Análise de transcriptomas e metabolomas de Drosophila melanogaster expressando a oxidase alternativa mitocondrial
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Data
2021-11-04
Autores
Camargo, André Ferreira de
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Editor
Universidade Estadual Paulista (Unesp)
Resumo
Apesar dos efeitos benéficos mostrados quando a oxidase alternativa mitocondrial (AOX) de Ciona intestinalis (Tunicata: Ascidiacea) é expressa xenotopicamente em modelos de mamíferos e de insetos, resultados prejudiciais importantes também foram relatados, levantando preocupações quanto à sua implantação como uma futura enzima terapêutica voltada a doenças mitocondriais humanas. Por causa de sua atividade de oxidase terminal não-bombeadora de prótons, AOX pode contornar o segmento do citocromo c da cadeia respiratória e aliviar a possível sobrecarga de elétrons que ocorre após disfunção da fosforilação oxidativa (OXPHOS), não contribuindo, porém, para a força próton-motriz necessária à síntese de ATP mitocondrial. Nosso laboratório mostrou anteriormente que moscas que expressam AOX apresentam uma queda dramática na viabilidade pupal quando cultivadas em uma dieta pobre em nutrientes (LN), indicando que AOX interfere no metabolismo normal do desenvolvimento. Aqui, aplicamos análises de transcriptômica e metabolômica para mostrar que a interação entre LN e a expressão ubíqua de AOX em altos níveis causa uma mudança funcional do sistema digestivo e uma alteração geral do metabolismo de aminoácidos em larvas. Estas também armazenam menos nutrientes, o que causa letalidade no final do estágio de pupa, com uma regulação negativa geral do metabolismo mitocondrial e uma clara assinatura que os indivíduos estão passando por inanição (starvation). Curiosamente, lactato desidrogenase, lactato e 2-hidroxiglutarato estão elevados em moscas AOX independentemente da dieta, apontando para um importante papel tanto desta enzima chave do metabolismo, quanto desses metabólitos, na regulação das mudanças fisiológicas induzidas pela função de AOX em larvas. Discutimos nossos resultados com base na disponibilidade de aminoácidos essenciais na LN e seus papéis no metabolismo do desenvolvimento de drosófila. Compreender como a AOX pode alterar as condições metabólicas normais em animais complexos e como contorná-las será de importância crucial aos possíveis tratamentos futuros de doenças humanas.
Despite the beneficial effects shown when the mitochondrial alternative oxidase AOX from Ciona intestinalis (Tunicata: Ascidiacea) is expressed xenotopically in mammalian and insect models, important detrimental outcomes have also been reported, raising concerns regarding its deployment as a therapy enzyme for human mitochondrial diseases. Because of its non-proton pumping terminal oxidase activity, AOX could bypass the cytochrome c segment of the respiratory chain and alleviate the possible overload of electrons that occurs upon oxidative phosphorylation (OXPHOS) dysfunction, not contributing though to the proton-motive force needed for mitochondrial ATP synthesis. Our lab has shown previously that AOX-expressing flies present a dramatic drop in pupal viability when cultured on a low-nutrient diet, indicating that AOX interferes with normal developmental metabolism. Here, we applied transcriptomics and metabolomics analyses to show that the interaction between low-nutrient diet and AOX expression causes functional changes in the larval digestive system and a general alteration of larval amino acid metabolism. The larvae show reduced nutrient storage, which stalls development at the late pupa stage with a general downregulation of mitochondrial metabolism and a clear signature for starvation. Interestingly, lactate dehydrogenase, lactate and 2-hydroxyglutarate are elevated in AOX-expressing flies, irrespective of diet, pointing to an important role for this key metabolic enzyme and metabolites in regulating the physiological changes induced by AOX function in larvae. We discuss our results based on the availability of essential amino acids in the low-nutrient diet and their roles in the developmental metabolism of flies. Understanding how AOX may change normal metabolic conditions in higher animals and how to circumvent it will be of crucial importance for possible future treatments of human diseases.
Despite the beneficial effects shown when the mitochondrial alternative oxidase AOX from Ciona intestinalis (Tunicata: Ascidiacea) is expressed xenotopically in mammalian and insect models, important detrimental outcomes have also been reported, raising concerns regarding its deployment as a therapy enzyme for human mitochondrial diseases. Because of its non-proton pumping terminal oxidase activity, AOX could bypass the cytochrome c segment of the respiratory chain and alleviate the possible overload of electrons that occurs upon oxidative phosphorylation (OXPHOS) dysfunction, not contributing though to the proton-motive force needed for mitochondrial ATP synthesis. Our lab has shown previously that AOX-expressing flies present a dramatic drop in pupal viability when cultured on a low-nutrient diet, indicating that AOX interferes with normal developmental metabolism. Here, we applied transcriptomics and metabolomics analyses to show that the interaction between low-nutrient diet and AOX expression causes functional changes in the larval digestive system and a general alteration of larval amino acid metabolism. The larvae show reduced nutrient storage, which stalls development at the late pupa stage with a general downregulation of mitochondrial metabolism and a clear signature for starvation. Interestingly, lactate dehydrogenase, lactate and 2-hydroxyglutarate are elevated in AOX-expressing flies, irrespective of diet, pointing to an important role for this key metabolic enzyme and metabolites in regulating the physiological changes induced by AOX function in larvae. We discuss our results based on the availability of essential amino acids in the low-nutrient diet and their roles in the developmental metabolism of flies. Understanding how AOX may change normal metabolic conditions in higher animals and how to circumvent it will be of crucial importance for possible future treatments of human diseases.
Descrição
Palavras-chave
Mitocôndria, Restrição de nutrientes, Metabolismo de amino ácidos, Fosforilação oxidativa, Mitochondrion, Nutrient deprivation, Amino acid metabolism, Oxidative phosphorylation