Patient induced pluripotent stem cell-derived neurons as a model for a mitochondrial encephalopathy
Loading...
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Kemian tekniikan korkeakoulu |
Master's thesis
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Author
Date
2018-08-20
Department
Major/Subject
Biosystems and Biomaterials Engineering
Mcode
CHEM3028
Degree programme
Master’s Programme in Life Science Technologies
Language
en
Pages
50
Series
Abstract
In this thesis, patient induced pluripotent stem (iPS) cell-derived neurons and neural cells were used as a model for infantile onset spinocerebellar ataxia (IOSCA). IOSCA is an early-onset recessively inherited mitochondrial ataxia belonging to the Finnish disease heritage. Patients become progressively severely disabled after disease onset and currently no curative treatments exist. IOSCA is caused by a homozygous mutation (Y508C) in the mitochondrial helicase Twinkle. Twinkle participates in mitochondrial DNA (mtDNA) replication and the mutant helicase has been shown to deplete mtDNA from the brain and liver of patients. The aim of this thesis was to obtain IOSCA patient-derived neurons that would manifest a neuronal phenotype related to the disease, and analyze molecular and metabolic consequences of the mutant form of Twinkle, to shed light on the pathogenic mechanisms underlying symptoms in IOSCA. Neuronal differentiation of iPS cells was achieved using two different methods: spontaneous differentiation as neurospheres in a suspension culture, and an adherent culture using two small molecule inhibitors blocking SMAD signaling. IOSCA patient iPS cells were able to differentiate into neurons, from here on called IOSCA neurons, using both methods. However, neuronal cultures from IOSCA cell lines differentiated as neurospheres had significantly less neurons compared to healthy controls. In addition, the patient-derived neurons were shorter and more polar, which could suggest impaired maturation. Regardless of the differentiation method, IOSCA neurons had reduced mitochondrial networks, especially in neurites. The finding was supported by a reduction of mitochondrial respiratory chain complexes I and IV. IOSCA neural cells did not show activation of the mitochondrial integrated stress response, folate cycle or serine biosynthesis. However, untargeted metabolomics revealed that major metabolic pathways were altered in the patient-derived neural cells. Nucleotide, especially purine synthesis was clearly affected, as its intermediates comprised a significant group of decreased metabolites. Also core energy metabolic pathways were altered. IOSCA neural cells had decreased intermediates of the citric acid cycle, whereas they had accumulated medium and long-chain fatty acids. Increased levels of fatty acid synthesis intermediates suggested that the patient-derived neural cells had shifted their metabolism towards lipid synthesis, or that they were not able to utilize fatty acids that were synthesized. Because the patient-derived neuronal cells revealed differences between patient and control cell lines, they could be further utilized to assess therapy options. The impaired nucleotide synthesis could be attempted to be alleviated through nucleotide supplementation, and remodeled energy metabolism affected through diet.Tässä diplomityössä käytettiin potilaiden indusoiduista monikykyisistä kantasoluista erilaistettuja hermosoluja mallina IOSCA-nimiselle (Infantile onset spinocerebellar ataxia) imeväisiässä alkavalle pikkuaivo- ja selkäydinperäiselle ataksialle. IOSCA on peittyvästi periytyvä tauti, joka kuuluu suomalaiseen tautiperintöön. Potilaat ovat etenevästi vaikeavammaisia sairastumisensa jälkeen, eikä tautiin ole tällä hetkellä parantavaa hoitoa. IOSCA on mitokondriosairaus, jonka aiheuttaa homotsygoottinen mutaatio (Y508C) mitokondriaalista helikaasia Twinkleä koodaavassa geenissä. Twinkle osallistuu mitokondriaalisen DNA:n (mtDNA:n) monistamiseen ja mutaation on osoitettu johtavan mtDNA:n vähenemiseen potilaiden aivoissa ja maksassa. Tämän työn tavoitteena oli erilaistaa potilaiden indusoidut monikykyiset kantasolut hermosoluiksi, jotka ilmentäisivät tautiin liittyviä hermoston oireita, sekä analysoida mutatoituneen Twinklen aiheuttamia molekulaarisia ja aineenvaihdunnallisia muutoksia, jotta IOSCAn solutasolla vaikuttavia tautimekanismeja voitaisi ymmärtää paremmin. Hermosolujen erilaistamiseen käytettiin kahta eri menetelmää: erilaistusta suspensiossa neurosfeereinä sekä adherenttia soluviljelmää, jossa inhiboitiin kahta merkittävää transkriptiotekijää. IOSCA-potilaiden indusoidut monikykyiset kantasolut kykenivät erilaistumaan hermosoluiksi (IOSCA-hermosoluiksi) molempia menetelmiä käyttäen. Neurosfeereinä erilaistetuissa IOSCA-hermosoluviljelmissä oli kuitenkin merkittävästi vähemmän hermosoluja verrattuna terveisiin verrokkeihin. Lisäksi nämä potilasperäiset hermosolut olivat haarautuneempia ja lyhyempiä, mikä voisi viitata siihen, että IOSCA-hermosolujen kypsyminen on puutteellista. Riippumatta erilaistusmenetelmästä mitokondrioiden määrä oli selvästi vähentynyt IOSCA-hermosoluissa, erityisesti neuriiteissa. Tulosta vahvisti mitokondrioiden hengitysketjun proteiinikompleksien I ja IV vähentynyt määrä. IOSCA-hermosoluissa ei nähty mitokondriaalisen integroidun stressivasteen, folaattisyklin eikä seriinin biosynteesin aktivoitumista. Kohdentamaton mataboliittiprofilointi kuitenkin paljasti merkittävien aineenvaihduntapolkujen muuttuneen. Nukleotidien, erityisesti puriinien synteesi oli selvästi häiriintynyt, sillä suuri osa sen välituotteista oli merkittävästi vähentynyt. Lisäksi energia-aineenvaihdunnan keskeiset haarat olivat muuttuneet. IOSCA-hermosoluissa sitruunahappokierron välituotteet olivat huvenneet, kun taas keskipitkiä ja pitkiä rasvahappoja oli kertynyt soluihin. Lisääntyneet rasvahapposynteesin välituotteet viittasivat potilaiden hermosolujen muokanneen aineenvaihduntaansa lipidien syntetisoimiseen tai kykenemättömyyteen hyödyntää jo syntetisoituja rasvahappoja. Koska potilaiden indusoiduista monikykyisistä kantasoluista erilaistetut hermosolut paljastivat eroja terveisiin verrokkeihin verrattuna, niitä voitaisiin tulevaisuudessa hyödyntää hoitovaihtoehtoja tutkiessa. Häiriintynyttä nukleotidien synteesiä voitaisiin mahdollisesti helpottaa nukleotidien suplementaatiolla ja energia-aineenvaihdunnan muutoksiin vaikuttaa ruokavalion kautta.Description
Supervisor
Frey, AlexanderThesis advisor
Äänismaa, RiikkaKeywords
mitochondrial disease, encephalopathy, cell model, neuron, IOSCA, metabolism
