Los oxidantes generalmente se producen de manera controlada para regular los procesos esenciales en el cuerpo humano, incluida la división celular, la inflamación, la función inmunológica, la autofagia y la respuesta al estrés. Sin embargo, la producción descontrolada de estos oxidantes puede contribuir a estrés oxidativo, que puede afectar la función celular, conduciendo al desarrollo de toxicidad, enfermedades crónicas y cáncer. Los mecanismos antioxidantes protectores del cuerpo humano están regulados por una serie de vías vitales que controlan la respuesta de la célula a los oxidantes. El factor nuclear relacionado con el eritroide 2, también conocido como Nrf2, es un regulador emergente de la resistencia celular a los oxidantes. El propósito del artículo a continuación es discutir y demostrar el rol emergente de Nrf2 en la función mitocondrial.
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El factor de transcripción NF-E2 factor 45 relacionado con p2 (Nrf2; nombre del gen NFE2L2) permite la adaptación y supervivencia en condiciones de estrés al regular la expresión génica de diversas redes de proteínas citoprotectoras, incluidas enzimas antioxidantes, antiinflamatorias y de desintoxicación. como proteínas que ayudan en la reparación o eliminación de macromoléculas dañadas. Nrf2 tiene un papel crucial en el mantenimiento de la homeostasis redox celular al regular la biosíntesis, la utilización y la regeneración de glutatión, tiorredoxina y NADPH y al controlar la producción de especies reactivas de oxígeno por las mitocondrias y la NADPH oxidasa. En condiciones homeostáticas, Nrf2 afecta el potencial de la membrana mitocondrial, la oxidación de ácidos grasos, la disponibilidad de sustratos (NADH y FADH2 / succinato) para la respiración y la síntesis de ATP. En condiciones de estrés o estimulación del factor de crecimiento, la activación de Nrf2 contrarresta el aumento de la producción de especies reactivas de oxígeno en las mitocondrias a través de la regulación positiva transcripcional de la proteína desacoplante 3 e influye en la biogénesis mitocondrial al mantener los niveles del factor respiratorio nuclear 1 y el receptor activado por el proliferador de peroxisomas. coactivador 1 ?, así como promoviendo la biosíntesis de nucleótidos de purina. Los activadores farmacológicos de Nrf2, como el isotiocianato sulforafano de origen natural, inhiben la apertura mediada por oxidantes del poro de transición de la permeabilidad mitocondrial y la hinchazón mitocondrial. Curiosamente, se encontró que un compuesto sintético de 1,4-difenil-1,2,3-triazol, originalmente diseñado como un activador de Nrf2, promueve la mitofagia, contribuyendo así a la homeostasis mitocondrial general. Por lo tanto, Nrf2 es un actor destacado en el apoyo a la integridad estructural y funcional de las mitocondrias, y este papel es particularmente crucial en condiciones de estrés.
Palabras clave: Bioenergéticos, Citoprotección, Keap1, Mitocondrias, Nrf2, Radicales libres.
El factor de transcripción NF-E2 factor 45 relacionado con p2 (Nrf2; nombre del gen NFE2L2) regula la expresión de redes de genes que codifican proteínas con diversas actividades citoprotectoras. La propia Nrf2 se controla principalmente al nivel de la estabilidad de la proteína. En condiciones basales, Nrf2 es una proteína de vida corta que está sujeta a ubiquitinación continua y degradación proteasomal. Hay tres sistemas de ubiquitina ligasa conocidos que contribuyen a la degradación de Nrf2. Históricamente, el primer regulador negativo de Nrf2 que se descubrió fue la proteína 1 asociada a ECH similar a Kelch (Keap1) [1], una proteína adaptadora de sustrato para la ubiquitina ligasa Cullin 3 (Cul3) / Rbx1 [2], [3], [ 4]. Keap1 utiliza un mecanismo cíclico altamente eficiente para apuntar a Nrf2 para ubiquitinación y degradación proteasomal, durante la cual Keap1 se regenera continuamente, permitiendo que el ciclo continúe (Fig. 1A) [5]. Nrf2 también se somete a degradación mediada por glucógeno sintasa quinasa (GSK) 3 / \ beta - ubiquitina ligasa basada en Cul1 dependiente de TrCP [6], [7]. Más recientemente, se informó que, durante condiciones de estrés del retículo endoplásmico, Nrf2 se ubiquitina y se degrada en un proceso mediado por la ubiquitina ligasa E3 Hrd1 [8].
Además de servir como una proteína adaptadora de sustrato de la ubiquitina ligasa, Keap1 también es el sensor para una amplia gama de activadores de moléculas pequeñas de Nrf2 (denominados inductores) [9]. Los inductores bloquean el ciclo de degradación mediada por Keap1 de Nrf2 modificando químicamente residuos de cisteína específicos dentro de Keap1 [10], [11] o interrumpiendo directamente la interfaz de enlace Keap1: Nrf2 [12], [13]. En consecuencia, Nrf2 no se degrada y el factor de transcripción se acumula y se transloca al núcleo (Fig. 1B), donde forma un heterodímero con una pequeña proteína Maf; se une a los elementos de respuesta antioxidante, las regiones reguladoras en sentido ascendente de sus genes objetivo; e inicia la transcripción [14], [15], [16]. La batería de objetivos Nrf2 comprende proteínas con diversas funciones citoprotectoras, incluidas enzimas del metabolismo xenobiótico, proteínas con funciones antioxidantes y antiinflamatorias, y subunidades proteasomales, así como proteínas que regulan la homeostasis redox celular y participan en el metabolismo intermedio.
