Pathological and therapeutic mechanisms in CoQ deficiency: the role of the proteins involved in the Q-Junction

Abstract

Mitochondria are present in most cell types. Structurally, mitochondria have two phospholipid membranes that define four biochemically distinct compartments: the outer membrane, the intermembrane space, the inner membrane and the mitochondrial matrix. Mitochondria perform a very wide range of functions and are vital in the integration of several cellular metabolic processes, most of them converging in energy production through the oxidative phosphorylation (OXPHOS). In the OXPHOS system, coenzyme Q (CoQ) is a unique electron carrier that transfer electrons from complex I and complex II to complex III, as well as from other mitochondrial enzymes, such as the electron transfer flavoprotein (ETF), the dihydroorotate dehydrogenase (DHODH), the mitochondrial glycerol-3-phosphate dehydrogenase (G3PDH or GPD2), the choline dehydrogenase (CHDH), the proline dehydrogenase (PRODH) and the sulfide:quinone oxidoreductase (SQOR). Any mitochondrial dysfunction can trigger a wide variety of pathologies, including primary mitochondrial diseases. These disorders are clinically diverse and can manifest in the neonatal phase, childhood or adulthood. This clinical heterogeneity suggests that multiple pathogenic and adaptive mechanisms are involved in the clinical manifestations of mitochondrial diseases. Recently, the remodeling of folate cycle, and its link to H2S and nucleotides metabolism, have been proposed as novel mechanisms contributing to the pathophysiological features of mitochondrial diseases. Currently, there is no available treatment for most of the mitochondrial disorders, so the therapeutic option is usually limited to palliative cares. In general, CoQ10 supplementation is recommended for patients with mitochondrial disorders or other diseases with secondary mitochondrial dysfunction, and clinical improvements have been reported in some cases, but others do not show any positive response. CoQ levels can be severely reduced in a group of mitochondrial disorders known as CoQ deficiencies. The identification of the genetic defect in CoQ deficiency is essential to differentiate primary forms, due to mutations in COQ genes, from secondary forms, due to mutations in genes not directly involved in the biosynthesis of CoQ or to not-genetic factors. The identification of common pathogenic pathways for all patients is complex due to the heterogeneity in clinical presentation, age of onset and severity of the disease. The conventional treatment for CoQ deficiency is the exogenous supplementation of high doses of CoQ10. However, this treatment has limited efficiency, especially in patients with neurological symptoms. The failure of CoQ10 therapy could be explained by the low absorption and bioavailability of exogenous CoQ10, limiting the dose that access to the affected tissues. Moreover, CoQ10 supplementation does not reduce the accumulation of intermediate metabolites or improve the endogenous biosynthesis of CoQ, although it can partially rescue the levels of SQOR in in vivo models. To overcome the disadvantages of classical therapy, new therapeutic strategies based on the use of structural analogs of the CoQ precursor 4-hydroxybenzoic acid (4-HB) has been developed. 4-HB analogs seem to modulate CoQ biosynthesis but they have limitations in rescuing SQOR levels. In the Coq9R239X mouse model with fatal mitochondrial encephalopathy due to CoQ deficiency, we have tested the therapeutic potential of the 4-HB analog, vanillic acid (VA). VA rescued the phenotypic, morphological and histopathological signs of the encephalopathy, leading to a significant increase in the survival. VA and other 4-HB analog, the b-resorcylic acid (b-RA), partially decrease the DMQ/CoQ ratio in peripheral tissues and normalize the mitochondrial proteome and metabolism related with the CoQ-linked proteins in the Qjunction in Coq9R239X mice. Specifically, the levels of PRODH, ETFDH, DHODH and CHDH are increased in the context of CoQ deficiency and normalized by the treatment with 4-HB analogs. Moreover, β-RA and VA also normalize the serum levels of acylcarnitines and some other metabolites and proteins that have the potential to be used as biomarkers to follow the progression of the disease and the response to treatments in CoQ deficiency. Additionally, here we showed that the supplementation with CoQ10 in CoQ or Complex I deficiency, induces the overexpression of SQOR, one component of the Q-junction and the first enzyme of the mitochondrial H2S oxidation pathway, leading to a downregulation of CBS and CSE, enzymes from the transsulfuration pathway. These changes are independent of sulfur aminoacids availability. The modulation of sulfide metabolism induced by CoQ10 causes the adaptation of metabolic pathways closely connected to the transsulfuration pathway and unbalanced in a variety of models of mitochondrial diseases, such as the serine biosynthesis, the folate cycle and the nucleotides metabolism. Finally, the co-administration of CoQ10 and VA in vitro leads to synergic effects in CoQ deficiency. Collectively, this work contributes to advance in the knowledge about the cellular functions of CoQ, the metabolic consequences of CoQ deficiency and the therapeutic potential of 4-HB analogs.

