Rol de la autofagia en la regulación de la función mitocondrial en músculo esquelético en respuesta a una dieta alta en grasas

Abstract

La obesidad, una de las principales epidemias actuales, se asocia etiológicamente al desarrollo de cáncer, diabetes mellitus y enfermedades cardiovasculares. Entre sus características, destaca el aumento en la disponibilidad de ácidos grasos a nivel celular. Las mitocondrias son organelos claves encargados de la metabolización de los ácidos grasos que ingresan a la célula. El contenido mitocondrial se regula por los procesos de generación o biogénesis mitocondrial y mitofagia (proceso de degradación a través de la maquinaria autofágica celular. El músculo esquelético es uno de los tejidos que más ácidos grasos requiere para su metabolismo en nuestro cuerpo. Interesantemente, la activación de la maquinaria autofágica se requiere para la inducción de la biogénesis mitocondrial en el músculo esquelético, estableciendo una compleja y delicada relación bidireccional entre ambos procesos. En general, la masa mitocondrial celular se asocia con la capacidad metabólica de este organelo y, por ende, repercute en el funcionamiento celular. La ingesta de una dieta rica en grasas (high fat diet, o HFD) por un período inferior a 8 semanas aumenta la masa y función mitocondrial en el músculo esquelético. Por el contrario, la ingesta sostenida por más de 12 semanas de este tipo de dieta disminuye la actividad mitocondrial en este mismo tejido. Se ha descrito que la autofagia está inhibida en otros tejidos, como corazón e hígado, después del tratamiento crónico con HFD. Sin embargo, existen escasos estudios focalizados a la regulación de la autofagia en respuesta a HFD en músculo esquelético, menos aún sobre el papel de la mitofagia. En base a estos antecedentes, se propuso como hipótesis que “La activación de la autofagia es necesaria para promover el aumento en el contenido y función mitocondrial en músculo esquelético en respuesta a una dieta rica en grasas”. Para probar esta hipótesis, se alimentaron ratones macho de la cepa C57bl/6 de 6-8 semanas de edad, por 1-10 meses con dieta control o con HFD, y se evaluó el contenido mitocondrial, su función y el efecto de esta dieta sobre la autofagia en el músculo esquelético. Los resultados mostraron que el tratamiento con HFD induce un aumento temprano (1-3 meses) y tardío (10 meses) en la masa mitocondrial (evaluado como un incremento en subunidades de la cadena transportadora de electrones y de mtDNA) en distintos tipos de músculo esquelético. La cuantificación de la velocidad del consumo de oxígeno en fibras musculares permeabilizadas mostró que la ingesta de HFD aumentó la oxidación de ácidos grasos, pero no la de carbohidratos. Este efecto sólo se observó en gastrocnemio rojo, no en sóleo o en gastrocnemio blanco. Este aumento en el consumo de oxígeno no se acompañó de un cambio significativo en la velocidad de síntesis de ATP. En paralelo, se observó que el flujo autofágico disminuyó en el músculo sóleo, pero se mantuvo inalterado en gastrocnemio, luego de 1 mes de HFD. No se encontraron cambios en el flujo autofágico luego de 10 meses de tratamiento. A fin de determinar el papel de la autofagia sobre estas respuestas mitocondriales, se utilizó una cepa de ratón con una deleción heterocigota del gen Atg7 en músculo esquelético (skm-Atg7+/- ), cuyo producto es necesario para la ejecución de la autofagia. Los resultados mostraron que estos animales ganaron menos peso en relación con los animales controles (Atg7+/fl), cuando se alimentaron por 1 mes con HFD. El aumento en la oxidación de ácidos grasos detectado en los músculos de los animales Atg7+/fl, no se observó en el músculo de los animales skm-Atg7+/- . Sin embargo, la deleción parcial de Atg7, no modificó el contenido mitocondrial en estos animales. De esta forma, podemos concluir que la alimentación con HFD: 1) conduce a un aumento en el contenido mitocondrial en músculo esquelético, de forma dependiente de la duración del tratamiento; 2) favorece la oxidación mitocondrial de ácidos grasos, sin alterar la síntesis de ATP; 3) conduce a una inhibición en el flujo autofágico, en el músculo sóleo, pero no en gastrocnemio; y 4) requiere la presencia de Atg7 en músculo esquelético para gatillar el aumento en la oxidación mitocondrial de ácidos grasos. Los datos presentados permiten concluir que la ingesta de una dieta rica en grasas aumenta el contenido mitocondria en músculo esquelético, junto con su capacidad de oxidar ácidos grasos. Los cambios en el metabolismo mitocondrial, gatillados por la HFD en el músculo, dependen de la activación apropiada de la autofagia. Interesantemente, la correcta activación de la autofagia en este tejido es requerida para producir el aumento de peso característico asociada a la ingesta de este tipo de dietas, por un mecanismo aquí no estudiado. Así, la autofagia en músculo esquelético no es sólo un mecanismo esencial en la regulación de la función mitocondrial, sino también un regulador del peso corporal en el contexto de la obesidad inducida por HFD.

