Fluorespirometrische Charakterisierung mitochondrialer Dysfunktion der Hirnregionen Cortex und Hippocampus eines Mausmodells für das Rett-Syndrom

by Moritz Nikolai Kirschner
Doctoral thesis
Date of Examination:2025-06-26
Date of issue:2025-06-24
Advisor:Prof. Dr. Michael Müller
Referee:Prof. Dr. Michael Müller
Referee:Prof. Dr. Michael Meinecke
Persistent Address: http://dx.doi.org/10.53846/goediss-11357

 

 

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Format:PDF
Description:Dissertation

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Abstract

English

Rett syndrome, typically caused by mutations in Methyl-CpG-binding protein 2 (Mecp2), is a severe neurodevelopmental disorder. Mitochondrial dysfunction is implicated as a significant factor in its pathogenesis. This study aimed to characterize mitochondrial dysfunction in the cortex and hippocampus of a Rett syndrome mouse model using fluorespirometry. Utilizing high-resolution respirometry and specific fluorophores with established substrate-uncoupler-inhibitor titration (SUIT) protocols, oxygen consumption, H2O2 production, and ATP production were investigated. A novel approach for the continuous representation of P»/O2 efficiency was developed and applied. MeCP2-deficient animals exhibited a cortically pronounced reduction in electron transfer capacity and diminished maximal oxidative phosphorylation capacity. However, ATP production efficiency (P»/O2) remained unaltered. Extramitochondrial H2O2 release was found to be reduced, whereas relative oxygen consumption in the LEAK state (respiration in the absence of ADP) was elevated. Varying available O2 concentration as an additional stressor did not induce further alterations in respiration or H2O2 release rates. Overexpression of mitochondrial catalase (mCAT) yielded no significant therapeutic effects on dysfunctional respiratory chain function. Dietary supplementation with antioxidants exerted slight normalizing effects on cortical oxygen consumption in MeCP2-deficient animals. In conclusion, the findings suggest a reduced maximal ATP synthesis capacity with preserved efficiency in mitochondria from MeCP2-deficient mice, particularly in the cortex. The diminished extramitochondrial H2O2 detection, despite indications of elevated oxidative stress, may point towards impaired intramitochondrial ROS processing.
Keywords: Rett Syndrome; Mitochondrial Dysfunction; Fluorespirometry; Reactive oxygen species; ATP coupling efficiency

German

Das Rett-Syndrom, meist durch Mutationen im Methyl-CpG bindendes Protein 2 (Mecp2) verursacht, ist eine schwere neurologische Entwicklungsstörung. Eine mitochondriale Dysfunktion wird als wichtiger Faktor in der Pathogenese diskutiert. Ziel dieser Arbeit war die fluorespirometrische Charakterisierung mitochondrialer Dysfunktion im Cortex und Hippocampus eines Mausmodells für das Rett-Syndrom. Mittels hochauflösender Respirometrie und spezifischer Fluorophore wurden in etablierten Substrat-Entkoppler-Inhibitor Titrationsprotokollen der Sauerstoffverbrauch, die H2O2-Produktion sowie die ATP-Produktion untersucht, wobei eine neuartige kontinuierliche Darstellung der P»/O2-Effektivität entwickelt und angewandt wurde. Es zeigte sich bei MeCP2-defizienten Tieren eine kortikal betonte, reduzierte Elektronentransferkapazität und eine verminderte maximale Kapazität der oxidativen Phosphorylierung. Die ATP-Produktionseffizienz (P»/O2) war jedoch unverändert. Extramitochondrial wurde eine reduzierte H2O2-Abgabe detektiert, während der relative Sauerstoffverbrauch im LEAK-Zustand (Respirationszustand in Abwesenheit von ADP) erhöht war. Eine Variation der verfügbaren O2-Konzentration als zusätzlichen Stressor zeigte keine weitere Veränderung der Respirations- und H2O2-Abgaberaten. Eine Überexpression einer mitochondrialen Katalase (mCAT) zeigte keine signifikanten therapeutischen Effekte auf die dysfunktionale Atmungskettenfunktion. Eine Supplementation antioxidativer Stoffe in der Nahrung hatte geringe normalisierende Effekte auf den kortikalen Sauerstoffverbrauch der MeCP2-defizienten Tiere. Zusammenfassend deuten die Ergebnisse auf eine reduzierte maximale ATP-Syntheseleistung bei erhaltener Effizienz in den Mitochondrien MeCP2-defizienter Mäuse hin, insbesondere im Cortex. Die verminderte extramitochondriale H2O2-Detektion, trotz Anzeichen für erhöhten oxidativen Stress, könnte auf eine gestörte intramitochondriale ROS-Verarbeitung hindeuten.
Schlagwörter: Rett-Syndrom; Fluorespirometrie; Mitochondriale Dysfunktion; Reaktive Sauerstoffspezies; ATP-Produktionseffizienz