Papel de la Citocromo b5 reductasa-3 (CYB5R3) y del componente graso de la dieta en la fisiología y el envejecimiento del músculo esquelético
Role of cytochrome b5 reductase-3 (CYB5R3) and dietary fat in the physiology and aging of skeletal muscle
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Author
López Bellón, Sara
Director/es
Villalba, José ManuelBurón, Isabel
Publisher
Universidad de Córdoba, UCOPressDate
2022Subject
Músculo esqueléticoEnvejecimiento
Grasa en la dieta
Longevidad
Restricción calórica
CYB5R3
Intervenciones nutricionales
Intervenciones genéticas
Mitocondrias
Biología mitocondrial
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El envejecimiento es el declive progresivo dependiente del tiempo que viene acompañado de una disminución de la fertilidad y del aumento de la susceptibilidad del organismo a amenazas tanto endógenas como externas. A lo largo de toda la historia ha habido un gran interés en dilucidar los mecanismos por los que ocurre el envejecimiento, con el fin de desarrollar distintas intervenciones para retrasarlo o incluso prevenirlo. Este intenso estudio ha llevado a definir distintas teorías para explicar el envejecimiento, así como marcadores de este proceso. Dentro de estas teorías se pueden destacar, por su relevancia, la teoría de los radicales libres, según la cual el envejecimiento se debe al ataque que producen los radicales libres en distintos componentes celulares; la teoría mitocondrial de los radicales libres, en la que se le da un papel central a la mitocondria como productor principal y diana de los radicales libres; la teoría de las membranas, en la que se relaciona la composición de las membranas con su susceptibilidad a sufrir daños, y la teoría de los telómeros, que relaciona el acortamiento de los telómeros con el proceso de envejecimiento. Respecto a los marcadores del envejecimiento, se han definido los siguientes: inestabilidad genómica, acortamiento de los telómeros, alteraciones epigenéticas, pérdida de la proteostasis, desregulación de la detección del estado nutricional, senescencia celular, agotamiento de células madre, alteración de la comunicación intercelular y disfunción mitocondrial. En este sentido se considera que el conocimiento y control de estos procesos podría servir para intervenir en el envejecimiento. Entre los resultados positivos obtenidos para hacer frente al proceso de envejecimiento cabe destacar la restricción calórica (RC), que es la intervención no genética mejor caracterizada para aumentar la longevidad. Además, es la única que ha demostrado tener efecto en todas las especies en las que se ha sido estudiado, que van desde la levadura hasta los primates. Esta intervención consiste en la reducción del consumo de calorías sin llevar a la desnutrición, pero los mecanismos exactos por los que logra aumentar la longevidad aún no se conocen con exactitud. Dada la dificultad que supone mantener durante un largo periodo de tiempo esta intervención, se han desarrollado distintas alternativas, como puede ser la ingesta de distintos compuestos, que se denominan miméticos de la RC, porque simulan los efectos de esta intervención, o incluso el aumento en la expresión de distintas enzimas. Entre estas enzimas que se han estudiado para mimetizar los efectos de la RC y promover la longevidad así como el envejecimiento saludable se encuentra la citocromo b5 reductasa 3 (CYB5R3) (NADH: ferricitocromo b5 oxidorreductasa, EC 1.6.2.2). Esta enzima pertenece a una familia de flavoproteínas oxidoreductasas que catalizan la transferencia de electrones desde el NADH al citocromo b5 (CYB5), uno de sus principales aceptores, o hacia otros aceptores como coenzima Q o diversos compuestos exógenos. Entre las funciones de CYB5R3 cabe mencionar la elongación y desaturación de ácidos grasos, la biosíntesis de colesterol o el metabolismo de drogas. Por otro lado, la oxidación del NADH que resulta de la actividad CYB5R3 hace que aumente la relación citosólica NAD+/NADH, lo que se observa bajo condiciones de RC, y dicho aumento hace que se activen las sirtuinas (SIRT), que intervienen en la regulación de ciertas rutas metabólicas asociadas con un aumento de la longevidad y un envejecimiento saludable. Todo esto ha llevado a la hipótesis de que el NAD+ y las reacciones de oxidación de NADH, como las llevadas a cabo por CYB5R3, están en el centro de los beneficios que se obtienen de la RC. Recientemente, se ha demostrado que la sobreexpresión de CYB5R3 causa la mejora de distintos parámetros metabólicos que llevan a un aumento de la extensión de la vida en animales transgénicos. Además, los ratones que sobreexpresan CYB5R3 se caracterizan por la existencia de altos niveles de ácidos grasos poliinsaturados de cadena larga, mejora de la función mitocondrial, disminución del daño