Nội dung được dịch bởi AI, chỉ mang tính chất tham khảo
Sự thay đổi của Transcriptome phosphoryl hóa oxi hóa ty thể trong bệnh xơ cứng teo cơ một bên (ALS) ở tủy sống và máu người
Tóm tắt
Nguồn gốc của sự khởi phát và tiến triển của sự thoái hóa thần kinh vận động trong bệnh xơ cứng teo cơ một bên (ALS) vẫn chưa rõ ràng, nhưng có thể liên quan đến sự suy giảm của năng lượng sinh học ty thể. Chúng tôi đã sử dụng các phương pháp PCR định lượng để phân tích các transcriptome phosphoryl hóa oxi hóa (OXPHOS) của mô tủy sống và các tế bào đơn nhân máu ngoại vi (PBMC) từ những người mắc ALS rải rác so với những người không mắc bệnh thần kinh. Các phép đo biểu hiện của 88 gen OXPHOS được mã hóa từ DNA hạt nhân (n) và DNA ty thể (mt) cho thấy rằng biểu hiện gen hô hấp được mã hóa bởi mtDNA đã giảm đáng kể trong tủy sống của bệnh nhân ALS với tỷ lệ giảm từ 78–84 % (ANOVA p < 0.002). Chúng tôi quan sát thấy hiện tượng tương tự ở các PBMC vừa được tách ra từ bệnh nhân ALS (giảm 24–35 %, ANOVA p < 0.001) và đã tái tạo hiện tượng này trong một mô hình tế bào gốc thần kinh người được điều trị với 2′,3′-dideoxycytidine (ddC) (giảm 52–78 %, ANOVA p < 0.001). Các gen OXPHOS được mã hóa từ nDNA thể hiện sự giảm biểu hiện không đồng đều và chủ yếu giảm trong mô tủy sống của bệnh nhân ALS. Ngược lại, các PBMC ở bệnh nhân ALS và tế bào gốc điều trị bằng ddC không cho thấy sự thay đổi đáng kể nào trong biểu hiện của các gen OXPHOS nDNA so với nhóm đối chứng. Các gen liên quan đến sinh tổng hợp ty thể (PGC-1α, TFAM, ERRα, NRF1, NRF2 và POLG) đã được khảo sát với kết quả không rõ ràng. Tại đây, chúng tôi chứng minh có sự giảm hệ thống trong biểu hiện gen mtDNA ở các mô trung ương và ngoại vi của bệnh nhân ALS, điều này hỗ trợ cho việc tìm kiếm các liệu pháp tăng cường năng lượng sinh học. Chúng tôi cũng xác định một tập hợp gen kết hợp nDNA và mtDNA (n = 26), bị giảm trong mô tủy sống có thể hữu ích như một dấu ấn sinh học trong việc phát triển các mô hình ALS dựa trên tế bào.
Từ khóa
#ALS #phosphoryl hóa oxi hóa #DNA ty thể #tế bào gốc thần kinh #dấu ấn sinh họcTài liệu tham khảo
Bernardini, C., Censi, F., Lattanzi, W., Barba, M., Calcagnini, G., Giuliani, A., et al. (2013). Mitochondrial network genes in the skeletal muscle of amyotrophic lateral sclerosis patients. PLoS ONE, 8(2), e57739. doi:10.1371/journal.pone.0057739.
Bindoff, L. A., Birch-Machin, M. A., Cartlidge, N. E., Parker, W. D., Jr, & Turnbull, D. M. (1991). Respiratory chain abnormalities in skeletal muscle from patients with Parkinson’s disease. Journal of the Neurological Sciences, 104(2), 203–208.
Boillee, S., Vande Velde, C., & Cleveland, D. W. (2006). ALS: A disease of motor neurons and their nonneuronal neighbors. Neuron, 52(1), 39–59. doi:10.1016/j.neuron.2006.09.018.
Brockington, A., Ning, K., Heath, P. R., Wood, E., Kirby, J., Fusi, N., et al. (2013). Unravelling the enigma of selective vulnerability in neurodegeneration: Motor neurons resistant to degeneration in ALS show distinct gene expression characteristics and decreased susceptibility to excitotoxicity. Acta Neuropathologica, 125(1), 95–109. doi:10.1007/s00401-012-1058-5.
