Investigating the mitochondrial stress response specific to human dopaminergic neurons : insights into Parkinson’s Disease-associated alterations and contribution of long non-coding RNAs
Étude de la réponse au stress mitochondrial spécifique aux neurones dopaminergiques humains : perspectives sur les altérations associées à la maladie de Parkinson et la contribution des ARN longs non codants
Résumé
Mitochondrial dysfunction is known to play a central role in the pathophysiology of Parkinson’s disease. Dopaminergic (DA) neurons of the substantia nigra pars compacta appear particularly vulnerable to mitochondrial stress, leading to their massive degeneration and the occurrence of motor symptoms. The molecular mechanisms underlying this selective susceptibility of human DA neurons remain poorly understood. Furthermore, the search for molecular elements intrinsic to DA neurons has been largely focused on protein-coding genes as of yet. However, there is growing interest in the study of non-coding elements of the genome such as long non-coding RNAs (lncRNAs), potent genomic regulator that display high cell type-and context-specificity. This work centered on the study of the mitochondrial stress response of human DA neurons and the potential contribution of lncRNAs to this response. We first used LUHMES-derived DA neurons to elucidate the specific response of human DA neurons to mitochondrial stress. We demonstrated that inhibiting the mitochondrial electron transport chain led to a significant disruption of mitochondrial homeostasis, resulting in mitochondrial loss. This is supported by a robust induction of mitophagy and a reduction in mitochondrial biogenesis. In addition to these mitochondrial impairments, we observed a stress-induced decline in the maturation status of the DA population and an elevated proportion of apoptotic cells, indicating cellular damage beyond the mitochondrial network. PERK-dependent Unfolded Protein Response of the Endoplasmic Reticulum (UPRER), emerged as a central coordinator of the stress response. It appeared to modulate the inactivation of the mitochondrial UPR (UPRmt) and the cell-specific expression of lncRNAs. The identification of novel lncRNAs, specifically expressed in human DA neurons upon stress, strongly suggests their involvement in the intrinsic molecular mechanisms underlying the DA stress response. We highlight the discovery of a stress-specific lncRNA, lnc-SLC6A15-5, which regulated translation resumption after mitochondrial stress potentially through modulating the expression of ATF4 target genes involved in the mTOR signaling regulation. In a second part, we wished to assess whether this mitochondrial stress response was altered in a PD context, in particular linked to PRKN mutations. For this, we collected transcriptomic data from induced pluripotent stem cells (iPSC)-derived cells from PD patients carrying PRKN mutations and age-matched healthy individuals. Our results suggest that PARKIN deficiency altered cells’ differentiation status, displaying a potential delay in maturity and increase in glial population. The PRKN-mutant cells also appeared “pre-stressed” in basal conditions, as they exhibited activation of effectors of the ATF6- and IRE1-UPRER, as well as the NRF2-dependent antioxidant response. Incubation with mitochondrial toxins expectedly exacerbated these responses, with stronger activation of the three UPRER branches, downstream pro-apoptotic signaling and potential dysregulation of DNA repair mechanisms in PRKN-mutants. Furthermore, we uncovered lncRNAs possibly regulated by PARKIN and potentially involved in neuronal system signaling pathways or mTOR signaling. Further functional experiments will be required to assess whether they may participate to the alterations in differentiation and stress response resulting from PARKIN loss. Our work improved our understanding of the human DA neuron-specific response to mitochondrial dysfunction in the context of PD. We also report valuable information on the potential role of lncRNAs in stress- and disease-associated processes.
Il est aujourd’hui admis que le dysfonctionnement mitochondrial joue un rôle central dans la physiopathologie de la maladie de Parkinson (MP). Les neurones dopaminergiques (DA) de la substance noire sont particulièrement sensibles au stress mitochondrial, entraînant leur dégénérescence massive et l'apparition de symptômes moteurs. Les mécanismes moléculaires sous-jacents à cette vulnérabilité sélective des neurones DA humains restent largement méconnus. De plus, l'étude des éléments moléculaires propres aux neurones DA s'est, jusqu'à présent, concentrée principalement sur les gènes codant pour des protéines. Cependant, il y a un intérêt croissant pour les éléments non-codants du génome, tels que les longs ARN non codants (lncRNA), régulateurs génomiques puissants présentant une spécificité élevée selon le type cellulaire et le contexte. Ainsi, notre étude s'est focalisée sur la réponse au stress mitochondrial des neurones DA humains et sur la possible contribution des lncRNAs à cette réponse. Nous avons d'abord utilisé des neurones DA dérivés de cellules LUHMES pour élucider la réponse spécifique des neurones DA humains au stress mitochondrial. L'inhibition de la chaîne respiratoire mitochondriale a entraîné une perturbation significative de l'homéostasie mitochondriale, induisant la mitophagie et réduisant la biogenèse mitochondriale. De plus, le stress a induit un déclin du statut de maturation des neurones DA et une élévation de la proportion de cellules apoptotiques, révélant des dommages cellulaires au-delà du réseau mitochondrial. La réponse au protéines malformées du réticulum endoplasmique (UPRER) dépendante de PERK se révèle être un coordinateur central de la réponse au stress, modulant l'inactivation de l'UPR mitochondriale (UPRmt) et l'expression des lncRNAs. L'identification de nouveaux lncRNAs spécifiquement exprimés dans les neurones DA humains exposés au stress suggère fortement leur implication dans les mécanismes moléculaires intrinsèques à la réponse au stress des neurones DA. De plus, nous avons identifié un lncRNA spécifique au stress, lnc-SLC6A15-5, qui régule la reprise de la traduction après un stress mitochondrial, potentiellement en modulant l'expression des gènes cibles d’ATF4 impliqués dans la régulation de la voie mTOR. Dans une seconde partie, nous avons évalué si cette réponse au stress mitochondrial était altérée dans le contexte de la MP, en particulier liée aux mutations PRKN. Nous avons recueilli des données transcriptomiques à partir de cellules dérivées de cellules souches pluripotentes induites (iPSC) de patients atteints de la MP porteurs de mutations PRKN et de sujets sains. Nos résultats suggèrent que l'invalidation de PARKIN altère la différenciation cellulaire, entraînant un éventuel retard de maturité et une augmentation de la population gliale. Les cellules PRKN-mutantes semblent également être "pré-stressées" en condition basale, avec activation des voies de l’UPRER dépendantes d’ATF6 et d’IRE1, ainsi que de la réponse antioxydante régulée par NRF2. L'incubation avec des toxines mitochondriales a intensifié ces réponses, avec une activation accrue des trois branches de l'UPRER, l'induction de l’apoptose UPRER-dépendante et une potentielle dérégulation des mécanismes de réparation de l'ADN chez les mutants PRKN. De plus, nous avons identifié des lncRNAs potentiellement régulés par PARKIN et impliqués dans les voies de signalisation du développement neuronal ou de la voie mTOR. Des expériences fonctionnelles supplémentaires seront nécessaires pour évaluer leur participation aux altérations de la différenciation et de la réponse au stress résultant de la perte de PARKIN. Notre travail a ainsi amélioré notre compréhension de la réponse spécifique des neurones DA humains au dysfonctionnement mitochondrial dans le contexte de la MP, présentant également des informations précieuses sur le rôle potentiel des lncRNAs dans les mécanismes liés au stress et à la maladie.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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