Mechanisms and dynamics of mitochondrial disease stress responses : special emphasis on FGF21

Mitochondria are best known for ATP production in oxidative phosphorylation (OXPHOS), dependent on nuclear factors and the organellar genome of the mitochondria, mtDNA. Mitochondrial disorders are categorically OXPHOS diseases, presenting with extreme variability of tissue-specific manifestation that cannot be explained by genetic causes or impaired ATP production. Comprehensive understanding of the pathophysiology is key for better diagnostics and therapy targets. AdPEO is a mitochondrial disease characterized by mtDNA deletions and mitochondrial deficiency in muscles and brain. Studies on a transgenic mouse model of AdPEO, Deletor, have revealed similar pathology to human patients, and induction of a local stress response in muscle that involves expression of a metabolic hormone, FGF21. In physiological challenges, FGF21 is secreted by the liver to enhance systemic energy-metabolism. Therefore, chronic exposure to FGF21 in mitochondrial disease exposes the body to non-homeostatic regulation of metabolism. In this thesis, we have studied the stress responses upon mitochondrial myopathy with emphasis on the actions of FGF21. We utilized parallel analysis of patient samples and established mouse models, and generated a Deletor-FGF21 knockout model. In the first part, we discovered novel rearrangements of whole-cellular metabolism in post-mitotic muscle with mtDNA maintenance defect, including induction of one-carbon metabolism and glucose-driven glutathione synthesis. We demonstrated that the transcriptional and metabolic stress programs progressed sequentially along the primary disease pathology, and that FGF21 expression was indisputable for initiation of the glucose-driven metabolic programs in the muscle. Systemically, FGF21 expectedly impaired maintenance of adiposity and altered tissue-level glucose preferences. Additionally, we discovered FGF21-dependent mitochondrial and metabolic pathology in CA2-region of hippocampus in Deletor. The second part highlighted that the mitochondrial stress responses dependent on the primary disease mechanisms, not on the fundamental OXPHOS-deficiency. Our clinical analyses showed that the circulating mitochondrial disease biomarkers FGF21 and GDF15 were specific for primary or secondary mitochondrial translation defects, not for isolated OXPHOS mutations. In summary, this work has revealed clinically relevant local and systemic metabolic rearrangements in response to mtDNA maintenance and expression defects, and demonstrated tissue-specific regulation of pathophysiology by FGF21.Mitokondriot tunnetaan parhaiten solun energialaitoksina, joissa tuotetaan ATP:tä oksidatiivisessa fosforylaatiossa (OXPHOS). OXPHOS-koneiston ylläpito vaatii sekä tuman koodaamien tekijöiden että mitokondrioiden oman genomin (mtDNA) koordinoitua ilmentämistä. Mitokondriotaudit johtavat kategorisesti OXPHOS-puutokseen, mutta oireet ja kohdekudokset vaihtelevat merkittävästi, eikä variaatio usein selity geneettisesti tai ATP-vajauksella. Tautimekanismien ymmärtäminen on avainasemassa, kun yritetään kehittää diagnostiikkaa ja hoitomenetelmiä. AdPEO on periytyvä mitokondriaalinen lihasheikkoussairaus, joka ilmenee mtDNA:n katkoksina sekä mitokondrioiden toimintapuutoksena lihaksissa ja aivoissa. Deletor-hiiri on siirtogeeninen malli AdPEO:lle, ja sen kudoksissa toistuvat potilaiden patologiset löydökset. Deletor-lihaksissa on osoitettu paikallinen stressivaste, jonka tärkeä osatekijä on FGF21-hormoni. Tyypillisesti FGF21 eritetään maksasta ja sen tiedetään vaikuttavan laajalti kehon energia-aineenvaihduntaan. Siksi jatkuva altistuminen FGF21-viestinnälle mitokondriotaudeissa voi johtaa krooniseen aineenvaihdunnan epätasapainoon. Tässä väitöskirjassa olemme tutkineet kudoskohtaisia stressivasteita mitokondriotaudeissa, keskittyen erityisesti FGF21:n vaikutuksiin. Olemme hyödyntäneet potilasmateriaalin lisäksi jo kuvattuja hiirimalleja sekä luoneet FGF21-poistogeenisen Deletor-hiiren. Ensimmäisessä osassa havaitsimme, että mtDNA:n katkoksista johtuvan mitokodnriotaudin yhteydessä lihassolun aineenvaihdunta muuttuu, käsittäen koko solun metyylireaktiot sekä glukoosilähtöisen glutationisynteesin. Pystyimme lisäksi osoittamaan, että lihaksen stressivaste kehittyy asteittain patologian edetessä, ja että FGF21 on erityisen tärkeä glukoosivasteen käynnistymiselle lihaksessa. Laajemmassa analyysissä havaitsimme, että FGF21 odotetusti vaikutti Deletorin koko kehon rasvavarantoihin ja ravintoaineenvaihduntaan. Lisäksi kuvasimme uuden FGF21-riippuvaisen mitokondriaalisen patologian Deletorin hippokampuksen CA2-alueella. Toisessa osassa kliiniset analyysimme osoittivat, että mitokondriotautien stressivasteet ovat riippuvaisia ensisijaisista tautimekanismeista, eivätkä lopputuloksena syntyvästä OXPHOS-puutoksesta. Havaitsimme, että seerumibiomarkkerit FGF21 ja GFD15 ovat ominaisia mitokondriaalisen geeni-ilmennyksen puutoksille, kun taas yksittäiset OXPHOS-mutaatiot eivät indusoineet samaa vastetta. Tiivistäen, tämän kirjan tutkimukset kuvaavat kattavasti mitokondriaalisen stressivasteen ominaisuuksia mtDNA:n ylläpitoon ja ilmentämiseen liittyvissä taudeissa. Lisäksi osoitamme, että FGF21:lla on tärkeä rooli patologian säätelyssä paikallisesti ja koko kehossa