La función de Nrf2 como regulador maestro de la homeostasis redox celular es ampliamente reconocida. La expresión génica de las subunidades catalítica y reguladora de la \ beta - glutamil cisteína ligasa, la enzima que cataliza el paso limitante de la velocidad en la biosíntesis de glutatión reducido (GSH), está directamente regulada por Nrf2 [17]. La subunidad xCT del sistema xc-, que importa cistina a las células, también es un objetivo transcripcional directo de Nrf2 [18]. En la célula, la cistina se convierte en cisteína, un precursor de la biosíntesis de GSH. Además de su papel en la biosíntesis de GSH, Nrf2 proporciona los medios para el mantenimiento del glutatión en su estado reducido mediante la regulación transcripcional coordinada de la glutatión reductasa 1 [19], [20], que reduce el glutatión oxidado a GSH utilizando equivalentes reductores de NADPH . El NADPH requerido es proporcionado por cuatro enzimas principales generadoras de NADPH, enzima málica 1 (ME1), isocitrato deshidrogenasa 1 (IDH1), glucosa-6-fosfato deshidrogenasa (G6PD) y 6-fosfogluconato deshidrogenasa (PGD), todas las cuales son regulado transcripcionalmente en parte por Nrf2 (Fig. 2) [21], [22], [23], [24]. Curiosamente, Nrf2 también regula la expresión génica inducible de las formas citosólica, microsomal y mitocondrial de la aldehído deshidrogenasa [25], que utilizan NAD (P) + como cofactor, dando lugar a NAD (P) H. De hecho, los niveles de NADPH y la relación NADPH / NADP + son más bajos en los fibroblastos embrionarios aislados de ratones Nrf2-knockout (Nrf2-KO) en comparación con las células de sus homólogos de tipo salvaje (WT), y los niveles de NADPH disminuyen con la caída de Nrf2 en líneas de células cancerosas con Nrf2 constitutivamente activo [26]. Como era de esperar, los niveles de GSH son más bajos en las células en las que se ha alterado Nrf2; por el contrario, la activación de Nrf2 por medios genéticos o farmacológicos conduce a una regulación positiva de GSH [27], [28], [29]. Es importante destacar que Nrf2 también regula la expresión génica de tiorredoxina [30], [31], [32], tiorredoxina reductasa 1 [28], [29], [32], [33] y sulfiredoxina [34], que son esenciales para la reducción de tioles proteicos oxidados.
Dado el papel crucial de Nrf2 como regulador principal de la homeostasis redox celular, no es sorprendente que, en comparación con las células WT, los niveles de especies reactivas de oxígeno (ROS) sean más altas en las células en las que se ha interrumpido Nrf2 (Nrf2-KO) [35]. Esta diferencia es particularmente sorprendente cuando se trata de agentes que causan estrés oxidativo. Además, las células deficientes en Nrf2 son mucho más sensibles a la toxicidad de oxidantes de varios tipos y no pueden ser protegidas por inductores de Nrf2, que, en las mismas condiciones, proporcionan una protección eficiente y duradera a las células WT [29], [36] , [37]. Además de la homeostasis redox celular general, Nrf2 también es crítico para el mantenimiento de la homeostasis redox mitocondrial. Por lo tanto, en comparación con WT, el total de NADH mitocondrial aumenta significativamente en Keap1-KO y disminuye dramáticamente en las células Nrf2-KO [35].
Usando imágenes de células vivas, recientemente monitoreamos las tasas de producción de ROS en cocultivos glioneuronales primarios y cortes de tejido cerebral aislados de ratones WT, Nrf2-KO o Keap1-KdownX (Keap1-KD) [38]. Como se esperaba, la tasa de producción de ROS fue más rápida en células y tejidos Nrf2-KO en comparación con sus contrapartes WT. Sin embargo, hicimos la observación inesperada de que, en comparación con WT, las células Keap1-KD también tienen tasas más altas de producción de ROS, aunque la magnitud de la diferencia entre los genotipos WT y Keap1-KD fue menor que entre WT y Nrf2-KO . Luego analizamos los niveles de ARNm de NOX2 y NOX4, las subunidades catalíticas de las dos isoformas NADPH oxidasa (NOX) que han sido implicadas en la patología cerebral, y encontramos que NOX2 se incrementa dramáticamente en condiciones de deficiencia de Nrf2, mientras que NOX4 se regula al alza cuando NrfXXX Se activa constitutivamente, aunque en menor medida. Cuantitativamente, la magnitud de la regulación al alza en las células y tejidos de los ratones mutantes es paralela al aumento correspondiente en la producción de ROS [2]. Curiosamente, Nrf38 no solo regula la NADPH oxidasa, sino que las ROS producidas por la NADPH oxidasa pueden activar la Nrf2, como se muestra en las células epiteliales pulmonares y los cardiomiocitos [2], [39]. Además, un estudio muy reciente ha demostrado que la activación de Nrf40 dependiente de la oxidasa NADPH constituye un importante mecanismo endógeno para la protección contra el daño mitocondrial y la muerte celular en el corazón durante la sobrecarga crónica de presión [2].
