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Dinâmica mitocondrial regula diferenciação de células-tronco mesenquimais

07/12/2015
Estudo de pesquisadoras do Redoxoma foi publicado na revista Stem Cells

O processo de diferenciação celular, em que células-tronco se transformam em células finais especializadas, demanda muita energia e, portanto, envolve o metabolismo energético das células. Em estudo realizado com células-tronco mesenquimais da pele de camundongos (msMSCs) induzidas a se diferenciar em condrócitos, osteócitos e adipócitos, a pesquisadora Maria Fernanda Forni mostrou que a dinâmica mitocondrial regula a diferenciação dessas células.

“Vimos que as células-tronco mesenquimais alteram a morfologia das mitocôndrias para se diferenciar. Isso é uma novidade. Estamos vendo uma modulação que acontece de maneira fisiológica. E quando impedimos as células de modularem a rede mitocondrial, a diferenciação não ocorre”, afirmou Forni, que desenvolveu o trabalho como projeto de pós-doutorado, sob a supervisão da professora Alicia Kowaltowski, do Instituto de Química da USP e do CEPID Redoxoma. Os resultados da pesquisa foram publicados na revista Stem Cells.

Células-tronco têm a capacidade de autorrenovação e de diferenciação em diversos tipos celulares e, por isso, têm um grande potencial de utilização terapêutica para regenerar tecidos lesados. As células-tronco mesenquimais (MSCs) são encontradas na vida pós-natal em praticamente todos os órgãos e tecidos e têm a capacidade de se diferenciar, in vitro e in vivo, em osso, cartilagem e gordura, entre outros.

Para as pesquisadoras, a compreensão dos mecanismos básicos que regulam a diferenciação celular vai levar a um maior controle do processo em situações clínicas.

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Células-tronco de derme de camundongo expressando uma proteína verde fluorescente foram induzidas a se diferenciarem em adipócitos (gordura), condrócitos (cartilagem) e osteoblastos (osso). A morfologia mais alongada das mitocôndrias pode ser observada nas células comprometidas com o destino de osso e gordura e arredondada/fragmentada na cartilagem.

 

Reconfiguração metabólica

Durante a diferenciação celular, ocorre extensa reconfiguração metabólica. Para realizar esse estudo, os pesquisadores avaliaram mudanças na bioenergética e na morfologia mitocondrial de células-tronco mesenquimais isoladas da pele de camundongos fêmeas Swiss, que foram induzidas a se diferenciar em células de osso, gordura e cartilagem.

As análises foram feitas logo no início do processo, numa fase chamada de comprometimento, em que as células já estão comprometidas com a diferenciação mas ainda não se diferenciaram. “O que interessava era observar as mudanças que ocorrem durante a escolha do destino dessas células e não a diferenciação final”, explicou Forni.

Os pesquisadores viram que os primeiros passos da adipogênse e da osteogênese envolveram alongamento mitocondrial, bem como aumento da expressão de proteínas de fusão mitocondrial. A condrogênese envolveu um fenótipo mitocondrial fragmentado, aumento da expressão de proteínas de fissão e aumento da mitofagia.

Para a observação da dinâmica mitocondrial, os pesquisadores utilizaram a proteína verde fluorescente fotoativada, técnica desenvolvida pelo grupo do professor Orian Shirihai, da Boston University School of Medicine, coautor do artigo.

A técnica permite entender como as mitocôndrias se unem e separam ao longo do tempo. É possível colorir mitocôndrias só de um dos lados da célula, expressando uma proteína verde fluorescente que, quando ativada com laser, muda de cor. Assim eles puderam observar a diluição dessa proteína verde pela célula inteira. Quando há muita troca de conteúdo entre as mitocôndrias, a proteína dilui rápido, como acontece nas mitocôndrias alongadas. No caso de pouca dinâmica, as mitocôndrias trocam pouco conteúdo e a diluição é menor.

Outro parâmetro avaliado pelo grupo foi o consumo de oxigênio e a conclusão foi que em células comprometidas com adipogênese e osteogênese há um aumento da respiração, enquanto no caso daquelas comprometidas com a condrogênese ocorre diminuição da respiração.

O passo seguinte foi a inibição da proteína Mfn2, na adipogênese e osteogênese, e a superexpressão de uma forma truncada de Drp1 na condrogênese. Com isso, foi inibida a fusão, no caso das células em que as mitocôndrias ficam alongadas, ou a fissão, no caso em que as mitocôndrias ficam fragmentadas. O resultado foi a perda da capacidade de diferenciação das células.

O estudo da relação entre morfologia e função mitocondrial é uma área nova de pesquisa. Segundo Kowaltowski, há várias evidências na literatura de que quanto mais alongada a mitocôndria, melhor é a síntese de ATP (adenosina trifosfato), ou seja, a geração de energia; e quanto mais fragmentadas, menor a síntese de ATP. Isso implica em uma regulação metabólica só por meio do formato das mitocôndrias e já foi demonstrado em várias situações. “A novidade do nosso trabalho é mostrar que a célula-tronco muda a morfologia das mitocôndrias para se diferenciar”, afirmou.

O artigo Murine Mesenchymal Stem Cell Commitment to Differentiation is Regulated by Mitochondrial Dynamics, de Maria Fernanda Forni, Julia Peloggia, Kyle Trudeau, Orian Shirihai e Alicia J. Kowaltowski, pode ser lido por assinantes em http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/stem.2248/abstract


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