Transcriptional and redox changes in Huntington´s disease human stem cells

Abstract

A doença de Huntington (HD, “Huntington’s disease”) é uma doença neurodegenerativa autossómica dominante, causada pela repetição de sequências CAG no gene HTT. As manifestações clínicas da doença incluem alterações motoras, cognitivas e psiquiátricas, e atualmente não existe cura para a HD. A utilização de células estaminais pluripotentes induzidas (iPSC, ”inducedpluripotent stem cells”) e células estaminais neurais (NSC, “neural stem cells”) fornecem um modelo adequado para o estudo dos eventos iniciais conducentes à neurodegenerescência na HD. Assim, este trabalho teve como objetivo analisar as alterações de transcrição que envolvem a biogénese mitocondrial e a resposta ao stresse oxidativo em células HD-iPSC e HD-NSC, comparativamente a células controlo.Foi avaliada a expressão de PGC-1α (“peroxisome proliferator-activated receptor gamma coactivator 1-alpha”), do fator de transcrição mitocondrial A (TFAM) e subunidades dos complexos da cadeia respiratória mitocondrial e de enzimas que regulam a atividade da piruvato desidrogenase (PDH) em HD-iPSC e HD-NSC. Os resultados mostraram uma diminuição dos níveis de mRNA de PGC-1α, TFAM e subunidades do complexo III (CYC1, MT-CYB e UQCR10), e um aumento de mRNA da subunidade ND1 do complexo I e da cinase1 da PDH (PDK1) em HDiPSCNas HD-NSC apenas se observou uma diminuição nos níveis de mRNA de PGC-1α. Em células HD-iPSC e HD–NSC detetaram-se também níveis aumentados de peróxido de hidrogénio, uma espécie reativa de oxigénio (ROS, “reactive oxygen species”), sem contudo ocorrerem alterações na acetilação no resíduo de lisina 68 da superóxido dismutase 2 (SOD2) nas HD-iPSC; curiosamente, observou-se uma diminuição significativa dos níveis de mRNA de UCP2 (”uncoupling protein 2”) em HD-iPSC e HD-NSC. De forma a avaliar a resposta antioxidante, analisámos ainda os níveis proteicos e de mRNA do Nrf2 (”nuclear factor erythroid 2–related factor 2”) e da subunidade catalítica da enzima gama-glutamilcisteína ligase (GCLc) e heme oxigenase 1 (HO-1). Não foram encontradas alterações nos níveis de mRNA ou proteicos de Nrf2, apesar de se ter verificado uma tendência para um aumento da sua fosforilação no resíduo de serina 40 (P(Ser40)-Nrf2) em células HD-iPSC, sugerindo uma resposta ao aumento de ROS. Verificou-se ainda um aumento da expressão de GCLc nas HD-iPSC. Os resultados demonstram que a alteração transcricional de proteínas envolvidas na biogénese mitocondrial e de subunidades de complexos mitocondriais, assim como elevados níveis de ROS, a que se associa um aumento de GCLc e uma redução de UCP2, constituem potenciais eventos iniciais envolvidos na patogénese da HD.

Huntington´s disease (HD) is an autosomal dominant neurodegenerative disorder caused by an abnormal expansion of CAG repeats in the HTT gene. Clinical manifestations of the disease include motor, cognitive and psychiatric changes, and currently there is no cure for HD. The use of induced-pluripotent stem cell (iPSC) and neural stem cell (NSC) provide reliable models to study early events involved in HD neurodegeneration.Thus, in this study we aimed to determine changes in transcripts related with mitochondrial biogenesis and the response to oxidative events in HD-iPSC and HD-NSC, when compared with the respective control cells. We investigated the expression of the transcription factor peroxisome proliferator-activated receptor gamma coactivator 1-alpha (PGC-1α) and its downstream targets, namely TFAM (mitochondrial transcriptional factor A) and subunits of mitochondrial complexes, and enzymes that regulate the activity of pyruvate dehydrogenase (PDH) in both HD-iPSC and HD-NSC. Our analysis revealed reduced mRNA levels of PGC-1α, TFAM and mitochondrial and nuclear-encoded complex III subunits (CYC1, MT-CYB and UQCR10) and enhanced mRNA levels of ND1 subunit of complex I and PDH kinase 1 (PDK1) in HD-iPSC. Interestingly, apart from PGC-1α, unchanged mRNA levels of other targets were observed in HD-NSC. In both HD-iPSC and HD-NSC we observed increased levels of hydrogen peroxide, a reactive oxygen species (ROS), but unchanged acetylation at Lys68 of superoxide dismutase 2 (SOD2 or Mn-SOD); nevertheless, we observed a significant reduction in the expression of uncoupling protein 2 (UCP2) in HD-iPSC and HD-NSC. To evaluate the antioxidant response, we further measured protein and mRNA levels of nuclear factor erythroid 2–related factor 2 (Nrf2) and two of its downstream targets, namely γ- glutamylcysteine ligase catalytic subunit (GCLc) and heme oxygenase 1 (HO-1). We did not find changes in mRNA expression nor protein levels of Nrf2, but we observed a tendency for increased Nrf2 phosphorylation at Ser40 (p-Nrf2) in HDiPSC, suggesting a slight response to ROS. Concomitantly, we found an increase in GCLc expression in HD-iPSC. Our results evidence reduced transcriptional changes associated with decreased mitochondrial biogenesis and complexes subunits, as well as enhanced ROS levels linked to increased GCLc and reduced UCP2 as potential early events in HD pathogenesis.