Disfunción mitocondrial en enfermedad

Las mitocondrias son organelos esenciales para muchos aspectos de la homeostasis celular, incluyendo la producción de energía a través de la fosforilación oxidativa, el mantenimiento de la homeostasis del calcio y como componente crítico de la apoptosis. Debido a estos roles en las células, la función mitocondrial juega un rol importante en la salud celular y metabólica. Las alteraciones de la función mitocondrial pueden provocar un amplio rango de desórdenes como demencia, enfermedad de Alzheimer, epilepsia, enfermedad de Parkinson, ataxia, cardiomiopatía, enfermedad de arteria coronaria, síndrome de fatiga crónica, hepatitis C, cirrosis biliar primaria, diabetes y disfunción ovárica.

Aunque la investigación sobre las mitocondrias comenzó a finales del siglo XIX, su función y relevancia para la salud aún no está completamente entendida. Por ejemplo, aunque la disfunción mitocondrial ha sido asociada con la resistencia a la insulina (RI), una gran variedad de estudios, así como también manipulaciones genéticas en roedores, han reportado resultados contradictorios. Aún no está claro si existe una relación directa y si los cambios en la capacidad mitocondrial son causa o consecuencia de la RI. Otros estudios sugieren que la disfunción mitocondrial puede ser un mecanismo clave para la trasmisión intergeneracional de enfermedades metabólica a través de la reprogramación de la RI en la descendencia. La disminución en la fertilidad relacionada con la edad también ha sido asociada con la disfunción mitocondrial que puede causar envejecimiento ovárico. Esta idea es apoyada por la asociación de mutaciones en los genes mitocondriales con casos raros de insuficiencia ovárica primaria (IOP). Sin embargo, los datos sobre estos genes en particular son escasos, y la disfunción mitocondrial en general, contribuye a la mayoría de casos de IOP que carecen de una etiología conocida.

Las mitocondrias son organelos, heredados maternalmente, de doble membrana que son esenciales para producir energía en la forma de 5´-adenosina trifosfato (ATP) a partir de la oxidación de metabolitos de ácidos grasos, glucosa y aminoácidos a través de la acción combinada del ciclo de ácidos tricarboxílicos (TCA) en la matriz mitocondrial y la fosforilación oxidativa (OXPHOS) en la cadena transportadora de electrones (ETC) en la membrana interna mitocondrial. Las mitocondrias son organelos semiautónomos que tienen un genoma de 16,7 kilobases y contienen 37 genes que codifican 13 proteínas que funcionan en la ruta OXPHOS, así como 22 ARN de transferencia y 2 ARN ribosomales. Sin embargo, los estudios de proteomica mitocondrial han detectado al menos 1500 proteínas localizadas en las mitocondrias y la gran mayoría  son codificadas por el genoma nuclear. A diferencia del genoma nuclear, el genoma mitocondrial carece de histonas protectoras y de un mecanismo de reparación de ADN efectivo y esto hace al ADN mitocondrial (mtADN) más vulnerable a las mutaciones.  La actividad de la cadena respiratoria normal requiere un genoma mitocondrial intacto y funcional, y la interacción coordinada entre el ADN nuclear y el mtADN es esencial para una adecuada función mitocondrial que apoye muchas funciones celulares críticas como biogénesis de proteínas y ácidos nucleicos, síntesis de lípidos, regulación del ciclo celular y muerte celular programada, señal de calcio, ciclo del ácido cítrico, generación de especies reactivas de oxígeno (ROS) y protección antioxidante. Para proteger su integridad funcional, las mitocondrias emplean varias rutas de control de calidad que les permiten mantener sus funciones metabólicas normales. Las mitocondrias son organelos extremadamente dinámicos y pueden experimentar fisión y fusión para facilitar la adaptación a varios factores y estresores por remodelación de la red mitocondrial. Este proceso de control de calidad también ayuda a la destrucción por mitofagia (una forma de autofagia específica de las mitocondrias) en situaciones de disfunción mitocondrial. Otra ruta de control de calidad esencial es la respuesta de las proteínas no plegadas mitocondriales (mtUPR), la cual detecta proteínas mal plegadas de la matriz e induce un programa transcripcional adaptativo para mantener la proteostasis mitocondrial,  y también activa una respuesta citoplasmática induciendo componentes de la respuesta al shock térmico. Cuando el daño celular es muy grande, las mitocondrias juegan un rol esencial en la apoptosis, un mecanismo de muerte celular programada.

