A oxidação de ácidos graxos organiza supercomplexos mitocondriais para sustentar ERO astrocíticas e cognição

Jul 18, 2023

Nature Metabolism volume 5, páginas 1290–1302 (2023)Cite este artigo

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Tendo acesso direto à vasculatura cerebral, os astrócitos podem absorver os nutrientes disponíveis no sangue e metabolizá-los para satisfazer as suas próprias necessidades energéticas e fornecer intermediários metabólicos às sinapses locais1,2. Estas células gliais devem ser, portanto, metabolicamente adaptáveis ​​para trocar diferentes substratos. No entanto, estudos in vitro e in vivo mostram consistentemente que os astrócitos são principalmente glicolíticos3,4,5,6,7, sugerindo que a glicose é o seu principal precursor metabólico. Notavelmente, dados transcriptômicos8,9 e estudos in vitro10 revelam que os astrócitos de camundongos são capazes de oxidar ácidos graxos mitocondrialmente e que podem desintoxicar o excesso de ácidos graxos derivados de neurônios em modelos de doenças11,12. Ainda assim, a vantagem metabólica factual do uso de ácidos graxos pelos astrócitos e seu impacto fisiológico nas funções cerebrais de ordem superior permanecem desconhecidos. Aqui, mostramos que o nocaute da carnitina-palmitoil transferase-1A (CPT1A) - uma enzima chave da oxidação mitocondrial de ácidos graxos - em astrócitos de camundongos adultos causa comprometimento cognitivo. Mecanisticamente, a diminuição da oxidação de ácidos graxos reconectou o metabolismo astrocítico do piruvato para facilitar o fluxo de elétrons através de uma cadeia respiratória mitocondrial supermontada, resultando na atenuação da formação de espécies reativas de oxigênio. Assim, os astrócitos metabolizam naturalmente os ácidos graxos para preservar a cadeia respiratória mitocondrial em uma conformação desmontada energeticamente ineficiente que assegura a sinalização de espécies reativas de oxigênio e sustenta o desempenho cognitivo.

Para verificar os níveis de expressão de genes que codificam o uso de ácidos graxos em astrócitos e neurônios, realizamos análises quantitativas de PCR com transcrição reversa (RT-qPCR), que revelaram abundância aumentada de RNA mensageiro na carnitina-palmitoil transferase-1A (Cpt1a) - responsável por entrada de acil-CoA de cadeia longa nas mitocôndrias - e diminuição da acetil-CoA carboxilase-1 (Acc1) - responsável pela biossíntese da abundância de mRNA do inibidor de CPT1A malonil-CoA14 em astrócitos primários de camundongos quando comparado com neurônios (Figura 1a suplementar) . Além disso, a abundância de mRNA da isoforma Acc2 mitocondrial, que é encontrada altamente enriquecida em tecidos oxidativos, como músculo esquelético e coração, de acetil-CoA desidrogenase de cadeia longa (Acadl), que catalisa a etapa inicial da oxidação mitocondrial de ácidos graxos, de o Cpt1c localizado no retículo endoplasmático e a proteína trifuncional mitocondrial α (Mtpα), que é funcionalmente responsável pela transferência de elétrons dos ácidos graxos de cadeia longa mitocondriais para os complexos respiratórios mitocondriais I (CI) e III (CIII) 16, foram encontrados em níveis mais elevados em astrócitos versus neurônios (Fig. Complementar 1a). Embora estes sejam valores relativos, eles estão em coerência com observações anteriores, sugerindo que os astrócitos estão melhor equipados do que os neurônios para oxidar mitocondrialmente ácidos graxos de cadeia longa. Para sustentar funcionalmente esta afirmação, a taxa de consumo de oxigênio (OCR) foi analisada em astrócitos e neurônios usando a tecnologia Seahorse em meio à base de glicose na ausência ou na presença de etomoxir: um inibidor potente e irreversível de CPT1 (ref. 17). Como mostrado na Figura 1b Complementar, descobriu-se que a respiração mitocondrial basal é aproximadamente 1,7 vezes maior nos neurônios quando comparada com os astrócitos, confirmando achados anteriores . Notavelmente, a proporção de inibição do OCR mitocondrial pelo etomoxir foi de aproximadamente 20% nos neurônios e aproximadamente 35% nos astrócitos (Figura 1b suplementar), indicando que os ácidos graxos são substratos respiratórios mitocondriais preferidos para os astrócitos do que para os neurônios. Aproximadamente 62% da respiração mitocondrial astrocítica ligada ao ATP foi sustentada por ácidos graxos (Figura 1b Complementar).