Bustin, S. A., Benes, V., Garson, J. A., Hellemans, J., Huggett, J., Kubista, M., et al. (2009). The MIQE guidelines: Minimum information for publication of quantitative real-time PCR experiments. Clinical Chemistry, 55(4), 611–622. doi:10.1373/clinchem.2008.112797.
Cassina, P., Cassina, A., Pehar, M., Castellanos, R., Gandelman, M., de Leon, A., et al. (2008). Mitochondrial dysfunction in SOD1G93A-bearing astrocytes promotes motor neuron degeneration: Prevention by mitochondrial-targeted antioxidants. Journal of Neuroscience, 28(16), 4115–4122. doi:10.1523/JNEUROSCI.5308-07.2008.
Chandrasekaran, K., Giordano, T., Brady, D. R., Stoll, J., Martin, L. J., & Rapoport, S. I. (1994). Impairment in mitochondrial cytochrome oxidase gene expression in Alzheimer disease. Brain Research. Molecular Brain Research, 24(1–4), 336–340.
Chen, C. H., & Cheng, Y. C. (1989). Delayed cytotoxicity and selective loss of mitochondrial DNA in cells treated with the anti-human immunodeficiency virus compound 2′,3′-dideoxycytidine. Journal of Biological Chemistry, 264(20), 11934–11937.
Clement-Ziza, M., Gentien, D., Lyonnet, S., Thiery, J. P., Besmond, C., & Decraene, C. (2009). Evaluation of methods for amplification of picogram amounts of total RNA for whole genome expression profiling. BMC Genomics, 10, 246. doi:10.1186/1471-2164-10-246.
Cozzolino, M., & Carri, M. T. (2012). Mitochondrial dysfunction in ALS. Progress in Neurobiology, 97(2), 54–66. doi:10.1016/j.pneurobio.2011.06.003.
Dangond, F., Hwang, D., Camelo, S., Pasinelli, P., Frosch, M. P., Stephanopoulos, G., et al. (2004). Molecular signature of late-stage human ALS revealed by expression profiling of postmortem spinal cord gray matter. Physiological Genomics, 16(2), 229–239. doi:10.1152/physiolgenomics.00087.2001.
DeJesus-Hernandez, M., Mackenzie, I. R., Boeve, B. F., Boxer, A. L., Baker, M., Rutherford, N. J., et al. (2011). Expanded GGGGCC hexanucleotide repeat in noncoding region of C9ORF72 causes chromosome 9p-linked FTD and ALS. Neuron, 72(2), 245–256. doi:10.1016/j.neuron.2011.09.011.
Denisov, V., Strong, W., Walder, M., Gingrich, J., & Wintz, H. (2008). In I. Bio-Rad Laboratories (Ed.), Development and validation of RQI: An RNA quality indicator for the experionTM automated electrophoresis system (Vol. Bulletin 5761 Rev B). BioRad. http://www.gene-quantification.com/Bio-Rad-bulletin-5761.pdf.
Dupuis, L., Pradat, P. F., Ludolph, A. C., & Loeffler, J. P. (2011). Energy metabolism in amyotrophic lateral sclerosis. Lancet Neurology, 10(1), 75–82. doi:10.1016/S1474-4422(10)70224-6.
Fujita, K., Yamauchi, M., Shibayama, K., Ando, M., Honda, M., & Nagata, Y. (1996). Decreased cytochrome c oxidase activity but unchanged superoxide dismutase and glutathione peroxidase activities in the spinal cords of patients with amyotrophic lateral sclerosis. Journal of Neuroscience Research, 45(3), 276–281. doi:10.1002/(SICI)1097-4547(19960801)45:3<276:AID-JNR9>3.0.CO;2-A.
Hall, E. D., Oostveen, J. A., & Gurney, M. E. (1998). Relationship of microglial and astrocytic activation to disease onset and progression in a transgenic model of familial ALS. Glia, 23(3), 249–256.
Heath, P. R., Kirby, J., & Shaw, P. J. (2013). Investigating cell death mechanisms in amyotrophic lateral sclerosis using transcriptomics. Frontiers in Cellular Neuroscience, 7, 259. doi:10.3389/fncel.2013.00259.
