Characterization of mitochondrial dynamics in multiple acyl-CoA dehydrogenase deficiency

Abstract

As doenças da β-oxidação mitocondrial dos ácidos gordos fazem parte do painel de doenças detetadas no rastreio neonatal na grande maioria dos países desenvolvidos, incluindo Portugal. A deficiência múltipla das acil-CoA desidrogenases é uma das doenças rastreadas, sendo rara e apresentando um padrão de transmissão autossómico recessivo. Esta disfunção no metabolismo dos ácidos gordos é caracterizada por fenótipos bastante distintos, sendo reconhecidas duas formas clínicas: moderada e grave. Estudos anteriores do nosso grupo de investigação revelaram que o proteoma mitocondrial de pacientes homozigotos para a mesma mutação evidencia níveis de expressão diferentes das mesmas proteínas e que os pacientes com formas moderadas da doença apresentam semelhanças e diferenças quando comparados com pacientes com formas graves. O objetivo deste estudo foi relacionar as alterações dos processos biológicos associados à homeostasia mitocondrial com a severidade da doença, associada a mutações no gene que codifica a proteína electron transfer flavoprotein dehydrogenase (ETFDH), traçando semelhanças e diferenças. No geral, o nosso estudo fornece uma perspetiva global da dinâmica mitocondrial nas duas formas da doença. Ambas as formas, moderada e grave, apresentaram biogénese mitocondrial diminuída e adaptação metabólica, suportadas por níveis baixos de peroxisome proliferator-activated receptor γ coactivator 1 alpha (PGC-1α) e de gliceraldeído-3-fosfato desidrogenase (GAPDH), respetivamente, em todos os pacientes com a doença. Os níveis de expressão de sirtuina 3 (SIRT3) e a atividade de ATP sintase foram encontrados diminuídos em quase todos os pacientes, sugerindo uma disfunção mitocondrial. Os níveis reduzidos de SIRT3 foram corroborados pela diminuição dos níveis de PGC-1α. Os níveis de expressão das outras proteínas analisadas foram diversos entre os pacientes e, portanto, sugerem que a correlação entre a severidade da doença e as adaptações mitocondriais não é transversal a todas as formas da doença. De facto, os diferentes resultados obtidos podem explicar, pelo menos em parte, a variedade de fenótipos observados em pacientes com a doença. Neste sentido, são necessários mais estudos para compreender melhor a patogénese da doença. No futuro, seria interessante analisar os efeitos da deficiência de ETFDH noutras células em vez de fibroblastos e pesquisar outros metabolitos energéticos relacionados com estes mecanismos.

Mitochondrial fatty acid β-oxidation disorders are some of the many diseases detected by newborn screening in most developed countries, including Portugal. Among screened disorders, multiple acyl-CoA dehydrogenase deficiency (MADD) is a rare autosomal recessively inherited disorder that presents very distinct phenotypes, being recognized in two clinical forms: mild and severe. Previous studies from our research group showed that the mitochondrial proteome of homozygous patients having the same mutation presents different expression levels of the same proteins and that patients with mild forms of MADD share some proteins with severe forms and at the same time present distinctive expression patterns. The aim of this study was to relate the regulation of biological processes associated to mitochondrial homeostasis with the severity of MADD, due to mutations on the gene that codifies the protein electron transfer flavoprotein dehydrogenase (ETFDH), evidencing similarities and differences. In overall our study provides a global perspective of the mitochondrial dynamics in the two forms of MADD, mild and severe. Both forms presented down-regulation of mitochondrial biogenesis and metabolic adaptation highlighted by lower levels of peroxisome proliferator-activated receptor γ coactivator 1 alpha (PGC-1α) and glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase (GAPDH), respectively, in all MADD patients. Expression levels of sirtuin 3 (SIRT3) and the activity of ATP synthase were found decreased in almost all patients, suggesting mitochondrial dysfunction. Down-regulation of SIRT3 was corroborated by decreased levels of PGC-1α. The expression levels of the other proteins analyzed were diverse among MADD patients and thus highlighting no straight full correlation between disease severity and mitochondrial adaptations. In fact, the different results obtained may explain, at least in part, the variety of phenotypes observed in MADD patients. So, more studies are needed to better understand MADD pathogenesis. In the future, it would be interesting to analyze the effects of ETFDH deficiency in other cell types rather than fibroblasts and search for other energetic metabolites related with these mechanisms.