Effective treatment of mitochondrial myopathy by nicotinamide riboside, a vitamin B3

Peer reviewe

MtDNA mutagenesis impairs elimination of mitochondria during erythroid maturation leading to enhanced erythrocyte destruction

Haematopoietic progenitor cells show special sensitivity to mitochondrial DNA (mtDNA) mutagenesis, which suggests that increased mtDNA mutagenesis could underlie anemias. Here we show that elevated mtDNA mutagenesis in mice with a proof-reading deficient mtDNA polymerase (PolG) leads to incomplete mitochondrial clearance, with asynchronized iron loading in erythroid precursors, and increased total and free cellular iron content. The resulting Fenton chemistry leads to oxidative damage and premature destruction of erythrocytes by splenic macrophages. Our data indicate that mitochondria actively contribute to their own elimination in reticulocytes and modulate iron loading. Asynchrony of this sequence of events causes severe mitochondrial anaemia by depleting the organism of red blood cells and the bone marrow of iron. Our findings account for the anaemia development in a progeroid mouse model and may have direct relevance to the anemias associated with human mitochondrial disease and ageing.Peer reviewe

Fibroblast Growth Factor 21 Drives Dynamics of Local and Systemic Stress Responses in Mitochondrial Myopathy with mtDNA Deletions

AbstractMitochondrial dysfunction elicits stress responses that safeguard cellular homeostasis against metabolic insults. Mitochondrial integrated stress response (ISRmt) is a major response to mitochondrial (mt)DNA expression stress (mtDNA maintenance, translation defects), but the knowledge of dynamics or interdependence of components is lacking. We report that in mitochondrial myopathy, ISRmt progresses in temporal stages and development from early to chronic and is regulated by autocrine and endocrine effects of FGF21, a metabolic hormone with pleiotropic effects. Initial disease signs induce transcriptional ISRmt (ATF5, mitochondrial one-carbon cycle, FGF21, and GDF15). The local progression to 2nd metabolic ISRmt stage (ATF3, ATF4, glucose uptake, serine biosynthesis, and transsulfuration) is FGF21 dependent. Mitochondrial unfolded protein response marks the 3rd ISRmt stage of failing tissue. Systemically, FGF21 drives weight loss and glucose preference, and modifies metabolism and respiratory chain deficiency in a specific hippocampal brain region. Our evidence indicates that FGF21 is a local and systemic messenger of mtDNA stress in mice and humans with mitochondrial disease.</div

Lapsiperheiden suun terveyden edistäminen messutapahtumassa : STAL ry:n osaston toteutus Lapsimessuille 2012

