2.2 Mudanças na forma mitocondrial – causa ou conseqüência?
Medidas de microscopia eletrônica no músculo Vastus lateralis de voluntários magros, obesos não diabéticos e indivíduos obesos com DM2 destacadas como o tamanho mitocondrial foi reduzido em ~ 40% nos últimos dois grupos.9 Isso sugere que a obesidade leva a uma diminuição no tamanho mitocondrial. Esforços paralelos do laboratório Zorzano também detectaram uma rede mitocondrial fragmentada no músculo de ratos obesos e humanos.47 Usando uma tela de mRNA diferencial, eles detectaram uma regulação negativa do gene Mfn2, que codifica para a proteína Mitofusina 2 (Mfn2), uma GTPase enzima envolvida em eventos de fusão mitocondrial.47 Portanto, a redução em Mfn2 poderia explicar a arquitetura mitocondrial fragmentada observada no músculo de indivíduos obesos.
Situações de sobrecarga de nutrientes na ausência de uma necessidade de energia correspondente levam a mitocondrial fissão em células cultivadas. O trabalho pioneiro do laboratório Shirihai demonstrou que a rede mitocondrial de células INS-1 tornou-se amplamente fragmentada quando exposta a meio carregado de lipídios.48 Observações semelhantes foram relatadas em células MEF e hepatócitos AML12.49 Outros trabalhos mostraram como um excesso de nutrientes se baseia na sobrecarga de glicose também pode levar à fragmentação mitocondrial, 50-52 embora esse efeito possa ser específico do tipo celular.48 Quando fibroblastos, miócitos ou hepatócitos foram submetidos à inanição, entretanto, suas mitocôndrias se fundiram e formaram redes alongadas.53 A fusão de as mitocôndrias as pouparam da autofagia e permitiram que a célula sustentasse a produção de energia.53 A fusão mitocondrial também teve um efeito bioenergético intrínseco: as mitocôndrias exibiram mais cristas após a fusão e aumentaram a dimerização e a atividade do complexo de ATP sintase.53 Isso poderia explicar por que as mitocôndrias sofrem o oposto caminho (ou seja, fissão) após a carga de lipídios ou excesso de nutrientes. Nesse sentido, experimentos recentes demonstram que a fragmentação mitocondrial é uma resposta fisiológica que aumenta a capacidade de desacoplamento mitocondrial em adipócitos marrons.54 Um estado fissionado mais elevado pode facilitar o acesso de ácidos graxos à UCP1, levando à sua ativação.55 Efeitos semelhantes da fissão na dissipação de energia poderia se aplicar a outros tecidos.56
Modelos de camundongos transgênicos também sustentam que a fissão mitocondrial não é per se uma marca para disfunção mitocondrial. A fusão mitocondrial prejudicada promovida pela deleção do gene Mfn1 no fígado (Mfn1-LKO) na verdade aumenta a capacidade FAO hepática.49 A respiração mitocondrial em Mfn1 KO MEFs é maior do que em WT MEFs sob tratamento com galactose, o que força as células a confiar no metabolismo oxidativo .49 De acordo com isso, o consumo de oxigênio induzido pela norepinefrina em adipócitos marrons foi prejudicado em mais de 50% quando a fissão mitocondrial foi comprometida pela expressão de uma forma negativa dominante de Drp1, uma proteína chave para a fissão mitocondrial.54 Essas observações sugerem que a fissão mitocondrial pode aumentar a capacidade da FAO como uma adaptação protetora contra a sobrecarga de lipídios.