Además de la actividad catalítica de la NADPH oxidasa, la respiración mitocondrial es otra fuente intracelular importante de ROS. Mediante el uso de la sonda de mitocondria MitoSOX específica, hemos examinado la contribución de las ROS de origen mitocondrial a la producción general de ROS en cocultivos glioneuronales primarios aislados de ratones WT, Nrf2-KO o Keap1-KD [38]. Como se esperaba, las células Nrf2-KO tuvieron tasas más altas de producción de ROS mitocondrial que WT. De acuerdo con los hallazgos para la producción global de ROS, las tasas de producción de ROS mitocondrial en Keap1-KD también fueron más altas en comparación con las células WT. Es importante destacar que el bloqueo del complejo I con rotenona causó un aumento dramático en la producción de ROS mitocondrial tanto en las células WT como en las Keap1-KD, pero no tuvo efecto en las células Nrf2-KO. En contraste con el aumento esperado en la producción de ROS mitocondrial en las células WT después de la adición de piruvato (para mejorar la disponibilidad de NADH, aumentar el potencial de la membrana mitocondrial y normalizar la respiración), la producción de ROS disminuyó en las células Nrf2-KO. En conjunto, estos hallazgos sugieren fuertemente que, en ausencia de Nrf2: (i) la actividad del complejo I está deteriorada, (ii) la actividad dañada del complejo I se debe a la limitación de los sustratos, y (iii) la actividad dañada del complejo I es una de las razones principales del aumento de la producción de ROS mitocondrial, posiblemente debido al flujo de electrones inversos del complejo II.
El potencial de membrana mitocondrial (?? m) es un indicador universal de la salud mitocondrial y del estado metabólico de la célula. En una célula sana, ?? m es mantenido por la cadena respiratoria mitocondrial. Curiosamente, un marcaje isotópico estable con aminoácidos en un estudio de proteómica basado en cultivo en la línea celular MCF10A epitelial de mama humana no tumorigénica negativa para el receptor de estrógeno ha demostrado que el componente de la cadena de transporte de electrones mitocondrial NDUFA4 está regulado positivamente por la activación farmacológica (por sulforafano) de Nrf2, mientras que la regulación al alza genética de Nrf2 (por caída de Keap1) conduce a la regulación a la baja de las subunidades de la citocromo c oxidasa COX2 y COX4I1 [42]. Un estudio del proteoma hepático utilizando electroforesis en gel bidimensional y espectrometría de masas de ionización / desorción láser asistida por matriz ha descubierto que Nrf2 regula la expresión de la subunidad de ATP sintasa? [43]. Además, se ha informado que la proteína mitocondrial DJ-1, que desempeña un papel en el mantenimiento de la actividad del complejo I [44], estabiliza Nrf2 [45], [46], aunque los efectos neuroprotectores de la activación farmacológica o genética de Nrf2 son independientes de DJ-1 [47]. Sin embargo, no se han investigado las consecuencias de estas observaciones para la función mitocondrial.
De acuerdo con la alteración de la actividad del complejo I en condiciones de deficiencia de Nrf2, la ?? m basal es menor en fibroblastos embrionarios de ratón (MEF) Nrf2-KO y células glioneuronales primarias cultivadas en comparación con sus contrapartes WT (Figura 3, recuadro) [35]. En contraste, el ?? m basal es más alto cuando Nrf2 está regulado genéticamente de manera constitutiva (por caída o desactivación de Keap1). Estas diferencias en ?? m entre los genotipos indican que la respiración se ve afectada por la actividad de Nrf2. De hecho, la evaluación del consumo de oxígeno en el estado basal ha revelado que, en comparación con WT, el consumo de oxígeno es menor en los MEF de Nrf2-KO y Keap1-KO, en ~ 50 y ~ 35%, respectivamente.
Estas diferencias en my respiración entre los genotipos se reflejan en la tasa de utilización de sustratos para la respiración mitocondrial. La aplicación de sustratos para el ciclo del ácido tricarboxílico (TCA) (malato / piruvato, que a su vez aumentan la producción del sustrato del complejo I NADH) o succinato de metilo, un sustrato del complejo II, provoca un aumento escalonado de ?? m en ambos WT y neuronas Keap1-KD, pero la tasa de aumento es mayor en las células Keap1-KD. Más importante aún, las formas de la respuesta a estos sustratos del ciclo de TCA son diferentes entre los dos genotipos, por lo que el rápido aumento de? M en las células Keap1-KD tras la adición de sustrato es seguido por una caída rápida en lugar de una meseta, lo que sugiere una inusual consumo rápido de sustrato. Estos hallazgos concuerdan estrechamente con los niveles mucho más bajos (en un 50-70%) de malato, piruvato y succinato que se han observado después de un pulso de 1 h de glucosa [U-13C6] en Keap1-KO en comparación con WT MEF células [24]. En las neuronas Nrf2-KO, solo el piruvato es capaz de aumentar el m, mientras que el malato y el succinato de metilo provocan una despolarización leve. El efecto de Nrf2 sobre la producción de sustrato mitocondrial parece ser el principal mecanismo por el cual Nrf2 afecta la función mitocondrial. El índice redox de NADH mitocondrial (el equilibrio entre el consumo de NADH por el complejo I y la producción de NADPH en el ciclo de TCA) es significativamente menor en las células Nrf2-KO en comparación con sus contrapartes WT, y además, las tasas de regeneración de los grupos de NADH y FADH2 después de la inhibición del complejo IV (mediante el uso de NaCN) son más lentos en las células mutantes.
