A oxidase alternativa reconfigura o sistema de transferência de elétrons mitocondrial promovendo termogênese e aumento de biomassa em larvas de Drosophila

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Data

2023-12-07

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Universidade Estadual Paulista (Unesp)

Resumo

A fosforilação oxidativa (OXPHOS) é um processo mitocondrial chave ao metabolismo celular e a outros processos celulares. É dependente de um sistema que realiza a transdução da energia química estocada nos nutrientes em energia para a síntese de trifosfato de adenosina (ATP), através de diversas vias metabólicas e uma série de reações de transferência de elétrons que utilizam o oxigênio como aceptor final. Dentre os componentes do sistema de transferência de elétrons mitocondrial (ETS), os complexos I, III e IV realizam, além de óxido-redução, bombeamento de prótons da matriz para o espaço inter-membranas, gerando um gradiente de prótons (ΔpH), utilizado pela ATP-sintase para produção de ATP. A energia não aproveitada para este fim é dissipada como calor metabólico. A oxidase alternativa (AOX) é uma enzima do ETS, encontrada na maioria dos eucariotos, capaz de substituir parcialmente a atividade dos complexos III e IV, sem bombear prótons para o espaço inter- membranas. Vertebrados e insetos perderam o gene que codifica AOX, mas a expressão xenotópica a partir do gene de Ciona intestinalis em camundongos, Drosophila melanogaster e em outros modelos biológicos, gerou melhorias eem condições associadas a disfunções mitocondriais, o que representa um potencial terapêutico para doenças humanas. Mostramos anteriormente que AOX mitiga efeitos do estresse térmico causado pelo frio em Drosophila, sob a hipótese de termogênese. Considerando a dinamicidade do ETS em resposta aos nutrientes disponíveis e a outras condições do meio, buscamos avaliar se a AOX atua diferentemente, de acordo com a via que fornece elétrons ao ETS. Neste trabalho descrevemos efeitos bioquímico-metabólicos e fenotípicos acarretados pela expressão xenotópica de AOX em larvas de D. melanogaster, principalmente sob temperatura baixa. Associamos efeitos fenotípicos à investigação da fisiologia mitocondrial e do metabolismo intermediário larval. Mostramos que AOX causa um aumento na respiração via complexo I, mas um decréscimo através da glicerol-3-fosfato desidrogenase mitocondrial, via pela qual AOX mais diminui a eficiência de acoplamento mitocondrial. Essa configuração é termogênica, é correlacionada com diminuição dos níveis de glicerol-3-fosfato e causa cataplerose em larvas, evidenciada pela diminuição dos níveis de intermediários do ciclo do ácido tricarboxílico. Em conjunto, essas alterações são funcionalmente importantes para o crescimento, acúmulo de biomassa principalmente no frio, o que leva também ao aumento da mobilidade. Uma vez queos tecidos larvais são altamente proliferativos, muitas vezes comparados a tumores de mamíferos do ponto de vista metabólico, discutimos os impactos da AOX nesse contexto e reforçamos a necessidade de cautela para a sua aplicação terapêutica.
Oxidative phosphorylation (OXPHOS) is a key mitochondrial process in cellular metabolism and other cellular activities. It relies on a system that converts the chemical energy stored in nutrients to energy for the synthesis of adenosine triphosphate (ATP) through various metabolic pathways and a sequence of electron transfer reactions which lead the oxygen reduction to water. Among the mitochondrial electron transfer system (ETS), the complexes I, III, and IV not only perform oxidation-reduction but also pump protons from the matrix to the inter-membrane space. This action generates a proton gradient utilized by ATP synthase to produce ATP, while any energy not used for this purpose is dissipated as metabolic heat. Alternative oxidase (AOX), an ETS enzyme found in most eukaryotes, can bypass complex III and IV activities, but without pumping protons into the inter-membrane space. Vertebrates and insects have lost the gene encoding AOX, but xenotopic expression of the Ciona intestinalis gene in mice, Drosophila melanogaster and other biological models has shown improvements in conditions associated with mitochondrial dysfunction, presenting therapeutic potential for human diseases. We previously showed that AOX mitigates effects of effects of cold-induced thermal stress in Drosophila, supporting a thermogenesis hypothesis.Considering the dynamic nature of the ETS in response to available nutrients and environmental conditions, we aimed to assess whether AOX functions differently depending on the pathway supplying electrons to the ETS. In this work we describe biochemical-metabolic and phenotypic effects caused by the xenotopic expression of AOX in D. melanogaster larvae, mainly at low temperatures. We associate phenotypic effects with an exploration of mitochondrial physiology and larval intermediary metabolism. Our findings indicate that AOX increases respiration via complex I but decreases it via mitochondrial glycerol-3-phosphate dehydrogenase, the route through which AOX most significantly reduces mitochondrial coupling efficiency. This configuration exhibits thermogenic properties, is correlated with decreased glycerol-3-phosphate levels, and induces cataplerosis in larvae, as evidenced by lower levels of tricarboxylic acid cycle intermediates. These changes are functionally important for growth and biomass accumulation, especially in cold conditions, leading to increased mobility. Considering the highly proliferative nature of larval tissues, often compared to mammalian tumors metabolically, we discuss the implications of AOX in this context and emphasize the need for caution in its therapeutic application.

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Palavras-chave

Mitocôndria, AOX, Metabolismo larval, Controle respiratório, Mitochondria, Larval metabolism, Respiratory control

Como citar

GARCIA, G. S. A oxidase alternativa reconfigura o sistema de transferência de elétrons mitocondrial promovendo termogênese e aumento de biomassa em larvas de Drosophila. Tese (Doutorado em Biociências). Universidade Estadual Paulista (UNESP), Instituto de Biociências, Letras e Ciências Exatas. São José do Rio Preto. 104 p., 2023