Rol de la interacción mitocondria-retículo sarcoplásmico y la dinámica mitocondrial en la regulación de la oxidación de ácidos grasos relativa a la oxidación de carbohidratos en el músculo esquelético humano
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2021
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La resistencia a la insulina en el músculo esquelético se reconoce como uno de los factor
de riesgo de diabetes mellitus tipo 2. Sin embargo, el mecanismo por el cual se gatilla la
resistencia a la insulina no esta claro. Una de las teorías es la lipotoxicidad, que es
producto de una acumulación excesiva de especies lipídicas, siendo esta acumulación
producto potencialmente de un desbalance entre la captación y la oxidación de ácidos
grasos. De este modo, identificar factores moleculares que regulen la oxidación de ácidos
grasos en el músculo esquelético, podría aportar información relevante en el desarrollo de
métodos para prevenir y/o tratar la resistencia a la insulina. Estudios en animales y líneas
celulares, sugieren que la interacción entre las mitocondrias y el retículo sarcoplásmico
(mitocondria-RS) y la respuesta dinámica de las mitocondrias (fenotipo de fusión
mitocondrial [mitocondrias con mayor tamaño y mayor abundancia de las proteínas que
regulan la fusión]/ fenotipo de fisión mitocondrial [mitocondrias con menor tamaño y con
mayor abundancia de las proteínas que regulan la fisión]) desempeñan un papel en la
regulación de la oxidación de ácidos grasos. Además, un estudio reciente en células
hepáticas, sugiere que la fusión mitocondrial depende de la interacción mitocondria-RS a
través de calcio, por lo tanto la interacción mitocondria-RS y la fusión mitocondrial
podrían ser fenómenos acoplados y este acoplamiento jugar un rol en la oxidación de
ácidos grasos. Sin embargo, esto no se ha evaluado en el músculo esquelético humano.
Hipótesis: Postulamos que la interacción mitocondria-retículo sarcoplásmico y el
fenotipo mitocondrial fusionado en el músculo esquelético humano en reposo, se
correlacionan directamente con la oxidación de ácidos grasos relativa a la oxidación de
carbohidratos cuerpo completo en reposo y durante el ejercicio.
Objetivos: Demostrar que existe una correlación directa entre la interacción mitocondriaretículo sarcoplásmico y el fenotipo mitocondrial fusionado en el músculo esquelético
humano en reposo, con la oxidación de ácidos grasos relativa a la oxidación de
carbohidratos cuerpo completo en reposo y durante el ejercicio. Objetivos específicos: 1) Evaluar si existe una correlación directa entre la interacción mitocondria-retículo
sarcoplásmico en el músculo esquelético en reposo y la oxidación de ácidos grasos relativa
a la oxidación de carbohidratos cuerpo completo en reposo y durante el ejercicio. 2)
Evaluar si existe una correlación directa entre el fenotipo mitocondrial fusionado en el
músculo esquelético en reposo y la oxidación de ácidos grasos relativa a la oxidación de
carbohidratos cuerpo completo en reposo y durante el ejercicio. 3) Medir in vitro el rol de
la interacción mitocondria-retículo sarcoplásmico en la respuesta dinámica de las
mitocondrias frente a la exposición a ácidos grasos en células musculares humanas.
Materiales y Métodos: Para los objetivos 1 y 2, incluimos doce hombres sin
enfermedades metabólicas diagnosticadas, a los cuales medimos la oxidación de ácidos
grasos relativa a la oxidación de carbohidratos a través del cociente respiratorio (CR)
cuerpo completo en reposo, posterior a 12 horas de ayuno. En estas condiciones de bajo
gasto energético el músculo esquelético da cuenta de ~25% del consumo de oxígeno de
todo el cuerpo. Posterior a esto, se les realizó una biopsia en el músculo vasto lateral de la
pierna dominante. Inmediatamente obtenida la biopsia, los sujetos realizaron una sesión
de ejercicio aeróbico (50% del consumo máximo de oxígeno, hasta gastar 600 kcal), en
esta condición de alto gasto energético medimos el CR para estimar la oxidación de ácidos
grasos relativa a la oxidación de carbohidratos durante el ejercicio (en ejercicio, a esta
intensidad, el músculo esquelético da cuenta del ~80% del consumo de oxígeno de todo
el cuerpo). El CR se calculó con la razón entre la producción de dióxido de carbono
(VCO2) y el consumo de oxígeno (VO2) (VCO2/ VO2), siendo estos gases evaluados de
manera simultánea, respiración por respiración, con un carro metabólico. El CR mientras
más cercano a 0,7, mayor es la oxidación de ácidos grasos relativa a la oxidación de
carbohidratos, y mientras más cercano a 1 es el CR, mayor es la oxidación de glucosa
relativa a la oxidación de ácidos grasos. Para evaluar la interacción mitocondria-RS
usamos imágenes de microscopía electrónica de transmisión de las biopsias musculares.