En las mitocondrias aisladas de cerebro e hígado murinos, la suplementación de sustratos para el complejo I o para el complejo II aumenta la tasa de consumo de oxígeno con más fuerza cuando se activa Nrf2 y menos eficientemente cuando se interrumpe Nrf2 [35]. Por lo tanto, el malato induce una mayor tasa de consumo de oxígeno en Keap1-KD en comparación con WT, pero su efecto es más débil en las mitocondrias Nrf2-KO. De manera similar, en presencia de rotenona (cuando se inhibe el complejo I), el succinato activa el consumo de oxígeno en mayor medida en Keap1-KD en comparación con WT, mientras que la respuesta en las mitocondrias Nrf2-KO está disminuida. Además, los cultivos neuronales primarios de Nrf2-KO y los ratones son más sensibles a la toxicidad de los inhibidores del complejo II, ácido 3-nitropropiónico y malonato, mientras que el trasplante intraestriatal de astrocitos que sobreexpresan Nrf2 es protector [48], [49]. De manera similar, los ratones Nrf2-KO son más sensibles, mientras que la activación genética o farmacológica de Nrf2 tiene efectos protectores contra la neurotoxicidad causada por el complejo I inhibidor del ion 1-metil-4-fenilpiridinio en el 1-metil-4-fenil-1,2,3,6, Modelo animal de 49-tetrahidropiridina de la enfermedad de Parkinson [50], [51], [52], [53], [54], [55], [56], [57], [58], [59], [60], [61], [XNUMX].
La relación de control respiratorio (RCR), la relación del estado 3 (estimulada por ADP) y la respiración del estado 4 (sin ADP presente), disminuye en ausencia de Nrf2, pero la RCR es similar entre la mitocondria Keap1-KD y WT [35 ]. Como el RCR es una indicación del grado de acoplamiento de la actividad de la cadena respiratoria mitocondrial a la fosforilación oxidativa, este hallazgo indica que la mayor tasa de respiración en las mitocondrias Keap1-KD no se debe al desacoplamiento de la fosforilación oxidativa. También sugiere que la fosforilación oxidativa es más eficiente cuando se activa Nrf2. La tasa más alta de respiración en las mitocondrias Keap1-KD es consistente con los niveles más altos de producción de ROS mitocondrial [38], ya que las tasas más altas de respiración pueden conducir a un aumento de la fuga de electrones. Sin embargo, bajo condiciones de estrés oxidativo, el aumento de la producción de ROS se contrarresta con la regulación transcripcional dependiente de Nrf2 de la proteína de desacoplamiento 3 (UCP3), que aumenta la conductancia protónica de la membrana interna mitocondrial y, por consiguiente, disminuye la producción de superóxido [62]. Muy recientemente, se demostró que el producto de la peroxidación lipídica 4-hydroxy-2-nonenal media la regulación positiva dependiente de Nrf2 de UCP3 en cardiomiocitos; esto podría ser particularmente importante para la protección en condiciones de estrés oxidativo como las que se producen durante la isquemia-reperfusión [63].
De acuerdo con el efecto de Nrf2 sobre la respiración, en las mitocondrias del cerebro y del hígado, la deficiencia de Nrf2 da como resultado una disminución de la eficiencia de la fosforilación oxidativa (estimada por la relación de ADP a oxígeno, que se consume para la síntesis de ATP), mientras que la activación de Nrf2 (Keap1 -KD) tiene el efecto contrario [35]. En comparación con WT, los niveles de ATP son significativamente más altos en células con regulación al alza constitutiva de Nrf2 y más bajos cuando Nrf2 es derribado [64] o alterado [35]. Además, el uso de inhibidores de la fosforilación oxidativa (oligomicina) o de la glucólisis (ácido yodoacético) ha revelado que Nrf2 cambia la forma en que las células producen ATP. Por tanto, en las neuronas WT, la oligomicina provoca una caída completa del ATP y el ácido yodoacético no tiene ningún efecto adicional. De manera notable, en las células Nrf2-KO, la oligomicina aumenta los niveles de ATP, que luego son agotados lenta pero completamente por el ácido yodoacético, lo que indica que en ausencia de Nrf2, la glucólisis, y no la fosforilación oxidativa, es la principal fuente de producción de ATP. Curiosamente, a pesar de la mayor eficacia de la fosforilación oxidativa en las células Keap1-KD, la adición de oligomicina produce una disminución de ~ 80% en los niveles de ATP y el ácido yodoacético provoca una disminución adicional de ~ 20%. Por tanto, la deficiencia de Nrf2 o su activación constitutiva reduce la contribución de la fosforilación oxidativa y aumenta la contribución de la glucólisis a la síntesis de ATP. Este efecto es particularmente pronunciado cuando Nrf2 está ausente y es consistente con la dependencia del ?? m de la presencia de glucosa en el medio [35] y el aumento de los niveles de intermedios glucolíticos (G-6-P, F-6-P , dihidroxiacetona fosfato, piruvato y lactato) después de la eliminación de Nrf2 [24].
El aumento de los niveles de ATP después de la inhibición de la F1F0-ATPasa por la oligomicina indica que en ausencia de Nrf2, la F1F0-ATPasa funciona como una ATPasa y no como una ATP sintasa, es decir, funciona a la inversa. Tal inversión en la actividad refleja muy probablemente la necesidad de bombear protones a través de la membrana mitocondrial interna en un intento de mantener la ?? m, que es crucial para la integridad funcional de este orgánulo. La inversión de la función de la F1F0-ATPasa también se pone de manifiesto por la despolarización mitocondrial observada tras la administración de oligomicina a las células Nrf2-KO, que contrasta claramente con la hiperpolarización que se produce en sus contrapartes deficientes en WT o Keap1 [35]. En general, parece que en condiciones de deficiencia de Nrf2, el ATP se produce principalmente en la glucólisis, y luego este ATP es utilizado en parte por la F1F0-ATPasa para mantener la \ Delta m.
