During neuronal activity mitochondria alter cytosolic Ca2+ signaling by buffering then releasing Ca2+ in the cytosol. This calcium transport by mitochondria affects the amplitude, duration, and spacial profile of the Ca2+ signal in the cytosol of neurons. This buffering by mitochondria has been shown to affect a variety of neuronal functions including: neurotransmission, gene expression, cell excitability, and cell death. Recently, researchers discovered that the protein CCDC109A (mitochondrial Ca2+ uniporter) was the protein responsible for mitochondrial Ca2+ uptake. Using a genetic knockout (KO) mouse model for the mitochondrial Ca2+ uniporter (MCU) my research investigated the role of MCU in neuronal function. In cultured central and peripheral neurons, MCU-KO significantly reduced mitochondrial Ca2+ uptake while significantly increasing the amplitude of the cytosolic Ca2+ signal amplitude. Behaviorally, MCU-KO mice show a small but significant impairment in memory tasks: fear conditioning and Barnes maze. Using a maximal electroshock seizure threshold model of in vivo seizure activity my research found that MCU-KO significantly increases the threshold for maximal seizure activity in mice and significantly reduces seizure severity. In addition to mitochondrial Ca2+ uptake, my research also investigated the mechanisms involved in mitochondrial Ca2+ extrusion. The protein SLC8B1 (SLC24A6, NCLX) is the putative transporter responsible for the Na+/Ca2+ exchange, mitochondrial calcium extrusion. Using genetic NCLX-KO mice, our research found that in neurons NCLX contributes to cytosolic Ca2+ extrusion, but does seem to directly affect mitochondrial Ca2+ extrusion.

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Orientadores: Tiago Rezende Figueira, Roger Frigério Castilho / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Ciências Médicas / Made available in DSpace on 2018-08-27T03:45:16Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Chweih_Hanan_M.pdf: 1684363 bytes, checksum: edae156378f90e7315bca30c16544071 (MD5) Previous issue date: 2015 / Resumo: Algumas das características das mitocôndrias, incluindo as suas funções de transporte de Ca2+, podem apresentar dimorfismo sexual e especificidades teciduais. No entanto, as mensurações do transporte de Ca2+ em mitocôndrias isoladas estão sujeitas a artefatos secundários a abertura do poro de transição de permeabilidade mitocondrial (PTP) induzido pelo acúmulo excessivo de Ca2+ nesta organela. Neste estudo, o objetivo inicial foi avaliar se a inibição do PTP pela ciclosporina A (CsA) afeta a mensuração de diversas variáveis que descrevem o transporte de Ca2+por mitocôndrias isoladas de fígado de rato. Os resultados obtidos indicam que as concentrações de estado estável do Ca2+ externo a mitocôndria e as taxas deefluxo mitocondrial de Ca2+através de trocadores seletivos foram superestimados em até 4 vezes quando o PTP não foi inibido farmacologicamente pela CsA. O objetivo subsequente foi analisar o transporte de Ca2+ em mitocôndrias isoladas de fígado, de músculo esquelético, de coração e de cérebro de ratos machos e fêmeas sob condições experimentais específicas (i.e. meio de incubação contendo inibidores TPM, substratos energéticos ligados a NAD e níveis relevantes de Ca2+, Mg2+e Na+). Os dados indicaram que a taxa de influxo de Ca2+em mitocôndrias de fígado foi ~4 vezes superior a dos outros tecidos, as quais foram semelhantes entre si. Em contrapartida, as taxas de efluxo de Ca2+ apresentaram uma maior diversidade entre tecidos, especialmente na presença de Na+. Curiosamente, o efluxo de Ca2+na ausência de Na+foi significativamente mais elevado nas mitocôndrias cardíacas (~4nmol/mg/min) em relação às taxas observadas nos outros tecidos, contrariando a concepção de que o efluxo de Ca2+de mitocôndrias de coração é dependente, quase que exclusivamente, de um trocador que requer Na+. A especificidade em relação ao sexo só foi observada em dois índices relacionados a homeostase mitocondrial de Ca2+(i.e. cinética geral normalizada da captação de Ca2+ e a concentração de estado estável do Ca2+ externo a mitocôndria) em mitocôndrias isoladas de coração (mais lentos ou maiores na fêmea) e na respiração estimulada por ADP em mitocôndrias de fígado (~20% maior na fêmea). O presente estudo demonstrou a importância metodológica de se prevenir a abertura do PTP para a análise das propriedades e da variabilidade fisiológica do transporte de Ca2+por mitocôndrias isoladas. Adicionalmente, concluímos que sob as condições experimentais aqui utilizadas, o efluxo de Ca2+ mitocondrial apresenta grandes especificidades teciduais e que alguns achados desafiam conceitos estabelecidos em estudos anteriores sob condições arguivelmente menos controladas / Abstract: The characteristics of mitochondria, including their Ca2+ transport functions, may exhibit tissue specificity and sex dimorphism. Because the measurements of the Ca2+ handling by isolated mitochondria may be biased by dysfunction secondary to Ca2+-induced mitochondrial permeability transition (MPT) pore opening, this study evaluates the extent to which MPT inhibition by cyclosporine-A affects the measurement of Ca2+ transport in isolated rat liver mitochondria. The results indicate that the steady-state levels of external Ca2+ and the rates of mitochondrial Ca2+ efflux through the selective pathways can be overestimated by up to 4-fold if MPT pore opening is not prevented. Then, we analyzed the Ca2+ transport in isolated mitochondria from the liver, skeletal muscle, heart and brain of male and female rats under incubation conditions containing MPT inhibitors, NAD-linked substrates and relevant levels of free Ca2+, Mg2+ and Na+. Except for the liver mitochondria displaying values4-fold higher, the Ca2+ influx rates were similar among the other tissues. In contrast, the Ca2+ efflux rates exhibited more tissue diversity, especially in the presence of Na+. Interestingly, the Na+-independent Ca2+ efflux was highest in the heart mitochondria (~4 nmol/mg/min), thus challenging the view that heart mitochondrial Ca2+ efflux relies almost exclusively on a Na+-dependent pathway. Sex specificity was only observed in two kinetic indexes (i.e. the normalized overall kinetics of Ca2+ uptake and the steady-state levels of external Ca2+) of heart mitochondrial Ca2+ homeostasis (slower or higher in female)and in the ADP-stimulated respiration of liver mitochondria (~20% higher in females). The present study shows the methodological importance of preventing MPT when measuring the properties and the physiological variability of the Ca2+ handling by isolated mitochondria. Moreover, we conclude that mitochondrial Ca2+ efflux exhibits great tissue specificity under our conditions, which may challenge some concepts raised in previous studies that employed experimental conditions that are arguably not well controlled / Mestrado / Fisiopatologia Médica / Mestra em Ciências

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