Hedlund, E., Karlsson, M., Osborn, T., Ludwig, W., & Isacson, O. (2010). Global gene expression profiling of somatic motor neuron populations with different vulnerability identify molecules and pathways of degeneration and protection. Brain, 133(Pt 8), 2313–2330. doi:10.1093/brain/awq167.
Henriques, A., & Gonzalez De Aguilar, J. L. (2011). Can transcriptomics cut the gordian knot of amyotrophic lateral sclerosis? Current Genomics, 12(7), 506–515. doi:10.2174/138920211797904043.
Jiang, Y. M., Yamamoto, M., Kobayashi, Y., Yoshihara, T., Liang, Y., Terao, S., et al. (2005). Gene expression profile of spinal motor neurons in sporadic amyotrophic lateral sclerosis. Annals of Neurology, 57(2), 236–251. doi:10.1002/ana.20379.
Keeney, P. M., & Bennett, J. P., Jr. (2010). ALS spinal neurons show varied and reduced mtDNA gene copy numbers and increased mtDNA gene deletions. Molecular Neurodegenerative, 5, 21. doi:10.1186/1750-1326-5-21.
Kish, S. J., Bergeron, C., Rajput, A., Dozic, S., Mastrogiacomo, F., Chang, L. J., et al. (1992). Brain cytochrome oxidase in Alzheimer’s disease. Journal of Neurochemistry, 59(2), 776–779.
Kwiatkowski, T. J., Jr, Bosco, D. A., Leclerc, A. L., Tamrazian, E., Vanderburg, C. R., Russ, C., et al. (2009). Mutations in the FUS/TLS gene on chromosome 16 cause familial amyotrophic lateral sclerosis. Science, 323(5918), 1205–1208. doi:10.1126/science.1166066.
Malaspina, A., & de Belleroche, J. (2004). Spinal cord molecular profiling provides a better understanding of amyotrophic lateral sclerosis pathogenesis. Brain Research. Brain Research Reviews, 45(3), 213–229. doi:10.1016/j.brainresrev.2004.04.002.
Malaspina, A., Kaushik, N., & de Belleroche, J. (2001). Differential expression of 14 genes in amyotrophic lateral sclerosis spinal cord detected using gridded cDNA arrays. Journal of Neurochemistry, 77(1), 132–145.
Mytilineou, C., Werner, P., Molinari, S., Di Rocco, A., Cohen, G., & Yahr, M. D. (1994). Impaired oxidative decarboxylation of pyruvate in fibroblasts from patients with Parkinson’s disease. Journal of Neural Transmission. Parkinson’s Disease and Dementia Section, 8(3), 223–228.
Parker, W. D., Jr, Boyson, S. J., & Parks, J. K. (1989). Abnormalities of the electron transport chain in idiopathic Parkinson’s disease. Annals of Neurology, 26(6), 719–723. doi:10.1002/ana.410260606.
Penna, I., Vella, S., Gigoni, A., Russo, C., Cancedda, R., & Pagano, A. (2011). Selection of candidate housekeeping genes for normalization in human postmortem brain samples. International Journal of Molecular Sciences, 12(9), 5461–5470. doi:10.3390/ijms12095461.
Philips, T., Bento-Abreu, A., Nonneman, A., Haeck, W., Staats, K., Geelen, V., et al. (2013). Oligodendrocyte dysfunction in the pathogenesis of amyotrophic lateral sclerosis. Brain, 136(Pt 2), 471–482. doi:10.1093/brain/aws339.
Rabin, S. J., Kim, J. M., Baughn, M., Libby, R. T., Kim, Y. J., Fan, Y., et al. (2010). Sporadic ALS has compartment-specific aberrant exon splicing and altered cell-matrix adhesion biology. Human Molecular Genetics, 19(2), 313–328. doi:10.1093/hmg/ddp498.
Reddy, P. H., & Reddy, T. P. (2011). Mitochondria as a therapeutic target for aging and neurodegenerative diseases. Current Alzheimer Research, 8(4), 393–409.
