Abstract
As alterações relacionadas ao envelhecimento mitocondrial estão associadas ao declínio da função mitocondrial. Com a idade avançada, o volume de DNA mitocondrial, integridade e funcionalidade diminuem devido ao acúmulo de mutações e danos oxidativos induzidos por espécies reativas de oxigênio (ROS). Em indivíduos idosos, as mitocôndrias são caracterizadas por comprometimento da função, como diminuição da capacidade oxidativa, redução da fosforilação oxidativa, diminuição da produção de ATP, aumento significativo na geração de ROS e diminuição da defesa antioxidante. A biogênese mitocondrial diminui com a idade devido a alterações na dinâmica mitocondrial e inibição da mitofagia, um processo de autofagia que remove mitocôndrias disfuncionais. Anormalidades dependentes da idade no controle da qualidade mitocondrial enfraquecem e prejudicam ainda mais a função mitocondrial. Em tecidos envelhecidos, o aumento da apoptose mitocondrial contribui para um aumento na percentagem de células apoptóticas. Entretanto, a implementação de estratégias como restrição calórica e treinamento físico regular pode retardar o envelhecimento mitocondrial e atenuar o fenótipo relacionado à idade em humanos.
1. Introdução
Disfunção mitocondrial, incluindo diminuição da capacidade oxidativa e aumento dos danos oxidativos, é considerada como contribuindo substancialmente para o envelhecimento biológico. Um impacto fundamental da mitocôndria no envelhecimento tem sido sugerido há várias décadas. Um conceito considera o envelhecimento como o resultado de um acúmulo de danos às biomoléculas devido à produção excessiva de espécies reativas de oxigênio altamente tóxicas (ROS). Este conceito foi desenvolvido como a teoria mitocondrial do envelhecimento, uma vez que as mitocôndrias são os maiores produtores de ROS na célula. Segundo esta teoria, com a idade, as mitocôndrias acumulam danos induzidos por ROS e tornam-se disfuncionais. Com o tempo, a função das células diminui, causando o envelhecimento e subsequente morte. Este conceito foi apoiado por um corpo crescente de dados experimentais de modelos animais. Por exemplo, ratos desenvolvidos para terem altas taxas de mutação no DNA mitocondrial (mtDNA) (os chamados ratos mutadores de mtDNA) exibiam fenótipos avançados de envelhecimento. Por outro lado, muitos estudos recentes também forneceram dados que contradizem esta teoria. Por exemplo, o nocaute dos genes de superóxido dismutase não afetou a vida dos Caenorhabditis elegans . De fato, o papel das mitocôndrias no envelhecimento parece ser muito complexo.
Mitocôndrias são organelas auto-autônomas subcelulares responsáveis principalmente pela geração de energia e síntese de ATP. Além disso, as mitocôndrias desempenham um papel essencial no metabolismo de aminoácidos e lipídios e na regulação da apoptose. As mitocôndrias têm seu próprio DNA, porém codificam apenas 1% das aproximadamente 1.000 proteínas mitocondriais. A grande maioria das proteínas mitocondriais são codificadas pelo DNA nuclear e são transportadas para as mitocôndrias a partir do citoplasma. As mitocôndrias podem mudar em seu número e massa devido aos processos dinâmicos, como fissão e mitofagia. A mitofagia é uma forma específica de autofagia que é necessária para degradar mitocôndrias disfuncionais ou danificadas .
Nesta revisão, consideramos brevemente as principais mudanças na função e dinâmica das mitocôndrias que as tornam disfuncionais e contribuem para o envelhecimento.
