Mecanismos de extensión de la longevidad y envejecimiento saludable por sobre-expresión de citocromo b5 reductasa 3
- Autores: Sandra Rodriguez Lopez
- Directores de la Tesis: José Manuel Villalba Montoro (dir. tes.), José Alberto López Domínguez (dir. tes.), José A. González-Reyes (dir. tes.)
- Lectura: En la Universidad de Córdoba (ESP) ( España ) en 2021
- Idioma: español
- Tribunal Calificador de la Tesis: Carmen Alicia Padilla Peña (presid.), José Alberto Díaz-Ruiz Ruiz (secret.), Manuel Diamantino Pires Bicho (voc.)
- Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Biomedicina por la Universidad de Córdoba
- Materias:
- Enlaces
- Tesis en acceso abierto en: Helvia
- Resumen
La presente Tesis Doctoral se centra en el estudio de diferentes parámetros mitocondriales con la finalidad de identificar nuevas dianas que permitan la preservación de su fisiología y evitar así la progresión de enfermedades metabólicas asociadas con la edad. En este estudio se realizan enfoques nutricionales y genéticos destinados a retrasar o mitigar la progresión de varias características distintivas del envejecimiento que permitan identificar estilos de vida y patrones nutricionales que contribuyan a modular el envejecimiento saludable y prolongar la longevidad. Diversos estudios han mostrado que existe una relación inversamente proporcional entre la longevidad máxima y el nivel de insaturación de las membranas biológicas, debido a que los ácidos grasos insaturados muestran una alta susceptibilidad a la peroxidación. La restricción calórica (RC), la intervención nutricional antienvejecimiento más estudiada, corrobora este hecho ya que parte de sus beneficios se asocian a la disminución del contenido de ácidos grasos poliinsaturados en las membranas. Por otro lado, también se ha descrito que la RC mejora la función mitocondrial generando menor estrés oxidativo. Estudios previos desarrollados en nuestro grupo se centraron en la NADH-citocromo b5 reductasa-3 (CYB5R3) como un nuevo gen pro-longevidad. Los ratones que sobreexpresan CYB5R3 contienen niveles más altos de ácidos grasos poliinsaturados en las membranas hepáticas, lo que se asemeja, al menos parcialmente, a los efectos del consumo de una dieta que contiene aceite de pescado o la sobreexpresión del gen Fat-1 de C. elegans. Sin embargo, los ratones transgénicos CYB5R3 mostraron una reducción significativa en la peroxidación de lípidos. Los cambios específicos en la composición de ácidos grasos que tienen lugar en ratones que sobreexpresan CYB5R3, pueden ser el resultado de una reprogramación metabólica e indicar una mejora en la función mitocondrial, lo que llevaría a una menor generación de especies reactivas de oxígeno y a la prevención de la acumulación de daño oxidativo. Estos efectos son similares a los observados en animales sometidos a RC. Dado que se ha documentado un aumento de CYB5R3 en la intervención de RC a largo plazo, se ha planteado la hipótesis de que los efectos beneficiosos de la RC podrían estar mediados, al menos parcialmente, por un aumento de CYB5R3. La hipótesis de trabajo de esta Tesis Doctoral es que la eficiencia mitocondrial está optimizada en ratones transgénicos CYB5R3, lo que conduce a una mejora en la producción de energía y una mejor conservación de las mitocondrias durante el envejecimiento.
2.Contenido de la investigación Para profundizar en nuestro conocimiento sobre los mecanismos celulares implicados en los efectos beneficiosos CYB5R3 y su relación en distintas intervenciones nutricionales, se emplearon ratones macho de la cepa C57BL/6J que sobre-expresan el gen de la Cyb5r3 y se establecieron tres cohortes experimentales. La primera consistió en dos grupos experimentales en función de la edad: grupo de ratones jóvenes y grupo de ratones viejos, respectivamente. La segunda cohorte consistió en un grupo experimental alimentado ad libitum y otro con un 40% de restricción calórica. Finalmente, la tercera consistió en cuatro grupos experimentales alimentados con dietas basadas en la formulación AIN93M, pero que diferían en la fuente de la grasa utilizada: aceite de soja, aceite de oliva, aceite de pescado y manteca de cerdo. Nuestros objetivos fueron: 1) estudiar el efecto fisiológico de la sobreexpresión de CYB5R3, los ácidos grasos de la dieta, la RC y el envejecimiento sobre el peso corporal y el perfil bioquímico. 2) Caracterizar la sobreexpresión de CYB5R3 en hígado y corazón en las tres intervenciones propuestas. 3) Determinar los efectos combinados de la sobrexpresión de CYB5R3 y de la RC sobre marcadores clave de la función mitocondrial. 4) Determinar los patrones nutricionales que maximizan la preservación mitocondrial en ratones que sobre-expresan CYB5R3. 5) Determinar los efectos del envejecimiento sobre los parámetros mitocondriales estudiados en los objetivos previamente citados, en ratones sobre-expresantes de CYB5R3.
