Modeling brain disorders using neuroinformatics in cellular physiology

Abstract

The work described in this dissertation falls into the field of Bioinformatics, and specifically the domain of Neuroinformatics. It mainly concerns the use of mathematical methods and computational tools from neuroinformatics in modelling biomolecular mechanisms of the brain. Biomedical research of the brain and nervous system have presented findings, that link to abnormalities of the molecular and cellular mechanisms that lead to pathogenesis and progression of the brain disorders. In the last years, there have been substantial advances in elucidating the molecular mechanisms, underlying major diseases affecting the central and peripheral nervous system. A growing body of evidence has highlighted the role of mitochondrial dysfunction and the disruption of the mechanisms of mitochondrial bioenergetics in neurodegenarative diseases. Several hypotheses have been proposed to explain the role of mitochondrial dynamics in the cell’s life cycle and maintenance. Dysfunction of mitochondria has severe cellular consequences and is linked to ageing and neurodegeneration in human. Neurons critically depend on mitochondrial function to establish membrane excitability and to execute the complex processes of neurotransmission and plasticity. While much information about mitochondrial properties is available from studies on isolated mitochondria and dissociated cell cultures, less is known about mitochondrial function in intact neurons in brain tissue. Furthermore, a detailed description of the interactions between mitochondrial function, energy metabolism, and neuronal activity is crucial for the understanding of the complex physiological behavior of neurons, as well as the pathophysiology of various neurological diseases. The major challenge lies in determining the individual contributions of specific deficient molecules to the disease’s pathology. The aim of this thesis is to characterize neuronal disorders at the molecular and cellular level to gain insight into the basic mechanisms of neuronal degeneration and to help discover novel therapeutic strategies. Organization and analysis of increasingly large-volume and high dimensional neuroscience data, by the application of computational models, will help to deepen our understanding of brain function and dysfunction. Neurons are highly differentiated cells that need large amounts of ATP for maintenance of ionic gradients across the cell membranes and for neurotransmission. Neurons have a variable morphology, which depends on neuronal cell type and brain region. Since most neuronal ATP is generated by oxidative metabolism, neurons critically depend on mitochondrial function and oxygen supply. Moreover, neuronal function and survival are very sensitive to mitochondrial dysfunction. The structure of the mitochondrial compartment is highly dynamic in neurons and this reflects the functional heterogeneity in neuronal segments. Much less is known on mitochondrial interactions with neuronal behavior under physiological conditions. However, studies have demonstrated that there is a correlation between neuronal activity and mitochondrial function, and therefore mitochondria are of central importance for the complex behavior of neurons. Mitochondrial dynamics has drawn much attention in recent research studies due to their involvement in cell injury and human pathologies. Diseases such as neurodegeneration, metabolic diseases, ischemia-reperfusion injury, heart diseases, and ageing are directly and indirectly associated with dysregulation of mitochondrial fission and fusion. Comparatively, little is known about the contribution of protein aggregation in the mitochondria to age-related neurodegenerative diseases. A key question is whether all the pathogenic mutations associated with neurodegeneration contribute to disease onset, by mechanisms converging on a limited number of dysfunctional pathways, or, alternatively, does each genetic mutation lead to nerve degeneration by a distinct mechanism? For these reasons, the detailed description of the interplay between mitochondrial function, energy metabolism, and neuronal activity is of critical importance for understanding neuronal physiology and pathophysiology in various neurological diseases. Overall, in this dissertation we try to explore some of the hypotheses about the molecular and cellular processes that lead to neurodegeneration. We present a brief description of the background of computational modelling and theory and we focus on recent findings and common themes on the concepts that are involved across neurodegenerative processes. The aim of the contribution of this thesis is to reflect these findings in models and help address gaps in knowledge, examining assumptions regarding disease mechanisms.

