Disfunzione mitocondriale indotta da glucosio e non glucosio nella malattia renale diabetica

Astratto:Disfunzione mitocondrialesvolge un ruolo importante nella patogenesi e nella progressione dellamalattia renale diabetica(DKD). In questa recensione, discuteremo della disfunzione mitocondriale osservata inmodelli preclinici di DKDcosì come nella DKD clinica con un focus sufosforilazione ossidativa(OXPHOS), mitocondrialespecie reattive dell'ossigeno(mtROS), biogenesi, fissione e fusione, mitofagia e biomarcatori mitocondriali urinari. Verranno discusse sia la disfunzione mitocondriale indotta dal glucosio che quella non indotta dal glucosio. In termini di disfunzione mitocondriale indotta dal glucosio, si verifica lo spostamento energetico da OXPHOS alla glicolisi aerobica, chiamato effetto Warburg, e i conseguenti intermedi tossici del metabolismo del glucosio contribuiscono aLesione indotta da DKD. In termini di disfunzione mitocondriale non indotta dal glucosio, esamineremo i ruoli della lipotossicità, dell'ipossia e delle vie vasoattive, comprese le vie di segnalazione del recettore di tipo A dell'endotelina-1 (Edn1)/Edn1. Sebbene il contributo relativo di ciascuno di questi percorsi alla DKD rimanga poco chiaro, l’obiettivo di questa revisione è quello di evidenziare la complessità didisfunzione mitocondrialein DKD e discutere come i marcatori di disfunzione mitocondriale potrebbero aiutarci a stratificarepazienti a rischio di DKD. 

Parole chiave: malattia renale diabetica; disfunzione mitocondriale;specie reattive dell'ossigeno mitocondriali; Effetto Warburg

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1. Introduzione

Il numero di pazienti con diabete mellito è in espansione emalattia renale diabetica(DKD) è una causa importante dimicrovascolare diabeticocomplicanze che costituiscono un fattore di rischio indipendente per mortalità ed eventi cardiovascolari [1].

Il rene è uno degli organi che richiedono più energia e, dopo il cuore, è il secondo per più alta espressione di proteine ​​coinvolte nella funzione mitocondriale e nel consumo di ossigeno [2,3]. Il rene richiede energia principalmente per il riassorbimento dei soluti, tra gli altri compiti tra cui la rimozione dei rifiuti, il mantenimento dell’equilibrio elettrolitico e dei liquidi e l’omeostasi acido-base [4]. La generazione di un gradiente ionico attraverso la membrana plasmatica da parte della Na+/K+ -ATPasi è essenziale per il riassorbimento del soluto. Pertanto, si ipotizza che la disfunzione mitocondriale svolga un ruolo centrale nella patogenesi e nella progressione delle malattie renali, inclusa la DKD [5–7].

Poiché ciascun componente del nefrone ha un ruolo distinto e requisiti energetici diversi, le cause e i fenotipi della disfunzione mitocondriale possono differire tra i tipi di cellule del rene. In questa recensione, discuteremo i percorsi di disfunzione mitocondriale correlati e non correlati al glucosio che contribuiscono alla DKD in termini di categorie e cause.

2. Disfunzione mitocondriale nella DKD

A causa del ruolo critico dei mitocondri come centrale elettrica delle cellule, la disfunzione mitocondriale si riferisce tradizionalmente ad un’alterazione nella produzione di adenosina trifosfato (ATP) mediante fosforilazione ossidativa (OXPHOS). Tuttavia, poiché la nostra comprensione dei vari ruoli svolti dai mitocondri si è ampliata, la disfunzione mitocondriale ora include qualsiasi processo biologico anormale nei mitocondri [7]. In questa sezione discuteremo le diverse categorie di disfunzione mitocondriale che si verificano nella DKD e discuteremo il loro potenziale ruolo causale (Figura 1).

Figura 1. Disfunzione mitocondriale nella DKD. Se il livello dei ROS mitocondriali sia aumentato o diminuito è controverso e può variare a seconda dello stadio della DKD. OXPHOS, mitofagia e biogenesi sono generalmente diminuiti. L’aumento della fissione e la diminuzione della fusione causano la frammentazione dei mitocondri. OXPHOS: fosforilazione ossidativa, ROS: specie reattive dell'ossigeno, f: aumentato.: diminuito.