Opinnäytetyön tarkoituksena oli toteuttaa Suun Terveydenhoidon Ammattiliitto STAL ry:n ja Metropolia Ammattikorkeakoulun suuhygienistiopiskelijaryhmän yhteistyönä messuosasto Helsingin Messukeskuksessa järjestettyyn Lapsimessut 2012 -tapahtumaan. Kehittämistehtävien tavoitteena oli edistää vanhempien valmiuksia toteuttaa alle kouluikäisten lasten suun omahoitoa kotona arkielämässä. Näyttöön perustuvien tutkimusten avulla tarkasteltiin, miten alle kouluikäisten lasten Streptococcus mutans -tartuntoja ehkäistään, minkälaisilla ravinto- ja ruokailutottumuksilla edistetään alle kouluikäisten lasten suun terveyttä sekä miten vanhemmat vaikuttavat alle kouluikäisten lasten suuhygieniaan. Suunnittelimme lapsiperheiden suun terveyttä edistävän messuosaston Lapsimessut 2012 -tapahtumaan. Suunnitelmamme tuotoksena syntyi raportti suun terveyttä edistävän messutapahtuman järjestämisestä sekä artikkeli suun terveydenhoitoalan lehteen. Opinnäytetyötä voi hyödyntää esimerkiksi lasten ja lapsiperheiden suun terveyden edistämisestä kiinnostuneet sekä ne, jotka ovat aikeissa suunnitella ja toteuttaa suun terveyttä edistävää messuosastoa. Opinnäytetyön toteutuksen yhteydessä teetettiin kyselyt messuvieraille sekä opiskelijaryhmälle. Kyselyiden tulokset kertovat onnistumiset ja epäonnistumiset messutapahtuman ja opinnäytetyön toteutuksessa. Tuloksia voidaan hyödyntää vastaavanlaisia projekteja toteutettaessa.The purpose of this study was to create an exhibition stand in collaboration with the association Suun Terveydenhoidon Ammattiliitto STAL ry (The Finnish Federation of Oral Health Care Professionals) and a group of oral hygienist students from Helsinki Metropolia University of Applied Sciences. The stand was executed at the Helsinki Exhibition and Convention Centre’s event Lapsimessut 2012 (The Child Fair 2012). Development tasks were aimed to promote parents' capacity to carry out pre-school children's oral self-care at home in everyday life. Evidence-based studies were researched on how to prevent Streptococcus mutans infections in pre-school children, food and eating habits those promote pre-school children's oral health and how parents affect under school aged children’s oral hygiene. We planned the oral health promoting stand for families to Lapsimessut 2012. The output plan was a report on oral health promotion event and an article for an oral health journal. This thesis can be used, for example for children and families interested in the promotion of oral health, as well as those who are about to plan and organize an oral health promotion section in the fair. During this thesis there was a survey made for the exhibition visitors and the executing student group. The survey results point the successes and failures of the Lapsimessut 2012 section and implementation of the thesis. Results can be used in the execution of similar projects

Fibroblast Growth Factor 21 Drives Dynamics of Local and Systemic Stress Responses in Mitochondrial Myopathy with mtDNA Deletions

Mitochondrial dysfunction elicits stress responses that safeguard cellular homeostasis against metabolic insults. Mitochondrial integrated stress response (ISRmt) is a major response to mitochondrial (mt)DNA expression stress (mtDNA maintenance, translation defects), but the knowledge of dynamics or interdependence of components is lacking. We report that in mitochondrial myopathy, ISRmt progresses in temporal stages and development from early to chronic and is regulated by autocrine and endocrine effects of FGF21, a metabolic hormone with pleiotropic effects. Initial disease signs induce transcriptional ISRmt (ATF5, mitochondria) one-carbon cycle, FGF21, and GDF15). The local progression to 2nd metabolic ISRmt stage (ATF3, ATF4, glucose uptake, serine biosynthesis, and transsulfuration) is FGF21 dependent. Mitochondria! unfolded protein response marks the 3rd ISRmt stage of failing tissue. Systemically, FGF21 drives weight loss and glucose preference, and modifies metabolism and respiratory chain deficiency in a specific hippocampal brain region. Our evidence indicates that FGF21 is a local and systemic messenger of mtDNA stress in mice and humans with mitochondrial disease.Peer reviewe