Le malattie cardiovascolari rappresentano ad oggi una delle principali sfide per la salute globale. Tra di esse, l’infarto miocardico acuto e la conseguente evoluzione verso l’insufficienza cardiaca costituiscono due delle condizioni con maggiore rilevanza clinica. La funzione mitocondriale e la segnalazione del calcio svolgono un ruolo centrale nel determinare la risposta dei cardiomiociti allo stress che ne consegue, fungendo quindi da punto di convergenza tra il danno acuto e i processi di rimodellamento patologico che caratterizzano le fasi croniche della patologia. In questo contesto, la mia tesi di dottorato ha l’obiettivo di affrontare due aspetti principali del danno cardiaco: le possibili determinanti genetiche della sensibilità del poro di permeabilità mitocondriale (mPTP) durante la riperfusione e il ruolo di proteine coinvolte nella segnalazione calcio nelle membrane associate ai mitocondri (MAMs) come guida al rimodellamento fibrotico nello scompenso cardiaco. Il primo progetto mira a studiare una mutazione del subunità c della ATPsintasi trovata in un paziente STEMI (ATP5G1V128A.) Questa mutazione, situata nell’alpha elica transmembrana conservata della subunità c, a seguito di analisi bioinformatiche è risultata essere potenzialmente dannosa, in quanto la sostituzione amminoacidica da Valina ad Alanina non influisce sulla stabilità dell’alpha elica, ma può comprometterne la funzionalità riducendo la soglia energetica per l’apertura del mPTP. I nostri dati mostrano che nei cardiomiociti umani, ATP5G1V128A aumenta la vulnerabilità all’apertura del poro indotta dal calcio e aggrava molte funzionalità mitocondriali a seguito di danno da ischemia/riperfusione, mostrando una riduzione della sopravvivenza cellulare e un aumento dei segnali apoptotici e necrotici. Questi risultati identificano ATP5G1V128A come un fattore genetico che rende le cellule più sensibili al danno da riperfusione e sottolineano l’importanza strutturale della subunità c nel regolare la suscettibilità mitocondriale a seguito di stress. Il secondo progetto ha esaminato il ruolo dei siti di contatto tra reticolo endoplasmatico (RE) e mitocondri nel progresso dell’scompenso cardiaco. Analisi comparative di due modelli in vivo di scompenso cardiaco hanno dimostrato un’associazione specifica tra l’elevata espressione del recettore dell’inositolo 1,4,5-trisfosfato di tipo 3 (IP3R3), localizzato alle MAMs (membrane associate ai mitocondri) e il rimodellamento fibrotico nei cuori ischemici. Studi in vitro con fibroblasti cardiaci umani attivati e analisi ex vivo dell’organizzazione dei siti di contatto hanno confermato una relazione tra aumento dell’espressione di IP3R3, l’aumento dei siti di contatto tra reticolo endoplasmatico e mitocondri. Insieme, questi studi evidenziano la convergenza dei canali del calcio mitocondriali e del RE nel mediare il danno e il rimodellamento cardiaco a seguito di insorgenza di patologie come l’infarto acuto del miocardio e lo scompenso cardiaco. Integrando la suscettibilità genetica con le alterazioni nella comunicazione tra organelli, questa tesi offre nuove prospettive sui meccanismi del ruolo del segnale calcio sia nel danno acuto sia nel rimodellamento patologico cronico, identificando potenziali bersagli terapeutici.
Cardiovascular disease remains one of the major global health issue, especially because of the risks of acute myocardial infarction (AMI) and heart failure (HF). Mitochondrial function and calcium (Ca2+) signaling play key roles in how heart cells respond to stress, connecting immediate damage to long-term changes in the heart. My PhD research focuses on two main questions about heart injury: first, how genetic factors might affect the sensitivity of the mitochondrial permeability pore (mPTP) during reperfusion, and second, how proteins involved in calcium signaling at mitochondria-associated membranes (MAMs) might drive fibrotic changes in HF. In the first part of this work, we studied a mutation in the c-subunit of ATP synthase (ATP5G1V128A) identified in a STEMI patient with AMI. This mutation is located in the conserved transmembrane helix of subunit c and, according to bioinformatic analysis, was predicted to be deleterious. While the change from valine to alanine does not affect the stability of the protein, it may lower the energy needed for the mPTP to open, which could affect its function. Our results show that in human cardiomyocytes, this mutation increased vulnerability to calcium-induced pore opening, exacerbated hypoxia/reoxygenation injury, and disrupted several mitochondrial functions after ischemia/reperfusion injury. This leads to lower cell survival and increased apoptotic and necrotic signaling. These findings identify ATP5G1V128A as a genetic factor that sensitizes cells to reperfusion injury and underscore the structural importance of subunit c in regulating mitochondrial susceptibility. The second part of my research examined the role of endoplasmic reticulum ER–mitochondria contact sites in heart failure progression. Comparative analyses of two in vivo heart failure models demonstrated a specific association between elevated expression of the type 3 inositol 1,4,5-trisphosphate receptor (IP3R3) and fibrotic remodeling in damaged hearts. In vitro studies using activated human cardiac fibroblasts (HCF) and ex vivo analyses of contact site organization further confirmed the relationship between increased IP3R3 expression, enhanced ER-mitochondria coupling, and increased calcium transfer. Together, these studies highlight the convergence of mitochondrial and ER calcium channels in mediating cardiac injury and remodeling. By integrating genetic susceptibility with alterations in organelle communication, this thesis offers new mechanistic insights into the role of calcium dysregulation in both acute injury and chronic pathological remodeling, and identifies potential therapeutic targets.
