Mecanismos moleculares de la sensibilidad aguda al oxígeno en los quimiorreceptores arteriales: función del complejo I mitocondrial

Resumen

El oxígeno (O2) es una molécula esencial para la vida de los animales debido a su metabolismo celular aeróbico, ya que la energía necesaria para realizar las funciones vitales la obtienen, principalmente, de la mitocondria mediante la fosforilación oxidativa; un proceso que requiere O2 como aceptor final de electrones. La falta de O2, aunque sólo sea de manera focalizada y transitoria, puede dañar gravemente los tejidos. Por ello los animales, sobre todo los mamíferos han desarrollado mecanismos para adaptar la función del organismo a situaciones de escasez de O2. Las respuestas adaptativas a la hipoxia aguda dependen de un conjunto de órganos quimiorreceptores que forman el sistema homeostático sensor de O2, de los cuales el principal es el cuerpo carotídeo (CC). Cuando se produce un descenso en la PO2, el CC lo detecta, se activa y señaliza a los centros respiratorios del tronco del encéfalo para desencadenar, en cuestión de segundos, los reflejos respiratorios y cardiovasculares y asegurar el suministro de O2 a los tejidos, especialmente al cerebro y corazón. El mecanismo de quimiotransducción de la hipoxia en las células glómicas, elementos quimiosensores del CC, y en otros tipos celulares del sistema homeostático sensor de O2 está bien caracterizado pero aún se desconoce la naturaleza de la molécula sensora de O2. El objetivo general de esta tesis fue ahondar en el conocimiento de los mecanismos moleculares de la sensibilidad a hipoxia aguda en los quimiorreceptores arteriales. Observaciones previas de nuestro grupo mostraron que el bloqueo del sitio de unión de ubiquinona del complejo I mitocondrial (CMI) elimina la respuesta a hipoxia, por ello nos centramos en investigar la función del CMI en la sensibilidad a hipoxia aguda empleando modelos animales genéticamente modificados. En el presente trabajo se han generado dos modelos de ratón knockout (KO) de la subunidad Ndufs2 del CMI. El modelo TH-NDUFS2, en el que la deleción del gen Ndufs2 es embrionaria y específica de tejidos catecolaminérgicos (CC, médula adrenal (MA) y ganglio cervical superior, entre otros) y el modelo ESR-NDUFS2, en el que la deleción del gen Ndufs2 es ubicua y tiene lugar en la vida adulta (inducible por tamoxifeno). Aunque ninguno de ellos muestra alteraciones ventilatorias aparentes en condiciones de normoxia (21% O2), la respuesta ventilatoria a la hipoxia (10% O2), estudiada mediante pletismografía, desaparece tanto en los animales THNDUFS2 como ESR-NDUFS2. El estudio de la funcionalidad de las células glómicas mediante el análisis de su capacidad secretora mostró que son selectivamente insensibles a hipoxia, puesto que sí detectan otros estímulos como la hipercapnia y la hipoglucemia. Esta observación se demostró también mediante medidas de Ca2+ intracelular y análisis de los canales de K+ regulados por O2. Por tanto, la deleción de Ndufs2 anula la sensibilidad a la hipoxia de forma selectiva, lo cual muestra que los mecanismos que median la sensibilidad a la son diferentes a los de la hipoglucemia o la hipercapnia. Además, la desaparición de la sensibilidad a hipoxia en ambos modelos animales, TH-NDUFS2 y ESR-NDUFS2, muestra que la deleción de Ndufs2 abole la sensibilidad a hipoxia independientemente del momento de la vida del animal en el que se produzca. En paralelo con los experimentos en el CC, se ha estudiado la sensibilidad a hipoxia de la MA en los modelos TH-NDUFS2 y ESR-NDUFS2. Se ha observado que la deleción de Ndufs2 afecta a las células cromafines del mismo modo que a las células glómicas, produciendo la pérdida selectiva de la sensibilidad a la hipoxia independientemente del momento de la vida del animal en el que se produzca. Se ha observado también que la deleción de la subunidad Ndufs2 previene el ensamblaje del CMI y elimina, por lo tanto, su actividad NADH:ubiquinona oxidorreductasa y el consumo de O2 dependiente de este complejo mitocondrial. Sin embargo, la CTE funciona correctamente a través de la vía CMII-CMIV. No obstante, a pesar de incubar las células deficientes de Ndufs2 con succinato, sustrato del CMII, la insensibilidad a hipoxia permanece, evidenciando la función esencial del CMI en el mecanismo de sensibilidad a la hipoxia aguda. Las células glómicas deficientes de Ndufs2 presentan un alto nivel de oxidación de su citoplasma así como acumulación de NAD(P)H. En las células controles la hipoxia produce un incremento de ROS de origen mitocondrial y acumulación de NADH, pero en las células de los ratones KO de Ndufs2 no se observan ninguno de estos efectos. Además, el fenotipo electrofisiológico de las células KO recuerda al de las células controles sometidas a hipoxia. Ello indica que el CMI es fundamental para la sensibilidad a hipoxia así como que su deficiencia induce un estado hipóxico en las células glómicas, que explica la hipertrofia del CC en los ratones carentes de Ndufs2. Por otro lado, el CC contiene mayor cantidad de succinato que otros tejidos neurales, como la MA y el cerebro, lo que indica que tiene un metabolismo altamente dependiente del CMII y justifica que el nivel de ATP de este tejido no disminuya en los animales KO de Ndufs2 con respecto a los controles. Esta adaptación metabólica explica que el CC sea más resistente a la disfunción del CMI que otros tejidos, como la MA, y además, es probable que facilite la gran sensibilidad a la hipoxia de las células glómicas. Con los resultados de esta tesis doctoral hemos propuesto un modelo que, aunque con algunos elementos hipotéticos, explica el mecanismo molecular de sensibilidad a la hipoxia aguda de los quimiorreceptores arteriales. La hipoxia provoca la acumulación de ubiquinona reducida (QH2) en el CMI, lo que induce la reversión de su actividad catalítica. Esta reversión aumenta en gran medida la tasa de producción de NADH y ROS, que inhiben la corriente de K+ e inducen la despolarización celular provocando la entrada de Ca2+ extracelular, a través de canales voltaje dependientes, y la secreción de neurotransmisores.