A biogénese mitocondrial é o processo pelo qual as células aumentam a massa e o número mitocondrial, regulado principalmente através da activação da PGC-1alfa a jusante da AMPK e da SIRT1. Os compostos de investigação SS-31, MOTS-c e NAD+ interagem com as vias mitocondriais em pontos distintos, desde a integridade da cardiolipina na membrana interna (SS-31) até à activação sistémica da AMPK (MOTS-c) e à biogénese mediada por sirtuínas (NAD+).
As mitocôndrias são os principais locais de síntese de ATP nas células eucarióticas, gerando energia via fosforilação oxidativa (OXPHOS). Regulam também a homeostase do cálcio celular, a apoptose via libertação do citocromo c e a síntese de hormonas esteroides. Ao contrário da maioria dos organelos, as mitocôndrias têm o seu próprio genoma (ADNmt), que codifica 13 proteínas da cadeia de transporte de electrões, 22 ARNt e 2 ARNr. As restantes aproximadamente 1500 proteínas mitocondriais são codificadas pelo ADN nuclear e importadas para o organelo, criando uma incomum dependência de duplo genoma. A função mitocondrial está estreitamente acoplada ao estado energético celular: quando a procura metabólica aumenta (exercício, exposição ao frio, restrição calórica ou défice energético patológico), as células respondem expandindo a capacidade mitocondrial através do processo de biogénese mitocondrial.
A disfunção mitocondrial é um hallmark reconhecido do envelhecimento biológico. À medida que as células envelhecem, o ADNmt acumula mutações e deleções (em parte por dano oxidativo impulsionado por ROS), a actividade dos complexos da ETC decresce, o potencial de membrana diminui, a produção de ROS aumenta de forma auto-amplificadora e a eficiência da síntese de ATP deteriora-se. Este declínio bioenergético é particularmente consequente nas células pós-mitóticas com elevadas exigências energéticas (neurónios, cardiomiócitos, fibras musculares esqueléticas) e é proposto como um factor principal do declínio funcional nos tecidos envelhecidos. As intervenções que mantêm ou restauram a biogénese mitocondrial e o controlo de qualidade são portanto um foco central da investigação orientada para a longevidade.
É importante distinguir entre dois aspectos relacionados mas distintos da saúde mitocondrial: a biogénese mitocondrial (aumento do número e da massa total mitocondrial) e a qualidade mitocondrial (optimização da função das mitocôndrias existentes via eficiência da ETC, manutenção da cardiolipina e eliminação por mitofagia das unidades danificadas). Os compostos de investigação diferem em qual destes aspectos visam principalmente.
Os passos seguintes traçam a via regulatória desde os sinais energéticos iniciais através da PGC-1alfa até à proliferação mitocondrial, descrevendo depois onde o SS-31 e o MOTS-c intersectam esta via em pontos distintos.
Activação da AMPK: O Sensor do Défice Energético
Quando a procura energética celular supera a oferta, o ATP é hidrolisado em ADP, e o ADP é parcialmente convertido em AMP pela adenilato quinase. Os níveis crescentes de AMP são detectados pela subunidade regulatória gama da AMPK, desencadeando uma alteração conformacional que permite à LKB1 fosforilar a subunidade alfa catalítica na Thr172, activando a AMPK. A AMPK activada fosforila directamente a PGC-1alfa na Thr177 e Ser538, proporcionando uma activação pós-translacional imediata do programa de biogénese sem requerer nova síntese de proteína PGC-1alfa. A AMPK inibe também o mTORC1 (reduzindo o dispêndio energético anabólico) e activa a ULK1 (iniciando a autofagia, incluindo a mitofagia para eliminar mitocôndrias danificadas). O exercício é o activador fisiológico mais potente da AMPK no músculo esquelético; a restrição calórica e a exposição ao frio activam também a AMPK nos tecidos relevantes.