O impacto da expressão de Mfn2 no músculo de indivíduos obesos pode ir além de sua influência nos processos de fusão mitocondrial. Mfn2 é crítico para o vínculo e a relação funcional entre a mitocôndria e o retículo endoplasmático (ER), 57 embora o mecanismo exato permaneça controverso.58, 59 Mfn2 desempenha um papel crucial na transferência de lipídios e Ca2 + entre o ER e as mitocôndrias, A deleção de 57 e Mfn2 consistentemente foi associada a um aumento nos marcadores de estresse de ER na maioria das células e tecidos testados até o momento.40, 57, 60 Em contraste, a deficiência de Mfn1 em hepatócitos não leva a estresse de ER.49 Mfn2 também foi identificado como um facilitador chave da interação entre as mitocôndrias e a gotícula lipídica no tecido adiposo marrom (BAT) .40 Essas funções além da fusão mitocondrial podem explicar por que Mfn2, mas não Mfn1, foi associado a complicações metabólicas.47, 61
Dada a letalidade de todo o corpo de camundongos knockout para Mfn2, 62 foram gerados uma série de modelos de knockout específicos de tecido para Mfn2. O primeiro relatado foi a deleção específica de Mfn2 no fígado (Mfn2-LKO) .63 Camundongos Mfn2-LKO exibem profundas anormalidades no controle da glicose, caracterizadas por hiperglicemia em jejum e intolerância à glicose, mesmo quando alimentados com uma dieta regular.63 Essas alterações na glicose a gestão foi impulsionada pela produção de ROS mitocondrial excessiva e aumento do estresse ER. No alinhamento, aliviar o estresse ER com ácido tauroursodesoxicólico (TUDCA) 64 da chaperona molecular foi suficiente para melhorar a sinalização de insulina em fígados de camundongos Mfn2-LKO.63 O tratamento com N-acetilcisteína (NAC) aliviou o estresse ER e a sinalização de insulina, sugerindo que ROS a produção é um gatilho chave a montante nos fenótipos metabólicos dos ratos Mfn2-LKO.O fato de que o modelo Mfn1-LKO não compartilha essas características49 sugere ainda que a fragmentação da rede mitocondrial não é causa de complicações metabólicas em camundongos Mfn2-LKO.
Em um segundo modelo, camundongos floxed Mfn2 foram cruzado com camundongos que expressam a recombinase Cre sob o promotor MEF2C. A expressão da proteína Mfn2 no grupo KO foi significativamente reduzida (redução de 80%) no músculo esquelético, coração e cérebro, e uma redução de quase 50% foi detectada nos tecidos adiposos, rim ou fígado.63 Esses camundongos exibem IR em baixo teor de gordura dietas e uma sensibilidade exacerbada para desenvolver DM2 após alimentação com HFD.63 Esses efeitos, entretanto, podem derivar simplesmente dos níveis hepáticos de Mfn2 defeituosos e modelos mais específicos serão necessários para desvendar os efeitos de Mfn2 na sensibilidade periférica à insulina. Nesse sentido, um camundongo nocaute de Mfn2 específico para tecido adiposo (Mfn2-AKO) foi relatado recentemente.40 A deleção de Mfn2 tanto no BAT quanto no tecido adiposo branco (WAT) levou a uma capacidade lipolítica fortemente comprometida e à atividade do Complexo I embotado em suas mitocôndrias.40 Surpreendentemente, camundongos sem Mfn2 nos tecidos adiposos eram resistentes a desenvolver intolerância à glicose após alimentação com HFD.40,65 Na verdade, a sensibilidade à insulina no BAT com defeito em Mfn2 foi aumentada em comparação com os irmãos da mesma ninhada, apesar de sua disfunção mitocondrial.40 Isso foi conseqüência de uma religação glicolítica para manter a atividade termogênica.40 Na mesma linha, uma religação glicolítica e proteção contra IR também foi observada no músculo esquelético de camundongos sem atrofia do nervo óptico 1 (OPA1), a enzima GTPase mediadora interna fusão da membrana mitocondrial.66
Como um todo, esses resultados sugerem que a fragmentação mitocondrial é característica em tecidos de indivíduos obesos como consequência de nutrientes excesso e estouro de lipídios. Modelos de camundongos geneticamente modificados, no entanto, sugerem que mitocôndrias menores e altamente fissionadas não podem ser causalmente associadas com IR.