2 Alterações no DNA mitocondrial no envelhecimento
A teoria do envelhecimento mitocondrial é baseada no fato de que o DNA mitocondrial (mtDNA) tem uma maior taxa de mutação e máquinas de reparo menos eficientes em comparação com o DNA nuclear. A taxa de mutação do mtDNA é até 15 vezes maior que a do ADN nuclear. De fato, o acúmulo de mutações no mtDNA pode atingir um limiar crítico e causar efeitos adversos, especialmente nas mitocôndrias, nas quais componentes da cadeia respiratória que não funcionam adequadamente ou que danificam precisam ser substituídos. Mutações no mtDNA que alteram a expressão dos complexos de fosforilação oxidativa (OxPhos) podem levar à disfunção mitocondrial e acelerar a geração de ROS . O desenvolvimento do rato mutador mtDNA, um animal com mutação da mtDNA polimerase γ, destacou o forte potencial para mutações do mtDNA no envelhecimento. Estes ratos tinham um mecanismo defeituoso em sua revisão de mtDNA durante a replicação e resultou na geração de um grande número de novas mutações e no desenvolvimento de fenótipos de envelhecimento precoce . De acordo com o conceito de “ciclo vicioso”, as mutações de mtDNA são acumuladas exponencialmente e devem ser associadas a uma explosão acentuada na produção de ROS . No entanto, experiências envolvendo ratos mutadores de mtDNA têm mostrado uma progressão linear na acumulação de mutações de mtDNA ao longo da vida. Não houve mudanças significativas na produção de ROS e na atividade das enzimas antioxidantes nos ratos mutadores de mtDNA em comparação com os animais normais . De fato, esses achados comprometem seriamente a teoria do “ciclo vicioso” que sugere que as mutações de mtDNA e a produção de OxPhos, mas não de ROS, são os principais responsáveis pelo envelhecimento prematuro dos ratos mutadores de mtDNA.
Além disso, devido à proximidade dos componentes produtores de ROS da cadeia respiratória e à ausência de histônios, o mtDNA é altamente propenso a danos oxidativos. Nos hepatócitos de rato, a quantidade de 8-hidroxideoxiganosina, um marcador de dano oxidativo do DNA, foi 16 vezes maior em mtDNA do que no DNA nuclear . Nos músculos esqueléticos e no fígado de ratos, foram observadas reduções substanciais do número de cópias do mtDNA relacionadas com a idade. Esses achados sugerem que a quantidade e integridade do mtDNA pode diminuir com a idade e levar à expressão aberrante das proteínas da cadeia de transporte de elétrons, prejudicando assim o mecanismo de OxPhos .
3. Produção e Envelhecimento da ROS Mitocondrial
A cadeia de transporte de elétrons localizada na membrana mitocondrial interna consiste de quatro complexos protéicos e está acoplada à ATP synthase, uma enzima produtora de ATP. As ROS são consideradas como subprodutos indesejados e tóxicos do sistema de transporte de elétrons mitocondriais.
Devido à sua extrema reatividade, as ROS parecem ser um grande mediador dos danos celulares associados à idade. As ROS também podem atuar como moléculas sinalizadoras. Curiosamente, baixas doses de ROS poderiam realmente promover longevidade enquanto altas doses, em contraste, encurtam a vida útil de C. elegans . Um aumento paradoxal na longevidade foi observado em mutantes da respiração mitocondrial de C. elegans em níveis elevados de ROS. As ROS mostraram ativar o fator-1 induzido pela hipoxia (HIF-1), um fator de transcrição associado à vida prolongada. Inibição leve da respiração mitocondrial foi mostrado para estender a vida útil em muitas espécies como C. elegans, Drosophila, e ratos, sugerindo que um aumento na longevidade pela supressão moderada da respiração mitocondrial é evolutivamente preservada.
As enzimas antioxidantes envolvidas na inativação da ROS fornecem proteção contra o estresse oxidativo. Na verdade, defeitos na atividade das enzimas antioxidantes mitocondriais podem aumentar o estresse oxidativo. Ratos contendo um transgene de uma enzima antioxidante mitocondrial, como a superóxido dismutase dependente de Mn (Mn-SOD) ou catalase mostraram maior longevidade enquanto ratos sem Mn-SOD morreram de morte prematura associada a disfunção mitocondrial grave e neurodegeneração. Camundongos deficientes em p66shc, uma proteína envolvida na produção de ROS mitocondrial independente do mecanismo OxPhos, mostraram resistência avançada ao estresse oxidativo e um aumento na vida útil de 30% .
