MITOCHONDRIAL DNA REPLICATION DEFECTS : CONSEQUENCES FOR NEONATAL HEART DISEASE & PREMATURE AGEING

Näytä kaikki kuvailutiedot



Pysyväisosoite

http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-51-8097-1
Julkaisun nimi: MITOCHONDRIAL DNA REPLICATION DEFECTS : CONSEQUENCES FOR NEONATAL HEART DISEASE & PREMATURE AGEING
Tekijä: Landoni Martin, Juan Cruz
Tekijän organisaatio: University of Helsinki, Faculty of Medicine, Stem Cells and Metabolism Research Program, Research Programs Unit
Doctoral Programme in Integrative Life Science
Helsingin yliopisto, lääketieteellinen tiedekunta
Integroivien biotieteiden tohtoriohjelma
Helsingfors universitet, medicinska fakulteten
Doktorandprogrammet i integrerande biovetenskap
Julkaisija: Helsingin yliopisto
Päiväys: 2022-05-20
Kieli: eng
Kuuluu julkaisusarjaan: Dissertationes Scholae Doctoralis Ad Sanitatem Investigandam Universitatis Helsinkiensis - URN:ISSN:2342-317X
URI: http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-51-8097-1
http://hdl.handle.net/10138/343100
Opinnäytteen taso: Artikkeliväitöskirja
Tiivistelmä: Mitochondria are organelles crucially involved in energy metabolism (hence the “powerhouses of the cell”) and most other cellular processes. They accommodate the second essential genome of the human cell: mitochondrial DNA (mtDNA). The integrity and quantity of mitochondrial genomes, as well as the systems in charge of its maintenance, have been associated with a wide variety of rare and common human diseases, as well as ageing. The causes behind such striking diversity in presentation remain largely unknown and an outstanding question for many fields of biology and medicine. One of the most prolific models for mitochondrial dysfunction is the prematurely ageing mtDNA Mutator mouse, carrying a defective mtDNA replicase that causes the accumulation of point mutations in mtDNA. Prompted by the observation that the Mutator mouse phenotype closely mimics that of other premature ageing models (typically related to nuclear DNA damage), we investigated the cell cycle and nuclear integrity in a stem cell model and its relationship with mtDNA replication. We discovered that, in addition to mtDNA mutations, Mutator mice also present accelerated mtDNA replication and rewiring of nucleotide metabolism. We developed the state-of-the-art methodology for deoxynucleotide quantification to confirm this observation and found that deoxynucleotides are being prioritised to mitochondria in stem cells, depriving nuclear replication of building blocks and causing DNA damage in the nucleus. The data reframe the mtDNA Mutator model as a secondary nuclear DNA instability model, unifying mouse premature ageing models under the same proposed mechanism. To further explore the aforementioned hypothesis and test recent reports on the beneficial effects of boosting mtDNA, we crossed the mtDNA Mutator mice with mice overexpressing the mtDNA helicase Twinkle, which further increased mtDNA replication and amount. This resulted in an unexpected and fatal neonatal heart failure phenotype. Characterising the mechanisms behind this pathology revealed intriguing effects in mtDNA integrity and maintenance, as well as large-scale metabolic stress responses which appear to disrupt normal heart development and maturation. Altogether, the thesis provides new paradigms on the roles of mtDNA replication in physiology. On one hand, its ability to influence cellular