El efecto de la deficiencia de Nrf2 en el ?? m es particularmente pronunciado cuando las células se incuban en medio sin glucosa, y el ?? m es ~ 50% más bajo en Nrf2-KO en comparación con las células WT [35]. En condiciones de privación de glucosa, la oxidación de ácidos grasos mitocondriales (FAO) es un importante proveedor de sustratos para la respiración y la fosforilación oxidativa, lo que sugiere que Nrf2 puede afectar a la FAO. De hecho, la eficiencia de la FAO tanto para el ácido palmítico de ácido graso saturado de cadena larga (C16: 0) como para el ácido hexanoico de cadena corta (C6: 0) es mayor en los MEF de Keap1-KO y en las mitocondrias aisladas del corazón y el hígado que en sus Contrapartes WT, mientras que es menor en células Nrf2-KO y mitocondrias [65]. Estos efectos también son muy relevantes para los seres humanos: de hecho, en estudios de intervención humana con dietas ricas en glucorafanina, el precursor del clásico activador Nrf2 sulforafano, se ha informado que se producen cambios metabólicos indicativos de una mejor integración de la FAO con la actividad del ciclo del TCA [ 66].
Durante el primer paso de la FAO mitocondrial, el hidrógeno pro-R del carbono \ beta sale como un hidruro que reduce el cofactor FAD a FADH2, que a su vez transfiere electrones a ubiquinona (UbQ) en la cadena respiratoria, contribuyendo en última instancia a la producción de ATP. . Mientras que la estimulación de la FAO por palmitoilcarnitina en ausencia de glucosa provoca el aumento esperado de los niveles de ATP en las células WT y Keap1-KO, siendo el aumento de ATP más rápido en las células Keap1-KO, el tratamiento idéntico no produce cambios de ATP en Nrf2-KO. MEF [65]. Este experimento demuestra que, en ausencia de Nrf2, la FAO está suprimida y, además, implica la supresión de la FAO como una de las razones de los niveles más bajos de ATP en condiciones de deficiencia de Nrf2 [35], [64].
Cabe destacar que las células T 293 humanas en las que Nrf2 ha sido silenciada tienen una expresión más baja de CPT1 y CPT2 [67], dos isoformas de carnitina palmitoiltransferasa (CPT), la enzima limitante de la velocidad en la FAO mitocondrial. De acuerdo, los niveles de ARNm de Cpt1 son más bajos en hígados de Nrf2-KO en comparación con los ratones WT [68]. CPT cataliza la transferencia del grupo acilo de una acil-CoA grasa de cadena larga de la coenzima A a l-carnitina y, por lo tanto, permite la importación de acilcarnitina desde el citoplasma a las mitocondrias. Aunque esto no se ha examinado hasta la fecha, es posible que además de los efectos transcripcionales en la expresión de CPT1, Nrf2 también pueda afectar la función de esta enzima al controlar los niveles de su principal inhibidor alostérico, malonil-CoA. Esto se debe a que, por un mecanismo que actualmente no está claro, Nrf2 regula negativamente la expresión de estearoil CoA desaturasa (SCD) [69] y citrato liasa (CL) [69], [70]. Curiosamente, la desactivación o inhibición de la SCD conduce a un aumento de la fosforilación y activación de la proteína quinasa activada por AMP (AMPK) [71], [72], [73], y se puede especular que, en ausencia de Nrf2, los niveles de SCD aumentará, a su vez reduciendo la actividad de AMPK. Esto podría verse agravado aún más por los niveles reducidos de proteína de AMPK que se han observado en hígados de ratones Nrf2-KO [68], un hallazgo que está muy de acuerdo con el aumento de los niveles de AMPK, que se ha informado en hígados de Keap1-KD ratones [74]. Una consecuencia de la disminución de la actividad de AMPK es el alivio de su fosforilación inhibitoria (en Ser79) de la acetil-CoA carboxilasa (ACC) [75], que podría estar aún más regulada transcripcionalmente en ausencia de Nrf2 porque está disminuida por la activación de Nrf2 [70 ]. La alta actividad de ACC, en combinación con la expresión de CL regulada al alza que aumentará la producción de acetil-CoA, el sustrato para el ACC, puede finalmente aumentar los niveles del producto de ACC, malonil-CoA. Los altos niveles de malonil-CoA inhibirán la CPT, disminuyendo así el transporte de ácidos grasos a las mitocondrias. Finalmente, Nrf2 regula positivamente la expresión de CD36 [76], una translocasa que importa ácidos grasos a través del plasma y las membranas mitocondriales. Por lo tanto, un mecanismo por el cual Nrf2 puede afectar la eficiencia de la FAO mitocondrial es mediante la regulación de la importación de ácidos grasos de cadena larga en las mitocondrias.
