Il fenomeno può essere associato a una carenza della proteina mitofusina-2 nelle uova della madre, che influisce sulla forma e sul funzionamento dei mitocondri.
Uno studio brasiliano pubblicato sulla rivista Molecular Human Reproduction aiuta a capire perché le madri obese tendono ad avere figli con una propensione a sviluppare malattie metaboliche durante la loro vita, come suggerito da ricerche precedenti.
Secondo gli autori, la “trasmissione transgenerazionale di malattie metaboliche” può essere associata al deficit di Mfn2 negli ovociti della madre (uova immature). Mfn2 si riferisce alla mitofusina-2, una proteina coinvolta nella regolazione della proliferazione delle cellule muscolari lisce vascolari. Normalmente si trova nella membrana esterna dei mitocondri, gli organelli che forniscono energia alle cellule. Una carenza porta a gonfiore e disfunzione mitocondriale, oltre ad alterare l’espressione di quasi 1.000 geni nei gameti femminili.
“Numerosi studi hanno scoperto che la mitofusina-2 è un importante regolatore metabolico. Ci sono prove che l’aumento di peso porta a una riduzione dei livelli delle proteine ??nelle cellule muscolari ed epatiche, che svolgono entrambi un ruolo chiave nella regolazione dei livelli di zucchero nel sangue. Nel caso dei diabetici, la sua espressione è ridotta in queste cellule “, ha detto Marcos Chiaratti , professore presso l’Università Federale di São Carlos (UFSCar) e ricercatore principale per lo studio, che è stato sostenuto dalla São Paulo Research Foundation – FAPESP,.
Nella recente pubblicazione, Chiaratti e il suo gruppo riportano i risultati di esperimenti con topi geneticamente modificati in modo da non esprimere Mfn2 solo negli ovociti. Ci si aspettava che il deficit di Mfn2 influisse sulla loro fertilità, ma non è stato così. Tuttavia, la loro prole ha guadagnato più peso rispetto alla prole di animali di controllo ed era diventata diabetica all’età di 9 mesi, nonostante fosse nutrita con una dieta standard.
Per indagare i meccanismi molecolari associati a questo fenomeno anormale, Chiaratti ha stabilito una collaborazione con i ricercatori del Center for Research on Redox Processes in Biomedicine (Redoxome) e del Obesity and Comorbidities Research Center (OCRC) , entrambi di Ricerca, Innovazione e Disseminazione Centri (RIDC) finanziati da FAPESP. Parte dello studio è stato condotto durante la ricerca del master di Bruna Garcia presso il Center for Biological and Health Sciences (CCBS) di UFSCar, con la supervisione di Chiaratti.
Il primo passo è stato l’identificazione del tipo di disfunzione manifestata dagli ovociti con deficit di Mfn2 al raggiungimento dello stadio in cui sono pronti per essere fecondati. L’analisi ha mostrato un numero ridotto di mitocondri in queste cellule e un livello inferiore di ATP (adenosina trifosfato), la molecola che funge da combustibile cellulare.
I ricercatori hanno anche osservato che i mitocondri degli ovociti erano più aggregati del normale, ingranditi fino al doppio delle dimensioni previste e più lontani dal reticolo endoplasmatico, un organello con cui devono interagire per importare calcio e altre sostanze cruciali per il loro funzionamento.
Secondo Chiaratti, uno dei ruoli noti di Mfn2 è garantire che i mitocondri rimangano in contatto con il reticolo endoplasmatico, una struttura che partecipa alla sintesi e al trasporto di diverse sostanze nelle cellule. I risultati dello studio suggeriscono che la carenza di Mfn2 comprometta l’interazione tra i due organelli, compromettendo le funzioni di entrambi negli ovociti.
“Ci sono prove che la trasmissione transgenerazionale di malattie come il diabete è associata a disfunzione mitocondriale e stress del reticolo endoplasmatico negli ovociti. I nostri risultati confermano questa ipotesi”, ha detto Chiaratti. “La carenza di Mfn2 sembra influenzare la biogenesi mitocondriale [riducendo il numero di mitocondri] e la capacità dei mitocondri di muoversi nel citoplasma per soddisfare la domanda cellulare di energia”.
Il passaggio successivo consisteva nel caratterizzare il trascrittoma dell’ovocita con deficit di Mfn2 (l’intera gamma di molecole di RNA messaggero espresse) e confrontarlo con i controlli. Utilizzando il sequenziamento dell’RNA, i ricercatori hanno trovato 517 geni che erano meno espressi negli ovociti degli animali geneticamente modificati rispetto ai controlli e 426 geni che erano più espressi.
“Abbiamo quindi deciso di identificare i percorsi di segnalazione che appartenevano a questi geni espressi in modo differenziale. Abbiamo trovato percorsi associati al funzionamento del reticolo endoplasmatico e dei mitocondri, nonché percorsi associati a processi endocrini come la regolazione della glicemia”, ha detto Chiaratti .
Alterazioni nella prole
L’analisi della prole di femmine geneticamente modificate si è concentrata sui muscoli scheletrici e sulle cellule epatiche. L’obiettivo era capire perché questi animali diventassero diabetici anche se nutriti con una dieta equilibrata.