Alterações enzimáticas podem afetar a capacidade oxidativa mitocondrial e a síntese de ATP. Em humanos, a capacidade de produção de ATP diminui em 8% por década . Da mesma forma, verificou-se que os idosos tiveram uma redução de 1,5 vezes na capacidade oxidativa por volume mitocondrial e uma redução de 1,5 vezes por volume muscular . O declínio dependente da idade na função mitocondrial pode resultar da baixa atividade física, pois quando se compara a atividade física entre idosos e jovens, a maioria dos estudos não encontrou qualquer correlação significativa entre idade, respiração mitocondrial e fluxo de ATP .
4 Alterações dependentes da idade na dinâmica mitocondrial
A dinâmica mitocondrial inclui o movimento das mitocôndrias ao longo do citoesqueleto, a regulação da arquitetura mitocondrial e a conectividade mediada por eventos de fusão/fissão . Esta rede dinâmica é essencial para manter as funções mitocondriais normais e participa em processos fundamentais, incluindo o envelhecimento. Biogênese mitocondrial é a expansão da mitocôndria através de mecanismos envolvendo crescimento (aumento da massa mitocondrial) e divisão (aumento do número mitocondrial).
Com a idade avançada, a densidade mitocondrial no músculo esquelético mostrou diminuir gradualmente e pode sugerir uma diminuição na biogênese mitocondrial. O declínio na biogênese mitocondrial pode resultar de uma redução dependente da idade nos níveis de PGC-1α, um regulador chave da biogênese. Em ratos idosos, a superexpressão de PGC-1α na musculatura esquelética foi associada à redução da sarcopenia e à melhora da função mitocondrial .
O equilíbrio entre os eventos de fissão e fusão também pode estar relacionado ao declínio da biogênese mitocondrial dependente da idade. A fissão é importante para a manutenção da qualidade e integridade mitocondrial, pois está envolvida na seleção de mitocôndrias disfuncionais. As mitocôndrias defeituosas não funcionam adequadamente e têm uma capacidade oxidativa comprometida, inclinada para o aumento da produção de ROS. Estas mitocôndrias são removidas seletivamente pela mitofagia, um sistema autofágico-lisossômico que degrada mitocôndrias disfuncionais através da fusão com lisossomos. Com a idade, observou-se que a mitofagia declinou. Este declínio está associado a um acúmulo de mitocôndrias danificadas, estresse oxidativo avançado e aumento da apoptose .
5. Via Apoptótica Mitocondrial e Envelhecimento
Apoptose mitocondrial mediada é induzida em resposta a estímulos proapoptóticos ou no caso de falha grave em OxPhos. Em resumo, um mecanismo de apoptose mitocondrial dependente de caspas é acompanhado pela liberação de citocromo c e outros fatores das mitocôndrias, o que então desencadeia a ativação de uma cascata de eventos apoptóticos irreversíveis mediados por caspases. Na via independente da caspasa, a liberação de endonuclease G e fator indutor da apoptose (AIF) pelas mitocôndrias leva à degradação do DNA nuclear .
Apoptose foi mostrada para aumentar significativamente com a idade como refletido por um ganho dependente da idade na porcentagem de células apoptóticas e significativa upregulação da via proapoptótica independente da caspas em ratos idosos e idosos . Como não foram observadas alterações significativas na expressão das caspas em indivíduos idosos, é improvável que o mecanismo dependente da caspas seja ativado com a idade avançada.
6. Alterações Genéticas e Estruturais da Mitocôndria em Aterogênese
A idade crescente é bem conhecida como um fator de risco independente para o desenvolvimento de aterosclerose e, portanto, de acordo com um ponto de vista bem estabelecido, a aterosclerose pode ser considerada como uma doença do envelhecimento. O envelhecimento vascular prematuro ou acelerado e a aterosclerose podem estar associados à disfunção das mitocôndrias .