SIRT1 e NAD+: Activação da PGC-1alfa Mediada por Desacetilação
A SIRT1 é uma histona desacetilase de classe III que utiliza o NAD+ como cofactor obrigatório. Quando o NAD+ é abundante (restrição calórica, jejum ou suplementação de NAD+), a actividade da SIRT1 aumenta. Um dos principais substratos da SIRT1 é a PGC-1alfa: a SIRT1 desacetila múltiplos resíduos de lisina na PGC-1alfa, activando-a e permitindo-lhe coactivar os seus parceiros factores de transcrição. Os níveis de NAD+ diminuem com a idade na maioria dos tecidos de mamíferos, e este défice de NAD+ relacionado com a idade é proposto como redutor da actividade da SIRT1, prejudicando a activação da PGC-1alfa e contribuindo para a disfunção mitocondrial do envelhecimento. A suplementação de precursores de NAD+ (NMN, NR) eleva o NAD+ celular e é investigada pela sua capacidade de restaurar a activação da PGC-1alfa mediada pela SIRT1. O perfil de NAD+ coberto no WikiPeptide está incluído porque é frequentemente investigado ao lado dos péptidos de longevidade neste contexto.
PGC-1alfa: Orquestração do Programa de Biogénese
A PGC-1alfa activada (por fosforilação da AMPK e/ou desacetilação da SIRT1) coactiva o NRF1 e o NRF2, que impulsionam a expressão do TFAM (factor de transcrição mitocondrial A). O TFAM é importado para as mitocôndrias e impulsiona a replicação e transcrição do ADNmt, aumentando o número de genomas mitocondriais por organelo. O NRF1 e o NRF2 impulsionam também a expressão de subunidades da ETC codificadas pelo núcleo, que são sintetizadas no citoplasma e importadas para as mitocôndrias. A PGC-1alfa coactiva simultaneamente o PPARalfa e o ERRalfa, regulando positivamente a oxidação de ácidos gordos e a capacidade de fosforilação oxidativa. O efeito global é uma expansão coordenada da capacidade biogénica mitocondrial: mais mitocôndrias por célula, mais complexos da ETC por mitocôndria e maior capacidade de oxidação de combustível.
SS-31: Protecção da Cardiolipina em vez de Desencadeamento da Biogénese
O SS-31 (Elamipretide) visa a membrana mitocondrial interna por atracção electrostática à cardiolipina. A cardiolipina é um fosfolípido dimérico encontrado quase exclusivamente na membrana mitocondrial interna; estabiliza a arquitectura dos supercomplexos da ETC (respirassomas) que organizam os complexos I, III e IV da ETC em conjuntos eficientes que melhoram a transferência de electrões e reduzem a geração de ROS no complexo I. O dano oxidativo à cardiolipina (particularmente a peroxidação das suas cadeias de ácidos gordos polinsaturados pelos ROS mitocondriais) perturba a estabilidade dos supercomplexos, reduz a eficiência da OXPHOS e aumenta os ROS num ciclo auto-amplificador. O mecanismo proposto do SS-31 envolve os seus resíduos de aminoácidos aromáticos (dimetilTyr na posição 2) a actuarem como dadores de electrões na membrana interna, reduzindo directamente a peroxidação da cardiolipina em vez de o fazer por uma via de enzima antioxidante. A melhoria da integridade da cardiolipina restaura a organização dos supercomplexos, reduz a geração de ROS e melhora a eficiência bioenergética. O SS-31 é portanto melhor descrito como um composto de qualidade mitocondrial do que como um composto desencadeador de biogénese no sentido convencional da PGC-1alfa.
MOTS-c: Sinalização Retrógrada das Mitocôndrias para o Núcleo
O MOTS-c (Mitochondrial Open Reading Frame of the 12S rRNA-c) é um péptido de 16 aminoácidos codificado pelo genoma mitocondrial dentro do gene do ARNr 12S. Foi caracterizado em 2015 e representa uma classe recentemente descrita designada péptidos derivados de mitocôndrias (MDPs). O MOTS-c é gerado na matriz mitocondrial e pode translocar-se para o núcleo, onde modula a expressão génica nuclear, uma forma de comunicação retrógrada das mitocôndrias para o núcleo. O seu principal mecanismo metabólico envolve a interferência com o ciclo do folato e a via de biossíntese de purinas nas mitocôndrias, o que reduz a capacidade do metabolismo de um carbono e desencadeia um sinal de stress metabólico celular. Este sinal de stress activa a AMPK, que depois impulsiona o programa a jusante de biogénese e adaptação metabólica. Em investigação em roedores, a administração exógena de MOTS-c melhorou a sensibilidade à insulina e a capacidade de exercício com efeitos descritos como imitadores de aspectos do treino aeróbico. Os níveis de MOTS-c diminuem com a idade tanto no plasma de roedores como humanos, e um MOTS-c circulante mais elevado tem sido associado a maior longevidade em alguns estudos de centenários.
