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Projeto de investigação
Metabolic Control of Neural Repair by Diet and Gut Microbiome during Aging
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The potential therapeutic role of neural stem cell secretome in neurodegeneration: a bioenergetic approach
Publication . Roxo, Catarina Moita; Cruz, Susana Zeferino Solá da; Miranda, Joana Paiva Gomes
A neurogénese adulta, um processo em que as células estaminais neurais (NSCs) endógenas se diferenciam numa vasta gama de linhagens neurais do cérebro, tem sido considerada como uma potencial estratégia terapêutica para travar a progressão de doenças neurológicas, incluindo a depressão. Recentemente, uma alteração de paradigma, veio sugerir que os efeitos benéficos das NSCs possam, também, depender da sua atividade parácrina, nomeadamente através da libertação de biomoléculas (secretoma). No entanto, ao longo da vida, as NSCs diminuem em número e perdem gradualmente a sua atividade parácrina em resposta à senescência cronológica e replicativa, tornando-se imprescindível a descoberta de estratégias exequíveis e eficientes para reforçar o papel terapêutico do secretoma das NSCs e compensar a degeneração neural. Curiosamente, embora a mitocôndria regule o destino das NSCs e o secretoma de todos os tipos celulares, os mecanismos metabólicos subjacentes ao potencial regenerativo do secretoma das NSCs ainda não estão totalmente esclarecidos.
Neste trabalho pretendemos explorar o padrão metabólico mitocondrial das NSCs produtores de um secretoma protector, utilizando diferentes modelos de stress em NSCs. Além disso, o nosso objetivo foi, também, testar a influência de reguladores metabólicos (mitochondrial boosters) neste secretoma. Inicialmente, foram utilizadas NSCs em diferenciação tratadas com peróxido de hidrogénio (H2O2), como um modelo de células alvo e stress oxidativo. Os nossos resultados mostraram que as NSCs expostas a sinas de lesão (boosted NSCs) adquirem um fenótipo mais proliferativo, exibem maior fragmentação mitocondrial e diminuem a expressão de certas proteínas associadas à respiração e fosforilação oxidativa (OxPhos) e o número de cópias de DNA mitocondrial (mtDNA). O secretoma derivado das boosted NSCs, por sua vez, induziu um aumento do número de cópias de mtDNA nas NSCs alvo. Curiosamente, vários mitochondrial boosters, incluindo um cocktail de fatores neurotróficos que mimetiza algumas condições mediadas pelo exercício in vitro, foram também capazes de melhorar as propriedades terapêuticas do secretoma das NSCs (mitCM), uma vez que preveniram a morte celular induzida por H2O2 nas células alvo. Uma caracterização molecular mais profunda das NSCs produtoras de mitCM demonstrou que o aumento da fissão mitocondrial também estava presente nestas células, mas, neste contexto, encontrava-se associado a um aumento do número de cópias de mtDNA. No que diz respeito ao efeito dos mitochondrial boosters nas proteínas associadas a OxPhos, observámos um aumento significativo de várias proteínas associadas não relacionadas com a produção de ATP. Curiosamente, de acordo com o previamente observado no boostedCM, o mitCM também induziu um aumento do número de cópias de mtDNA nas NCS alvo.
Finalmente, para compreender melhor o papel do metabolismo das NSCs na sua plasticidade in vivo, as NSCs foram estimuladas com soro proveniente de ratinhos deprimidos, utilizando um modelo animal de stress crónico e imprevisível ligeiro (uCMS), e o seu secretoma testado in vitro em céulas alvo em stress oxidativo. Estas NSCs foram
denominadas de uCMS-boosted NSCs e o seu secretoma de uCMS boosted-CM. Surpreendentemente, os nossos resultados demonstraram que as propriedades neuroprotectoras do uCMS boosted-CM eram mais elevadas, quando comparado com o CM proveniente de NSCs estimuladas com soro derivado de ratinhos saudáveis. De realçar que, a caracterização metabólica das uCMS-boosted NSCs revelou que estas células sofreram também várias alterações metabólicas quando comparadas com as NSCs estimuladas com soro derivado de ratos saudáveis, exibindo um fenótipo mais proliferativo e um aumento da fissão mitocondrial e da sua biogénese. Concomitantemente, o soro de
ratinhos deprimidos induziu a diferenciação de NSCs, que por sua vez, pareceu estar associada a elevadas as taxas de oxidação de ácidos gordos e OxPhos para a produção de energia.