H ερευνητική εργασία που περιγράφεται σε αυτή τη διατριβή εμπίπτει στο πεδίο της Βιοπληροφορικής και συγκεκριμένα στον τομέα της Νευροπληροφορικής. Αφορά κυρίως τη χρήση μαθηματικών μεθόδων και υπολογιστικών εργαλείων από τη νευροπληροφορική στη μοντελοποίηση των βιομοριακών μηχανισμών του εγκεφάλου. Η βιοϊατρική έρευνα σχετικά με τις διαταραχές του εγκεφάλου και του νευρικού συστήματος παρουσίασε ευρήματα που συνδέονται με ανωμαλίες στη μοριακή και κυτταρική φυσιολογία του εγκεφαλικού κυττάρου. Τα τελευταία χρόνια, σημειώθηκαν σημαντικές πρόοδοι στην αποσαφήνιση των μοριακών μηχανισμών, οι οποίοι εμπλέκονται στις κύριες ασθένειες που επηρεάζουν το κεντρικό και περιφερικό νευρικό σύστημα. Ένα αυξανόμενο σύνολο ερευνητικών αποτελεσμάτων κατέδειξε το ρόλο της μιτοχονδριακής δυσλειτουργίας και τη διακοπή των μηχανισμών των μιτοχονδριών σε νευροεκφυλιστικές ασθένειες. Έχουν προταθεί αρκετές υποθέσεις για να εξηγηθεί ο ρόλος της μιτοχονδριακής δυναμικής στον κύκλο ζωής και στη συντήρηση του κυττάρου. Η δυσλειτουργία των μιτοχονδρίων έχει σοβαρές κυτταρικές συνέπειες και συνδέεται με τη γήρανση και τον νευροεκφυλισμό στον άνθρωπο. Οι νευρώνες εξαρτώνται απόλυτα από τη λειτουργία των μιτοχονδρίων για τη διέγερση της μεμβράνης τους και για να εκτελέσουν τις περίπλοκες διαδικασίες νευροδιαβίβασης και πλαστικότητας. Ενώ πολλές πληροφορίες σχετικά με τις μιτοχονδριακές ιδιότητες είναι διαθέσιμες από μελέτες σε απομονωμένα μιτοχόνδρια και σε διαχωρισμένες κυτταρικές καλλιέργειες, είναι λιγότερο γνωστή η λειτουργία των μιτοχονδρίων σε ακέραιους νευρώνες στον εγκεφαλικό ιστό. Επιπλέον, μια λεπτομερής περιγραφή των αλληλεπιδράσεων μεταξύ μιτοχονδριακής λειτουργίας, ενεργειακού μεταβολισμού και νευρωνικής δραστηριότητας είναι ζωτικής σημασίας για την κατανόηση της σύνθετης φυσιολογικής συμπεριφοράς των νευρώνων, καθώς και της παθοφυσιολογίας διαφόρων νευρολογικών ασθενειών. Η κύρια πρόκληση έγκειται στον προσδιορισμό της μεμονωμένης συμβολής συγκεκριμένων ανεπαρκών μορίων στην παθολογία της ασθένειας. Σκοπός αυτής της διατριβής είναι να χαρακτηρίσει τις νευρικές διαταραχές σε μοριακό και κυτταρικό επίπεδο να διευρύνει τις γνώσεις στους βασικούς μηχανισμούς νευρωνικού εκφυλισμού και να βοηθήσει στην ανακάλυψη νέων θεραπευτικών στρατηγικών. Η οργάνωση και η ανάλυση νευρολογικών δεδομένων όλο και μεγαλύτερου πλήθους και υψηλής ανάλυσης με την εφαρμογή υπολογιστικών μοντέλων θα συμβάλει στην εμβάθυνση της κατανόησης της λειτουργίας και της δυσλειτουργίας του εγκεφάλου. Οι νευρώνες είναι διαφοροποιημένα κύτταρα που χρειάζονται μεγάλες ποσότητες ΑΤΡ (Τριφωσφορικής αδενοσίνης), για τη διατήρηση ιοντικών διαβαθμίσεων κατά μήκος των κυτταρικών μεμβρανών και για τη νευροδιαβίβαση. Οι νευρώνες έχουν μεταβλητή μορφολογία, η οποία εξαρτάται από τον τύπο του νευρωνικού κυττάρου και την περιοχή του εγκεφάλου. Δεδομένου ότι οι περισσότερες ποσότητες ATP στον εγκέφαλο δημιουργούνται από οξειδωτικό μεταβολισμό, οι νευρώνες εξαρτώνται απόλυτα από τη λειτουργία των μιτοχονδρίων και την παροχή οξυγόνου. Επιπλέον, η νευρωνική λειτουργία και η επιβίωση είναι πολύ ευαίσθητες στη μιτοχονδριακή δυσλειτουργία.