title: Molekulare Regulation von mitochondrialer Dynamik durch Dynamin Protein 1 (Drp1) und Bid in Modellsystemen des neuronalen Zelltodes
title: Molecular regulation of mitochondrial dynamics by dynamin-related protein 1 (Drp1) and Bid in model systems of neuronal cell death
title: Molecular regulation of mitochondrial dynamics by dynamin-related protein 1 (Drp1) and Bid in model systems of neuronal cell death
Creators: name: Grohm, Julia
Publisher: name: Philipps-Universität Marburg
Year: 2011
Subjects: Apoptosis
Bid
Mitochondrium
Mitochondrial dynamics
Medizin, Gesundheit
Drp1
Oxidative stress
Oxidativer Stress
Mitochondriale Dynamik

description: Mitochondria are key regulators of
      neuronal apoptosis, in development and aging. Beside this,
      mitochondria are highly dynamic organelles which build,
      dependent on physiological conditions, large interconnected
      networks or appear as spherical, small rounded organelles.
      Impaired regulation of mitochondrial dynamics that shifts the
      balance towards fission is associated with neuronal death in
      delayed neuronal cell death after acute brain injury by
      ischemic stroke or brain trauma, and in age-related
      neurodegenerative diseases, such as Alzheimer’s disease or
      Parkinson’s disease. Emerging evidence suggests that
      oxidative stress disturbs mitochondrial morphology dynamics,
      resulting in detrimental mitochondrial fragmentation and
      dysfunction. In particular, such fatal mitochondrial fission
      has been detected in neurons exposed to oxidative stress,
      suggesting mitochondrial dysfunction is a key feature in the
      intrinsic death pathway. Major parts of the study were
      performed in a model of glutamate toxicity in immortalized
      hippocampal HT-22 neurons, since glutamate selectively
      induced oxidative stress through glutathione depletion in
      these cells. To verify the relevance of the findings in HT-22
      cells for post-mitotic neurons, further experiments included
      models of glutamate-induced excitotoxicity and oxygen glucose
      deprivation primary embryonic neurons in vitro and in a mouse
      model of cerebral ischemia in vivo. The first part of this
      study investigated, whether enhanced mitochondrial fission
      accompanied by glutamate-induced neuronal cell death. The
      present study demonstrated that glutamate-induced apoptosis
      was associated with enhanced mitochondrial fission, loss of
      mitochondrial membrane potential and relocation of fragmented
      mitochondria to the nucleus. Further, the results obtained
      here provided evidence for a key role of the BH3-only protein
      Bid in mitochondrial fragmentation of neuronal apoptosis
      caused by oxidative stress. The mitochondrial fragmentation,
      the associated loss of the mitochondrial membrane potential,
      and consequent neuronal cell death were prevented by BI-6c9,
      a highly specific Bid inhibitor. The second part of this
      study explored whether Drp1 played a major role in neuronal
      cell death after glutamate-toxicity in HT-22 cells and
      primary cortical neurons. To verify the role of Drp1 in
      glutamate-induced cell death, highly specific small molecule
      inhibitors of Drp1 and siRNA approaches in neurons were
      applied in this model-system of oxidative stress in neurons.
      Data obtained from the present study demonstrated a
      significant neuroprotective effect through inhibition of
      Drp1, suggesting that this regulator of mitochondrial fission
      played a major role in delayed neuronal cell death. This
      conclusion is based on findings showing that down-regulation
      of Drp1 by siRNA or by small molecule inhibitors
      significantly preserved mitochondrial morphology and
      mitochondrial membrane potential, and reduced glutamate
      toxicity in neuronal cells. In addition, the Drp1 inhibitors
      protected primary cortical neurons against oxygen glucose
      deprivation in vitro, and preserved brain tissue after
      cerebral ischemia in vivo. These data expose Drp1 as a key
      factor in ischemic and glutamate-induced neuronal cell death
      and identify Drp1-dependent mitochondrial fission as a
      potential therapeutic target in acute cerebrovascular
      diseases. Finally, studies on the potential interaction
      between Bid and Drp1 revealed for the first time that both
      factors cooperate during neuronal apoptosis to mediate
      mitochondrial fragmentation, loss of mitochondrial membrane
      integrity and intrinsic apoptosis. Inhibition of either
      factor was sufficient to block the other’s detrimental effect
      on mitochondria and execution of neuronal cell death.
      Overall, data obtained from the present study demonstrate for
      the first time Bid and Drp1 as the key regulators of
      mitochondrial neuronal cell death pathways associated with
      enhanced oxidative stress in HT22 cells and primary neuronal
      cells as well as in the mouse model of cerebral ischemia,
      respectively. Bid-mediated neuronal cell death involves
      Drp1-dependent mitochondrial fission, mitochondrial
      relocation to the nucleus, mitochondrial membrane
      permeabilization, and release of mitochondrial cell death
      regulators such as AIF. Therefore, the presented data expose
      the inhibition of Bid by BI-6c9 and Drp1 using mdivi-1
      compounds as a promising therapeutic target to prevent
      mitochondrial fragmentation and dysfunction which are
      hallmarks of neuronal cell death in acute and chronic
      neurodegenerative diseases, where glutamate toxicity and
      oxidative stress are prominent.
description: Mitochondrien sind
      Schlüsselorganelle in Signalwegen der neuronalen Apoptose und
      in Entwicklungs- und Alterungsprozessen der Zelle.
