Modulating Ca2+ homeostasis to counteract mitochondrial Complex-I deficiency in a rotenone-induced Caenorhabditis elegans model

Abstract

Despite the primary role of mitochondria in ATP production, this organelle also functions as a processor of cell. They integrate cellular signals and convert them into genetic programs that reorganize metabolic pathways and drive adaptive behaviours, enabling cells to respond to environmental demands. Dysfunctions in mitochondrial activity are strongly associated with a wide range of human diseases. Among them, Complex I (C-I) deficiency is one of the most prevalent mitochondrial disorders in childhood. It results in a heterogeneous group of clinical manifestations without a clear genotype–phenotype correlation and currently lacks effective therapeutic strategies. However, patient-derived fibroblasts consistently display common biochemical features, including increased reactive oxygen species (ROS) production, loss of mitochondrial membrane potential (Δψm), impaired ATP synthesis, and altered Ca²⁺ signalling. However, the molecular mechanisms driving disease progression remain unclear, and available treatments are limited to symptomatic management and general support of mitochondrial function. In this thesis, we developed and validated a rotenone-induced C-I deficiency model in Caenorhabditis elegans, which recapitulates major hallmarks of mitochondrial dysfunction while allowing the assessment of systemic and behavioural consequences. Using this model, we tested the hypothesis that modulation of Ca²⁺ signalling can influence the cellular response to C-I dysfunction. Our findings show that inhibition of the mitochondrial Na⁺/Ca²⁺ exchanger (NCLX) by CGP37157 provides partial protection by preserving mitochondrial health and improving locomotion, pharyngeal activity, and learning behaviour. Although dopamine levels were not restored, dopaminergic function was partially recovered. Moreover, partial knockdown of the sarco/endoplasmic reticulum Ca²⁺ ATPase (SERCA in mammals, SCA-1 in C. elegans) also conferred protection, improving mitochondrial functionality and morphology, muscular activity, and dopaminergic-associated functions. Collectively, our results demonstrate that modulation of Ca²⁺ signalling constitutes a promising strategy to ameliorate the effects of C-I deficiency.

Las mitocondrias, además de ser productoras de ATP, actúan como procesadores celulares, integrando señales internas y convirtiéndolas en programas genéticos que reorganizan las vías metabólicas y dirigen comportamientos adaptativos, permitiendo a las células responder a las demandas del entorno. Las disfunciones mitocondriales se asocian estrechamente con un amplio espectro de enfermedades humanas. Entre ellas, la deficiencia del Complejo I (C-I) es uno de los trastornos mitocondriales más frecuentes en la infancia. Esta condición produce un grupo heterogéneo de manifestaciones clínicas sin una correlación clara genotipo–fenotipo y que actualmente carece de estrategias terapéuticas efectivas. Sin embargo, se ha visto en fibroblastos derivados de pacientes características bioquímicas comunes, entre las que se incluyen aumento de especies reactivas de oxígeno (ROS), pérdida del potencial de membrana mitocondrial (Δψm), disminución de la síntesis de ATP y alteraciones en la señalización de Ca²⁺. Sin embargo, los mecanismos moleculares que conducen a la progresión de la enfermedad siguen sin esclarecerse, y los tratamientos disponibles se limitan al manejo sintomático y al soporte general de la función mitocondrial. En esta tesis, se desarrolló y validó un modelo de deficiencia de C-I inducido por rotenona en Caenorhabditis elegans, que reproduce las principales alteraciones de la disfunción mitocondrial y permite evaluar consecuencias sistémicas y conductuales. Con este modelo se probó la hipótesis de que la modulación de la señalización de Ca²⁺ puede influir en la respuesta celular frente a la disfunción de C-I. Nuestros resultados muestran que la inhibición del intercambiador mitocondrial Na⁺/Ca²⁺ (NCLX) con CGP37157 proporciona protección parcial, preservando la salud mitocondrial y mejorando la locomoción, la actividad faríngea y el aprendizaje. Aunque los niveles de dopamina no se restauraron, la función dopaminérgica se recuperó parcialmente. Además, la inhibición parcial de la ATPasa sarco/endoplasmática de Ca²⁺ (SERCA en mamíferos, SCA-1 en C. elegans) también confirió protección, mejorando la funcionalidad y morfología mitocondrial, la actividad muscular y funciones asociadas a neuronas dopaminérgicas. En conjunto, nuestros hallazgos demuestran que la modulación de la señalización de Ca²⁺ constituye una estrategia prometedora para atenuar los efectos de la deficiencia de C-I.