Al final de cada intervención los ratones fueron sacrificados y se tomaron muestras de hígado y de corazón como órganos modelo de estudio. En las muestras de tejido se determinó (mediante inmunotransferencia) la expresión de diversas proteínas marcadoras de procesos mitocondriales clave. Además, se obtuvo DNA genómico para calcular la ratio DNA mitocondrial/nuclear y se determinó la producción de ATP. Los análisis ultraestructurales se llevaron a cabo mediante microscopia electrónica de transmisión.
3.Conclusiones 1. La sobreexpresión de CYB5R3 dio lugar a una mayor preservación del peso corporal, efecto que también se vio reflejado en el peso de los tejidos. Sin embargo, las grasas de la dieta pueden modular el efecto de la sobreexpresión sobre el peso de los animales. En esta Tesis Doctoral se demuestra por primera vez que, en ratones sometidos a restricción calórica, CYB5R3 es determinante en el control del peso corporal y de órganos.
2. Nuestras observaciones respaldan la idea de la existencia de mecanismos específicos, tanto de tejido como de edad, que regulan los niveles del polipéptido CYB5R3. Nuestros resultados muestran, además, la importancia del tejido modelo de estudio, de las intervenciones dietéticas aplicadas y del envejecimiento a la hora de estudiar el efecto de la sobreexpresión de CYB5R3 en ratones. En este sentido, los órganos postmitóticos parecen ser los modelos más adecuados para investigar los efectos de la sobreexpresión de CYB5R3.
3. La sobreexpresión de CYB5R3 y la restricción calórica no producen cambios sinérgicos; es más, los efectos beneficiosos sobre la función mitocondrial descritos en condiciones ad libitum se atenúan cuando se combinan ambas intervenciones. Estos resultados apoyan la idea de que la sobreexpresión de CYB5R3 y la restricción calórica actúan a través de diferentes vías metabólicas.
4. En animales alimentados ad libitum, la grasa de la dieta tiene un efecto predominante en los marcadores mitocondriales analizados y prevalece frente a la sobreexpresión de CYB5R3. El uso de manteca de cerdo como fuente principal de grasa, junto a la sobreexpresión de CYB5R3, parecen ejercer un efecto positivo sobre la función de las mitocondrias. Sin embargo, al combinar aceite de pescado como fuente de grasa principal con CYB5R3, pueden producirse interacciones negativas.
5. El aumento en los niveles de enzimas de la cadena de transporte de electrones observado en tejidos mitóticos (hígado) y postmitóticos (corazón) con el envejecimiento, particularmente en ratones transgénicos CYB5R3, es consistente con una posible mejora de la función mitocondrial en ambos casos.
4. Bibliografía 1. Sohal, R.S. and R. Weindruch, Oxidative stress, caloric restriction, and aging. Science, 1996. 273(5271): p. 59-63.
2. Villalba, J.M., et al., Role of cytochrome b5 reductase on the antioxidant function of coenzyme Q in the plasma membrane. Mol Aspects Med, 1997. 18 Suppl: p. S7-13.
3. de Cabo, R., et al., CYB5R3: a key player in aerobic metabolism and aging? Aging (Albany NY), 2009. 2(1): p. 63-8.
4. Hagopian, K., et al., Complex I-associated hydrogen peroxide production is decreased and electron transport chain enzyme activities are altered in n-3 enriched fat-1 mice. PLoS One, 2010. 5(9): p. e12696.
5. Lopez-Otin, C., et al., The hallmarks of aging. Cell, 2013. 153(6): p. 1194-217.
6. Siendones, E., et al., Membrane-bound CYB5R3 is a common effector of nutritional and oxidative stress response through FOXO3a and Nrf2. Antioxid Redox Signal, 2014. 21(12): p. 1708-25.
7. Martin-Montalvo, A., et al., Cytochrome b5 reductase and the control of lipid metabolism and healthspan. NPJ Aging Mech Dis, 2016. 2: p. 16006.
8. Diaz-Ruiz, A., et al., Overexpression of CYB5R3 and NQO1, two NAD(+) -producing enzymes, mimics aspects of caloric restriction. Aging Cell, 2018. 17(4): p. e12767.
9. Rodriguez-Lopez, S., et al., Mitochondrial adaptations in liver and skeletal muscle to pro-longevity nutritional and genetic interventions: the crosstalk between calorie restriction and CYB5R3 overexpression in transgenic mice. Geroscience, 2020. 42(3): p. 977-994.