Coletivamente, estes dados demonstram que NSC expostas a sinais externos de lesão ou de reforço metabólico sofrem alterações metabólicas profundas que acompanham a produção de um secretoma neuroprotector para células lesadas em processo de diferenciação.
Targeting mitochondria of neural stem cells for neuroregeneration
Publication . Ribeiro, Maria Filipe Canas de Matos e Oliveira; Cruz, Susana Zeferino Solá da; Rodrigues, Cecília Maria Pereira
The adult mammalian brains display the capacity to generate new neurons from existing neural stem cells (NSCs) in a process called adult neurogenesis. This process drops sharply throughout ageing and is further impaired in neurodegenerative diseases and other neurological disorders. Curiously, mitochondria and mitochondrial metabolism have been shown to be key regulators of NSC fate. The influence of factors such as ageing, metabolism and diet on brain function is also becoming increasingly recognised. Interestingly, emerging data have supported a crosstalk between the brain and gut microbiota, through the modulation of host metabolism. In the present project, we aimed to dissect the molecular mitochondrial mechanisms responsible for neurogenesis alterations in the context of both neurodegeneration, such as in Alzheimer’s disease (AD), and dietary challenge.
Initially, we investigated the impact of amyloid-β (Aβ) peptide, a hallmark of AD, in NSC fate and explored the contribution of mitochondria for Aβ-induced NSC changes. We showed that high levels of Aβ peptide result in mitochondrial signalling disruption, affecting NSC viability, proliferation and differentiation. Importantly, under elevated amyloid burden, an irreversible dysfunction of mitochondrial biogenesis, dynamics and oxidative state was found, precluding any rescue of neurogenesis through mitochondria.
We then explored the role of mitochondrial signalling pathways in mediating the regulation of adult neurogenesis following a dietary challenge and subsequent changes in diet-associated gut microbiota. Interestingly, we discovered that animals fed a high-fat choline deficient diet (HFCD) diet display premature increased neurogenesis, which further exhausts the NSC pool for long-term neurogenesis. In fact, HFCD diet stimulated gut dysbiosis, upregulating metabolic pathways of short chain fatty acids (SCFAs), such as propionate and butyrate, in the small intestine and cecum. More importantly, the microbial metabolites enhanced mitochondrial biogenesis and oxidative stress in NSCs, while also promoting early neuronal differentiation through a ROS- and p-ERK1/2-dependent mechanism. Notably, this mitochondrial stressdependent pathway was activated in neurogenic niches of HFCD diet-fed mice.
In conclusion, our findings clarify the impact of mitochondrial activity during adult neurogenesis and may prove useful in the development of novel strategies to rescue adult neurogenesis.
The mitochondrial antioxidant Sirtuin3 cooperates with lipid metabolism to safeguard neurogenesis in aging and depression
Publication . Santos, Sónia Sá; Moreira, João B.; Costa, Márcia; Rodrigues, Rui S.; Sebastião, Ana M; Xapelli, Sara; Solá, Susana
Neural stem cells (NSCs), crucial for memory in the adult brain, are also pivotal to buffer depressive behavior. However, the mechanisms underlying the boost in NSC activity throughout life are still largely undiscovered. Here, we aimed to explore the role of deacetylase Sirtuin 3 (SIRT3), a central player in mitochondrial metabolism and oxidative protection, in the fate of NSC under aging and depression-like contexts. We showed that chronic treatment with tert-butyl hydroperoxide induces NSC aging, markedly reducing SIRT3 protein. SIRT3 overexpression, in turn, restored mitochondrial oxidative stress and the differentiation potential of aged NSCs. Notably, SIRT3 was also shown to physically interact with the long chain acyl-CoA dehydrogenase (LCAD) in NSCs and to require its activation to prevent age-impaired neurogenesis. Finally, the SIRT3 regulatory network was investigated in vivo using the unpredictable chronic mild stress (uCMS) paradigm to mimic depressive-like behavior in mice. Interestingly, uCMS mice presented lower levels of neurogenesis and LCAD expression in the same neurogenic niches, being significantly rescued by physical exercise, a well-known upregulator of SIRT3 and lipid metabolism. Our results suggest that targeting NSC metabolism, namely through SIRT3, might be a suitable promising strategy to delay NSC aging and confer stress resilience.
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Palavras-chave
Contribuidores
Financiadores
Entidade financiadora
Fundação para a Ciência e a Tecnologia
Programa de financiamento
3599-PPCDT
Número da atribuição
PTDC/MED-NEU/29650/2017