Mitochondrial dysfunction in fatty acid β-oxidation disorders

Abstract

Mitochondria are central organelles for cell survival with particular relevance in energy production and signalling, being mitochondrial fatty acid β–oxidation (FAO) one of the metabolic pathways harboured in this organelle. FAO disorders (FAOD) are among the most well studied inborn errors of metabolism, mainly due to their impact in health. Nevertheless, some questions remain unsolved, as their prevalence in certain European regions and how pathophysiological determinants combine towards the phenotype. Analysis of data from newborn screening programs from Portugal and Spain allowed the estimation of the birth prevalence of FAOD revealing that this group of disorders presents in Iberia (and particularly in Portugal) one of the highest European birth prevalence, mainly due to the high birth prevalence of medium chain acyl-CoA dehydrogenase deficiency. These results highlight the impact of this group of genetic disorders in this European region. The characterization of mitochondrial proteome, from patients fibroblasts with FAOD, namely multiple acyl-CoA dehydrogenase deficiency (MADD) and long chain acyl-CoA dehydrogenase deficiency (LCHADD), provided a global perspective of the mitochondrial proteome plasticity in these disorders and highlights the main molecular pathways involved in their pathogenesis. Severe MADD forms show an overexpression of chaperones, antioxidant enzymes (MnSOD), and apoptotic proteins. An overexpression of glycolytic enzymes, which reflects cellular adaptation to energy deficiency due to FAO blockage, was also observed. When LCHADD fibroblasts were analysed a metabolic switching to glycolysis was also observed with overexpression of apoptotic proteins and modulation of the antioxidant defence system. Severe LCHADD present increased ROS alongside with up regulation of MnSOD while moderate forms have lower ROS and down-regulation of MnSOD. This probably reflects the role of MnSOD in buffering cellular ROS, maintain them at levels that allow cells to avoid damage and start a cellular response towards survival. When ROS levels are very high cells have to overexpress MnSOD for detoxifying proposes. When severe forms of MADD were compared to moderate forms no major differences were noticed, most probably because ROS levels in moderate MADD are high enough to trigger a response similar to that observed in severe forms. Our data highlights, for the first time, the differences in the modulation of antioxidant defence among FAOD spectrum. Overall, the data reveals the main pathways modulated in FAOD and the importance of ROS levels and antioxidant defence system modulation for disease severity. These results highlight the complex interaction between phenotypic determinants in FAOD that include genetic, epigenetic and environmental factors. The development of future better treatment approaches is dependent on the knowledge on how all these determinants interact towards phenotype.!

A mitocôndria desempenha um papel fundamental na regulação de vários processos celulares, com particular relevância na produção de energia, sendo a β-oxidação mitocondrial dos ácidos gordos uma das vias metabólicas que tem lugar neste organelo. Os défices da β-oxidação mitocondrial dos ácidos gordos estão entre os grupos de doenças metabólicas mais estudados, existindo contudo, algumas questões que continuam por esclarecer, como a sua prevalência ao nascimento em determinadas regiões da Europa e quais e de que forma os vários determinantes patofisiológicos interatuam para produzir um determinado fenótipo. A análise dos dados de programas de rastreio neonatal da península Ibérica possibilitou estimar a prevalência ao nascimento dos défices da β-oxidação mitocondrial, tendo-se observado um dos valores mais elevados (particularmente em Portugal) no âmbito das regiões europeias, fundamentalmente devido à grande prevalência ao nascimento dos défices da desidrogenase dos ácidos gordos de cadeia média. Estes resultados realçam o impacto deste grupo de doenças genéticas nesta região europeia. A caracterização do proteoma mitocondrial, a partir de fibroblastos em cultura, de doentes com défices da β-oxidação mitocondrial (especificamente défice múltiplo das desidogenases (MADD) e défice da desidrogenase dos ácidos 3- hidroxilados de cadeia longa (LCHADD)) permitiu obter uma perspetiva geral sobre a plasticidade do proteoma mitocondrial nestas doenças assim como avaliar quais as principais vias metabólicas envolvidas na sua patogénese. Em formas severas de MADD foi observada uma sobre-expressão de chaperones, enzimas antioxidantes e proteínas associadas à apoptose. Nestas células foi igualmente observada a sobre-expressão de enzimas glicolíticas, como adaptação ao bloqueio da β-oxidação. A análise de amostras de doentes com LCHADD também evidenciou uma sobre-expressão de enzimas glicolíticas, assim como de proteínas relacionadas com a apoptose, e a modulação do sistema de defesa antioxidante. O doente com uma forma severa de LCHADD apresentou níveis de stress oxidativo elevados, associados a uma sobre expressão da MnSOD, enquanto o doente com uma forma moderada apresentou níveis mais baixos de stress oxidativo e uma sub-expressão da MnSOD. Estes resultados são provavelmente o reflexo do papel da MnSOD na regulação dos níveis de ROS, mantendo-os em níveis que não provoquem danos, mas que permitam iniciar processos de sinalização com vista à manutenção celular. A comparação de forma moderadas com severas de MADD não revelou diferenças significativas, muito provavelmente porque os níveis de stress oxidativo são suficientemente altos para despoletar uma resposta semelhante às formas severas. Os presentes resultados realçam as diferenças na modulação do sistema de defesa antioxidante no espectro dos défices da β-oxidação mitocondrial. No seu conjunto os resultados obtidos revelam as principais vias moduladas nos défices da β-oxidação mitocondrial e a importância do stress oxidativo e sistema de defesa antioxidante para o fenótipo. Ao permitem compreender melhor a complexa interação entre os vários fatores que interagem com vista ao fenótipo e que podem ser de origem genética, epigenética ou ambiental, contribuem para o desenvolvimento de novas e mais eficazes abordagens terapêuticas.