É bem conhecido que, na patologia humana, várias doenças estão associadas a mutações somáticas no genoma mitocondrial (mtDNA) . Embora a disfunção mitocondrial conduza ao aumento do stress oxidativo, o papel das mutações mitocondriais na aterosclerose não tem recebido muita atenção até agora. Em estudo recente analisamos a associação da variação genética mitocondrial com a gravidade da aterosclerose carotídea (avaliada pela espessura da íntima-média carotídea (cIMT) e a presença de doença coronária (DC)) e constatamos que a heteroplasia para várias mutações no mtDNA em leucócitos, incluindo as mutações C3256T, T3336C, G12315A, G13513A, G14459A, G14846A e G15059A, foram significativamente associadas tanto com a gravidade da aterosclerose carotídea como com a presença de CHD . A análise eletro-microscópica das lesões ateroscleróticas também revelou uma alta variabilidade no aspecto ultra-estrutural das mitocôndrias nas lesões ateroscleróticas da aorta humana em comparação com o aspecto das mitocôndrias nas partes normais da íntima aórtica (Figura 1) . Isto nos levou a supor que as variações estruturais no aparecimento de mitocôndrias poderiam refletir a existência de mutações somáticas no genoma mitocondrial humano que poderiam ser um determinante do desenvolvimento de lesões ateroscleróticas. Para testar esta hipótese, comparamos os níveis de heteroplasia para várias mutações mitocondriais anteriormente propostas para serem associadas a diferentes tipos de lesões ateroscleróticas . Os homogeneizados de íntima aórtica não afetada e placas lipofibrosas de aortas humanas foram comparados para revelar o nível médio de heteroplastia para A1555G, C3256T, T3336T, G12315A, G14459A e G15059A mutações do genoma mitocondrial humano . Foi descoberto que pelo menos quatro mutações do genoma mitocondrial, nomeadamente, A1555G no gene MT-RNR1, C3256T no gene MT-TL1, G12315A no gene MT-TL2 e G15059A no gene MT-CYB, têm uma prevalência significativamente maior e valor médio em placas lipofibrosas em comparação com a íntima não meteorosclerótica . Os achados de que mutações somáticas no genoma mitocondrial estão associadas ao desenvolvimento de aterosclerose devem encorajar uma maior exploração do conceito de que a heteroplasia de DNA mitocondrial pode ser usada como um biomarcador de aterogênese.
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Diferentes aparências ultraestruturais das mitocôndrias na íntima aórtica ((a)-(f)). (a) Aparência típica de uma mitocôndria em uma aorta grosseiramente normal. (b) Uma mitocôndria com cristae bem definida e membranas circunvizinhas bem preservadas em uma placa lipofibrosa. ((c)-(f)) Variantes estruturais e alterações destrutivas de cristae de mitocôndrias em placas lipofibrosas. Em ((c)-(f)), a formação de estruturas do tipo vacúolo em zonas de matriz edematosa de mitocôndrias é mostrada por setas. ((a)-(f)) Escalas de microscopia eletrônica = 200 nm (reimpresso a partir de aterosclerose; Sobenin et al. Alterações da mitocôndria na aterosclerose: possível determinante na patogênese da doença 2013; 227 : 283-288 , com permissão da Elsevier).
7. Controle de Qualidade Mitocondrial e Envelhecimento
Mitocôndria tem uma série de enzimas específicas como chaperones, proteases e metionina redutase para redobrar e eliminar proteínas desdobradas . No fungo de curta duração Podospora anserina, a supressão da protease mitocondrial PaLon1 envolvida no controle da qualidade da proteína leva a uma redução significativa da vida útil, enquanto a sobreexpressão do PaLon1 não afetou a longevidade do fungo, mas foi associada a uma boa saúde prolongada e à melhora da função mitocondrial. A protease mitocondrial Lon é responsável pela degradação das proteínas oxidadas e a sua desregulação é sugerida para contribuir para o envelhecimento e doenças relacionadas com a idade. Assim, a função adequada do sistema de controle de qualidade mitocondrial pode estar associada à longevidade ou pelo menos prolongar a vida saudável.
