Mitochondrial plasticity in pathophysiological conditions

Abstract

Both skeletal and cardiac muscles daily burn tremendous amounts of ATP to meet the energy requirements for contraction. So, it is not surprising that the maintenance of mitochondrial morphology, number, distribution and functionality in striated muscle are important for muscle homeostasis. In these tissues mitochondria present the added dimension of two populations, the intermyofibrillar (IMF) and the subsarcolemmal (SS) mitochondria, being IMF the most abundant one. In the present thesis, the molecular mechanisms harboured in mitochondria of striated muscles were studied using animal models, to better comprehend the role of mitochondrial plasticity in several pathophysiological conditions such as aging, diabetes mellitus and bladder cancer. The comparative analysis of IMF and SS populations isolated from heart evidenced a higher respiratory chain activity of mitochondria interspersed in the contractile apparatus. The higher susceptible of SS respiratory chain complexes subunits to carbonylation, but not to nitration, seems to justify the lower respiratory chain activity observed in this mitochondrial population. Our results showed that in heart from aged mice there is an accumulation of dysfunctional mitochondria. The age-related decrease of oxidative phosphorylation activity seems to be justified, at least partially, by the increased proneness of mitochondrial proteins as OXPHOS subunits and MnSOD to oxidative modifications. Moreover, a sedentary lifestyle seems to worsen the functional consequences of aging in heart by increasing mitochondrial proteins susceptibility to nitration. In skeletal muscle from rats with type 1 diabetes mellitus induced by streptozotocin administration, we verified the accumulation of dysfunctional mitochondria due, at least in part, to the impairment of PQC system. Indeed, the decreased activity of AAA proteases was accompanied by the accumulation of oxidatively modified mitochondrial proteins with impact in respiratory chain activity. The diminishing of mitochondria activity also underlies cancer-induced muscle wasting. Indeed, using a rat model of chemically induced urothelial carcinoma we verified that the loss of gastrocnemius mass was related to mitochondrial dysfunction due to, at least partially, the down-regulation of PQC system involving the mitochondrial proteases paraplegin and Lon. PQC impairment resulted in the accumulation of oxidatively modified mitochondrial proteins. In overall, regardless the pathophysiological stimuli that promote mitochondrial alterations, there are similarities in the pattern of disease-related mitochondrial plasticity. The diminished capacity for ATP production in striated muscle seems to be due to increased oxidative damage of mitochondrial proteins, namely subunits of respiratory chain complexes, metabolic proteins and MnSOD. Our data highlighted, for the first time, the impact of mitochondrial PQC system impairment in the accumulation of oxidized proteins, exacerbating the dysfunction of this organelle in striated muscle in several pathophysiological conditions.

O músculo-esquelético e o músculo cardíaco consomem diariamente grandes quantidades de ATP para a contração, pelo que não é de surpreender que a morfologia, a distribuição e a funcionalidade mitocondrial sejam importantes para a manutenção da sua homeostasia. Mais ainda, o músculo estriado apresenta duas populações de mitocôndrias, as intermiofibrilares (IMF), presentes em maior quantidade, e as subsarcolemais (SS). Na presente tese foram estudados, utilizando modelos animais, os mecanismos moleculares localizados na mitocôndria do músculo estriado para melhor compreender o papel da plasticidade mitocondrial em resposta a várias condições patofisiológicas nomeadamente o envelhecimento, a diabetes mellitus e o cancro. A análise bioquímica das populações de mitocôndrias isoladas do coração evidenciou uma maior atividade da cadeia respiratória nas mitocondriais IMF em comparação com as SS. A maior suscetibilidade das subunidades dos complexos da cadeia respiratória das mitocôndrias SS à carbonilação, mas não à nitração, parece justificar a menor atividade da cadeia respiratória observada nesta população de mitocôndrias. No estudo da adaptação mitocondrial ao envelhecimento verificou-se a acumulação de mitocôndrias disfuncionais no coração. A diminuição da atividade da cadeia respiratória parece ser justificada, pelo menos em parte, pelo aumento da suscetibilidade de proteínas mitocondriais a modificações oxidativas. Adicionalmente verificou-se que um estilo de vida sedentário tem um impacto negativo na funcionalidade mitocondrial do coração de animais idosos. No músculo-esquelético de animais com diabetes mellitus tipo 1 induzida pela administração de streptozotocina, verificou-se uma acumulação de mitocôndrias disfuncionais devido, pelo menos em parte, ao comprometimento do sistema de controlo de qualidade proteica mitocondrial. Efetivamente, a diminuição da atividade e da expressão de proteases AAA foi acompanhada pela acumulação de proteínas mitocondriais oxidadas. No músculo-esquelético de animais com caquexia associada ao carcinoma urotelial também se verificou a ocorrência de disfunção mitocondrial associada ao comprometimento do sistema de controlo de qualidade proteica, envolvendo as proteases mitocondriais paraplegina e Lon, com consequente acumulação de proteínas mitocondriais oxidadas. A disfunção mitocondrial observada no músculo gastrocnemius de animais com cancro ocorreu em paralelo com o aumento do catabolismo muscular e consequente perda de massa corporal. No global, os resultados sugerem que independentemente do estímulo patofisiológico que promove uma resposta adaptativa da mitocôndria no músculo estriado existem semelhanças no padrão de plasticidade mitocondrial. A redução da capacidade de produção de ATP parece ser devida ao aumento dos danos oxidativos das proteínas mitocondriais, nomeadamente das subunidades dos complexos da cadeia respiratória, de proteínas metabólicas e da MnSOD com consequente comprometimento das vias moleculares em que estão envolvidas. Os nossos resultados evidenciaram, pela primeira vez, a contribuição da disfunção do sistema de controlo de qualidade proteica mitocondrial para a acumulação de proteínas oxidadas e, consequentemente, para a disfunção mitocondrial.