Renton, A. E., Majounie, E., Waite, A., Simon-Sanchez, J., Rollinson, S., Gibbs, J. R., et al. (2011). A hexanucleotide repeat expansion in C9ORF72 is the cause of chromosome 9p21-linked ALS-FTD. Neuron, 72(2), 257–268. doi:10.1016/j.neuron.2011.09.010.
Rosen, D. R., Siddique, T., Patterson, D., Figlewicz, D. A., Sapp, P., Hentati, A., et al. (1993). Mutations in Cu/Zn superoxide dismutase gene are associated with familial amyotrophic lateral sclerosis. Nature, 362(6415), 59–62. doi:10.1038/362059a0.
Saris, C. G., Horvath, S., van Vught, P. W., van Es, M. A., Blauw, H. M., Fuller, T. F., et al. (2009). Weighted gene co-expression network analysis of the peripheral blood from Amyotrophic Lateral Sclerosis patients. BMC Genomics, 10, 405. doi:10.1186/1471-2164-10-405.
Scarpulla, R. C. (2012). Nucleus-encoded regulators of mitochondrial function: Integration of respiratory chain expression, nutrient sensing and metabolic stress. Biochimica et Biophysica Acta, 1819(9–10), 1088–1097. doi:10.1016/j.bbagrm.2011.10.011.
Scarpulla, R. C., Vega, R. B., & Kelly, D. P. (2012). Transcriptional integration of mitochondrial biogenesis. Trends in Endocrinology and Metabolism, 23(9), 459–466. doi:10.1016/j.tem.2012.06.006.
Schapira, A. H., Cooper, J. M., Dexter, D., Jenner, P., Clark, J. B., & Marsden, C. D. (1989). Mitochondrial complex I deficiency in Parkinson’s disease. Lancet, 1(8649), 1269.
Shaw, P. J., & Eggett, C. J. (2000). Molecular factors underlying selective vulnerability of motor neurons to neurodegeneration in amyotrophic lateral sclerosis. Journal of Neurology, 247(Suppl 1), I17–I27.
Sreedharan, J., Blair, I. P., Tripathi, V. B., Hu, X., Vance, C., Rogelj, B., et al. (2008). TDP-43 mutations in familial and sporadic amyotrophic lateral sclerosis. Science, 319(5870), 1668–1672. doi:10.1126/science.1154584.
Swerdlow, R. H., Parks, J. K., Cassarino, D. S., Trimmer, P. A., Miller, S. W., Maguire, D. J., et al. (1998). Mitochondria in sporadic amyotrophic lateral sclerosis. Experimental Neurology, 153(1), 135–142. doi:10.1006/exnr.1998.6866.
Thomas, R. R., Keeney, P. M., & Bennett, J. P. (2012). Impaired complex-I mitochondrial biogenesis in Parkinson disease frontal cortex. Journal of Parkinson’s Disease, 2(1), 67–76. doi:10.3233/JPD-2012-11074.
Vermeulen, J., Derveaux, S., Lefever, S., De Smet, E., De Preter, K., Yigit, N., et al. (2009). RNA pre-amplification enables large-scale RT-qPCR gene-expression studies on limiting sample amounts. BMC Research Notes, 2, 235. doi:10.1186/1756-0500-2-235.
Wallace, D. C. (1999). Mitochondrial diseases in man and mouse. Science, 283(5407), 1482–1488.
Wang, X. S., Simmons, Z., Liu, W., Boyer, P. J., & Connor, J. R. (2006). Differential expression of genes in amyotrophic lateral sclerosis revealed by profiling the post mortem cortex. Amyotrophic Lateral Sclerosis, 7(4), 201–210. doi:10.1080/17482960600947689.
Young-Collier, K. J., McArdle, M., & Bennett, J. P. (2012). The dying of the light: Mitochondrial failure in Alzheimer’s disease. Journal of Alzheimer’s Disease, 28(4), 771–781. doi:10.3233/JAD-2011-111487.
Zhang, R., Hadlock, K. G., Do, H., Yu, S., Honrada, R., Champion, S., et al. (2011). Gene expression profiling in peripheral blood mononuclear cells from patients with sporadic amyotrophic lateral sclerosis (sALS). Journal of Neuroimmunology, 230(1–2), 114–123. doi:10.1016/j.jneuroim.2010.08.012.