2.1. Fosforilazione ossidativa mitocondriale (OXPHOS)

Essendo la centrale elettrica delle cellule, il ruolo centrale dei mitocondri è la produzione di adenosina trifosfato (ATP). I metaboliti del glucosio, dei lipidi e degli amminoacidi vengono trasportati nella matrice mitocondriale, fungendo da substrati del ciclo dell'acido tricarbossilico (ICA). NADH e FADH2 vengono generati insieme alla reazione che alimenta gli elettroni nei complessi I e Il della catena di trasporto degli elettroni (ETC) . Mentre gli elettroni vengono trasportati attraverso la membrana, gli ioni H+ vengono pompati nello spazio intermembrana. Il complesso V o ATP sintasi utilizza questo gradiente protonico per generare ATP (Figura 2). Gli indici di attività e fitness di OXPHOS comprendono il tasso di consumo di ossigeno (OCR), la produzione di ATP, il potenziale di membrana e la valutazione di ciascun complesso (attività, formazione). In generale, è stato osservato che l’OCR nella corteccia renale è aumentato nella DKD iniziale, seguito da una diminuzione man mano che la DKD progredisce, mentre nei glomeruli e nei podociti l’OCR è diminuito sia nelle fasi iniziali che tardive della malattia [5]. Sebbene esista qualche discrepanza tra gli studi, è stato dimostrato che la produzione e l'attività complessa diminuiscono almeno nella fase avanzata della DKD (8,9). Il contributo della ridotta attivazione di OXPHOS alla DKD può essere dedotto dall'osservazione che alcune mutazioni genetiche in OXPHOS , come i polimorfismi a singolo nucleotide (SNP) nel coenzima 05 (CO05) e nel citocromo ossidasi (COX6A1), sono collegati alla DKD negli esseri umani (101. CO05 codifica la metiltransferasi situata nella matrice mitocondriale e COX6A1 codifica una subunità del citocromo c, che è parte dell'ETC.

Figura 2. Catena di trasporto degli elettroni (ETC) nella membrana interna mitocondriale. NADH e FADH2 dal ciclo TCA donano elettroni ai complessi I e II. Quando gli elettroni vengono trasportati attraverso l'ETC, viene generato un gradiente protonico, che il Complesso V o ATP sintasi si accoppia alla sintesi dell'ATP. La perdita di elettroni dall'ETC provoca la produzione di ROS. ADP, adenosina difosfato; ATP, adenosina trifosfato; Cyt C, complesso del citocromo; ROS, specie reattive dell'ossigeno; UQ, ubichinone; Ciclo del TCA, ciclo dell'acido tricarbossilico.

2.2. Specie mitocondriali reattive dell'ossigeno (mtROS)

Da quando Brownlee e colleghi hanno proposto che le specie reattive dell’ossigeno mitocondriale indotte dall’iperglicemia (mtROS) fossero il meccanismo unificante delle complicanze microvascolari diabetiche nel 2000, questo paradigma è stato prevalente [11,12]. Recentemente, la fonte dei ROS nella DKD e il ruolo patogeno dei ROS sono diventati controversi [13,14]. Sebbene possa esserci consenso sul fatto che il danno indotto dai ROS sia aumentato nella DKD, esistono studi contrastanti riguardo al cambiamento nella produzione di mtROS, che può essere attribuito ai diversi metodi utilizzati per rilevare mtROS o ai diversi modelli o punti temporali della DKD. Nei reni di topo con db/db sia vivi che fissi, è stato osservato un aumento dei ROS mitocondriali utilizzando una sonda proteica fluorescente verde sensibile alla riduzione e all'ossidazione localizzata nella matrice mitocondriale [15]. Al contrario, nei topi C57BL/6J iniettati con streptozotocina (STZ) e nei topi Ins2- Akita (topi DBA/B6 F1), è stata osservata una diminuzione del superossido mitocondriale in seguito alla somministrazione sistemica di diidroetidio (DHE) sia nei reni vivi che in quelli fissati. [16]. Quest'ultimo studio non preclude la produzione di ROS in altri compartimenti cellulari, incluso il reticolo endoplasmatico (ER) o sistemi enzimatici come la nicotinammide adenina dinucleotide fosfato ossidasi (Nox). In particolare, il ripristino della biogenesi mitocondriale e dell’attività OX PHOS mediante l’attivazione della proteina chinasi attivata dall’adenosina monofosfato (AMPK) ha aumentato il mtROS e migliorato il fenotipo DKD, discutendo contro il ruolo del mtROS nell’incitamento alla DKD

I ROS non svolgono un ruolo esclusivamente dannoso nella biologia cellulare. L’ormesi mitocondriale è il concetto secondo cui il superossido mitocondriale leggermente potenziato al basale può ridurre la suscettibilità allo stress cellulare più grave [13]. I ROS svolgono anche un ruolo essenziale in alcune vie di segnalazione cellulare, richiedendo un'ulteriore delucidazione delle complesse caratteristiche dei ROS.