Mitochondrial determinants of cardiac injury and remodeling: from c-subunit– dependent permeability transition to IP3R3-mediated fibrosis
AGYAPONG, ESTHER DENSU
2026
Abstract
Le malattie cardiovascolari rappresentano ad oggi una delle principali sfide per la salute globale. Tra di esse, l’infarto miocardico acuto e la conseguente evoluzione verso l’insufficienza cardiaca costituiscono due delle condizioni con maggiore rilevanza clinica. La funzione mitocondriale e la segnalazione del calcio svolgono un ruolo centrale nel determinare la risposta dei cardiomiociti allo stress che ne consegue, fungendo quindi da punto di convergenza tra il danno acuto e i processi di rimodellamento patologico che caratterizzano le fasi croniche della patologia. In questo contesto, la mia tesi di dottorato ha l’obiettivo di affrontare due aspetti principali del danno cardiaco: le possibili determinanti genetiche della sensibilità del poro di permeabilità mitocondriale (mPTP) durante la riperfusione e il ruolo di proteine coinvolte nella segnalazione calcio nelle membrane associate ai mitocondri (MAMs) come guida al rimodellamento fibrotico nello scompenso cardiaco. Il primo progetto mira a studiare una mutazione del subunità c della ATPsintasi trovata in un paziente STEMI (ATP5G1V128A.) Questa mutazione, situata nell’alpha elica transmembrana conservata della subunità c, a seguito di analisi bioinformatiche è risultata essere potenzialmente dannosa, in quanto la sostituzione amminoacidica da Valina ad Alanina non influisce sulla stabilità dell’alpha elica, ma può comprometterne la funzionalità riducendo la soglia energetica per l’apertura del mPTP. I nostri dati mostrano che nei cardiomiociti umani, ATP5G1V128A aumenta la vulnerabilità all’apertura del poro indotta dal calcio e aggrava molte funzionalità mitocondriali a seguito di danno da ischemia/riperfusione, mostrando una riduzione della sopravvivenza cellulare e un aumento dei segnali apoptotici e necrotici. Questi risultati identificano ATP5G1V128A come un fattore genetico che rende le cellule più sensibili al danno da riperfusione e sottolineano l’importanza strutturale della subunità c nel regolare la suscettibilità mitocondriale a seguito di stress. Il secondo progetto ha esaminato il ruolo dei siti di contatto tra reticolo endoplasmatico (RE) e mitocondri nel progresso dell’scompenso cardiaco. Analisi comparative di due modelli in vivo di scompenso cardiaco hanno dimostrato un’associazione specifica tra l’elevata espressione del recettore dell’inositolo 1,4,5-trisfosfato di tipo 3 (IP3R3), localizzato alle MAMs (membrane associate ai mitocondri) e il rimodellamento fibrotico nei cuori ischemici. Studi in vitro con fibroblasti cardiaci umani attivati e analisi ex vivo dell’organizzazione dei siti di contatto hanno confermato una relazione tra aumento dell’espressione di IP3R3, l’aumento dei siti di contatto tra reticolo endoplasmatico e mitocondri. Insieme, questi studi evidenziano la convergenza dei canali del calcio mitocondriali e del RE nel mediare il danno e il rimodellamento cardiaco a seguito di insorgenza di patologie come l’infarto acuto del miocardio e lo scompenso cardiaco. Integrando la suscettibilità genetica con le alterazioni nella comunicazione tra organelli, questa tesi offre nuove prospettive sui meccanismi del ruolo del segnale calcio sia nel danno acuto sia nel rimodellamento patologico cronico, identificando potenziali bersagli terapeutici.I documenti in SFERA sono protetti da copyright e tutti i diritti sono riservati, salvo diversa indicazione.
