Caracterización de alteraciones mitocondriales durante la diferenciación in vitro de adipocitos pardos del ratón lipodistrófico Agpat2-/-
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Date
2022
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La lipodistrofia congénita generalizada (LCG) es una enfermedad de transmisión autosómica recesiva que consiste en reducción severa en la masa de tejido adiposo. Sus causas más frecuentes son mutaciones en el gen AGPAT2. El ratón knockout para Agpat2 (Agpat2-/-) es un modelo murino de LCG. AGPAT2 participa en la vía de los glicerolípidos que determina la síntesis de mono, di y triglicéridos y glicerofosfolípidos. AGPAT2 cataliza la adición de un acil graso-CoA en la posición sn-2 del 1 acil glicerofosfato (también llamado ácido lisofosfatídico) para producir ácido fosfatídico. Los mecanismos de la lipodistrofia secundaria a la inactivación de AGPAT2 permanecen desconocidos, sin embargo, en nuestro laboratorio encontramos que los ratones Agpat2-/- nacen con tejido adiposo de distribución anatómica y abundancia normal, el cual degenera rápida y completamente durante la primera semana de vida.
El tejido adiposo es un regulador del balance energético y de la homeostasis lipídica y glucídica. En mamíferos existen dos tipos clásicos de tejido adiposo: el blanco y el pardo, ambos con características morfológicas y funcionales particulares. El ratón Agpat2-/- carece de ambos tipos de tejido adiposo. El tejido adiposo pardo es muy vascularizado y posee adipocitos con múltiples gotas de lípidos y un mayor número de mitocondrias. Su principal función es disipar energía en forma de calor, producto de la actividad de la proteína desacoplante UCP1. Esta proteína está localizada en la membrana mitocondrial interna y su actividad aumenta con la exposición al frío o la estimulación de receptores β-adrenérgicos.
Fibroblastos embrionarios de ratón y preadipocitos Agpat2-/- diferenciados in vitro presentan un desbalance en la composición celular de fosfolípidos, entre ellos, menores niveles de fosfatidilglicerol. Este es el sustrato para la síntesis de cardiolipina, un fosfolípido sintetizado exclusivamente en las mitocondrias. La cardiolipina se localiza casi exclusivamente en la membrana mitocondrial interna, favoreciendo su plegamiento y la formación de crestas. Además, estabiliza los complejos proteicos de la cadena transportadora de electrones y otras proteínas involucradas en la respiración mitocondrial, incluyendo UCP1. La disminución en los niveles de cardiolipina o alteraciones en su composición de ácidos grasos, se han asociado a disfunción mitocondrial.
Las mitocondrias son necesarias para la diferenciación de los adipocitos blancos y pardos, y es posible que anormalidades funcionales mitocondriales participen en la degeneración postnatal del tejido adiposo en los ratones Agpat2-/-. Los adipocitos Agpat2-/- diferenciados in vitro presentan anormalidades en la morfología mitocondrial, caracterizadas por menor densidad y orientación irregular de crestas. En un análisis transcriptómico previo a esta tesis, en nuestro laboratorio identificamos que adipocitos Agpat2-/- diferenciados in vitro presentan menor expresión de genes codificantes para subunidades de complejos mitocondriales, transportadores de electrones y enzimas involucradas en la β oxidación, así como ausencia total de UCP1.
Con estos antecedentes, el objetivo general de esta tesis fue determinar si la diferenciación adipogénica defectuosa de adipocitos Agpat2-/- está asociada a una menor masa mitocondrial y defectos morfológicos de estos organelos. Para llevarlo a cabo, se utilizó un modelo de diferenciación adipogénica a partir de preadipocitos obtenidos de la fracción estromal vascular del tejido adiposo pardo interescapular de ratones Agpat2+/+ (wild type, WT) y Agpat2-/-.