| Composto | Mecanismo mitocondrial | Perfil |
|---|---|---|
| SS-31 (Elamipretide) | Protecção da cardiolipina da membrana interna; reduz a perturbação dos supercomplexos da ETC induzida por ROS; melhora a eficiência bioenergética das mitocôndrias existentes; ensaios de fase 2 para ICFEp | Ver perfil |
| MOTS-c | Péptido derivado de mitocôndrias; sinalização retrógrada das mitocôndrias para o núcleo; activa a AMPK via interferência no ciclo do folato; replica aspectos da resposta metabólica ao exercício em modelos animais | Ver perfil |
| NAD+ | Cofactor obrigatório para a SIRT1; o declínio de NAD+ relacionado com a idade prejudica a activação da PGC-1alfa mediada pela SIRT1; a suplementação (NMN, NR, NAD+ IV) investigada para restaurar a capacidade de biogénese mitocondrial | Ver perfil |
O mecanismo do SS-31 é a preservação da qualidade mitocondrial e não a indução da biogénese. O MOTS-c e o NAD+ interfaceiam ambos com a via de biogénese (AMPK e SIRT1-PGC-1alfa respectivamente) mas por pontos de entrada metabólica distintos.
A PGC-1alfa foi identificada em 1998 por Puigserver et al. como um coactivador induzido pelo frio no tecido adiposo castanho que impulsionava a biogénese mitocondrial e a termogénese. O seu papel na biogénese mitocondrial induzida pelo exercício no músculo esquelético foi subsequentemente caracterizado, estabelecendo-a como o regulador mestre da massa mitocondrial nos tecidos metabolicamente activos. O conceito de que a disfunção mitocondrial impulsiona o envelhecimento foi formulado nas décadas de 1970 e 1980 (a teoria dos radicais livres do envelhecimento de Harman e a teoria mitocondrial do envelhecimento); o trabalho subsequente sobre a acumulação de mutações no ADNmt, o declínio da actividade dos complexos da ETC e as consequências para a produção de ATP nos tecidos envelhecidos proporcionou um quadro mecanístico.
O SS-31 (Elamipretide) foi desenvolvido por Hazel Szeto e Peter Schiller. Foram publicados dados de ensaios clínicos na síndrome de Barth (um distúrbio genético da biossíntese da cardiolipina), na miopatia mitocondrial primária e na insuficiência cardíaca com fracção de ejecção preservada (ICFEp, o ensaio MMAD), mostrando geralmente tolerabilidade aceitável e alguma evidência de envolvimento do alvo. Não foi concedida aprovação regulatória para nenhuma indicação do SS-31. O MOTS-c foi caracterizado em 2015 por Lee et al. na Universidade do Sul da Califórnia; a maioria da investigação publicada é em modelos celulares e em roedores. Foram publicados estudos de associação que ligam níveis plasmáticos mais elevados de MOTS-c à longevidade em coortes de centenários japoneses. O campo de investigação do NAD+ produziu dados extensos de ensaios humanos via estudos de suplementação com NMN e NR que demonstram reposição bem-sucedida de NAD+; os endpoints metabólicos, cardiovasculares e relevantes para a longevidade continuam sob investigação em ensaios em curso.
Activação da Telomerase
Biologia dos telómeros e senescência celular: um mecanismo de longevidade paralelo investigado com o Epitalon.
Péptidos Mitocondriais, Panorâmica da Classe
SS-31, MOTS-c e compostos relacionados: compostos de investigação direcionados para as mitocôndrias.
Péptidos de Longevidade e Epigenéticos, Panorâmica da Classe
Epitalon, NAD+, KPV: compostos investigados nas vias de envelhecimento e longevidade celular.