Además de la regulación transcripcional directa, Nrf2 también puede alterar la eficiencia de la FAO mitocondrial por sus efectos sobre el metabolismo redox celular. Esto puede ser especialmente relevante cuando la actividad de Nrf2 es baja o está ausente, condiciones que cambian el estado redox celular hacia el estado oxidado. De hecho, varias enzimas de la FAO han sido identificadas como sensibles a los cambios redox. Una de estas enzimas es la acil-CoA deshidrogenasa de cadena muy larga (VLCAD), que aporta más del 80% a la actividad de deshidrogenación de palmitoil-CoA en tejidos humanos [77]. Curiosamente, Hurd et al. [78] ha demostrado que VLCAD contiene residuos de cisteína que cambian significativamente su estado redox tras la exposición de mitocondrias aisladas del corazón de rata a H2O2. Además, la S-nitrosilación de VLCAD hepática murina en Cys238 mejora la eficacia catalítica de la enzima [79], y es probable que la oxidación de la misma cisteína tenga el efecto opuesto, lo que finalmente reduce la eficiencia de la FAO mitocondrial. Por lo tanto, es posible que, aunque los niveles de expresión de VLCAD no sean significativamente diferentes en los MEF de WT, Nrf2-KO o Keap1-KO [65], la actividad enzimática de VLCAD podría ser menor en ausencia de Nrf2 debido a los niveles más altos de ROS.
Con base en todos estos hallazgos, se puede proponer que (Fig. 3): en ausencia de Nrf2, los niveles de NADPH son más bajos debido a la disminución de la expresión de ME1, IDH1, G6PD y PGD. Los niveles de glutatión reducido también son más bajos debido a la disminución de la expresión de enzimas que participan en su biosíntesis y regeneración y los niveles más bajos de NADPH que se requieren para la conversión de la forma oxidada a la forma reducida de glutatión. La baja expresión de ME1 disminuirá la cantidad de piruvato que ingresa a las mitocondrias, y la glucólisis se convertirá en la principal fuente de piruvato. La generación de NADH es más lenta, lo que da lugar a una actividad alterada del complejo I y una mayor producción de ROS mitocondriales. La reducción de FAD a FADH2 también es más lenta, al menos en parte debido a una oxidación de ácidos grasos menos eficiente, comprometiendo el flujo de electrones de FADH2 a UbQ y al complejo III. Como UbQH2 es un activador de la succinato deshidrogenasa [80], ralentizar su formación puede reducir la actividad enzimática de la succinato deshidrogenasa. Los niveles elevados de superóxido y peróxido de hidrógeno pueden inhibir aún más la actividad del complejo II [81]. La menor eficiencia de la oxidación de ácidos grasos contribuye a la menor disponibilidad de sustrato para la respiración mitocondrial y la producción de ATP en la fosforilación oxidativa. Como mecanismo compensatorio, se potencia la glucólisis. La ATP sintasa funciona a la inversa, como una ATPasa, en un intento de mantener la ?? m.
Se ha informado que, en comparación con WT, los hígados de los ratones Nrf2-KO tienen un contenido mitocondrial más bajo (determinado por la proporción de ADN mitocondrial a nuclear); esto se reduce aún más con un ayuno de 24 h tanto en ratones WT como en ratones Nrf2-KO; por el contrario, aunque no es diferente del WT en condiciones normales de alimentación, el contenido mitocondrial en ratones con alta actividad de Nrf2 no se ve afectado por el ayuno [82]. Curiosamente, la suplementación con el activador Nrf2 (R) - \ beta - ácido lipoico [83], [84], [85] promueve la biogénesis mitocondrial en los adipocitos 3T3-L1 [86]. Dos clases de reguladores transcripcionales nucleares juegan un papel crítico en la biogénesis mitocondrial. La primera clase son los factores de transcripción, como los factores respiratorios nucleares11 y 2, que controlan la expresión de genes que codifican subunidades de los cinco complejos respiratorios, componentes de traducción mitocondriales y enzimas biosintéticas del hemo que se localizan en la matriz mitocondrial [88]. Piantadosi y col. [89] han demostrado que la regulación positiva transcripcional dependiente de Nrf2 del factor respiratorio nuclear 1 promueve la biogénesis mitocondrial y protege contra la citotoxicidad del agente quimioterapéutico antraciclina cardiotóxico doxorrubicina. Por el contrario, Zhang et al. [82] han informado que la activación genética de Nrf2 no afecta la expresión de ARNm basal del factor respiratorio nuclear 1 en el hígado murino.
La segunda clase de reguladores transcripcionales nucleares con funciones críticas en la biogénesis mitocondrial son los coactivadores transcripcionales, como el receptor activado por proliferador de peroxisoma. coactivadores (PGC) 1? y 1 ?, que interactúan con factores de transcripción, la maquinaria de corte y empalme de ARN y transcripcional basal, y enzimas modificadoras de histonas [88], [90], [91]. La expresión de la familia de coactivadores PGC1 está influenciada por numerosas señales ambientales. El tratamiento de fibroblastos humanos con el activador de Nrf2 sulforafano provoca un aumento de la masa mitocondrial y la inducción de PGC1? y PGC1? [92], aunque en este estudio no se examinó la posible dependencia de Nrf2. Sin embargo, los ratones diabéticos en los que Nrf2 es activado por la caída hipomórfica del gen Keap1 (db / db: Keap1flox / ?: Nrf2 + / +) o interrumpido (db / db: Keap1flox / ?: Nrf2? /?) Tienen una PGC1 hepática más baja? niveles de expresión que los animales de control (db / db: Keap1flox / +: Nrf2 + / +) [93]. ¿No hay diferencias en los niveles de ARNm de PGC1? se observan en hígados de ratones no diabéticos que son WT o Nrf2-KO, mientras que estos niveles son más bajos en animales que sobreexpresan Nrf2 (Keap1-KD y Keap1-KO específico del hígado) [82]. En particular, un ayuno de 24 h aumenta los niveles de PGC1? ARNm en los hígados de ratones de todos los genotipos, pero el aumento es significativamente mayor en los hígados de Nrf2-KO en comparación con los ratones que sobreexpresan WT o Nrf2. En comparación con WT, los ratones Nrf2-KO que experimentan infección séptica o lesión pulmonar aguda debido a una infección muestran una regulación positiva transcripcional atenuada del factor respiratorio nuclear 1 y PGC1? [94], [95]. Juntas, estas observaciones sugieren que el papel de Nrf2 en el mantenimiento de los niveles de factor respiratorio nuclear 1 y PGC1? es complejo y se vuelve más prominente en condiciones de estrés.
