2.2 Cambios en la forma mitocondrial: ¿Causa o consecuencia?
Mediciones de microscopía electrónica en el músculo Vastus lateralis de voluntarios no diabéticos obesos, delgados y sujetos obesos con DM2 destacados cómo se redujo el tamaño mitocondrial ~ 40% en los dos últimos grupos.9 Esto sugiere que la obesidad conduce a una disminución en el tamaño mitocondrial. Esfuerzos paralelos del laboratorio de Zorzano también detectaron una red mitocondrial fragmentada en el músculo de ratas obesas y humanos.47 Usando una pantalla de ARNm diferencial, detectaron una regulación a la baja del gen Mfn2, que codifica la proteína Mitofusina 2 (Mfn2), una GTPasa. enzima involucrada en los eventos de fusión mitocondrial.47 Por lo tanto, la reducción en Mfn2 podría explicar la arquitectura mitocondrial fragmentada observada en el músculo de individuos obesos.
Las situaciones de sobrecarga de nutrientes en ausencia de un requerimiento de energía coincidente conducen a fisión en células cultivadas. El trabajo pionero del laboratorio Shirihai demostró que la red mitocondrial de las células INS-1 se fragmentaba en gran medida cuando se exponía a un medio cargado de lípidos.48 Se han informado observaciones similares en las células MEF y los hepatocitos AML12.49 Otros trabajos han demostrado cómo se basa un exceso de nutrientes La sobrecarga de glucosa también puede conducir a la fragmentación mitocondrial, 50-52, aunque este efecto podría ser específico del tipo celular.48 Sin embargo, cuando los fibroblastos, miocitos o hepatocitos se sometieron a inanición, sus mitocondrias se fusionaron y formaron redes alargadas.53 La fusión de Las mitocondrias las salvaron de la autofagia y permitieron que la célula mantuviera la producción de energía.53 La fusión mitocondrial también tuvo un efecto bioenergético intrínseco: las mitocondrias mostraron más crestas tras la fusión y una mayor dimerización y actividad del complejo ATP sintasa.53 Esto podría explicar por qué las mitocondrias experimentan lo contrario. camino (es decir, fisión) tras la carga de lípidos o el exceso de nutrientes. En este sentido, experimentos recientes demuestran que la fragmentación mitocondrial es una respuesta fisiológica que aumenta la capacidad de desacoplamiento mitocondrial en los adipocitos marrones.54 Un estado de fisión más alto podría facilitar el acceso de los ácidos grasos a la UCP1, impulsando su activación.55 Efectos similares de la fisión sobre la disipación de energía podría aplicarse a otros tejidos.56
Los modelos de ratones transgénicos también apoyan que la fisión mitocondrial no es per se una marca de disfunción mitocondrial. La fusión mitocondrial alterada promovida por la deleción del gen Mfn1 en el hígado (Mfn1-LKO) en realidad aumenta la capacidad de la FAO hepática49. .49 De acuerdo con esto, el consumo de oxígeno inducido por la noradrenalina en los adipocitos marrones se vio afectado en más del 50% cuando la fisión mitocondrial se vio comprometida al expresar una forma negativa dominante de Drp1, una proteína clave para la fisión mitocondrial.54 Estas observaciones sugieren que la fisión mitocondrial podría mejorar la capacidad de la FAO como adaptación protectora contra la sobrecarga de lípidos.
