The role of PINK1-dependent mitophagy for development of pulmonary hypertension

Abstract

Pulmonary hypertension (PH) is a severe multifactorial disease characterized by increased pulmonary vascular resistance and pulmonary vascular remodeling with subsequent right heart remodeling and ultimately right heart failure. Mitochondrial dysfunction is suggested to play a key role in PH development. Mitophagy serves for mitochondrial quality control to remove dysfunctional mitochondria. Mitophagy is induced by accumulation of PTEN-induced putative kinase 1 (PINK1) and Parkinson protein 2, E3 ubiquitin protein ligase (PARKIN) at the outer mitochondrial membrane (OMM) of dysfunctional, depolarized mitochondria, while the Presenilins-associated rhomboid-like protein (PARL) degrades PINK1 in healthy mitochondria. Currently, the role of PINK1-dependent mitophagy for development of PH remains unknown. This study thus investigated the role of PINK1/PARKIN-dependent mitophagy in the development of chronic hypoxia-induced PH.Protein expression of PINK1 was increased in precapillary pulmonary arterial smooth muscle cells (PASMC) exposed to 1% O2 for 5 days in vitro and in lung homogenate of mice exposed to 10% O2 for 28 days in vivo. In lung homogenate of patients with idiopathic pulmonary arterial hypertension (IPAH) PINK1 as well as PARL protein expression was increased compared to donor controls. Hypoxia-induced proliferation of Pink1-/- PASMC was attenuated compared to WT PASMC, while their apoptosis was enhanced after in vitro hypoxic incubation compared to WT PASMC. Accordingly, pulmonary vascular remodeling was lower in Pink1-/- mice exposed to 10% O2 for 28 days compared to hypoxic WT mice. In contrast, the chronic hypoxiainduced increase in right ventricular systolic pressure (RVSP) was similar in Pink1-/- and WT mice, however, hypoxia-induced right ventricle (RV) remodeling was also attenuated in Pink1-/- after chronic hypoxic exposure compared to hypoxic WT mice. The PINK1-independent mitophagy pathway regulated by BCL2/Adenovirus E1B 19 KDa protein-interacting protein 3-like (BNIP3L/Nix) was increased in Pink1-/- mice compared to WT mice, possibly attenuating the phenotype of Pink1-/- mice.The data presented in this thesis suggests that PINK1-dependent mitophagy promotes hypoxiainduced pulmonary vascular remodeling by affecting PASMC proliferation and apoptosis. Furthermore, PINK1-dependent mitophagy participates in RV remodeling during chronic hypoxia-induced PH. This finding provides insight into a novel mechanism of hypoxia-induced PH and RV remodeling. Further studies on the role of mitophagy in IPAH and the potential as therapeutic target are necessary. Die pulmonale Hypertonie (PH) ist eine schwere multifaktorielle Erkrankung, die durch einen erhöhten Lungengefäßwiderstand und Lungengefäßumbau und daraus folgenden Umbau des rechten Herzens und letztendlich Rechtsherzinsuffizienz gekennzeichnet ist. Es wird vermutet, dass die mitochondrialen Dysfunktionen eine Schlüsselrolle bei der PHEntwicklung spielt. Die Mitophagie dient zur mitochondrialen Qualitätskontrolle, um dysfunktionelle Mitochondrien aus dem mitochondrialen Netzwerk zu entfernen. Die Mitophagie wird durch Akkumulation von den Proteinen PTEN-induced putative kinase 1 (PINK1) und Parkinson protein 2, E3 ubiquitin protein ligase (PARKIN) an der äußeren Mitochondrienmembran von dysfunktionellen, depolarisierten Mitochondrien eingeleitet, während das Presenilins-associated rhomboid-like protein (PARL) in gesunden Mitochondrien abbaut. Derzeit ist die Rolle der PINK1-abhängigen Mitophagie für die Entwicklung der PH unbekannt. Diese Studie untersuchte daher die Rolle der PINK1/PARKIN-abhängigen Mitophagie bei der Entwicklung der Hypoxie-induzierten PH.Die Proteinexpression von PINK1 war in präkapillären pulmonalen glatten Gefäßmuskelzellen (PASMC), die 5 Tage in vitro 1% O2 ausgesetzt waren, und in Lungenhomogenat von Mäusen, die 28 Tage in vivo 10% O2 ausgesetzt waren, erhöht. Im Lungenhomogenat von Patienten mit idiopathischer pulmonaler Hypertonie (IPAH) war die PINK1- sowie PARL-Proteinexpression im Vergleich zu Spenderkontrollen erhöht. Die Hypoxie-induzierte Proliferation war in Pink1-/- PASMC im Vgl. zu Wildtyp (WT) PASMC vermindert, während ihre Apoptose nach hypoxischer in vitro Inkubation im Vergleich zu WT PASMC verstärkt war. Dementsprechend war der pulmonale Gefäßumbau bei Pink1-/- Mäusen, die 28 Tage lang 10% O2 ausgesetzt waren, im Vergleich zu WT-Mäusen geringer. Im Gegensatz dazu war der durch chronische Hypoxie induzierte Anstieg des RVSP bei Pink1-/- und WT-Mäusen ähnlich, jedoch war der durch Hypoxie induzierte rechtsventrikuläre Umbau bei Pink1-/- nach chronischer hypoxischer Exposition im Vergleich zu WT-Mäusen ebenfalls abgeschwächt. Der durch BNIP3L/Nix regulierte PINK1-unabhängige Mitophagie-Signalweg war bei Pink1-/- Mäusen im Vergleich zu WTMäusen erhöht, wodurch möglicherweise der Phänotyp von Pink1-/- Mäusen abgeschwächt wurde.Die in dieser Arbeit präsentierten Daten legen nahe, dass die PINK1-abhängige Mitophagie den Hypoxie-induzierten Lungengefäßumbau fördert, indem sie die PASMC-Proliferation und Apoptose beeinflusst. Darüber hinaus ist die PINK1-abhängige Mitophagie am rechtsventrikulären Umbau während einer durch chronische Hypoxie induzierten PH beteiligt. Dieser Befund liefert einen Einblick in einen neuartigen Mechanismus der Hypoxie-induzierten PH- und des rechtsventrikulären Umbaus. Weitere Studien zur Rolle der Mitophagie bei IPAH und zum Potenzial als therapeutisches Ziel sind erforderlich.