The mitochondrial aspartate-glutamate carrier Aralar/AGC1 controls neuronal respiration and (beta)-Hydroxybutyrate rescues brain defects caused by AGC1 deficiency

• Autores: Irene Pérez Liébana
• Directores de la Tesis: Jorgina Satrústegui Gil-Delgado (dir. tes.), Beatriz Pardo Merino (dir. tes.)
• Lectura: En la Universidad Autónoma de Madrid ( España ) en 2020
• Idioma: inglés
• Número de páginas: 212
• Tribunal Calificador de la Tesis: Mayte Montero (presid.), Alfredo Giménez-Cassina Sendón (secret.), María Ángeles Almeida Parra (voc.)
• Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Biociencias Moleculares por la Universidad Autónoma de Madrid
• Materias:
  • Ciencias de la vida
    • Biología molecular
• Enlaces
  • Tesis en acceso abierto en: Biblos-e Archivo
• Resumen
  • español

    La regulación de la respiración neuronal se ha atribuido tradicionalmente al transportador de Ca2+ mitocondrial (MCU), ya que el Ca2+ mitocondrial (Ca2+-mit) activa las deshidrogenasas del ciclo de Krebs. Sin embargo, los transportadores mitocondriales regulados por Ca2+ (CaMCs) tienen un papel muy relevante regulando la respiración en respuesta a estímulos que producen pequeñas señales de Ca2+ citosólicas.

    Aralar/AGC1/Slc25a12 es el transportador de aspartato-glutamato neuronal, y el punto de regulación de la lanzadera de NADH malato-aspartato (MAS). En este estudio se demuestra que la activación por Ca2+ de Aralar, y no MCU/Ca2+-mit, es esencial para la estimulación de la respiración en respuesta a la estimulación por NMDA. La activación por Ca2+ de Aralar-MAS en neuronas que usan glucosa es necesaria para estimular la síntesis de piruvato, activando su transporte a la mitocondria y la respiración y la glucolisis, algo que no ocurre en ausencia de Ca2+. Además, se demuestra que las neuronas aumentan la captura de glucosa de forma Ca2+-dependiente e independiente de Aralar tras la estimulación por NMDA. Sorprendentemente, el silenciamiento de Mcu no sólo no disminuye la respiración estimulada por NMDA, sino que tiene un efecto potenciador en parte atribuible a los efectos tóxicos del Ca2+ mitocondrial.

    La deficiencia en Aralar/AGC1 causa una enfermedad rara del neurodesarrollo caracterizada por retraso en el crecimiento, epilepsia e hipomielinización. Los ratones aralar-KO tienen una corta esperanza de vida y alteraciones motoras asociadas a una grave afección en el estriado. En humanos, la dieta cetogénica (KD) revierte la epilepsia y mejora parcialmente la hipomielinización. Este estudio revela que el principal cuerpo cetónico sintetizado tras el tratamiento con KD, β-Hidroxibutirato (βOHB) es beneficioso en la deficiencia en Aralar. βOHB recupera la respiración mitocondrial en glucosa en neuronas aralar-KO y las protege de la excitotoxicidad inducida por glutamato. In vivo, βOHB recupera parcialmente marcadores dopaminérgicos estriatales, como el contenido en dopamina, el transportador vesicular VMAT2 y el mediador postsináptico DARPP-32.

    βOHB también aumenta la síntesis de proteínas de mielina. Aunque no se recuperan los niveles de aspartato y NAA cerebrales, βOHB los aumenta en neuronas aralar-KO, sugiriendo que su uso está aumentado en el ratón, reforzando el papel de NAA como precursor en la síntesis de mielina en oligodendrocitos. A pesar de las limitaciones impuestas por el fenotipo tan severo de los ratones aralar-KO, este estudio demuestra que el βOHB es un sustrato alternativo efectivo e independiente de aralar que revierte las principales alteraciones de esta enfermedad. Un estudio más profundo de sus funciones neuroprotectoras, también a través de vías de señalización, sería muy relevante para identificar terapias sustitutivas de la dieta cetogénica en humanos

  • English

    Regulation of neuronal respiration has been traditionally attributed to mitochondrial Ca2+ uniporter (MCU), as it allows Ca2+ activation of matrix dehydrogenases and TCA cycle.

    However, Ca2+-regulated mitochondrial carriers (CaMCs) have revealed an important role in stimulating neuronal respiration in response to agents evoking of small cytosolic Ca2+ signals. Aralar/AGC1/Slc25a12 is the aspartate-glutamate carrier expressed in neurons, and the regulatory step in the malate-aspartate NADH shuttle (MAS). This study demonstrates that Ca2+ activation of Aralar, rather than MCU/mitochondrial Ca2+ (Ca2+- mit), controls the upregulation of respiration in response to NMDA in neurons using glucose. Ca2+ activation of Aralar-MAS is necessary to increase endogenous pyruvate synthesis, activating its transport into mitochondria and upregulating respiration and glycolysis, neither of which occurring in the absence of Ca2+. In addition, this study shows that following NMDA stimulation, neurons upregulate glucose uptake in a Ca2+-dependent and Aralar-independent way. Surprisingly, Mcu silencing not only fails to decrease NMDAstimulated respiration but in fact has a potentiator effect, probably due to suppression of the toxic effect of mitochondrial Ca2+.

    Aralar/AGC1 deficiency causes a neurodevelopmental rare disease characterized by growth retardation, epilepsy and secondary postnatal hypomyelination. Aralar-KO mice have reduced life expectancy and altered motor coordination with severe affectation of striatum. In human patients, ketogenic diet (KD) alleviates epilepsy and partially improves myelination. This study reveals that the main ketone body synthesized during treatment with KD, β-hydroxybutyrate (βOHB), reports beneficial effects in Aralar/AGC1 deficiency. βOHB rescues impaired mitochondrial respiration on glucose in aralar-KO primary cortical neurons, and also protects them from glutamate-induced excitotoxicity.

    In vivo, βOHB administration partially rescues striatal dopaminergic system in aralar-KO mice, increasing the levels of neuronal markers as dopamine, VMAT2 and DARPP-32.

    βOHB administration also increases the synthesis of myelin proteins, but not aspartate and NAA levels. However βOHB supply to aralar-KO neurons resulted in increased synthesis of aspartate and NAA, suggesting their increased use in the aralar-KO brain and reinforcing neuronal NAA as an essential precursor for myelin lipid synthesis in oligodendrocytes. In spite of the limitations imposed by the strong phenotype of aralar- KO mice, this study demonstrates that βOHB is an effective alternative substrate that bypasses Aralar rescuing the main hallmarks of Aralar/AGC1 deficiency. A deeper study of the neuroprotective roles of βOHB, also acting through signaling pathways, would be very interesting with the aim of finding an effective therapy that substitutes KD in human patients