Además de la expresión de genes que codifican proteínas mitocondriales, la biogénesis mitocondrial requiere la síntesis de nucleótidos. La activación genética de Nrf2 mejora la biosíntesis de purina regulando positivamente la vía de las pentosas fosfato y el metabolismo del folato y la glutamina, particularmente en las células que proliferan rápidamente (Fig. 2) [24]. El análisis del transcriptoma de Drosophila mutante deficiente para la proteína quinasa serina / treonina mitocondrial quinasa putativa 1 (PINK1) inducida por PTEN ha demostrado que la disfunción mitocondrial conduce a la regulación positiva transcripcional de genes que afectan el metabolismo de nucleótidos [96], lo que sugiere que la biosíntesis de nucleótidos mejorada representa un mecanismo de protección contra las consecuencias neurotóxicas de la deficiencia de PINK1. Nrf2 regula la expresión de fosforribosil pirofosfato amidotransferasa (PPAT), que cataliza la entrada en la vía biosintética de nucleótidos purina de novo, y metilentetrahidrofolato deshidrogenasa 2 mitocondrial (MTHFD2) (Fig. 2). Esta última es una enzima bifuncional con actividades deshidrogenasa y ciclohidrolasa que es fundamental para proporcionar tanto glicina como formiato como fuentes de unidades de un carbono para la biosíntesis de purina en células de crecimiento rápido [97]. Por lo tanto, es probable que la activación de Nrf2 pueda ser protectora y revertir la disfunción mitocondrial en la deficiencia de PINK1. De hecho, la activación farmacológica de Nrf2 por sulforafano, o el triterpenoide RTA-408, restaura y protege las células deficientes en PINK1 contra la toxicidad de la dopamina [98]. Aunque los mecanismos subyacentes parecen ser complejos, en conjunto, estos hallazgos indican que la actividad de Nrf2 puede afectar la biogénesis mitocondrial al influir en los niveles de expresión de factores de transcripción críticos y coactivadores, así como al mejorar la biosíntesis de nucleótidos.
Aunque no siempre hay evidencia directa disponible, hay fuertes indicios de que Nrf2 es importante para la integridad mitocondrial, particularmente en condiciones de estrés oxidativo. Las mitocondrias aisladas del cerebro y el hígado de ratas a las que se había administrado una dosis única del activador Nrf2 sulforafano son resistentes a la apertura del poro de transición de la permeabilidad mitocondrial (mPTP) causada por el oxidante tert-butilhidroperóxido [99], [100]. El mPTP, un complejo que permite que la membrana interna mitocondrial se vuelva permeable a moléculas con masas de hasta 1500 Da, fue identificado recientemente a partir de dímeros de F0F1-ATP sintasa [101]. La resistencia mediada por sulforafano a la apertura de mPTP se correlaciona con el aumento de las defensas antioxidantes, y los niveles de GSH mitocondrial, glutatión peroxidasa 1, enzima málica 3 y tiorredoxina 2 están todas reguladas en las fracciones mitocondriales aisladas de los animales tratados con sulforaphane [XNUM].
El daño de las proteínas mitocondriales y el deterioro de la respiración causado por el producto electrófilo de peroxidación de lípidos 4-hidroxi-2-nonenal se atenúan en las mitocondrias aisladas de la corteza cerebral de ratones tratados con sulforafano [102]. En las células epiteliales renales de rata y en el riñón, el sulforafano es protector contra la toxicidad inducida por cisplatino y gentamicina y la pérdida de ?? m [103]. También se ha observado protección contra un panel de oxidantes (superóxido, peróxido de hidrógeno, peroxinitrito) y electrófilos (104-hidroxi-4-nonenal y acroleína) y un aumento de las defensas antioxidantes mitocondriales tras el tratamiento de células de músculo liso aórtico de rata con sulforafano [2 ]. En un modelo de lesión renal aguda inducida por contraste, recientemente se demostró que el preacondicionamiento isquémico de las extremidades tiene efectos protectores, incluida la inhibición de la apertura del mPTP y la inflamación mitocondrial, mediante la activación de Nrf105 como consecuencia de la inhibición de GSK2? [3].