Né le cellule muscolari né le cellule del fegato sono state trovate sottoposte a stress del reticolo endoplasmatico, una condizione caratterizzata da un accumulo di proteine ??che compromette il funzionamento dell’organello, e non sono state riscontrate alterazioni mitocondriali nelle cellule muscolari. I mitocondri delle cellule epatiche erano moderatamente disfunzionali.
Poiché questa alterazione non era sufficiente a spiegare il fenotipo iperglicemico della prole, il gruppo ha deciso di studiare la segnalazione dell’insulina in questi animali, poiché l’insulina prodotta dal pancreas consente al glucosio di entrare nelle cellule e quindi abbassa il livello di zucchero nel sangue.
La loro analisi delle cellule del pancreas ha mostrato che la produzione di insulina era normale, ma il livello di insulina nel sangue era ridotto e il segnale che normalmente invia alle cellule muscolari ed epatiche era debole.
“In questi due tessuti, l’insulina causa un cambiamento biochimico nella proteina Akt [protein chinasi B]. Il segnale inviato dall’insulina fa fosforilare questa molecola [tramite l’aggiunta di fosfato alla catena proteica] e questo innesca una cascata di reazioni biochimiche in la cellula “, ha spiegato Chiaratti.
I risultati di queste analisi, quindi, hanno suggerito che i muscoli e il tessuto epatico della prole ricevessero una piccola quantità di insulina, anche se il livello di produzione di insulina da parte del pancreas era normale. Ciò ha sollevato l’ipotesi, da confermare in studi futuri, che l’insulina venisse scomposta più rapidamente nell’organismo di questi animali.
Prossimi passi
Per approfondire la loro comprensione dei meccanismi molecolari che hanno portato all’aumento di peso e all’iperglicemia nei cuccioli con deficit di Mfn2, i ricercatori intendono ripetere l’esperimento con alcune modifiche. Le femmine con deficit di Mfn2 saranno alimentate con una dieta ipercalorica per esacerbare gli effetti della carenza nella loro prole.
“Abbiamo anche in programma di indagare, negli animali senza alcuna modificazione genetica, se una dieta ipercalorica da sola è sufficiente per ridurre l’espressione di Mfn2 e cambiare il modo in cui i mitocondri funzionano e interagiscono con il reticolo”, ha detto Chiaratti.
La conoscenza creata da questi studi, ha aggiunto, dovrebbe consentire lo sviluppo di strategie per manipolare l’espressione di Mfn2 nel contesto dell’obesità e aiutare a prevenire la trasmissione transgenerazionale delle malattie metaboliche.
Per Alicia Kowaltowski , professoressa presso l’Istituto di chimica dell’Università di San Paolo (IQ-USP), membro di Redoxome e coautrice dello studio, i risultati ottenuti finora mostrano che la dieta e lo stato nutrizionale di una persona influenzano la forma mitocondriale, uno dei fattori che influenzano la fisiologia cellulare. Le proteine ??che regolano la morfologia mitocondriale sono quindi potenziali bersagli terapeutici e dovrebbero essere esplorate nella ricerca futura.
“Va sottolineato che non abbiamo trovato alterazioni significative ai mitocondri nel tessuto epatico, anche se gli animali erano diabetici. Questo concorda con altri studi che dimostrano che la funzione mitocondriale nel fegato è altamente resiliente”, ha detto Kowaltowski. “A nostro avviso, devono esserci meccanismi di protezione nel fegato, data la sua importanza per il metabolismo. Quando la disfunzione mitocondriale compare nel fegato, il motivo è che la sindrome metabolica ha raggiunto uno stadio avanzato di sviluppo”.
Infertilità ed eredità materna
Finanziato da FAPESP tramite diversi progetti 09 / 54035-4 , 12 / 50231-6 , 17 / 05899-2 , 17 / 04372-0 , 16 / 11935-9 , 16 / 11942-5 , 16 / 07868-4 , 18 / 06119-3 e 10 / 51906-1 , lo studio riportato nell’ultima pubblicazione fa parte di una linea di ricerca che mira a comprendere come le alterazioni mitocondriali, comprese le mutazioni del DNA, siano associate all’infertilità e alla trasmissione di malattie transgenerazionali.
“Ricerche precedenti hanno dimostrato che la disfunzione mitocondriale può compromettere la fertilità dell’uovo. Abbiamo creato due modelli animali con cui indagare questo meccanismo in modo più dettagliato: in uno abbiamo inibito l’espressione della mitofusina-1 negli ovociti e nell’altro abbiamo inibito l’espressione della mitofusina -2 “, ha detto Chiaratti.
La carenza di Mfn1 ha reso le femmine sterili, come riportato in un articolo pubblicato su The Faseb Journal .
“In questo studio precedente abbiamo dimostrato che la delezione Mfn1 specifica per gli ovociti alterava l’espressione di 161 geni e influenzava diversi processi negli ovociti, soprattutto la comunicazione con le cellule ovariche”, ha detto Chiaratti. “Nel caso degli animali carenti di Mfn2, abbiamo osservato altre alterazioni negli ovociti e nella prole, ma la fertilità non è stata influenzata. Curiosamente, gli effetti della delezione di Mfn1 sono stati attenuati negli ovociti quando Mfn2 è stato inibito contemporaneamente, suggerendo che l’azione di Mfn1 si verifica dopo quello di Mfn2. “