metabolism and threaten nuclear DNA stability in progenitor/stem cells, causing premature ageing. On the other, its role in early life maturation, opening the door to novel discoveries on its relationship to heart function, adaptation to oxygen, cell death signalling, and related human diseases.Mitokondriot ovat solujen energia-aineenvaihdunnalle, soluviestinnälle ja solujen selviytymiselle keskeisiä soluelimiä. Niiden sisältämä geneettinen tieto on pakattuna rengasmaiseksi genomiksi mitokondrion sisään (mitokondriaalinen DNA eli mtDNA), ja poikkeamat mtDNA:n määrässä ja rakenteessa on liitetty moninaisiin sairauksiin sekä ikääntymiseen. Syyt näiden poikkeamien aiheuttamien monimuotoisten oireiden takana ovat yhä pitkälti selvittämättä. Tämä väitöskirjatyö sisältää kaksi erillistä tutkimusprojektia, joissa tutkittiin mtDNA:n monistumisen virheiden vaikutuksia kahteen erilaiseen oireenkuvaan: ennenaikaiseen vanhenemiseen ja vastasyntyneen sydämen vajaatoimintaan. Lisäksi väitöskirjassa esitellään DNA:n rakennusosien mittaamiseen kehitetty menetelmä, joka oli keskeisessä osassa tutkimusprojekteissa. Ensimmäisessä tutkimusprojektissa tutkittiin hyvin tunnettua ennenaikaisen vanhenemisen mallia, jossa mtDNA:n mutaatioiden kertymisen on ajateltu olevan ennenaikaisen vanhenemisen taustalla. Tutkimuksessa tarkastelimme hiirimallien kantasoluja ja havaitsimme, että mutaatioiden lisäksi näillä hiirillä esiintyi myös kiihtynyttä mtDNA:n monistumista sekä DNA:n rakennusosien aineenvaihduntamuutoksia, mikä puolestaan aiheuttaa DNA-vaurioita solun tumassa. Kantasolujen tuman DNA-vaurioiden tiedetään aiheuttavan kiihtynyttä ikääntymistä, joten löydöksemme kyseenalaistaa mtDNA:n mutaatiot ensisijaisena ennenaikaisen vanhenemisen syynä ja tarjoaa mielenkiintoisen yleisen mekanismin hiirten ennenaikaisen vanhenemisen oireyhtymille. Viimeaikaisissa tutkimuksissa on esitetty, että mtDNA:n kokonaismäärän kasvattaminen voisi olla hyödyllistä tutkituille ennenaikaisesti vanheneville hiirimalleille, kuten myös muillekin mitokondriaalisille tautitiloille. Tutkimme tätä lisäämällä geneettisesti mtDNA:n monistusta hiirimalleillamme. Yllätykseksemme mtDNA:n lisääminen ei kuitenkaan hidastanut eikä nopeuttanut vanhenemista, vaan aiheutti odottamattoman ja kuolemaan johtavan vastasyntyneen sydämen vajaatoiminnan. Tämän uuden ilmiön kuvaus ja tarkempi tutkimus paljasti erityyppisiä sydämen varhaiskehityksen aineenvaihdunnan stressireaktioita ja signalointireittejä, joiden häiriintyminen voi johtaa kuolemaan. Tämä väitöskirjatutkimus tarjoaa uusia näkökulmia mtDNA:n monistumisen vaikutuksista fysiologiaan. Toisaalta mtDNA:n monistumisella on kyky vaikuttaa solujen aineenvaihduntaan sekä vaarantaa tuman DNA:n vakautta esisoluissa/kantasoluissa ja johtaa näin ennenaikaiseen vanhenemiseen. Toisaalta sillä on rooli varhaiskehityksessä, mahdollistaen uudet tutkimuslöydökset mtDNA:n vaikutuksista sydämen toimintaan, happeen sopeutumiseen, solukuolemaan ja näihin liittyviin ihmisten sairauksiin.
Avainsanat: mitochondrial Medicine - Integrative Life Sciences
Tekijänoikeustiedot: Julkaisu on tekijänoikeussäännösten alainen. Teosta voi lukea ja tulostaa henkilökohtaista käyttöä varten. Käyttö kaupallisiin tarkoituksiin on kielletty.


Tiedostot

Latausmäärä yhteensä: Ladataan...

Tiedosto(t) Koko Formaatti Näytä
landoni_martin_juan_cruz_dissertation_2022.pdf 4.201MB PDF Avaa tiedosto

Viite kuuluu kokoelmiin:

Näytä kaikki kuvailutiedot