A degeneração muscular, a causa mais prevalente de fragilidade em doenças hereditárias e envelhecimento, pode ser causada por uma deficiência em uma enzima chave em uma via de biossíntese de lipídios. Pesquisadores do Instituto de Biotecnologia Molecular (IMBA) da Academia Austríaca de Ciências caracterizam como a enzima PCYT2 afeta a saúde muscular em doenças e envelhecimento em modelos de ratos de laboratório. Os resultados são publicados em 20 de março na Metabolismo da Natureza.
A degeneração muscular em doenças hereditárias e envelhecimento afeta centenas de milhões de pessoas em todo o mundo. A degeneração dos músculos esqueléticos, o reservatório de proteínas do corpo, leva ao declínio fisiológico geral, uma condição chamada fragilidade. Agora, uma equipe de pesquisa liderada por Domagoj Cikes no IMBA e Josef Penninger no IMBA e na University of British Columbia (UBC) descobre o papel central de uma enzima chamada PCYT2 na saúde muscular. A PCYT2 é conhecida como a enzima gargalo em uma das principais vias de síntese de fosfolipídios derivados da etanolamina, as fosfatidiletanolaminas (PEs). Com base em dados de pacientes e usando modelos de camundongos e peixes-zebra de laboratório, eles mostram que as mutações que afetam o PCYT2, ou sua atividade reduzida, são marcas conservadas de degeneração muscular em vertebrados. Especificamente, eles demonstram que a deficiência de PCYT2 nos músculos afeta a função mitocondrial e as propriedades físico-químicas da membrana das miofibras.
Rigidez de membrana, envelhecimento e conservação em vertebrados
Os lipídios estão presentes de forma onipresente nas membranas biológicas e estão presentes em concentrações particularmente altas nas membranas das células nervosas e tecidos neurais. Após relatos de que moléculas à base de PE aumentam a rigidez da membrana dos lipossomas, Domagoj Cikes, autor co-correspondente do estudo e ex-pesquisador de pós-doutorado no laboratório Penninger do IMBA, levantou a hipótese de que essa espécie lipídica pode desempenhar um papel importante em tecidos submetidos a constantes tensão de cisalhamento, como tecido muscular. “Essa suposição me levou a depletar seletivamente o PCYT2 em tecidos musculares de modelos animais e estudar o resultado. Paralelamente, os médicos relataram casos de pacientes com mutações que afetam o PCYT2. Os pacientes apresentavam uma condição chamada paraplegia espástica hereditária complexa, uma doença multissintomática grave caracterizada por fraqueza muscular nas pernas, rigidez e perda de massa muscular que piorou com o tempo. No entanto, como a doença foi descoberta recentemente, a biologia fisiopatológica subjacente é amplamente desconhecida”, diz Cikes.
Os pesquisadores demonstraram que os níveis de PCYT2 funcional estão ligados à saúde muscular humana e afetam os tecidos musculares de camundongos e peixes-zebra. Os modelos de camundongos, em particular, mostraram fenótipos impressionantes e graves de retardo no crescimento muscular e rápida deterioração após a depleção de PCYT2. Eles observaram que esse fenótipo de deterioração rápida nos modelos de camundongos se assemelhava ao envelhecimento acelerado. Assim, Cikes e colegas mostraram que PCYT2 desempenha um papel conservado em vertebrados.
PEs também são abundantes nas membranas mitocondriais. Portanto, os pesquisadores examinaram como a depleção de PCYT2 nos tecidos musculares afeta a homeostase da membrana mitocondrial e descobriram que a depleção de PCYT2 realmente alterou a função mitocondrial e a energia muscular. No entanto, uma abordagem terapêutica mitocondrial não foi suficiente para resgatar o fenótipo em camundongos. “Isso nos levou a pensar que deve haver um mecanismo adicional conduzindo a patologia”, diz Cikes. De fato, a equipe mostrou que a organização da bicamada lipídica da membrana celular desempenhou um papel adicional. “Isso representa um novo mecanismo fisiopatológico que também pode estar presente em outros distúrbios relacionados a lipídios”, diz Cikes.
Além disso, a equipe demonstrou que a atividade do PCYT2 diminuiu durante o envelhecimento em humanos e camundongos. Usando uma técnica de entrega direcionada de PCYT2 ativo, os cientistas foram capazes de resgatar a fraqueza muscular em modelos de camundongos com depleção de PCYT2 e melhorar a força muscular em camundongos velhos.
Avanços técnicos para explicar a biologia e fisiopatologia
Tendo vinculado a saúde muscular em vertebrados com PEs e composição da membrana muscular, os pesquisadores estudaram o papel das espécies lipídicas nas membranas biológicas. Como o trabalho biológico com lipídios é particularmente desafiador, eles também precisavam pensar em maneiras de avançar nas aplicações de pesquisa disponíveis. Ao adaptar uma técnica desenvolvida por Kareem Elsayad no Vienna BioCenter Core Facilities (VBCF) para medir a rigidez do tecido usando Brillouin Light Scattering (BLS), os pesquisadores foram capazes de examinar as propriedades físicas das membranas biológicas. Com esta técnica, a equipe demonstrou uma diminuição considerável na rigidez da superfície da membrana quando o PCYT2 estava esgotado nos músculos do camundongo. “Além disso, nosso trabalho atual dá outro salto no campo da biologia lipídica, pois fomos capazes de espreitar a bicamada lipídica das membranas celulares e examinar as propriedades locais dos lipídios estruturais”, diz Cikes. A técnica baseia-se no isolamento de Vesículas Gigantes de Membrana de Plasma (GPMVs) de tecidos biológicos e no estudo das propriedades físico-químicas e da geometria da bicamada da membrana por meio de um corante intercalar. Essa abordagem permite que os cientistas examinem quão bem os lipídios na bicamada são combinados e se observam lacunas, componentes hidrofílicos e vazamentos através da membrana.
A biologia dos lipídios – crucial, mas pouco estudada
“O conhecimento atual sobre a biologia dos lipídios é bastante simplificado. Todo o campo lipídico é resumido em um punhado de famílias moleculares, como colesterol, triglicerídeos, fosfolipídios e ácidos graxos. É um vasto e inexplorado universo molecular onde a função da maioria das espécies na saúde e na doença é desconhecida.” diz Cikes. Ao lançar luz sobre o efeito central de uma via de biossíntese de lipídios na saúde muscular, Cikes e a equipe desejam destacar a importância e o potencial de descoberta da pesquisa de lipídios. “Nosso trabalho atual demonstra um papel fundamental, específico e conservado da síntese lipídica mediada por PCYT2 na saúde muscular de vertebrados e nos permite explorar novos caminhos terapêuticos para melhorar a saúde muscular em doenças raras e envelhecimento”, conclui Penninger.
Josef Penninger foi o diretor fundador do IMBA e atualmente é diretor do Life Sciences Institute da University of British Columbia (UBC), Vancouver, Canadá.