MtDNA variation, oxygen and nutrient sensing pathways in the penetrance of mitochondrial disease

Abstract

[eng] Mitochondrial diseases (MDs) are metabolic rare disorders impairing the OXPHOS system. mtDNA is polyplasmic, therefore mutant and wild-type alleles can coexist in the same mitochondria or cell in a state known as heteroplasmy. The regulation of heteroplasmy is poorly understood and some nutrient sensing pathways seem to have a pivotal role in its regulation. Besides, O2 sensing and dietary approaches has also been proposed as a therapy for MDs, flies and mice models, and in mtDNA heteroplasmy regulation. Despite the importance of these findings, little is known about the molecular mechanism responsible for these observations as well as whether hypoxia and glutamine sensing pathways play a role in heteroplasmy regulation in human tissues. Here, by using cell lines carrying mtDNA heteroplasmic variants causing MDs, we aim to study the role of mitochondrial dysfunction combined with O2 and glutamine sensing on mtDNA heteroplasmy maintenance as well as its impact on HIF-1α stabilisation, growth, cell signalling and mitochondrial function. Our data shows that both HIF-1α stabilisation and glutamine deprivation have a variant specific effect on mtDNA heteroplasmy by increasing the mutant load of the m.8344A>G variant without impacting the mutant level on the m.3243A>G cells. These changes were accompanied by opposite effects in OXPHOS proteins; while FG-4592 treatment decreased the levels of the mitochondrial proteins MT-CO1 and NDUFS1 in all the cell lines, hypoxia exposure showed a rescue in these proteins in the m.8344A>G cells. These observations were independent of hypoxia related stress pathways like glycolysis, autophagy. Although further analysis is needed to confirm these effects and describe the molecular mechanism, low glutamine diets and stabilisation of HIF-1α with Roxadustat and/or hypoxia shall be carefully considered in MDs patients.

[spa] Las enfermedades mitocondriales (MDs) son trastornos metabólicos raros que afectan al sistema de fosforilación oxidativa. El genoma mitocondrial es poliplásmico, alelos silvestres y mutantes pueden coexistir en una misma mitocondria o célula en un estado conocido como heteroplasmia. Se sabe poco sobre la regulación de la heteroplasmia, sin embargo, algunas vías de detección de nutrientes parecen tener un papel fundamental en su modulación. Además, se han propuesto intervenciones dietéticas y el uso de bajos niveles de O2 como terapia efectiva para estas patologías mediante regulación de los niveles de heteroplasmia. Sin embargo, el mecanismo molecular responsable de estas observaciones está por descifrar, así como la función de la hipoxia y la glutamina en el control de la heteroplasmia en tejidos humanos. En este trabajo, analizamos el papel de las rutas sensibles al O2 y la glutamina en la regulación de la heteroplasmia en líneas celulares primarias portadoras de mutaciones del ADNmt causando disfunción mitocondrial. Paralelamente, estudiamos el efecto de la estabilización de HIF-1α sobre el crecimiento, la señalización celular y la función mitocondrial. Nuestros hallazgos demuestran que la estabilización de HIF-1α aumenta la heteroplasmia de la variante m.8344A>G (en algunos casos dependiente de glutamina), sin afectar a la variante m.3243A>G. Además, observamos que HIF-1α regula la proteostasis mitocondrial de manera variante específica y antagónica dependiendo del método utilizado para su estabilización. Así, mientras que su estabilización química con FG-4592 disminuyó los niveles de las proteínas mitocondriales MT-CO1 y NDUFS1 en todas las líneas celulares, la exposición a hipoxia recuperó estas proteínas en las células m.8344A>G. Estas observaciones fueron independientes de la autofagia y la glucólisis. Aunque se necesitan más análisis para confirmar estos efectos y describir los mecanismos moleculares responsables de estas observaciones, podemos concluir que la estabilización de HIF-1α con Roxadustat y/o la hipoxia y su combinación con el contenido de glutamina en la dieta, deberán ser tenidos en cuenta en los pacientes con MDs.