2.3. Biogenesi

Le cellule fanno fronte alla crescente domanda di energia aumentando la biogenesi mitocondriale, in cui i mitocondri funzionali vengono generati dalla duplicazione del DNA mitocondriale (mtDNA) e dalla successiva fissione binaria. Il coattivatore 1 del recettore attivato dal proliferatore del perossisoma (PGC1) svolge un ruolo centrale nella biogenesi mitocondriale [17]. PGC1 è un regolatore trascrizionale delle vie metaboliche mitocondriali come la fosforilazione ossidativa (OXPHOS), il ciclo TCA e il metabolismo degli acidi grassi. I recettori attivati ​​dal proliferatore del perossisoma PGC1 (PPAR) e i recettori correlati agli estrogeni (ERR) possono anche fungere da coattivatori di PGC1. PGC1 dimerizza con coattivatori trascrizionali per regolare la trascrizione genica a valle e questi partner includono i fattori respiratori nucleari 1 e 2 (NRF1 e NRF2) della proteina ciclica AMP-responsive element-binding protein (CREB) e PPAR ed ERR attivati ​​[4]. Vie di rilevamento dei nutrienti come il bersaglio meccanicistico della rapamicina (mTOR), AMPK, sirtuina, AMP ciclico (cAMP) e guanosina monofosfato ciclico (cGMP) regolano PGC1 direttamente o indirettamente.

Nella DKD, sebbene esista qualche discrepanza tra gli studi probabilmente dovuta all'analisi in diversi stadi della malattia, si ritiene che l'attività della PGC1 sia aumentata nella fase iniziale del diabete, come dimostrato in topi db/db di 8-settimana, seguita da una diminuzione dell’attività nelle fasi successive, come dimostrato nei pazienti pre-trapianto e nei topi 24 settimane dopo l’induzione del diabete con iniezione di STZ [8,16,18,19]. Il gene sovraregolato della taurina 1 (Tug1), un lungo gene non codificante, è stato descritto come un regolatore di PGC1 nei podociti nella DKD [20]. È stato dimostrato che Tug1 si lega a un elemento a monte di Ppargc1a e interagisce con il legame di PGC1 al proprio promotore, migliorando successivamente l'attività del promotore di Ppargc1a.

2.4. Fissione e fusione mitocondriale

I mitocondri sono organelli dinamici che subiscono processi di fissione e fusione strettamente controllati. La fissione mitocondriale è mediata dalla proteina dinamin-1-like (DRP1) e dai suoi recettori come il fattore di fissione 1 (FIS1), il fattore di fissione mitocondriale (MFF) e le proteine ​​di dinamica mitocondriale di 49 e 51 kDa (MID49 e MID51). La fusione mitocondriale è mediata dalle isoforme lunghe della proteina 1 dell'atrofia ottica (OPA1), che svolge un ruolo nella fusione della membrana mitocondriale interna, e dalle mitofusine (MFN1 e MFN2) che svolgono un ruolo nella fusione della membrana mitocondriale esterna [5,6].

Sebbene l’aumento della fissione mitocondriale e dei fattori di fusione come le isoforme lunghe di OPA1, MFN1, MFN2 e MFF siano stati osservati nella DKD iniziale, i mitocondri erano costantemente frammentati durante le fasi iniziali e tardive nei ratti trattati con STZ [8]. Le biopsie renali umane di pazienti con DKD hanno anche dimostrato mitocondri frammentati nei podociti e nelle cellule tubulari prossimali [21,22]. Coerentemente con l'aumento della fissione e la diminuzione della fusione, l'espressione di Drp1 e FIS1 era aumentata, mentre l'espressione di MFN2 aveva dimostrato di essere diminuita nei tubuli in quest'ultimo studio.

2.5. Mitofagia

L'autofagia è un percorso che degrada e ricicla gli organelli e le macromolecole danneggiati e l'autofagia selettiva dei mitocondri è definita mitofagia. La mitofagia ha un ruolo fondamentale nel mantenimento della qualità mitocondriale rimuovendo i mitocondri danneggiati. La mitofagia può essere mediata dalla presunta chinasi 1 indotta dall'omologo della tensina e dalla fosfatasi (PINK1)/via mediata da parkin e da altre proteine ​​della membrana mitocondriale esterna come BCL2/adenovirus E1B 19 kDa proteina interagente con la proteina 3 (BNIP3) e NIP{{10 }}come la proteina X (NIX) o la proteina 1 contenente il dominio FUN14 del recettore mitofagico (FUNDC1).