oxidativo e inhibición de rutas proinflamatorias crónicas. De acuerdo con la teoría de las membranas mencionada anteriormente, el grado de insaturación de los ácidos grasos de las membranas celulares influye en la longevidad, y dado que la grasa de la dieta altera los fosfolípidos de las membranas celulares, los cambios en la composición lipídica de la dieta pueden tener efectos sobre la longevidad. Además, estudios previos han revelado que la composición grasa de la dieta también modula los efectos producidos por la RC, observándose una mayor longevidad en los animales sometidos a RC con una dieta con una alta proporción de ácidos grasos saturados (SFA) y monoinsaturados (MUFA) frente a los sometidos a RC con una dieta alta en ácidos grasos poliinsaturados (PUFA). Todos esto indica la importancia que tiene la composición de la dieta, especialmente la fuente grasa, en el envejecimiento, convirtiéndose en una posible herramienta o “terapia” que ayude a paliar los efectos nocivos que se producen en los tejidos con el avance de la edad. Como se ha comentado anteriormente, la teoría mitocondrial de los radicales libres pone el foco en este orgánulo celular y en los procesos que ocurren en él, así como en la disfunción mitocondrial asociada al envejecimiento. Concretamente, cabe destacar la cadena de transporte de electrones mitocondrial (ETC), que va a permitir la obtención de energía en forma de ATP a partir de los electrones contenidos en NADH y FADH2. La ETC está formada por 4 complejos que se encuentran en la membrana mitocondrial interna (IMM) entre los que se produce el flujo de electrones. Tres de estos cuatro complejos bombean protones hacia el espacio intermembrana, que luego vuelven a la matriz mitocondrial a favor de gradiente a través del complejo de la ATP sintasa, generando energía. Con el envejecimiento se produce una reducción en la actividad de algunos de estos complejos. Otros procesos a tener en cuenta al estudiar la disfunción mitocondrial son la dinámica y biogénesis mitocondrial. Las mitocondrias son orgánulos dinámicos que están constantemente sometidos a ciclos de fusión y fisión para adaptarse a las necesidades energéticas de la célula, que forman parte del proceso de control de la calidad mitocondrial, fisionando mitocondrias gravemente dañadas para que sean eliminadas por mitofagia, o fusionando mitocondrias dañadas más levemente para diluir mutaciones, garantizando así la homeostasis de este orgánulo. La dinámica mitocondrial resulta especialmente importante en tejidos postmitóticos, como es el caso del músculo esquelético. Durante el envejecimiento, se producen alteraciones en este sistema de control del compartimento mitocondrial, que varían en función del tejido estudiado y resultan en la disfunción y acumulación de mitocondrias aberrantes, debido también a disfunciones en la autofagia. Para mantener la homeostasis de este orgánulo, se deben eliminar las mitocondrias dañadas, mientras que se deben formar nuevas mitocondrias a partir del crecimiento y división de orgánulos preexistentes, lo que ocurre por el proceso de biogénesis. Este proceso desciende con la edad, habiéndose visto aumentado sin embargo por RC, ejercicio físico o exposición al frío. La disminución de la autofagia asociada a la edad, así como de la mitofagia, lleva al acúmulo de orgánulos defectuosos, lo que tiene efectos negativos sobre la fisiología de los tejidos. Por lo tanto, resulta interesante estudiar el papel que tienen distintas terapias antienvejecimiento sobre esta ruta. En este contexto, también es de interés el estudio de la ruta de apoptosis, que va a mantener la homeostasis de los tejidos, equilibrando la producción de nuevas células con la eliminación de otras cuando ya no son necesarias, están dañadas o son peligrosas para el organismo. La apoptosis está relacionada con el envejecimiento, observándose un incremento de la muerte celular programada a medida que se alcanza una edad avanzada, mientras que la RC produce un descenso de esta ruta, lo que podría tener efectos beneficiosos sobre el desarrollo de la sarcopenia, que consiste en una disminución progresiva de la masa y la función muscular. Aunque no se conoce claramente la patogénesis de la sarcopenia, se sabe que en su desarrollo se produce inflamación, degeneración neuromuscular y disfunción mitocondrial, siendo este último uno de los principales factores implicados en la degeneración muscular dependiente de la edad y en el que se centra este trabajo. Dentro de esta disfunción mitocondrial como consecuencia del envejecimiento se puede mencionar un descenso en la masa mitocondrial, así como una reducción de la actividad de la ETC. Esta menor actividad de la ETC lleva a una menor síntesis de ATP, y con ello se produce un descenso en la síntesis de proteínas