Las mitocondrias están presentes en la mayoría de los diferentes tipos de células. Estructuralmente, las mitocondrias tienen dos membranas de fosfolípidos que definen cuatro compartimentos bioquímicamente distintos: la membrana externa, el espacio intermembrana, la membrana interna y la matriz mitocondrial. Las mitocondrias modernas realizan una amplia gama de funciones y son vitales en la integración de varios procesos metabólicos celulares. Convergiendo muchos de ellos en la producción de energía a través de la fosforilación oxidativa (OXPHOS). En el sistema OXPHOS, la coenzima Q (CoQ) es un transportador de electrones único que transfiere electrones desde el complejo I y el complejo II al complejo III, así como desde otras enzimas mitocondriales como la flavoproteína de transferencia de electrones (ETF), la dihidroorotato deshidrogenasa (DHODH), la glicerol-3-fosfato deshidrogenasa mitocondrial (G3PDH o GPD2), la colina deshidrogenasa (CHDH), la prolina deshidrogenasa (PRODH) y la sulfuro:quinona oxidorreductasa (SQOR). Cualquier disfunción mitocondrial puede desencadenar una gran variedad de patologías, incluyendo las enfermedades mitocondriales primarias. Estos trastornos son clínicamente diversos y pueden manifestarse en la fase neonatal, en la infancia o en la edad adulta. Esta heterogeneidad clínica sugiere que múltiples mecanismos patogénicos y adaptativos están involucrados en las manifestaciones clínicas de las enfermedades mitocondriales. Recientemente, la remodelación del ciclo del folato y su vínculo con el H2S y el metabolismo de los nucleótidos se han propuesto como nuevos mecanismos que contribuyen a las características fisiopatológicas de las enfermedades mitocondriales. Actualmente, no existe un tratamiento disponible para la mayoría de los trastornos mitocondriales, por lo que el tratamiento suele limitarse a los cuidados paliativos. En general, la suplementación con CoQ10 se recomienda para pacientes con trastornos mitocondriales u otras enfermedades con disfunción mitocondrial secundaria, y se han registrado mejoras clínicas en algunos casos, aunque otros no muestran ninguna respuesta positiva. Los niveles de CoQ pueden reducirse severamente en un grupo de trastornos mitocondriales conocidos como deficiencias en CoQ. La identificación del defecto genético en la deficiencia en CoQ es fundamental para diferenciar las formas primarias, debidas a mutaciones en los genes COQ, de las formas secundarias, debidas a mutaciones en genes no implicados directamente en la biosíntesis de la CoQ o a factores no genéticos. La identificación de vías patogénicas comunes para todos los pacientes es compleja debido a la heterogeneidad en la presentación clínica, edad de inicio y gravedad de la enfermedad. El tratamiento convencional para la deficiencia en CoQ es la suplementación exógena de altas dosis de CoQ10. Sin embargo, este tratamiento tiene una eficacia limitada, especialmente en pacientes con síntomas neurológicos. El fracaso de la terapia con CoQ10 podría explicarse por la baja absorción y biodisponibilidad de la CoQ10 exógena, limitando la dosis que accede a los tejidos afectados. Además, la suplementación con CoQ10 no reduce la acumulación de metabolitos intermedios ni mejora la biosíntesis endógena de CoQ, aunque puede rescatar parcialmente los niveles de SQOR en modelos in vivo. Para superar las desventajas de la terapia clásica, se han desarrollado nuevas estrategias terapéuticas basadas en el uso de análogos estructurales del precursor de la CoQ, el ácido 4- hidroxibenzoico (4-HB). Los análogos del 4-HB parecen modular la biosíntesis de CoQ pero tienen limitaciones para rescatar los niveles de SQOR. En el modelo de ratón Coq9R239X con encefalopatía mitocondrial por deficiencia en CoQ, hemos probado el potencial terapéutico del análogo de 4-HB, el ácido vanílico (VA). El VA eliminó los signos fenotípicos, morfológicos e histopatológicos de la encefalopatía, lo que condujo a un aumento significativo de la supervivencia. El VA y otro análogo de 4-HB, el ácido b-resorcílico (b-RA), disminuyeron parcialmente el cociente DMQ/CoQ en tejidos periféricos y normalizaron el proteoma mitocondrial y el metabolismo relacionado con las proteínas ligadas a CoQ en la confluencia Q en ratones Coq9R239X. Específicamente, los niveles de PRODH, ETFDH, DHODH y CHDH aumentan en el contexto de la deficiencia en CoQ y se normalizan mediante el tratamiento con análogos del 4-HB. Además, β-RA y VA también normalizaron los niveles séricos de acilcarnitinas y algunos otros metabolitos y proteínas que tienen potencial para emplearse como biomarcadores para seguir la progresión de la enfermedad y la respuesta a los tratamientos en la deficiencia en CoQ. Además, aquí mostramos que el suplemento con CoQ10 en la deficiencia en CoQ o Complejo I induce la sobreexpresión de SQOR, componente de la confluencia Q y la primera enzima de la ruta de oxidación del H2S mitocondrial, lo que conduce a una regulación a la baja de CBS y CSE, enzimas de la ruta de transulfuración. Estos cambios son independientes de la disponibilidad de aminoácidos azufrados. La modulación del metabolismo del sulfuro de hidrógeno inducida por la CoQ10 provoca la adaptación de rutas metabólicas estrechamente conectadas a la ruta de transulfuración y alteradas en modelos de enfermedades mitocondriales, como la biosíntesis de serina, el ciclo del folato y el metabolismo de nucleótidos. Finalmente, la administración conjunta de CoQ10 y VA in vitro produce efectos sinérgicos en la deficiencia en CoQ. En conjunto, este trabajo contribuye a avanzar en el conocimiento sobre las funciones celulares de la CoQ, las consecuencias metabólicas de la deficiencia en CoQ y el potencial terapéutico de los análogos de 4-HB.