Η δομή των μιτοχονδρίων είναι ιδιαίτερα δυναμική στους νευρώνες και αυτό αντανακλά τη λειτουργική τους ετερογένεια στα νευρωνικά τμήματα. Πολύ λιγότερο είναι γνωστές οι μιτοχονδριακές αλληλεπιδράσεις στη νευρωνική συμπεριφορά υπό φυσιολογικές συνθήκες. Ωστόσο, μελέτες έχουν δείξει ότι υπάρχει συσχέτιση μεταξύ της νευρωνικής δραστηριότητας και της μιτοχονδριακής λειτουργίας και συνεπώς τα μιτοχόνδρια έχουν κεντρική σημασία για τη συμπεριφορά των νευρώνων. Η μιτοχονδριακή δυναμική έχει προσελκύσει μεγάλo ενδιαφέρον σε πρόσφατες έρευνες, λόγω της συμμετοχής της σε κυτταρικές βλάβες και παθολογικές καταστάσεις στον ανθρώπινο οργανισμό. Νευροεκφυλιστικές ασθένειες, μεταβολικές ασθένειες, καρδιακές παθήσεις και γήρανση σχετίζονται άμεσα και έμμεσα με δυσλειτουργία της μιτοχονδριακής σχάσης και σύντηξης. Συγκριτικά, λίγα είναι γνωστά για τη συμβολή της πρωτεϊνικής συσσωμάτωσης στα μιτοχόνδρια σε νευροεκφυλιστικές ασθένειες που σχετίζονται με την ηλικία. Οι δυσλειτουργίες στην αξονική μεταφορά, όπως η διαταραχή της μεταφοράς και ο εκφυλισμός των αξόνων, έχουν συνδεθεί σε πολλές μελέτες με διάφορες νευροεκφυλιστικές ασθένειες όπως η ασθένεια Charcot-Marie-Tooth, η Αμυοτροφική πλευρική σκλήρυνση, η νόσος Alzheimer, η νόσος Huntington, η νόσος Parkinson και η σπαστική παραπληγία. Ένα βασικό ερώτημα που προκύπτει είναι, εάν όλες οι παθογόνες μεταλλάξεις που σχετίζονται με τον νευροεκφυλισμό συμβάλλουν στην εμφάνιση της νόσου, μέσω μηχανισμών που συγκλίνουν σε περιορισμένο αριθμό δυσλειτουργικών οδών ή, εναλλακτικά, κάθε γενετική μετάλλαξη οδηγεί σε εκφυλισμό νεύρων μέσω ενός ξεχωριστού μηχανισμού. Για τους λόγους που προαναφέρθηκαν, η λεπτομερής περιγραφή της αλληλεπίδρασης μεταξύ μιτοχονδριακής λειτουργίας, ενεργειακού μεταβολισμού και νευρωνικής δραστηριότητας είναι κρίσιμης σημασίας για την κατανόηση της νευρωνικής φυσιολογίας και της παθοφυσιολογίας σε διάφορες νευρολογικές παθήσεις. Συνολικά, σε αυτή τη διατριβή προσπαθούμε να διερευνήσουμε μερικές από τις υποθέσεις σχετικά με τις μοριακές και κυτταρικές διεργασίες που οδηγούν σε νευροεκφυλισμό. Παρουσιάζουμε μια σύντομη περιγραφή του υποβάθρου της υπολογιστικής μοντελοποίησης και της θεωρίας και εστιάζουμε σε πρόσφατα ευρήματα και κοινά θέματα σχετικά με τις έννοιες που εμπλέκονται σε όλες τις νευροεκφυλιστικές διαδικασίες. Σκοπός της συμβολής αυτής της εργασίας είναι να αντικατοπτρίσει αυτά τα ευρήματα σε υπολογιστικά μοντέλα ώστε να βοηθήσει στην αντιμετώπιση των κενών στη γνώση, εξετάζοντας τις υποθέσεις σχετικά με τους μηχανισμούς των ασθενειών. Η διατριβή χωρίζεται σε 3 κύρια μέρη. Το πρώτο είναι αφιερωμένο σε μια ουσιαστική ανασκόπηση της βιβλιογραφίας προκειμένου να καθοριστεί το πρότυπο των νευρολογικών διαταραχών στο νευρικό σύστημα. Το δεύτερο μέρος περιγράφει τη χρήση εργαλείων στη νευροπληροφορική για την ανάπτυξη υπολογιστικών μοντέλων. Το τελευταίο μέρος της διατριβής περιγράφει τη συζήτηση των αποτελεσμάτων και τις κατευθύνσεις για μελλοντική έρευνα.