El impacto de la expresión de Mfn2 en el músculo de sujetos obesos podría ir más allá de su influencia en los procesos de fusión mitocondrial. Mfn2 es fundamental para la relación funcional y de anclaje entre la mitocondria y el retículo endoplásmico (RE), 57 aunque el mecanismo exacto sigue siendo controvertido58, 59 Mfn2 juega un papel crucial en la transferencia de lípidos y Ca2 + entre el RE y las mitocondrias, 57 y la deleción de Mfn2 se ha asociado consistentemente con un aumento en los marcadores de estrés del RE en la mayoría de las células y tejidos analizados hasta la fecha40, 57, 60.Por el contrario, la deficiencia de Mfn1 en los hepatocitos no conduce al estrés del RE.49 Mfn2 también se ha identificado como un facilitador clave de la interacción entre las mitocondrias y la gota de lípidos en el tejido adiposo pardo (BAT) .40 Estas funciones más allá de la fusión mitocondrial podrían explicar por qué Mfn2, pero no Mfn1, se ha relacionado con complicaciones metabólicas.47, 61
Dada la letalidad de los ratones knockout de Mfn2 de cuerpo completo, 62 se han generado varios modelos de knockout específicos de tejido para Mfn2. El primero reportado fue la deleción específica de Mfn2 en el hígado (Mfn2-LKO) .63 Los ratones Mfn2-LKO exhiben profundas anormalidades en el control de la glucosa, caracterizadas por hiperglucemia en ayunas e intolerancia a la glucosa incluso cuando se alimentan con una dieta regular.63 Estas alteraciones en la glucosa El manejo fue impulsado por una producción excesiva de ROS mitocondriales y un mayor estrés en el RE. En alineación, aliviar el estrés del ER con el ácido tauroursodesoxicólico (TUDCA) 64 fue suficiente para mejorar la señalización de insulina en hígados de ratones Mfn2-LKO.63 El tratamiento con N-acetilcisteína (NAC) alivió el estrés del ER y la señalización de insulina, lo que sugiere que ROS La producción es un factor desencadenante clave en los fenotipos metabólicos de los ratones Mfn2-LKO.El hecho de que el modelo Mfn1-LKO no comparta estas características49 sugiere además que la fragmentación de la red mitocondrial no es causa de complicaciones metabólicas en ratones Mfn2-LKO.
En un segundo modelo, los ratones Mfn2 floxed fueron cruzado con ratones que expresan la recombinasa Cre bajo el promotor MEF2C. La expresión de la proteína Mfn2 en el grupo KO se redujo notablemente (disminución del 80%) en el músculo esquelético, el corazón y el cerebro, y se detectó una reducción cercana al 50% en el tejido adiposo, el riñón o el hígado. dietas y una sensibilidad exacerbada para desarrollar DM2 tras la alimentación con HFD.63 Sin embargo, estos efectos podrían derivarse simplemente de los niveles defectuosos de Mfn2 hepática y se necesitarán modelos más específicos para desenredar los efectos de Mfn2 en la sensibilidad periférica a la insulina. En este sentido, recientemente se ha informado de un ratón knockout de Mfn2 específico del tejido adiposo (Mfn2-AKO )40. La deleción de Mfn2 en BAT o en el tejido adiposo blanco (WAT) condujo a una capacidad lipolítica muy comprometida y una actividad del complejo I atenuada en sus mitocondrias.40 Sorprendentemente, los ratones que carecen de Mfn2 en los tejidos adiposos fueron resistentes a desarrollar intolerancia a la glucosa al alimentarse con HFD.40, 65 De hecho, la sensibilidad a la insulina en las BAT con defectos de Mfn2 mejoró en comparación con los compañeros de camada de control, a pesar de su disfunción mitocondrial.40 Esto fue consecuencia de un recableado glucolítico para mantener la actividad termogénica40. En la misma línea, también se observó un recableado glucolítico y protección contra IR en el músculo esquelético de ratones que carecen de atrofia del nervio óptico 1 (OPA1), la enzima GTPasa que media en el interior. fusión de la membrana mitocondrial.66
En conjunto, estos resultados sugieren que la fragmentación mitocondrial es característica en los tejidos de individuos obesos como consecuencia de los nutrientes exceso y desbordamiento de lípidos. Sin embargo, los modelos de ratones diseñados genéticamente sugieren que las mitocondrias más pequeñas y altamente fisionadas no pueden asociarse causalmente con la IR.