Early mitochondrial modifications in YAC128 transgenic model of Huntington’s disease

Abstract

Huntington’s disease (HD) is an autosomal dominant neurodegenerative disorder characterized by psychiatric, motor and cognitive symptoms, strongly affecting the striatum and the cerebral cortex. HD is caused by a CAG expansion in the HTT gene encoding for mutant huntingtin (mHTT), a misfolded protein that interferes with several cellular processes, including mitochondrial function and redox regulation leading to oxidative stress. We hypothesized that defects in mitochondrial function and evidences of oxidative stress can occur in early stages of HD. Thus, the objective of our study was to analyze the mitochondrial parameters and oxidative stress in cortical and striatal isolated mitochondria from YAC128 mice (transgenic mice expressing full-length mHTT with 128 glutamines) versus age-matched wild-type (WT) littermates at pre-symptomatic and symptomatic stages. Our results demonstrated a significant decrease in both mitochondrial coupling and respiratory chain complexes (CX) I-IV activities in pre-symptomatic (3 mo) YAC128 cortical mitochondria, whereas a significant increase in these parameters was observed in striatal mitochondria from YAC128 mice at this stage. Conversely, at symptomatic stages (12 mo), no major differences in OCR or complexes I-IV activities were observed either in cortex or striatal mitochondria. Both YAC128 and WT cortical mitochondria exhibited a significant decrease in mitochondrial respiration from 3 to 9 mo; however, a tendency for a recovery in OCR parameters was observed between 9 and 12 mo. In striatal mitochondria from YAC128 mice an age-dependent decrease in all parameters was observed. Regarding CX activities, our results showed a decrease in cortical mitochondria from WT mice upon aging, whereas little age-dependent changes were observed in YAC128 cortical mitochondria; conversely, a decrease was observed in YAC128 mouse striatal mitochondria. Moreover, our data showed a decrease in Ca2+ handling in cortical and striatal mitochondria from pre-symptomatic YAC128 mice, whereas no changes were detected in both areas of symptomatic mice. Cortex-derived mitochondria also exhibited a significant increase in hydrogen peroxide (H2O2) production in pre-symptomatic YAC128 mice; increased H2O2 levels were detected in both pre-symptomatic and symptomatic YAC128 mouse mitochondria obtained from the striatum. At 3 mo enhanced levels of H2O2 could be accounted for by a significant decrease in mitochondrial glutathione peroxidase activity, suggesting insufficient capacity to reduce H2O2. Decreased glutathione reductase protein levels were also found in mitochondrial fractions from 3 mo YAC128 striatum, although the activity of this enzyme or GSH and GSSG levels were unchanged. Nevertheless, in cortical mitochondria from 3 mo YAC128 mice an increase in GSH levels was observed. In addition, cortical mitochondria from 12 mo YAC128 mice exhibited decreased catalase levels and an increase in superoxide dismutase (SOD)2 activity (analyzed through acetylated SOD2 at Lys68) in despite of decreased SOD2 protein levels, suggesting compensatory effects that translated into unchanged H2O2 production. Altogether, these data evidence mitochondrial modifications occurring in pre-symptomatic YAC128 mice, namely decreased mitochondrial function in the cortex and enhanced organelle activity in striatum, accompanied by early oxidative stress. Interestingly, striatal mitochondrial are highly affected during aging, sustaining the oxidant status, which may implicate enhanced susceptibility of this brain region in HD.

A doença de Huntington (DH) é uma doença neurodegenerativa autossómica dominante caracterizada por sintomas psiquiátricos, motores e cognitivos, afetando preferencialmente o estriado e o córtex cerebral. DH é causada por uma expansão do trinucleótido CAG no gene HTT, que codifica para a huntingtina mutada (mHTT), uma proteína que interfere com vários mecanismos celulares, incluindo a função mitocondrial e a regulação redox, causando stresse oxidativo. Colocámos então a hipótese de que os defeitos na função mitocondrial e as evidências de stresse oxidativo possam ocorrer numa fase inicial da HD. Assim, o objetivo do nosso estudo foi avaliar os parâmetros mitocondriais e o stresse oxidativo em mitocôndrias corticais e estriatais isoladas do murganho YAC128 versus murganhos controlo da mesma idade nas fases pré-sintomática e sintomática. Os nossos resultados demonstram uma diminuição significativa no acoplamento mitocondrial e nas atividades dos complexos I-IV da cadeia respiratória em mitocôndrias derivadas do córtex do YAC128 pré-sintomático (3 meses), tendo-se verificado um aumento significativo destes parâmetros em mitocôndrias estriatais em DH. Contudo, na fase simptomática (12 meses) não se observaram diferenças no consumo de oxigénio ou atividade dos complexos I-IV nas mitocôndrias corticais ou estriatais. Ambas as mitocôndrias do cortex dos murganhos YAC128 e WT exibiram uma diminuição significativa na respiração mitocondrial dos 3 aos 9 meses; porém, observou-se uma tendência para a recuperação dos parâmetros de consumo de oxigénio entre os 9 e os 12 meses de idade. Nas mitocôndrias estriatais do murganho YAC128 foi observada uma diminuição dependente da idade em todos os parâmetros. Relativamente às atividades dos complexos, os nossos resultados mostram uma diminuição nas mitocôndrias do córtex do murganho WT com o envelhecimento, enquanto pequenas alterações dependentes da idade foram observadas nas mitocôndrias do córtex do murganho YAC128. Porém, foi observada uma diminuição nas mitocôndrias do estriado do murganho YAC128. Além disso, os resultados mostraram uma diminuição na captação de Ca2+ em mitocôndrias corticais e estriatais de murganhos YAC128 pré-sintomáticos, não se tendo observado diferenças em ambas as áreas nos murganhos sintomáticos. Nas mitocôndrias derivadas do córtex observou-se ainda um aumento significativo na produção de peróxido de hidrogénio (H2O2) nos murganhos YAC128 pré-sintomáticos; níveis aumentados de H2O2 foram detetados em ambas as mitocôndrias estriatais de murganhos YAC128 pré-sintomáticos e sintomáticos. Aos 3 meses este efeito poderá estar relacionado com a diminuição significativa na atividade da glutationa peroxidase mitocondrial, sugerindo uma capacidade insuficiente para reduzir o H2O2. Uma diminuição nos níveis proteicos da glutationa redutase foi também descrita nas frações mitocondriais do estriado do murganho YAC128 com 3 meses de idade, porém a atividade da enzima ou os níveis de GSH e GSSG encontravam-se inalterados. Ainda assim, observou-se um aumento dos níveis de GSH nas mitocôndrias corticais do murganho YAC128 de 3 meses. Para além disso, as mitocôndrias do córtex do YAC128 com 12 meses mostraram uma diminuição dos níveis de catalase e um aumento da atividade da SOD2 (avaliado pela acetilação de SOD2 no resíduo Lys68) apesar dos níveis de SOD2 diminuídos, sugerindo efeitos compensatórios sem que se detetassem diferenças significativas na produção de H2O2. Em suma, os nossos resultados evidenciam modificações mitocondriais precoces no murganho YAC128 (pré-sintomático), nomeadamente uma diminuição na função mitocondrial no córtex e aumento na atividade do organelo no estriado, acompanhado de stresse oxidativo. Curiosamente, as mitocôndrias do estriado são aparentemente mais afetadas durante o envelhecimento, mantendo o estado oxidativo, o que pode implicar uma suscetibilidade elevada desta região cerebral na DH.