling pathophysiology of these severe mental diseases.

A doença bipolar (DB) é uma doença neuropsiquiátrica crónica, caracterizada por oscilações entre mania e depressão. Afetando aproximadamente 1-4% da população mundial, a DB está associada à diminuição da qualidade de vida e ao aumento do número de anos vividos com incapacidade. Estes doentes experienciam redução da esperança média de vida devido às elevadas taxas de suicídio e comorbidades metabólicas. O diagnóstico da DB representa um grande desafio para os clínicos, principalmente devido à ausência de biomarcadores específicos. O diagnóstico incorreto é frequente, especialmente nas fases iniciais da doença, devido à sobreposição de manifestações clínicas, padrões familiares, genes de risco e respostas ao tratamento entre os doentes DB e os esquizofrénicos (SCZ). A aquisição de novos conhecimentos sobre a neurobiologia destas perturbações mentais, caracterizadas por deficiências cognitivas e funcionais, permitirá a identificação de biomarcadores específicos da doença, abrindo assim caminho para um diagnóstico preciso. A compreensão da fisiopatologia torna-se crucial para o desenvolvimento de estratégias terapêuticas direcionadas e abordagens de tratamento personalizadas, melhorando, em última instância, a qualidade de vida destes indivíduos. Embora os mecanismos fisiopatológicos associados à DB e à SCZ permaneçam em parte desconhecidos, evidências sugerem que estas doenças estão associadas à disfunção mitocondrial, alteração da homeostasia do Ca2+ e do metabolismo lipídico, stresse do retículo endoplasmático (RE) e inflamação, que são eventos celulares regulados pelos contactos próximos entre o RE e as mitocôndrias, designados de membranas associadas às mitocôndrias (do inglês MAMs). Assim e, considerando o papel central desempenhado pelas MAMs na modulação das funções celulares tanto em condições fisiológicas como em situações de doença, a nossa hipótese de trabalho assenta na hipótese de que a disfunção das MAMs, contribui significativamente para a fisiopatologia da DB e da SCZ. Os fibroblastos de doentes DB demonstraram menor distância entre o RE e as mitocôndrias e aumento do número de contactos próximos (MAMs), o que se correlaciona com alterações funcionais ao nível da transferência lipídica, dos marcadores de stresse do RE e oxidativo. Apesar da maior proximidade, não se verificou aumento da transferência de Ca2+ entre o RE e as mitocôndrias, possivelmente devido à inibição da via de entrada de cálcio operada por armazenamento (do inglês SOCE). As MAMs desempenham um papel importante na inflamação, particularmente na resposta imune inata mediada pela ativação do inflamassoma NLRP3. Os nossos resultados sugerem comprometimento da resiliência celular em condições inflamatórias e de stresse do RE em indivíduos com DB, possivelmente associado ao estado basal pró-inflamatório observado nas células destes doentes. Os resultados obtidos nas linhas celulares de monócitos THP-1 e de microglia BV2 demonstraram que a indução do inflamassoma NLRP3 em resposta ao stresse do RE ocorre em ambos os sistemas periférico e central, respetivamente, e que é um evento dependente de Ca2+ e independente do ROS. A indução de stresse do RE foi associada ao aumento das MAMs como demonstrado pelo maior número de contactos entre estes organelos. Os resultados obtidos a partir de fibroblastos de doentes SCZ demonstraram aumento das MAMs, o que se correlaciona com a disrupção da homeostasia do Ca2+, stresse do RE, disfunção mitocondrial, e comprometimento da dinâmica mitocondrial e mitofagia. Estas alterações nas MAMs estão associadas à acumulação da forma truncada da proteína DISC1. Os cibrídos de doentes SCZ apresentaram redução dos níveis proteicos de trDISC1 e depleção dos contactos RE-mitocôndrias, sem alteração das MAMs, resultando no comprometimento da transferência de Ca2+, disfunção mitocondrial e aumento da mitofagia, sugerindo assim que as alterações mitocondriais observadas na SCZ resultam maioritariamente da disrupção dos contatos RE-mitocôndrias, induzida por alterações associados ao DNA nuclear, e não de alterações no DNA mitocondrial. Dado o papel das MAMs na transferência e metabolismo lipídico, a cromatografia líquida acoplada à espectrometria de massa foi utilizada para explorar alterações nos perfis lipídicos plasmáticos de doentes DB e SCZ. Verificamos alterações no metabolismo lipídico dos doentes DB e SCZ, corroborando a disfunção das MAMs nestas patologias. Além de evidenciar uma clara separação entre indivíduos com DB, SCZ e controlos saudáveis, esta análise identificou seis espécies lipídicas, nomeadamente fosfolipídios, como potenciais biomarcadores plasmáticos com capacidade discriminatória entre os três grupos. Este trabalho sugere que a caracterização detalhada do comprometimento das MAMs na DB e na SCZ revela alvos inovadores para o diagnóstico precoce, intervenção terapêutica e medicina de precisão na saúde mental, enfatizando as MAMs como uma nova peça na complexa fisiopatologia destas doenças.