The role of calcium homeostasis in mitochondrial diseases and neurodegeneration

Ca2+ is one of the main second messengers of cells and, in particular the Ca2+ signaling in mitochondria is involved in different physiological processes spanning from cell metabolism, through the control of mitochondrial respiration and crucial metabolic enzymes, to the response in stress conditions. Despite the lack of a mechanistic understanding, it is well known that mitochondrial Ca2+ overload is the most important trigger for the opening of permeability transition pore responsible for apoptosis induction after several toxic challenges. On the contrary, the role of Ca2+ signaling in autophagy only recently started to emerge. Autophagy is a process of self-eating by which cellular organelles and proteins are sequestered and degraded in order to produce energy and amino acids in metabolic stress conditions, such as nutrient deprivation. It is not surprising that mitochondrial Ca2+ also plays an important role in the pathological alteration of cell physiology in different human disorders. In the present work we will consider, in particular, the involvement of mitochondrial Ca2+ homeostasis and its correlated metabolic processes in two models of human diseases: mitochondrial disorders and neurodegeneration. Mitochondrial disorders are a large group of heterogeneous diseases, commonly defined by a lack of cellular energy due to oxidative phosphorylation defects. We used skin primary fibroblasts derived from a patient with a complex I mutation in ND5 subunit, as a model of mitochondrial disorders. This system revealed an interesting correlation between the decrease in mitochondrial Ca2+ uptake and the increase in autophagic flux. In addition, our results suggest that this is due to a structural rearrangement of intracellular organelle architecture causing a loss of ER-mitochondria contact sites. Neurodegeneration is caused by selective and progressive death of specific neuronal subtypes. In order to understand the involvement of mitochondrial Ca2+ signaling in the pathogenesis of neurodegeneration, we developed an in vitro system of mouse primary cortical neurons and we optimized an in vivo model of microinjection in mouse brain regions. In particular, we studied the effect of an increased mitochondrial Ca2+ uptake, induced by the overexpression of mitochondrial Ca2+ uniporter (MCU, the main responsible of Ca2+ entry in mitochondrial matrix), on cell survival, in both primary cultures and in midbrain mouse area. We concluded that mitochondrial Ca2+ accumulation induces mitochondrial fragmentation and higher sensitivity to cell death in neurons both in vitro and in vivoIl Ca2+ è uno dei principali secondi messaggeri cellulari, ed in particolare il segnale Ca2+ mitocondriale è implicato in vari processi fisiologici che spaziano dal metabolismo, attraverso il controllo della respirazione mitocondriale, alla risposta a condizioni di stress. Nonostante alcuni meccanismi d’azione non siano ancora stati chiariti, il ruolo del Ca2+ nell’attivazione del processo apoptotico è ampiamente riconosciuto e comprovato. Al contrario, il coinvolgimento del segnale Ca2+ in un altro importante processo, quale quello autofagico, ha cominciato ad emergere solo recentemente. Il ruolo del Ca2+ a livello fisiologico risulta dunque fondamentale all’interno della cellula e alterazioni nella sua regolazione hanno ripercussioni così profonde da indurre l'evolversi di differenti patologie umane. Nel presente lavoro verrà approfondito il ruolo del Ca2+ mitocondriale in particolar modo in due modelli di patologie umane: le malattie mitocondriali e la neurodegenerazione. Le malattie mitocondriali sono un gruppo molto eterogeneo di patologie, accomunate principalmente dalla perdita di funzionalità della catena respiratoria. Come modello di studio di queste patologie abbiamo scelto di utilizzare delle colture primarie di fibroblasti umani derivanti da pazienti con una specifica mutazione nel gene per la subunità ND5 del complesso I della catena respiratoria del DNA mitocondriale. L’utilizzo di questo modello sperimentale si è rivelato molto utile per l’identificazione di una interessante correlazione tra la diminuzione dell’uptake di Ca2+ mitocondriale e l’aumento del flusso autofagico in queste cellule. Inoltre, i nostri risultati suggeriscono che la causa del ridotto accumulo di Ca2+ mitocondriale è direttamente correlato con un riarrangiamento spaziale nella distribuzione di reticolo endoplasmatico e mitocondri, tale per cui i siti di contatti presenti tra questi due organelli diminuiscono nettamente. La neurodegenerazione è causata dalla selettiva e progressiva perdita di specifici tipi neuronali. Allo scopo di studiare il coinvolgimento del Ca2+ nella neurodegenerazione, abbiamo sviluppato un modello in vitro di neuroni primari di corteccia di topo, in cui abbiamo analizzato gli effetti della sovraespressione del canale per il Ca2+ mitocondriale, MCU (mitochondrial Ca2+ uniporter). Dai nostri dati possiamo concludere che la sovraespressione di MCU ha degli effetti dannosi per le cellule neuronali, tanto da indurne la morte. Inoltre, abbiamo dei risultati preliminari anche in un sistema in vivo, i quali confermano e consolidano i dati ottenuti in vitro. Nello specifico, abbiamo iniettato vettori adeno-virali esprimenti il canale del Ca2+ mitocondriale nel mesencefalo di topo, utilizzando la tecnica dell’iniezione stereotassica, ed anche in questo caso osserviamo l’induzione di morte cellulare e degenerazione neuronal