Type 1 diabetes mellitus effects on mitochondrial function

Abstract

Despite type 1 diabetes mellitus being more rare, it has an autoimmune origin and appears early in life, greatly affecting its quality. With the aim of better understand the molecular mechanisms underlying the observed phenotypic alterations in the skeletal muscle from diabetic patients, it was planned an experimental protocol using 20 Wistar rats 8 weeks old, randomly divided in two groups (n=10). The animals from one group were injected with 60mg/Kg of streptozotocin (STZ), while the others were injected with vehicle buffer. Four months after STZ injection, rats were confirmed as diabetic, considering hyperglycemia and body weight loss. After animals sacrifice, gastrocnemius muscles were excised and used for mitochondria subpopulations (subsarcolemmal (SS) and intermyofibrillar (IMF)) isolation. mtDNA-to-muscle mass ratio suggest an increased biogenesis of SS mitochondria in the STZ animals, paralleled by a decreased protein content per mitochondrion, in opposite to the observed in IMF mitochondria. The BN-PAGE profile revealed a slight difference of the oxidative phosphorylation complexes organization between mitochondrial subpopulations, apparently not affected by STZ administration. Mitochondrial proteolysis analysis, evaluated through zymography, revealed two proteases with molecular weights around 15 and 25 KDa, with the smaller one presenting STZinduced significant decreased activity in IMF mitochondria. A similar behavior was observed for paraplegin, a subunit of m- AAA proteolytic system, and mitofilin, a protein involved in cristae organization. Interestingly, these protein levels were higher in SS mitochondria from diabetic animals. With this work it was verified that subsarcolemmal mitochondria are not so affected by STZ administration as IMF mitochondria. The decreased activity of the protein quality control system seems to be associated with the morphological and biochemical alterations observed in the mitochondria interspersed in fibrils.

Apesar de a diabetes tipo 1 ser uma das formas mais raras de diabetes mellitus, tem uma origem auto-imune e aparece precocemente na vida de um indivíduo afectando grandemente a qualidade da mesma. No sentido de melhor compreender os mecanismos moleculares subjacentes às alterações fenotípicas observadas no músculo esquelético dos pacientes diabéticos, delineou-se um protocolo experimental com 20 ratos Wistar com 8 semanas de idade, aleatoriamente divididos em dois grupos (n=10). Os animais de um dos grupos foram injectados com 60mg/Kg de streptozotocina (STZ), e os outros com veículo. Após 4 meses, os ratos injectados com STZ foram confirmados como diabéticos, tendo em consideração a hiperglicemia e a perda de massa corporal. Após o sacrifício dos animais foram retirados os músculos gastrocnemius, a partir dos quais foram isoladas as duas subpopulações mitocondriais (subsarcolemal (SS) e intermiofibrilar (IMF)). A análise da razão mtADN-massa muscular sugere que a administração de STZ induziu o aumento da biogénese mitocondrial SS associado a um decréscimo do teor proteico mitocondrial, ao contrário do observado nas mitocôndrias IMF. O perfil de BNPAGE revelou uma ligeira diferença entre a organização dos complexos da fosforilação oxidativa entre ambas as subpopulações mitocondriais, aparentemente não afectada pela administração de STZ. A análise da proteólise mitocondrial, efectuada por zimografia, evidenciou duas proteases com 15 e 25 KDa, tendo-se observado uma diminuição acentuada da actividade da protease com menor peso molecular nas mitocôndrias IMF dos animais diabéticos. Uma tendência semelhante foi observada para a expressão da subunidade paraplegina do sistema proteolítico m-AAA e para a mitofilina, uma proteína envolvida na organização da membrana interna mitocondrial. Curiosamente, nas mitocôndrias SS dos animais diabéticos verificaram-se níveis mais elevados destas proteínas. Com este estudo verificou-se que no gastrocnemius, as mitocôndrias IMF são mais afectadas pela diabetes mellitus tipo 1 do que as SS. A diminuição da actividade do sistema de controlo da qualidade proteica parece estar associada às alterações morfológicas e bioquímicas observadas nas mitocôndrias localizadas entre as fibrilas.