Obesity, one of the main epidemics nowadays, is etiologically associated to the development of cancer, diabetes and cardiovascular diseases. Among its features, an increase in fatty acid availability at the cellular level stands out. Mitochondria are key organelles in charge of metabolizing fatty acids entering the cell. Mitochondrial content is regulated by the processes of mitochondrial generation or biogenesis, and by mitophagy (a degradative process through the autophagic cellular machinery). The skeletal muscle is one of the tissues in our body that most relies on fatty acids for its metabolism. Interestingly, autophagy machinery activation is required for the induction of mitochondrial biogenesis in skeletal muscle, establishing a complex and delicate bidirectional relationship between these processes. In general, cellular mitochondrial mass is associated with the metabolic capacity of this organelle, and therefore, it impinges on the cell`s function. Consumption of a high fat diet (HFD), for 8 weeks or less, increases mitochondrial mass and function in skeletal muscle. On the contrary, sustained intake of this diet for over 12 weeks diminishes mitochondrial activity in this tissue. It has been described that autophagy is inhibited in other tissues, such as heart and liver, in response to chronic HFD treatment. However, there are few studies focused on the regulation of autophagy in response to HFD in skeletal muscle, even less on the role of mitophagy. Based on these antecedents, it was proposed as hypothesis that “autophagy activation is necessary to promote an increase in mitochondrial content and function in skeletal muscle in response to HFD”. To test this hypothesis, male 6-8 weeks old C57bl/6 mice were fed for 1-10 months with a control or a HFD, and mitochondrial content and function and the effect of this diet on skeletal muscle autophagy were measured. The results showed that HFD treatment induces an early (1-3 months) and late (10 months) increase in mitochondrial content (evaluated as an increment in electron transport chain subunits and mtDNA) in different skeletal muscle types. Quantification of oxygen consumption rate in permeabilized skeletal muscle fibers showed that HFD increases fatty acid, but not carbohydrate oxidation. This effect was only observed in red gastrocnemius, but not in soleus or white gastrocnemius muscle. The increase in oxygen consumption was not accompanied by a significant change in ATP synthesis rate. In parallel, it was observed that autophagic flux is diminished in soleus muscle, but unaltered on gastrocnemius, after 1 month of HFD. There are no changes in autophagic flux after 10 months of treatment. In order to determine the role of autophagy over these mitochondrial responses, a mouse strain with a heterozygous deletion of the autophagy-executioner Atg7 gene in the skeletal muscle (skm-Atg7+/- ) was used. Results showed that these animals gained less weight than the control animals (Atg7+/fl) when fed for 1 month with HFD. The increase in fatty acid oxidation observed in the muscles of Atg7+/fl animals was not observed in the skeletal muscle of skm-Atg7+/- animals. Nevertheless, Atg7 partial deletion did not modify mitochondrial content in these animals. Therefore, we conclude that HFD feeding: 1) leads to a time-dependent manner increase of the mitochondrial content in the skeletal muscle; 2) stimulates mitochondrial fatty acid oxidation, with no changes in the ATP synthesis rate; 3) inhibits the autophagic flux in soleus but not in gastrocnemius muscle; 4) requires Atg7 in skeletal muscle to increase muscle mitochondrial fatty acid oxidation. The data presented here allow us to conclude that a high-fat intake modifies both mitochondrial function and content. The changes in mitochondrial metabolism, triggered by HFD in skeletal muscle, rely on autophagy activation. Interestingly, proper autophagy activation in this tissue is required to induce the characteristic increase in weight associated to HFD, through a mechanism not studied here. Therefore, skeletal muscle autophagy is not only an essential mechanism for mitochondrial function regulation but is also a regulator of body weight in the context of HFD-induced obesity.