Mitocôndrias contribuem para o sistema celular do controle de qualidade proteica associado à ubiquitinação e degradação proteica dependente de proteínas desdobradas por degradação de proteínas citosólicas localizadas na membrana mitocondrial externa . Em geral, a atividade do sistema de ubiquitina-protease mostrou declinar com a idade nos mamíferos . Contudo, a expressão de alguns componentes deste sistema, tais como proteases específicas da ubiquitina e certas subunidades proteasômicas, é upregulada com o envelhecimento, enquanto os níveis de outros componentes permanecem inalterados ou diminuem. Nos músculos de ratos idosos, a expressão de proteínas associadas ao proteasoma foi aumentada e os níveis de 26S proteasomas foram encontrados mais elevados em 2 a 3 vezes do que os dos animais adultos. De fato, a ativação dependente da idade do sistema de ubiquitina-protease pode contribuir para aumentar a degradação das proteínas miofibrilares e a atrofia muscular relacionada à idade. O papel específico da degradação da proteína mitocondrial associada ao envelhecimento não é completamente compreendido e precisa ser caracterizado.
8. Conclusão
Está claro que o papel da mitocôndria no envelhecimento é mais complicado do que sugerido pela teoria do envelhecimento mitocondrial. Alterações múltiplas na função, estrutura, distribuição e dinâmica mitocondrial contribuem para o envelhecimento ou características relacionadas à idade. Estudos em organismos modelo como levedura, C. elegans, Drosophila e ratos têm mostrado que tanto a supressão quanto a estimulação da função mitocondrial podem prolongar a vida útil. Por exemplo, a desregulamentação da sinalização de mTOR associada à síntese protéica e ao crescimento celular melhorada mostrou aumentar a longevidade dos organismos modelo através da melhoria da eficiência mitocondrial e do melhor consumo de energia . A Figura 2 descreve a conseqüência dos mecanismos/fatores pelos quais a restrição calórica pode melhorar a função mitocondrial, retardar o envelhecimento mitocondrial e expandir a longevidade.
Como conseqüência, a restrição calórica (CR) que geralmente envolve o consumo de 20-40% menos calorias do que o normal foi sugerida como uma intervenção promissora para aumentar tanto a mediana quanto a vida máxima em humanos . Em um ensaio CR CALERIE baseado em 25% de CR, foi demonstrado que os pacientes com CR têm menos dano ao mtDNA, mais conteúdo de mtDNA e maior expressão de algumas enzimas antioxidantes, sugerindo assim que a CR melhora a função mitocondrial e retarda o envelhecimento mitocondrial através da redução do estresse oxidativo. O aumento na expressão de várias proteínas envolvidas na biogênese mitocondrial como PGC-1α, Tfam e SIRT1 foi relatado em pacientes com RC em comparação com os controles. Em resumo, a CR reduz o estresse oxidativo e aumenta a biogênese mitocondrial a fim de produzir mitocôndrias que são mais eficientes na produção de ATP, têm capacidade oxidativa ótima e geram menos ROS.
Exercitar treinamento sozinho ou em combinação com CR também pode representar uma estratégia eficiente para retardar o envelhecimento mitocondrial e disfunção relacionada à idade em humanos através de mecanismos estimulando a biogênese mitocondrial e a capacidade oxidativa e melhorando o controle de qualidade da proteína . Há fortes evidências de que o treinamento com exercícios pode otimizar a função mitocondrial em indivíduos idosos. O exercício, combinado com uma dieta baixa em carboidratos (glicogênio), mostrou aumentar a expressão de PGC-1α e otimizar a capacidade oxidativa do músculo esquelético humano . No ensaio CALERIE, a combinação de RC com treino físico resultou numa redução de 38% no risco estimado de doença cardiovascular, uma patologia importante associada à idade, em comparação com os controlos . De fato, o aumento da atividade física ou mesmo a simples adoção de hábitos de estilo ativo pode claramente reduzir a taxa de declínio mitocondrial e atenuar o fenótipo relacionado à idade.
Conflito de interesses
Os autores não relatam conflito de interesses em relação à publicação deste trabalho.
Agradecimentos
Os autores desejam agradecer ao Ministério da Educação e Ciência da Federação Russa e à Escola de Ciências Médicas da Universidade de New South Wales, Sydney, pelo apoio ao seu trabalho.