Le vie PINK1 e mediate dalla parkina sono state studiate più estesamente delle altre [23]. PINK1 ha un dominio chinasico Ser/Thr e si trova inserito sia nella membrana mitocondriale interna che in quella esterna. Nei mitocondri sani, PINK1 viene tagliato in due punti dalle proteasi mitocondriali, portando alla sua dissociazione dalla membrana mitocondriale e alla degradazione da parte del sistema ubiquitina-proteasoma. Nei mitocondri depolarizzati, PINK1 sfugge alla scissione e risiede stabilmente nella membrana esterna. Successivamente, PINK1 si omodimerizza e si autofosforila per reclutare l'ubiquitina ligasi parkina E3 e l'ubiquitina, indirizzando i mitocondri verso la via mitofagica. Nella via ubiquitina-indipendente, le proteine ​​della membrana mitocondriale esterna come BNIP3, NIX o FUNDC1 reclutano la catena leggera 3 (LC3) della proteina 1A/1B associata ai microtubuli e inducono la mitofagia sotto determinati stimoli inclusa l'ipossia [24,25]. La cardiolipina, che in condizioni normali si trova nella membrana mitocondriale interna, viene esternalizzata da determinati stimoli e rilevata da LC3, facilitando il fagocimento dei mitocondri da parte degli autofagosomi [26]. P62 è un marcatore del carico autofagico e il suo accumulo può indicare una stagnazione nella degradazione attraverso il flusso autofagico. In generale, i livelli di mitofagia basale dei podociti sono elevati, il che può essere attribuito alle loro caratteristiche di differenziazione terminale. Al contrario, nelle cellule tubulari il livello di mitofagia è basso al basale ma può essere indotto come conseguenza dello stress.

La mitofagia è soppressa nella DKD, come dimostrato dai bassi livelli di espressione di PINK1/parkin nei podociti di topi diabetici indotti da STZ e dall'aumento dei livelli di espressione di p62 nelle cellule tubulari della biopsia ottenuta da pazienti con DKD [27-29]. La proteina interagente con la tioredossina (TXNIP) è stata implicata nella soppressione dell'autofagia tubulare e della mitofagia indotta da livelli elevati di glucosio [27]. È stato anche dimostrato che un alto livello di glucosio inibisce l'attività trascrizionale della classe forkhead-box O1 (FoxO1) attraverso la sua fosforilazione da parte di Akt (proteina chinasi B), portando alla downregulation di PINK1 [29]. L'effetto protettivo del mitochinone sulla DKD è stato parzialmente attribuito al ripristino dell'espressione della proteina PINK1 e parkin nelle cellule tubulari tramite l'attivazione di NRF2 [30].

2.6. Biomarcatore mitocondriale urinario

È utile rilevare la DKD nella fase iniziale della malattia in modo affidabile, preferibilmente prima che la microalbuminuria o una diminuzione della velocità di filtrazione glomerulare stimata (eGFR) diventi evidente, per prevenire un’ulteriore progressione verso la malattia renale allo stadio terminale. Poiché si ritiene che la disfunzione mitocondriale preceda i cambiamenti istologici evidenti nella DKD, i biomarcatori della disfunzione mitocondriale sono stati recentemente studiati in modo approfondito. Anche se questi studi hanno esaminato pazienti con DKD accertata, possono essere utili per identificare biomarcatori nei pazienti affetti da DKD. Uno studio sui metaboliti nelle urine ha riscontrato una soppressione globale della respirazione mitocondriale nei pazienti con DKD rispetto ai controlli senza DKD [19]. In accordo con l'idea che il mtDNA viene rilasciato dalle cellule tubulari danneggiate, lo stesso studio ha dimostrato un aumento del mtDNA nelle urine. Sebbene il mtDNA urinario avesse una correlazione inversa modesta ma significativa con il mtDNA intrarenale e l’eGFR al basale, è stata trovata una correlazione positiva con la fibrosi interstiziale. Il mtDNA urinario o il mtDNA dei campioni bioptici non erano significativamente correlati al declino dell’eGFR nei 24 mesi di follow-up [31]. Sono necessarie ulteriori indagini per determinare se i biomarcatori mitocondriali possono essere utilizzati clinicamente

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