La activación de la ruta de las respuestas al estrés en mitocondrias individuales puede provocar deterioro de su función. Sin embargo, el origen global de la disfunción mitocondrial puede deberse a muchas causas, incluyendo una disminución en la biogénesis mitocondrial o un incremento en la pérdida mitocondrial, una reducción del contenido de proteínas mitocondriales o una reducción de la actividad de las enzimas del ciclo TCA o la ETC.  En algunos estudios, se refieren a la disfunción mitocondrial como una disminución de la actividad mitocondrial y la OXPHOS, otros señalan disminución del número de mitocondrias, mientras  varios estudios se centran en la generación de ROS. El deterioro de la función mitocondrial, independientemente de su causa, es una característica prominente de enfermedades metabólicas, cardiovasculares, renales, inflamatorias, reproductivas, musculares y neurodegenerativas, así como también del cáncer. Por ejemplo, varios estudios metabólicos en humanos sugieren la existencia de disfunción mitocondrial en individuos obesos y resistentes a la insulina y en pacientes con diabetes mellitus tipo 2 (DMT2). Estos individuos exhiben menor actividad de enzimas oxidativas y disminución del metabolismo de lípidos en músculo esquelético en comparación con los individuos delgados controles. La disfunción mitocondrial también ha sido documentada en mujeres con diabetes mellitus gestacional (DMG) quienes tienen el riesgo de desarrollar DMT2 más tarde. Específicamente, las pacientes con DMG tienen un reducido  contenido mitocondrial placentario que podría afectar el desarrollo fetal. La función mitocondrial óptima no solo es crucial para el desarrollo embrionario, sino también para la preservación de la calidad del oocito y la reserva ovárica.

La disfunción mitocondrial ha sido reportada en pacientes con DMT2 y también en individuos no diabéticos con RI. Muchos estudios han demostrado que la RI es fundamental para el desarrollo de DMT2 y está presente en la mayoría de individuos prediabéticos. Es también generalmente aceptado  que la DMT2 requiere tanto RI como defectos en la secreción de insulina. El análisis metabólico de los individuos con tolerancia a la glucosa normal con historia familiar de DMT2 indica que la RI predice el desarrollo de DMT2. Por el contrario, los estudios longitudinales demuestran que los defectos en la secreción de insulina emergen relativamente tarde en los individuos que desarrollan DMT2. La RI es definida  como la reducida capacidad de la insulina para promover el almacenamiento de nutrientes en músculo esquelético y tejido adiposo y para restringir la lipólisis y la producción hepática de glucosa.

La alteración en la función mitocondrial provoca  una reducción de la oxidación mitocondrial de  sustratos incluyendo ácidos grasos, lo cual resulta en  la acumulación ectópica de lípidos e incremento en los niveles de diacilgliceroles (DAG) y ceramidas (CER). DAG y CER inhiben la señal insulina. Numerosos estudios sugieren que los DAG provocan RI en hígado y músculo esquelético a través de la activación de la proteína quinasa C (PKC) que fosforila al receptor de insulina e inhibe su actividad tirosina quinasa, mientras las CER causan RI activando fosfatasas que inhiben la señal dependiente de insulina a nivel de la proteína quinasa AKT. Por otra parte, una disminución en el flujo de electrones a través de la ETC mitocondrial incrementa el escape de electrones hacia el oxígeno y la formación de superóxido. La producción de ROS daña los componentes miocondriales y celulares, lo cual normalmente resulta en mitofagia para mantener la homeostasis mitocondrial. Los altos niveles de ROS y estrés metabólico también pueden alterar la mitofagia resultando en la insuficiencia para aclarar mitocondrias dañadas y disfuncionales, exacerbando el estrés oxidativo y causando apoptosis. In vitro, la producción mitocondrial de ROS atenúa la acción de la insulina en adipocitos y miotubos en ratones, y elimina la translocación de GLUT4 estimulada por insulina interfiriendo con la activación por insulina de IRS-1 y PI3-quinasa. Estudios recientes indican que la desregulación de la homeostasis intracelular de Ca²⁺ puede jugar un rol en la patogénesis de la insensibilidad a la insulina y DMT2, pues la captación  de Ca²⁺ en las mitocondrias regula enzimas dependientes de Ca²⁺ que participan en el metabolismo de ácidos grasos vía OXPHOS y ciclo TCA.