Para evaluar el fenotipo de fusión mitocondrial, usamos imágenes de microscopía
electrónica de transmisión [tamaño de las mitocondrias] y western blot de las proteínas
que regulan la fusión y la fisión mitocondrial. Para el objetivo 3, estudiamos el efecto de
la incubación con ácido palmítico (AcidPal; 0,6 mM) y glucosa (10 mM), en células
musculares primarias (miotubos) en la dinámica mitocondrial. Analizamos el efecto de
XestoponginaB, un inhibidor de la interacción mitocondria-RS, en la dinámica
mitocondrial inducida por AcidPal. XestoponginaB es un inhibidor especifico de la
actividad del receptor inositol 1,4,5 ‐ trifosfato, el cual es clave en la liberación de calcio
desde el RS a la mitocondria, de modo que se considera que inhibe específicamente la
interacción mitocondria-RS.
Resultados: Observamos una correlación inversa entre el porcentaje de mitocondrias
interactuando con RS en el músculo esquelético en reposo y el CR cuerpo completo en
reposo, pero no con el CR durante el ejercicio. Observamos una correlación inversa entre
el tamaño de las mitocondrias intermiofibrilares en el músculo esquelético humano en
reposo y el CR cuerpo completo en reposo y durante el ejercicio. Encontramos una
correlación directa entre el tamaño de las mitocondrias intermiofibrilares con una mayor
masa de la proteína Mfn 2 (proteínas que regula la fusión de las membranas externas de
las mitocondrias), ajustada a la proteína Fis 1 (proteínas que regula la fisión mitocondrial)
(razón Mfn 2/Fis 1). In vitro, los miotubos incubados con AcidPal presentan mitocondrias
con mayor tamaño, en comparación a los miotubos incubados con glucosa. La coincubación de AciPal con XeB (1 µM) anulo el efecto del AcidPal en el tamaño de las
mitocondrias. Finalmente, la co-incubación de AciPal con XeB produce una menor razón
de las proteínas Mfn 2/Fis 1 en comparación a la incubación con AcidPal.
Discusión y conclusión: Observamos que los sujetos con un mayor porcentaje de
mitocondrias interactuando con RS y un mayor fenotipo de fusión mitocondrial en el
músculo esquelético en reposo, tienen una mayor oxidación de ácidos grasos relativa a la
oxidación de carbohidratos en reposo, pero no durante el ejercicio. Por lo tanto, aceptamos
nuestra hipótesis en reposo, pero no durante el ejercicio. Adicionalmente, la incubación
con AcidPal induce un fenotipo de fusión mitocondrial in vitro, efecto que es inhibido al
impedir la interacción mitocondria-RS. De este modo, demostramos que existe una
correlación directa entre una mayor interacción mitocondria-RS, el fenotipo de fusión
mitocondrial y una mayor oxidación de ácidos grasos relativa a la oxidación de
carbohidratos. Demostramos además que la interacción mitocondria-RS es necesaria para
la inducción del fenotipo de fusión estimulada por la incubación de AcidPal in vitro.
Proponemos que existe un ciclo de retroalimentación positiva en que la disponibilidad de
ácidos grasos induce la interacción mitocondria-RS y de esta manera el fenotipo de fusión
mitocondrial, lo que es necesario para la oxidación de ácidos grasos. Serán necesarios
experimentos que comprueben, en el músculo esquelético, que la interacción mitocondriaRS y el fenotipo de fusión mitocondrial son necesarios para la oxidación de ácidos grasos.
Basados en nuestros resultados, sugerimos que la interacción mitocondria-RS y la fusión
mitocondrial en el músculo esquelético sean considerados como potenciales blancos para
la prevención y/o el tratamiento de patologías asociadas a la disminución de la oxidación
de ácidos grasos, como la resistencia a insulina.
Description
Tesis (Doctor en Ciencias Médicas)--Pontificia Universidad Católica de Chile, 2021