A oxidase alternativa causa alterações de massa corporal e metabolismo de lipídeos em Drosophila melanogaster

Abstract

A oxidase alternativa mitocondrial (AOX) catalisa reações químicas redox análogas àquelas catalisadas pelos complexos III e IV (CIII e CIV) da cadeia respiratória mitocondrial (CR), sem contribuir para a força próton-motriz necessária à síntese de ATP. Essa característica, atrelada à ausência natural dessa enzima em humanos, sugere que a expressão xenotópica da AOX pode ser uma opção terapêutica quando um desses complexos está comprometido, já que o fluxo de elétrons seria mantido, culminando na redução de oxigênio molecular. Quando testada em células humanas em cultura, Drosophila melanogaster e em camundongos, a expressão de AOX foi capaz de resgatar problemas relacionados a diversas disfunções mitocondriais. Entretanto, quando moscas expressando AOX se desenvolvem em uma dieta pobre em nutrientes, uma queda de aproximadamente 80% na taxa de emergência dos adultos é observada, indicando possíveis efeitos colaterais graves associados à expressão de AOX que precisam ser investigados. Neste trabalho, utilizamos a proteômica para investigar alterações moleculares associadas ao período logo antes da letalidade, na fase de pupa. Os dados sugerem uma elevação nos níveis das enzimas que participam do ciclo do ácido tricarboxílico, da β-oxidação e da degradação de corpos cetônicos, além de uma elevação em subunidades dos complexos que constituem a CR. Esses fatores indicam um aumento no metabolismo de lipídeos induzido por AOX que pode estar acarretando uma depleção exagerada das reservas lipídicas pupais. A massa corporal e a taxa de hidratação corpórea de larvas e pupas são severamente afetadas em indivíduos AOX cultivados em dieta pobre em nutrientes, mas a quantidade de gordura relativa se mantém constante, sugerindo que a síntese de impermeabilizantes corpóreos a partir dos lipídeos estocados durante a fase de larva não acontece eficientemente. Esse trabalho mostra que a compreensão detalhada dos mecanismos e alterações causadas pela AOX é fundamental para que essa enzima seja implementada de forma segura em futuras terapias gênicas.

The alternative oxidase (AOX) is an enzyme that catalyzes redox reactions similarly to those catalyzed by the mitochondrial respiratory chain complexes III and IV, without contributing to the proton-motive force required for ATP synthesis. This characteristic, along with the natural absence of this enzyme in humans, suggests that xenotopic expression of AOX may be a therapeutic option when one of these complexes is compromised, since electron flow and O2 reduction would still be maintained. When tested in human cells in culture, Drosophila melanogaster and mice, AOX expression was able to rescue diverse problems related to various mitochondrial dysfunction. However, when AOX-expressing flies developed in a low-nutrient diet (LN), a decrease of approximately 80% in adult emergence was observed, indicating a negative effect associated with AOX expression that need to be further investigated. Here, we used proteomics to probe the molecular alterations associated with the AOX-induced pupal lethality. The data suggest increased levels of tricarboxylic acid cycle, β-oxidation, and ketone body degradation enzymes, as well as of subunits of respiratory chain complexes. This indicates an increase in fatty acid catabolism and a general change in lipid metabolism when AOX is expressed, which may be causing a depletion in pupal lipid reserves. Larval and pupal body mass and body hydration rate were severely affected in AOX flies cultured on LN, but the relative amount of fat remained constant, suggesting that the conversion of stored lipids into body waterproofing molecules during the pupa stage does not occur efficiently. This study shows that a detailed understanding of the alterations caused by AOX is essential for this enzyme to be safely deployed in possible future gene therapies.