New insights into the role of mitochondrial respiration in macrophage functions

Abstract

The interplay between the activation of innate immune cells, in particular macrophages, and their energy metabolism has gained considerable interest in the scientific community. Macrophages play critical roles in the innate immune response and their functional capabilities are strongly influenced by their metabolic status. However, the precise impact of the mitochondrial electron transport chain (ETC) on macrophages functions is an aspect that remains poorly understood. This thesis investigates the intricate interplay between ETC complexes, in particular complex I (CI) and complex II (CII), and macrophage responses. The innovative CRISPR/Cas9 HITI technique was used to create knockout (KO) models in the mouse macrophage cell line RAW 264.7, targeting the genes Ndufs4 (complex I) and Sdha, Sdhb (complex II). The absence of Ndufs4 impaired CI activity, thereby affecting macrophage metabolism with reduced basal respiration and ATP production, coupled with an increased mitochondrial ROS levels. Ndufs4−/− macrophages displayed an altered cytokine response with increased IL-6 and decreased IL-10 production, suggesting a shift towards a pro-inflammatory state, associated with enhanced phagocytic capacity. Sdha−/− and Sdhb−/− macrophages exhibited reduced succinate dehydrogenase (SDH) activity, severe impaired respiratory capacity and an altered cytokine response. Macrophages lacking these subunits showed reduced stabilization of HIF-1α and a reduced production of the pro-inflammatory cytokine IL-1β upon LPS activation. In addition, these subunits were found to be essential for the synthesis of IL-10 following LPS stimulation, a critical cytokine that acts to dampen the macrophage inflammatory response. The study also identified important changes in key signaling pathways, highlighting the role of redox balance in Stat3-IL-10 signaling. The results reveal a complex regulatory network in which mitochondrial complexes influence macrophage metabolism, signaling pathways and ultimately immune responses.

La interacción entre la activación de los macrófagos y su metabolismo energético ha sido objeto de estudio en la comunidad científica. Los macrófagos desempeñan un papel fundamental en la respuesta inmunitaria innata y su capacidad funcional depende en gran medida de su estado metabólico. Sin embargo, el impacto preciso de la cadena mitocondrial de transporte de electrones (ETC) en las funciones de los macrófagos es un aspecto que sigue siendo poco conocido. Esta tesis investiga la compleja interacción entre los complejos ETC, en particular el complejo I (CI) y el complejo II (CII), y las respuestas de los macrófagos. Utiliza la innovadora técnica CRISPR/Cas9 HITI para generar modelos knockout (KO) dentro de la línea celular de macrófagos murinos RAW 264.7, dirigiéndose específicamente a los genes Ndufs4, (subunidad de CI) y Sdha, Sdhb (subunidades de CII). La ausencia de Ndufs4 deteriora la actividad de la CI, afectando así al metabolismo de los macrófagos con una reducción de la respiración basal y de la producción de ATP, junto con un aumento de los niveles de ROS mitocondriales. Los macrófagos Ndufs4-/- mostraron una respuesta alterada de citoquinas con una mayor producción de IL-6 y menor de IL-10, lo que sugiere un cambio hacia un estado proinflamatorio, junto con una mayor capacidad fagocítica. Los macrófagos Sdha-/- y Sdhb-/- mostraron una actividad reducida de la Succinato Deshidrogenasa (SDH), una capacidad respiratoria muy disminuida y una respuesta de citoquinas alterada. Los macrófagos deficientes en estas subunidades mostraron una menor estabilización de HIF-1α y una menor producción de la citocina proinflamatoria IL-1β tras la activación por LPS. Además, estas subunidades resultaron esenciales para la síntesis de IL-10 tras la estimulación con LPS, una citoquina crítica que actúa para moderar la respuesta inflamatoria de los macrófagos. El estudio también identificó cambios importantes en vías de señalización clave, destacando el papel del equilibrio redox en la señalización de Stat3. Los resultados revelan una compleja red de regulación en la que los complejos mitocondriales influyen en el metabolismo de los macrófagos, las vías de señalización y, en última instancia, las respuestas inmunitarias.