La mitofagia, el proceso por el cual las mitocondrias disfuncionales son engullidas selectivamente por autofagosomas y entregadas a los lisosomas para ser degradadas y recicladas por la célula, es esencial para la homeostasis mitocondrial [107], [108]. Si bien no se ha establecido una relación causal entre Nrf2 y la mitofagia, existe evidencia de que el factor de transcripción puede ser importante en el control de la calidad mitocondrial al desempeñar un papel en la mitofagia. Esto podría ser especialmente importante en condiciones de estrés oxidativo. Por lo tanto, en un modelo de sepsis, los aumentos en los niveles del marcador de autofagosoma MAP1 de la cadena ligera 3-II (LC3-II) y la proteína cargo p62 a las 24 h de la infección se suprimen en Nrf2-KO en comparación con los ratones WT [109]. . Recientemente se descubrió un inductor de mitofagia de molécula pequeña (llamado inductor de mitofagia mediado por p62, PMI); este compuesto de 1,4-difenil-1,2,3-triazol se diseñó originalmente como un activador de Nrf2 que interrumpe la interacción del factor de transcripción con Keap1 [110]. De manera similar a las células en las que Nrf2 está genéticamente regulado al alza (Keap1-KD o Keap1-KO), las células expuestas a PMI tienen un valor de reposo más alto Es importante destacar que el aumento en la localización de LC3 mitocondrial que se observa después del tratamiento con PMI de las células WT no ocurre en las células Nrf2-KO, lo que sugiere la participación de Nrf2.
Por último, el análisis ultraestructural de las secciones del hígado ha revelado la presencia de mitocondrias inflamadas con cresta reducida y membranas rotas en los hepatocitos de Nrf2-KO, pero no en WT, ratones que habían sido alimentados con una dieta alta en grasas durante 24 semanas; En particular, estos hígados muestran una clara evidencia de estrés oxidativo e inflamación [68]. Se puede concluir que Nrf2 tiene un papel crítico en el mantenimiento de la integridad mitocondrial en condiciones de estrés oxidativo e inflamatorio.
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Nrf2 es un factor de transcripción que desempeña un papel importante en el sistema de defensa antioxidante celular del cuerpo humano. El elemento de respuesta antioxidante, o ARE, es un mecanismo regulador de los genes. Muchos estudios de investigación han demostrado que Nrf2, o factor 2 relacionado con NF-E2, regula una amplia variedad de genes dirigidos por ARE a través de varios tipos de células. También se descubrió que Nrf2 desempeña un papel esencial en la protección celular y la anticancerogenicidad, lo que demuestra que Nrf2 puede ser un tratamiento eficaz en el manejo de enfermedades neurodegenerativas y cánceres que se cree que son causados por el estrés oxidativo.
Dr. Alex Jimenez DC, CCST Insight
Aunque muchas preguntas siguen abiertas, la evidencia experimental disponible indica claramente que Nrf2 es un jugador importante en el mantenimiento de la homeostasis mitocondrial y la integridad estructural. Este papel se vuelve particularmente crítico en condiciones de estrés oxidativo, electrofílico e inflamatorio cuando la capacidad de regular al alza las respuestas citoprotectoras mediadas por Nrf2 influye en la salud general y la supervivencia de la célula y el organismo. El papel de Nrf2 en la función mitocondrial representa otra capa de los amplios mecanismos citoprotectores orquestados por este factor de transcripción. Dado que muchas afecciones patológicas humanas tienen estrés oxidativo, inflamación y disfunción mitocondrial como componentes esenciales de su patogenia, la activación farmacológica de Nrf2 es prometedora para la prevención y el tratamiento de enfermedades. La comprensión integral de los mecanismos precisos mediante los cuales Nrf2 afecta la función mitocondrial es esencial para el diseño racional de futuros ensayos clínicos y puede ofrecer nuevos biomarcadores para monitorear la eficacia terapéutica.
Sciencedirect.com/science/article/pii/S0891584915002129
El propósito del artículo anterior era discutir y demostrar el papel emergente de Nrf2 en la función mitocondrial. Nrf2, o factor nuclear erythroid factor relacionado con 2, es un regulador emergente de la resistencia celular a los oxidantes que puede contribuir al estrés oxidativo, afectando la función celular y conduciendo al desarrollo de toxicidad, enfermedades crónicas e incluso cáncer. Si bien la producción de oxidantes en el cuerpo humano puede tener varios propósitos, incluida la división celular, la inflamación, la función inmune, la autofagia y la respuesta al estrés, es esencial controlar su sobreproducción para prevenir problemas de salud. El alcance de nuestra información se limita a problemas de salud espinal y quiropráctica. Para discutir el tema, no dude en preguntarle al Dr. Jiménez o contáctenos en 915-850-0900 .
Comisariada por el Dr. Alex Jiménez
Remitido desde: Sciencedirect.com
El dolor de espalda es una de las causas más frecuentes de discapacidad y días perdidos en el trabajo en todo el mundo. El dolor de espalda se atribuye a la segunda razón más común para las visitas al consultorio del médico, superado en número solo por las infecciones de las vías respiratorias superiores. Aproximadamente el 80% de la población experimentará dolor de espalda al menos una vez a lo largo de su vida. La columna vertebral es una estructura compleja compuesta de huesos, articulaciones, ligamentos y músculos, entre otros tejidos blandos. Debido a esto, lesiones y / o condiciones agravadas, como hernias discales, eventualmente puede conducir a síntomas de dolor de espalda. Las lesiones deportivas o las lesiones por accidentes automovilísticos suelen ser la causa más frecuente de dolor de espalda; sin embargo, a veces los movimientos más simples pueden tener resultados dolorosos. Afortunadamente, las opciones de tratamiento alternativo, como la atención quiropráctica, pueden ayudar a aliviar el dolor de espalda mediante el uso de ajustes espinales y manipulaciones manuales, mejorando finalmente el alivio del dolor.
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