musculares. Todo esto ha llevado a que centremos este estudio en el músculo esquelético, tejido postmitótico que constituye el 45% del peso corporal, considerándose el tejido metabólico más grande del cuerpo, y en el que las mitocondrias tienen un gran peso, constituyendo 2-10% del volumen celular del músculo esquelético de mamíferos. El estudio del músculo esquelético resulta especialmente interesante al tratarse de uno de los órganos más consumidores de energía y al ser un tejido postmitótico, en los que son especialmente pronunciadas las disminuciones de la función mitocondrial asociadas a la edad. Hipótesis inicial y objetivos: Durante los últimos años, la investigación del grupo se ha enfocado a elucidar el papel de la composición de ácidos grasos en la fisiología mitocondrial y las acciones de la RC que favorecen la longevidad. Además, hemos demostrado el papel de la CYB5R3 en la regulación del metabolismo aeróbico y el envejecimiento a través de mecanismos relacionados con disminución del daño oxidativo y alteraciones en la composición de ácidos grasos. Se ha utilizado un modelo de intervención nutricional en ratones con cohortes de animales alimentados con dietas que contenían manteca (rica en ácidos grasos saturados y MUFA), aceite de soja (rica en PUFA n-6), o aceite de pescado (rica en PUFA n-3) para realizar un estudio longitudinal de longevidad y estudios transversales para investigar parámetros principalmente relacionados con la mitocondria, como composición en ácidos grasos, fuga de protones, actividades de la cadena de transporte electrónico, generación de ROS, peroxidación lipídica, metabolismo del coenzima Q, ultraestructura mitocondrial y señalización apoptótica. En comparación con las otras dietas, la dieta con manteca maximizó los efectos positivos de la RC. Dos importantes marcadores del envejecimiento en hígado, fragmentación del DNA y tamaño nuclear, aumentaron de manera significativa con la edad en todos los grupos exceptuando el de los animales alimentados con una dieta de RC-manteca, presentando este grupo un aumento en la fisión mitocondrial. En riñón, la RC mitigó numerosas alteraciones estructurales relacionadas con el envejecimiento, encontrándose también los resultados óptimos en el grupo RC-manteca. El análisis longitudinal mostró un beneficio en longevidad para los distintos grupos alimentados en RC en el sentido: manteca > aceite de soja > aceite de pescado. Esta línea de investigación converge con otra centrada sobre CYB5R3 como un nuevo gen prolongevidad, mediante el desarrollo y caracterización de una estirpe de ratones transgénicos que sobreexpresan CYB5R3. Estos ratones mostraron mayor longevidad, mejoría en la sensibilidad a la insulina, menor inflamación, menor daño oxidativo y protección frente a la inducción de cáncer. Sin embargo, los ratones transgénicos tuvieron un mayor porcentaje de grasa y obtuvieron su energía preferentemente de los carbohidratos, indicando que la sobreexpresión de CYB5R3 puede contribuir a extender la longevidad a través de mecanismos diferentes a la RC. La expresión de genes relacionados con la síntesis de ácidos grasos y los niveles de PUFA de cadena larga, aumentaron considerablemente en los animales transgénicos. Sin embargo, no se conoce si estas alteraciones del perfil lipídico tisular contribuyen significativamente a los efectos prolongevidad del transgen, particularmente en músculo esquelético, donde tiene lugar el mayor incremento en la expresión de CYB5R3. Estos aspectos constituirán la base del trabajo de investigación planteado en esta Tesis, cuyos objetivos se definen a continuación. El objetivo general de este trabajo es determinar los mecanismos por los cuales CYB5R3 promueve una extensión de la longevidad en ratones, empleando para ello ratones transgénicos que sobreexpresen esta proteína, y realizando un diseño experimental de intervenciones dietéticas para analizar los efectos de la RC y de distintas fuentes grasas. Los estudios se centrarán en músculo esquelético, tejido postmitótico que tiene una contribución mayor al gasto metabólico en los animales. Para lograr este objetivo general se definen los siguientes objetivos específicos: Objetivo específico 1: Determinar la influencia de la sobreexpresión de CYB5R3 sobre procesos ligados a la mitocondria relevantes para la pauta de envejecimiento: señalización apoptótica, ultraestructura mitocondrial, biogénesis y dinámica mitocondrial, autofagia, así como niveles de coenzima Q. Objetivo específico 2: Determinar las condiciones dietéticas que maximizan la preservación metabólica por sobreexpresión de CYB5R3. Se estudiarán los efectos de la RC y del contenido graso de la dieta. Objetivo específico 3: Analizar el efecto de la edad estudiando los efectos de la sobreexpresión de CYB5R3 en animales viejos.