Nuestro trabajo mostró que los preadipocitos Agpat2-/- presentaron diferenciación adipogénica anormal, caracterizada por menor contenido de lípidos neutros ausencia de UCP1 en el día 7 de diferenciación. Además, los adipocitos diferenciados Agpat2-/- tuvieron menor masa mitocondrial, indicada por menor número de copias de mtDNA y menor abundancia de proteínas mitocondriales, a partir de los días 3 y 5 diferenciación, en relación a adipocitos WT.
No encontramos diferencias en los niveles de PGC-1α y NRF1 y NRF2 entre adipocitos de ambos genotipos, sugiriendo que la menor masa mitocondrial en los adipocitos Agpat2-/- no es causada por menor biogénesis mitocondrial. Por otro lado, los adipocitos diferenciados Agpat2-/- presentaron mayor abundancia de las proteínas P62, LC3-II y PINK1 a partir de los días 3 – 5 de diferenciación, sugiriendo mayor remoción autofágica de mitocondrias en adipocitos Agpat2-/-. Coherentemente, observamos mayor abundancia de P62, LC3-II y ubiquitina en mitocondrias purificadas de adipocitos diferenciados Agpat2-/-, indicando aumento de la actividad mitofágica.
En experimentos de inhibición del flujo autofágico con BafA1, corroboramos que adipocitos diferenciados Agpat2-/- presentan mayor abundancia de P62, LC3-II y marcadores mitocondriales en el día 3 y 7 de diferenciación, indicando una mayor remoción mitocondrial.
A nivel morfológico, observamos que las mitocondrias de adipocitos diferenciados Agpat2-/- presentan mitocondrias de menor área y perímetro y sus crestas son irregulares en el día 7 de diferenciación. Estas anormalidades morfológicas se asociaron con menor abundancia de las enzimas formadoras de cardiolipina CRLS1, TAZ y subunidades del complejo MICOS. Para explorar la capacidad bioenergética de los adipocitos pardos diferenciados Agpat2-/-, cuantificamos la abundancia de los complejos proteicos de la cadena transportadora de electrones. Durante la diferenciación estos complejos aumentaron en adipocitos de ambos genotipos, sin embargo, estos fueron significativamente menores en adipocitos diferenciados Agpat2-/- en comparación con los WT a partir del día 5 de diferenciación. Además, los adipocitos diferenciados Agpat2-/ presentaron mayor potencial mitocondrial basal en el día 3 de diferenciación, sugiriendo hiperpolarización mitocondrial, no obstante, estas diferencias no se observaron en el día 7 de diferenciación. El contenido de ATP celular disminuyó en adipocitos de ambos genotipos a partir del día 3 de diferenciación. En adipocitos diferenciados Agpat2-/- la abundancia de enzimas involucradas en β oxidación y de la proteína MFN2, mediadora de la interacción entre mitocondrias y gotas lipídicas, fue menor a partir del día 5 – 7 de diferenciación en comparación con adipocitos WT. Coherentemente, observamos una menor superficie de contacto entre mitocondrias y gotas lipídicas en adipocitos diferenciados Agpat2-/-.
En conclusión, los resultados de esta tesis muestran que los preadipocitos diferenciados Agpat2-/- presentan adipogénesis parda anormal, caracterizada por menor abundancia de gotas lipídicas, ausencia de UCP1 y anormalidades mitocondriales. Éstas últimas corresponden a: 1) menor masa mitocondrial asociada a aumento de la remoción autofágica de estos organelos, 2) menor tamaño mitocondrial, 3) crestas mitocondriales de morfología irregular, posiblemente secundaria a alteraciones en la síntesis y remodelación de cardiolipina y menor abundancia del complejo MICOS, 4) menor capacidad β oxidativa y 5) menor interacción física estrecha entre mitocondrias y gota lipídicas.
Es posible que estas anormalidades adipogénicas y mitocondriales determinen susceptibilidad aumentada a los efectos tóxicos de los ácidos grasos y por este mecanismo, muerte de adipocitos y, en último término, lipodistrofia en los ratones Agpat2-/-.
Description
Tesis (Doctor en Ciencias Médicas)--Pontificia Universidad Católica de Chile, 2022