Para investigar a vantagem metabólica da oxidação mitocondrial de ácidos graxos em astrócitos in vivo, superando as desvantagens potenciais dos inibidores farmacológicos, projetamos geneticamente um modelo de camundongo knockout Cpt1a (KO) específico para astrócitos. Para isso, camundongos Cpt1alox / lox com 2 meses de idade foram injetados por via intravenosa, através do seio retro-orbital, com partículas de vírus adeno-associado (AAV) do sorotipo PHP.eB expressando recombinase Cre governada pelo ácido glial-fibrilar específico do astrocítico. promotor curto da proteína (GFAP) (PHP.eB-AAV-gfaABC1D-Cre-GFP) (Fig. 1a). Este tratamento foi eficiente, conforme avaliado pela ampla expressão da proteína fluorescente verde (GFP) em todo o cérebro (Figura 1c Complementar). Os controles (tipo selvagem, WT) foram camundongos Cpt1alox / lox que receberam doses equivalentes das mesmas partículas virais, exceto que não possuíam Cre recombinase, e todos os camundongos foram analisados ​​​​após 1 a 9 meses (Fig. 1a). 1b (Fig. Complementar 1d), o tratamento PHP.eB-AAV-gfaABC1D-Cre-GFP causou uma redução significativa na abundância da proteína CPT1A cerebral. Dado que o cérebro contém outros tipos de células além dos astrócitos, também analisamos a abundância de CPT1A em astrócitos ex vivo isolados imunomagneticamente do cérebro de camundongos CPT1A KO adultos (Fig. 1a), que revelou a abolição de CPT1A especificamente nos astrócitos positivos (ACSA +) fração, mas não na fração negativa para astrócitos (ACSA-) (Fig. 1c). Para verificar a eficácia funcional do CPT1A KO, fatias cerebrais recém-isoladas ex vivo de camundongos adultos foram incubadas com ácido palmítico [U-14C] para avaliar a taxa de produção de 14CO2 como um índice de fluxo de oxidação de ácidos graxos. 1d, o fluxo de oxidação no cérebro foi significativamente reduzido em cerca de 75% em CPT1A KO quando comparado com camundongos WT. Para explicar se a perda de CPT1A astrocítica alterou outras vias do metabolismo cerebral, realizamos metabolômica não direcionada em amostras cerebrais. Conforme representado no gráfico do vulcão (Figura 1e Complementar) e no mapa de calor (Figura 1f Complementar), encontramos 17 metabólitos significativamente diminuídos e 43 metabólitos aumentados significativamente no cérebro dos camundongos CPT1A KO específicos para astrócitos. Os resultados revelaram maior abundância em ácidos graxos de cadeia longa e derivados de acil-carnitina de cadeia longa, e diminuição da abundância em ácidos graxos de cadeia curta (Fig. 1e), sugerindo diminuição do uso de ácidos graxos de cadeia longa e aumento de ácidos graxos de cadeia curta. Notavelmente, a concentração de piruvato foi significativamente diminuída em cerca de 26% no cérebro de camundongos CPT1A KO específicos para astrócitos (Fig. 1e), sugerindo uma alteração no metabolismo deste produto intermediário glicolítico.