Tesis doctoral inédita leída en la Universidad Autónoma de Madrid, Facultad de Medicina, Departamento de Bioquímica. Fecha de lectura: 27-04-2017Esta tesis tiene embargado el acceso al texto completo hasta el 27-10-201

Hernansanz Agustín, Pablo

Memoria presentada por el licenciado en Biología: Pablo Hernansanz Agustín para optar al título de Doctor por la Universidad Autónoma de Madrid. Este trabajo se realizó en el Servicio de Inmunología del Hospital de la Princesa y en el Instituto de Investigaciones Biomédicas “Alberto Sols”[EN] Oxygen is a key molecule for aerobic life. Eukaryotes have evolved towards an aerobic metabolism which has allowed them to adapt to a plethora of environments and to develop into multicellular systems. The proper distribution of oxygen inside the organism is vital for tissue function and its decreased availability, termed hypoxia, can compromise the survival of the organism. Cells, tissues and organs have developed a series of molecular responses in order to adapt to hypoxia. Mitochondria are the main oxygen consumers in most eukaryotic cells and also a major source of production of reactive oxygen species (ROS) that can be used by the cells to trigger redox cell signaling processes. There has been a long debate on whether cells respond to hypoxia by increasing ROS production and their involvement in different responses to hypoxia. Since superoxide anion is the first ROS formed from oxygen reduction by the mitochondrial electron transport chain (ETC), we have focused on its specific detection in acute hypoxia. We have observed that superoxide anion production by the mitochondria is increased in the first minutes of hypoxia and that it decreases thereafter, reaching basal levels before one hour of hypoxia, what we have called a hypoxic superoxide ‘burst’. In order to dissect the mechanism triggering this response, we have studied the role of different mitochondrial ETC complexes and ion transporters in the production of the hypoxic superoxide burst. We observe that complex I, complex III and the mitochondrial sodium/calcium exchanger (NCLX) are necessary for hypoxic ROS production, and that there could be a chain of events among them. Mitochondrial complex I (CI) undergoes ‘deactivation’ in acute hypoxia; this was inversely proportional to the oxygen concentration and could switch its activity to a sodium/proton antiporter. CI deactivation is necessary for the enhancement of mitochondrial sodium/calcium exchange through NCLX, which in turn promoted
depolarization of the mitochondrial inner membrane. Mitochondrial sodium/calcium exchange is
necessary for superoxide production in which complex III would be involved, although the exact source of superoxide has not been determined. We have been able to observe the implication of NCLX in a variety of experimental settings, in which NCLX inhibition alter different responses to hypoxia, such as activation of the HIF pathway and hypoxic pulmonary vasoconstriction. We have assessed that this mechanism operates also in neurons and brain tissue and that treatment with a NCLX inhibitor diminishes cell death in a model of stroke, probably by reducing oxidative damage. These results open a new window in mitochondrial redox biology research due to the involvement of complex I deactivation
and NCLX in superoxide production, which could also have therapeutic implications.[ES] El oxígeno es una molécula clave para la vida aeróbica. Los organismos eucariotas han
evolucionado hacia un metabolismo aeróbico que les ha permitido adaptarse a una plétora de
ambientes y desarrollarse como sistemas multicelulares. La adecuada distribución del oxígeno dentro del organismo es vital para la función tisular y la disminución de sus disponibilidad, denominada hipoxia, puede comprometer la supervivencia del organismo. Las células, los tejidos y los órganos han desarrollado una serie de respuestas moleculares que permiten su adaptación a la hipoxia. Las mitocondrias son los principales consumidores de oxígeno en muchas células eucariotas y son también una de las principales fuentes de producción de especies reactivas de oxígeno (ROS) que pueden usar las células para promover procesos de señalización celular redox. Se ha generado un prolongado debate sobre si las células responden a la hipoxia incrementando la producción de ROS y su implicación en las diferentes respuestas a la hipoxia. Dado que el anión superóxido es la primera ROS formada a partir de la reducción del oxígeno por la cadena de transporte electrónico (ETC) mitocondrial, nos hemos centrado en su detección específica en hipoxia aguda. Hemos observado que se incrementa la producción de anión superóxido en las mitocondrias en los primeros minutos de hipoxia, disminuyendo posteriormente hasta llegar a niveles basales antes de una hora de hipoxia, lo que hemos llamado un ‘estallido’ de superóxido en hipoxia. Para diseccionar el mecanismo que desencadena esta respuesta, hemos estudiado el papel de distintos complejos de la ETC y trasportadores mitocondriales de iones. Observamos que el complejo I, el complejo III y el intercambiador sodio/calcio mitocondrial (NCLX) son necesarios para la producción de ROS en hipoxia, y que puede haber una cadena de eventos entre ellos. El complejo I (CI) mitocondrial se desactiva en hipoxia aguda, de manera inversamente proporcional a la concentración de oxígeno, y puede cambiar su actividad a la de antiportador sodio/protón. La desactivación de CI es necesaria para activar el intercambio sodio/calcio a través de NCLX, lo que a su vez promueve la despolarización de la membrana mitocondrial interna. El intercambio sodio/calcio en la mitocondria es necesario para la producción de superóxido, en lo que está implicado el complejo III, si bien al fuente exacta de superóxido no se ha determinado. Hemos podido observar la implicación de NCLX en una variedad de escenarios experimentales, en los que la inhibición de NCLX altera diferentes respuestas a la hipoxia, como la activación de la ruta de HIF y la vasoconstricción pulmonar hipóxica. Hemos comprobado que este mecanismo funciona también en neuronas y tejido cerebral, y que el tratamiento con un inhibidor
de NCLX reduce la muerte celular en un modelo de ictus, probablemente disminuyendo el daño
oxidativo. Estos resultados abren una nueva ventana en la biología redox mitocondrial debido a la
implicación de la desactivación del complejo I y de NCLX en la producción de superóxido, l que puede tener también implicaciones terapéuticasPeer reviewe

Hernansanz-Agustín, Pablo

Digital.CSIC

Deactive complex I triggers a superoxide signal through NCLX in acute hypoxia

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https://repositorio.uam.es/bitstream/handle/10486/679007/hernansanz_agustin_pablo.pdf?sequence=1&isAllowed=y

Deactive complex I triggers a superoxide signal through NCLX in acute hypoxia

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