Los estudios de individuos con RI, con DMT2 establecida o prediabéticos,  han confirmado algunos de los defectos en la función mitocondrial. Los humanos obesos con RI alimentados con una dieta rica en grasa exhiben aumento de la producción de H₂O₂ en músculo esquelético. Sin embargo, no está claro si la disfunción mitocondrial es primaria o secundaria al daño en el metabolismo de glucosa y lípidos. Esta controversia ha sido motivo de mucho debate en la comunidad científica. Algunos estudios reportan anormalidades en la función mitocondrial en biopsias de músculo esquelético de pacientes con RI y DMT2 con reducción de la síntesis de ATP en reposo en individuos con RI en comparación con individuos sensibles a insulina. Otros estudios reportan disminución  en el número de mitocondrias y la actividad de la ETC en individuos obesos y con DMT2 en comparación con voluntarios delgados. A nivel molecular, las enzimas citrato sintetasa, carnitina-palmitoil transferasa 1 y ciclooxigenasa están disminuidas en individuos obesos. La baja capacidad OXPHOS ha sido encontrada en biopsias de músculo esquelético y mitocondrias aisladas de individuos con DMT2. La biogénesis mitocondrial también puede contribuir a las alteraciones observadas en el número y la función de las mitocondrias. Los estudios transcriptómicos revelan una reducción coordinada en la expresión de genes regulada por el coactivador del receptor activado por proliferador de peroxisoma 1α (PGC1α), un factor de transcripción clave de la biogénesis mitocondrial, en pacientes con DMT2 tanto en ayuno como en estados estimulados por insulina. Las dinámicas  mitocondriales también son importantes. Los individuos obesos con RI tienen reducida la expresión del gen mitofusina 2 de la fusión mitocondrial en músculo esquelético, mientras las mutaciones de la proteína de  fusión  atrofia óptica 1 reduce la síntesis de ATP mitocondrial en  músculo esquelético. La pérdida del receptor de estrógeno en músculo esquelético o la remoción de los ovarios en ratones hembras causa RI y disminución de la masa y la función mitocondriales.

Varios grupos de investigadores han indicado un incremento compensatorio en la capacidad oxidativa mitocondrial asociada con la RI. Ratones y ratas alimentados con dietas ricas en grasas muestran mejoras en la sensibilidad a la insulina con función mitocondrial reducida. El incremento en el daño mitocondrial en ratones con mutaciones en la polimerasa causa estrés oxidativo y activación de la mtUPR en músculo esquelético provocando una elevada expresión de factor de crecimiento de diferenciación 15 (GDF15) y FGF21, los cuales protegen contra la RI. La mejora de la sensibilidad a la insulina también se observa en ratones con deficiencia de la proteína atrofia óptica 1 en músculo esquelético, posiblemente debida también al incremento en la producción de FGF21. El incremento compensatorio en la función mitocondrial en el contexto de RI sugiere que la disfunción mitocondrial no es un prerrequisito para RI en todas las circunstancias.

La disfunción mitocondrial  en DMT2 y RI también tiene efectos sobre la salud reproductiva y la reprogramación metabólica en las crías. Las mitocondrias son heredadas a partir de la madre por lo que la disfunción mitocondrial materna puede pasar al feto. La DMG es una forma de diabetes que puede ocurrir durante el embarazo y  confiere un mayor riesgo de desarrollo de DMT2 en la madre y el niño. Los estudios demuestran un incremento en la prevalencia de RI en niños nacidos de madres con DMG. Las mujeres con DMG tienen disfunción mitocondrial con un reducido contenido de mitocondrias en la placenta, el cual potencialmente podría ser trasmitido al niño y afectar el desarrollo fetal. Estas observaciones son apoyadas por estudios con ratones. La obesidad materna previa a la concepción está acoplada con función mitocondrial alterada en oocitos y cigotos que causa deficiencia en el desarrollo del blastocisto. Otro estudio demuestra que la disfunción mitocondrial en músculo esquelético puede pasar a la cría a partir de hembras obesas con RI, potencialmente  a través de la disfunción mitocondrial en los oocitos.

El síndrome de ovarios poliquísticos (PCOS) se caracteriza por hiperandrogenismo y oligo-ovulación, y ocurre en 6-10% de mujeres en edad reproductiva. La IOP, también referida como insuficiencia ovárica prematura, se distingue por la pérdida o función irregular de folículos ováricos antes de los 40 años de edad y se caracteriza por oleadas de calor, disturbios del sueño y disminución de energía en mujeres que presentan oligomenorrea o amenorrea. Las mujeres con PCOS  tienen RI y un elevado riesgo para desarrollar DMT2, enfermedad cardiovascular y cáncer endometrial, mientras las mujeres con IOP tienen incremento en el riesgo de sufrir DMT2, enfermedad cardiaca isquémica y disminución de la densidad ósea. Estas  anormalidades reproductivas han sido relacionadas con disfunción mitocondrial como modulador clave en la progresión de la enfermedad.  Si la alteración de la disfunción mitocondrial tiene un efecto causal o simplemente sirve para agravar la enfermedad, aún no está claro. La edad es un factor porque la fertilidad femenina disminuye después de un pico alrededor de los 20 años de edad con disminución severa alrededor de los 35 años de edad. Ambas enfermedades juegan un rol clave en la capacidad reproductiva de la mujer.