      Mitochondrien sind hoch dynamische Organelle, welche sich
      abhängig der physiologischen Bedingungen als lange
      miteinander verbundene Netzwerke oder als kleine, runde
      Organelle darstellen. Unter pathologischen Bedingungen und im
      neuronalen Zelltod ist die Regulation der
      Mitochondrienmorphologie deutlich verändert, wobei das
      Gleichgewicht der mitochondrialen Dynamik in Richtung
      Fragmentierung verschoben wird. Entsprechende Veränderungen
      der Mitochondrien treten z. B. im verzögerten neuronalen
      Zelltod nach Schlaganfall oder Schädel-Hirn-Trauma auf und
      vermehrt fragmentierte Mitochondrien sind auch in
      geschädigtem Hirngewebe bei alters-bedingten
      neurodegenerativen Erkrankungen, wie Morbus Alzheimer und
      Morbus Parkinson nachgewiesen worden. Im Rahmen dieser Arbeit
      wurde vor allem eine neuronale hippokampale Zelllinie (HT-22
      Zellen) verwendet, um die Regulation und die Bedeutung der
      vermehrten Mitochondrienfragmentierung im oxidativen
      neuronalen Zelltod zu untersuchen. In diesen Zellen führt
      eine Behandlung mit Glutamat zu einem kontinuierlichen Abfall
      der intrazellulären Glutathionspiegel und induziert somit
      oxidativen Stress. Zusätzlich wurden primäre neuronale
      Zellkulturen und ein in vivo-Modell der zerebralen Ischämie
      eingesetzt, um die in HT-22 Zellen erhaltenen Ergebnisse zu
      bestätigen und auszubauen. Der erste Teil dieser Arbeit
      untersucht, ob verstärkte mitochondriale Fragmentierung den
      Glutamat-induzierten Zelltod begleitet. Die Ergebnisse zeigen
      eindeutig, dass Glutamat-induzierte Apoptose mit einer
      verstärkten Fragmentierung von Mitochondrien, dem Verlust von
      mitochondrialen Membranpotential und einer Umverteilung von
      fragmentierten Mitochondrien um den Zellkern verbunden ist.
      Weiter zeigen die hier dargestellten Ergebnisse eine
      Schlüsselrolle für das BH3-Protein Bid in der mitochondrialen
      Fragmentierung auf, die durch den oxidativen Stress ausgelöst
      wurde. Der zweite Teil der Arbeit untersucht die Rolle des
      Dynamin Proteins Drp1 im neuronalen Zelltod nach
      Glutamat-Schädigung in HT-22 Zellen und in primären
      kortikalen Neuronen. Um die Rolle von Drp1 im
      Glutamat-induzierten Zelltod nachzuweisen, wurde in dem hier
      angewendeten Modellsystem des oxidativen Stress zum ersten
      Mal hoch spezifische Drp1 Inhibitoren und Drp1 siRNA
      angewendet. Die Deletion von Drp1 durch siRNA oder durch den
      Drp1 Inhibitor zeigen, das mitochondriale Membranpotential
      aufrechterhalten werden kann und die mitochondriale
      Fragmentierung in HT-22 Zellen, als auch in primären Neuronen
      verhindert werden. Der Drp1 Inhibitor blockierte zudem den
      neuronalen Zelltod nach Sauerstoff-Glukose-Entzug in primären
      Neuronen und verringert auch signifikant das Infarktvolumen
      in einem Schlaganfallmodell in Mäusen. Diese Daten heben Drp1
      als einen Schlüsselfaktor bei ischämisch- und
      Glutamat-induziertem neuronalen Zelltod hervor und
      identifizierten Drp1-abhängige mitochondriale Fragmentierung
      als eine mögliche therapeutischen Zielstruktur für die
      Therapie von akuten zerebrovaskulären Erkrankungen. Weitere
      Untersuchungen zu einer möglichen Wechselwirkung zwischen Bid
      und Drp1 im neuronalen Zelltod zeigten zudem erstmalig, dass
      offenbar beide Proteine nach oxidativem Stress zusammen an
      der Mitochondrienmembran agieren, um intrinsische
      Signalkaskaden der Apoptose zu induzieren. Die Hemmung eines
      der Proteine war ausreichend, um die mitochondriale
      Translokation bzw. die toxischen Effekte des Partners an den
      Mitochondrien zu hemmen und so den neuronalen Zelltod zu
      verhindern. Insgesamt konnte in dieser Arbeit zum ersten Mal
      gezeigt werden, dass Bid und Drp1 zusammen als
      Schlüsselregulatoren des mitochondrialen neuronalen Zelltodes
      in HT-22 Zellen agieren und das die Hemmung von Drp1 auch in
      primären Neuronen, und auch in einem Schlaganfallmodell in
      Mäusen eine protektive Wirkung vermittelt. Der
      Bid-vermittelte neuronale Zelltod umfasst Drp1-abhängige
      mitochondriale Fragmentierung, mitochondriale Umverteilung um
      den Zellkern, mitochondriale Membranschädigung und die
      Freisetzung von mitochondrialen Apoptose-Mediatoren wie AIF.
      Aus diesem Grund sind Bid und Drp1 vielversprechende
      therapeutische Zielstrukturen, die durch neuartige
      Inhibitor-Moleküle blockiert werden können, um mitochondriale
      Fragmentierung und Dysfunktion, als Kennzeichen des
      neuronalen Zelltodes bei akuten und chronischen
      neurodegenerativen Erkrankungen zu verhindern, in denen
      Glutamatschädigung bzw. oxidativer Stress zu den wesentlichen
      auslösenden Faktoren für die Nervenschädigung führen.