El contenido mitocondrial aumenta dramáticamente durante la oogénesis con una célula germinal primordial que contiene 10 mitocondrias por célula hasta  más de 100000 mitocondrias en el oocito preovulatorio maduro. Las mitocondrias son pequeñas y esféricas, contienen pocos cristales y una matriz densa. Con el incremento en el número de mitocondrias, la probabilidad de mutaciones en mtADN aumenta, lo cual  podría provocar heteroplasmia y, en última instancia, dañar a la cría. Sin embargo, la mayoría de las mitocondrias son inactivas en el oocito  y replican solamente en el estadio de blastocisto. Consistente con el incremento en el número de mitocondrias, las mutaciones en los genes que controlan la homeostasis mitocondrial, incluyendo aquellos involucrados en la fusión, fisión, respuesta al estrés y producción de energía, se encuentran en mujeres con PCOS o IOP. El incremento en mutaciones provoca un aumento en la producción de ROS por las mitocondrias que en última instancia maneja el envejecimiento prematuro. Los oocitos con mutaciones mtADN muestran bajas tasas de fertilización en estudios en ratones. Consistente con este hallazgo, los blastocistos de mujeres de edad  avanzada tienen mayor contenido de mutaciones mtADN.

La calidad del oocito depende de la capacidad de las células granulosas (CG) del ovario para generar la energía requerida durante la oogénesis. La acumulación de ROS en el líquido folicular y las CG podría ser la causa de la alteración de la calidad del oocito y el pobre desarrollo embrionario en mujeres con PCOS o IOP. Por tanto, la regulación de los niveles de ROS en las mitocondrias es crítico porque los niveles de ROS están relacionados con la respuesta al estrés, la inducción de mtUPR, la captación de lípidos, la producción de esteroides y la muerte celular. Adicionalmente, los altos niveles de testosterona en las mujeres con PCOS puede incrementar la susceptibilidad al daño del ADN, La mitocondria es el sitio del metabolismo del colesterol y la producción de esterol. El colesterol es transportado a la membrana mitocondrial interna en la célula tecal del ovario por la proteína reguladora aguda de esteroides (StAR), donde es convertido en progesterona y andrógenos, los cuales son absorbidos por las CG y convertidos en estrógenos. Las mujeres con PCOS tienen elevada la relación andrógeno/estrógeno debido a la alteración en la aromatización de los andrógenos. Por otra parte, la obesidad  está relacionada con un incremento en la expresión/secreción de andrógenos y  bajos niveles de estrógenos en mujeres con IOP.

En la ETC, la coenzima transportadora de electrones Q10 sirve para transportar los electrones de los complejos I y II al complejo III y también sirve como antioxidante. Por esta razón, la coenzima Q10 ha sido usada como un blanco terapéutico para mejorar la calidad del oocito en estudios con animales. La proteína desacetilasa dependiente de NAD sirtuina-1 (SIRT1) promueve la biogénesis mitocondrial a través de efectos sobre la acetilación del PGC1α. El  resveratrol, un activador de SIRT1, incrementa los niveles de mtADN y el potencial de membrana, aumentando,  los niveles de ATP en el oocito y disminuyendo los niveles de ROS y, por tanto, mejora la fertilización en animales. Asimismo, la melatonina puede reducir el estrés oxidativo y prevenir la disminución en la fertilidad.

En conclusión, durante los últimos 25 años, muchos estudios han reportado cambios  en la función mitocondrial en la patogénesis de enfermedades, incluyendo DMT2 y disfunción ovárica. El hallazgo que la disfunción mitocondrial y la RI pueden pasar de la madre a la cría sugiere que la disfunción mitocondrial puede ser el defecto subyacente común que relaciona el desbalance metabólico con problemas reproductivos. La disfunción mitocondrial puede involucrar mutación de mtADN, reducción en el contenido y/o la biogénesis de mitocondrias, alteración de  la dinámica (fisión/fusión) mitocondrial y la mitofagia, disminución de la producción de energía y la actividad enzimática, aumento de la producción de ROS y  un desbalance en la homeostasis de calcio que causa disminución de la oxidación de glucosa y lípidos. El incremento en el contenido mitocondrial en oocitos preovulatorios maduros y células granulosas aumenta la probabilidad de mutaciones en el mtADN, la activación de mtURP y la producción de ROS que disminuyen la calidad del oocito y la reproducción.

Fuente: Das M et al (2021). Mitochondrial dysfunction in obesity and reproduction. Endocrinology 162:1-13.