Função das Espécies Reativas de Oxigênio (ROS) na sinalização redox e no estresse oxidativo Rafael Kazmirczak de Moraes Bioquímica Avançada I-A Prof. Mateus Grings Introdução • Espécies Reativas de Oxigênio (ROS) são subprodutos do metabolismo aeróbico • Ânion Superóxido (O2-), Peróxido de Hidrogênio (H2O2) e o radical Hidroxila (OH-) • Tradicionalmente associados a patologias, porém estudos dos últimos 20 anos mostram o contrario • Procariotos possuem mecanismos bem descritos de ROS diretamente ativando fatores de transcrição • Oxidação de resíduos de cisteína pelo peróxido são reversíveis em primeiro grau (Cys-SOH) mas são irreversíveis após (SO2H e SO3H). Introdução • A concentração elevada de superóxido está mais relacionada ao estresse oxidativo • Um grupo de proteínas é mais sensível a inativação por superóxido e ativam cascatas que levam a adaptação ou apoptose • O radical hidroxila é extremamente reativo, e geralmente causa dano ou instabilidade genômica à célula. • As concentrações necessárias de peróxido para sinalização não alteram o balanço GSSG/GSH e NADPH/NADP+, que geralmente indicam estresse oxidativo. • Compartimentalização também define sinalização redox/estresse oxidativo ROS e a regulação da proliferação celular normal • Fatores de crescimento como o Fator de Crescimento Epitelial (EGF) e o Fator de Crescimento Induzido por Plaquetas (PDGF) ativam seus Receptores Tirosina Cinase (RTKs) levando a ativação da cascata da MAPK, que promove proliferação celular • O EGF e o PDGF aumentam rapidamente a concentração de H2O2 levando a oxidação da Proteína Tirosina Fosfatase 1B (PTP1B), que inibe as RTKs • Um pool de perorredoxina1 (PRX1) localizado na membrana é inibido na presença de fatores de crescimento permitindo o aumento do peróxido • Esses dados suportam o modelo de que a indução por fatores de crescimento deve ser acompanhado de um aumento rápido e localizado na produção de ROS na membrana. ROS e a regulação da proliferação celular no câncer. • O metabolismo acelerado das células cancerígenas causa um aumento significante na produção de ROS. • Se pensava que esse aumento era a causa dos danos que levaram ao tumor • Perda da p53 e outros mecanismos que levam a aneuploidia são mais prováveis • oncogene MYC não possui instabilidade cromossômica e os níveis de ROS precisam estar elevados • O oncogene Kras também necessita de um aumento de ROS para proliferação • Mutações no ciclo de Krebs ou na cadeia transportadora, ativam cascatas de sinalização tumorigênicas como as da PI3K e MAP cinase • O NF-kB, um primeiros fatores de transcrição influenciados por ROS a ser descoberto, é necessário para sobrevivência da célula tumoral. ROS e a regulação da proliferação celular no câncer. • Os altos níveis de ROS são compensados com altos níveis de antioxidantes para evitar morte celular • O principal mecanismo de produção de defesas antioxidantes é pela ativação do fator NFR2, que normalmente encontra-se dimerizado com a KEAP1 • ERK, MAP cinase e PI3K também ativam a NRF2 • Mutação na KEAP1 • A perda da NRF2 leva a aumento generalizado das ROS • Perda de defesas antioxidantes especificas como a PRX1 levam a aumento na sinalização e maior proliferação do câncer. ROS e a regulação da proliferação celular no câncer. • Se ROS são necessárias para promover o câncer então supressores cancerígenos poderiam servir como antioxidantes? • Supressão de tumores em roedores deficientes de p53 porém com suplementação de N-acetil-cisteína (NAC) sugere que esse seja seu papel para alguns tipos de câncer. • Um estudo recente sugere que a p53 suprime mais os tumores pela regulação de genes de antioxidantes do que pela parada do ciclo ou morte da celular. • Induz a expressão do TIGAR que diminui os níveis de frutose-2,6-bifosfato, redirecionando os carbonos para a via das pentoses-fosfato produzindo mais NADPH • Outros supressores como o FOXO também regulam a expressão de antioxidantes. ROS e a regulação da proliferação celular no câncer. • Os fatores de transcrição induzidos por hipóxia (HIFs) também desempenham papel importante na proliferação do câncer, já que induzem angiogênese • A hipóxia aumenta produção de ROS levando a estabilização da HIFα Gonzalez, F. J., Xie, C., & Jiang, C. (2019). The role of hypoxia-inducible factors in metabolic diseases. Nature Reviews Endocrinology, 15(1), 21–32. https://doi.org/10.1038/s41574-018-0096-z ROS e a regulação da proliferação celular no câncer. • O tratamento do câncer deveria focar em diminuir ou aumentar os níveis de ROS? • Estudos com b-caroteno, vitamina A e vitamina C se mostram ineficientes • Evidencias mostram que a incapacitação de antioxidantes matam células cancerigenas pelo altos niveis de ROS • Duas ideias são pensadas: • Ativar ainda mais as vias das NF-kB, PI3K, HIFs e MAPK • Desabilitar somente os antioxidates ultilizados pelas células cancerígenas ROS e a regulação da Inflamação • O sistema imune poder falhar em ser proprimente ativado ou ser ativado em excesso, causando patologias em ambos os casos • ROS se mostraram como segundos mensageiros essenciais no sistema imune nos ultimos 20 anos • Niveis muito aumetados de ROS causam respostas inflamatórias exageradas • O sistema imune inato responde a Padroes Moleculares Associados a Patógenos (PAMPs) e a Padroes Moleculares Associados Derivado de Dano Celular (DAMPs) atravez de: • Receptores Tipo Toll (TRLs) • Receptores Tipo RIG-I (RLRs) • Receptores Tipo NOD (NRLs) ROS e a regulação da Inflamação ROS e a regulação da Inflamação • O sistema imune adaptativo involve células T e B via rápida proliferação em resposta a um patógeno • A primeira evidencia da sinalização redox nesse processo veio do tratamento de linfócitos T com atioxidantes in vitro, que inibiram a proliferação celular e produção de Interleucina-2 • A parada da produção de ROS pela mitocondria diminui a ativação das células T in vitro e in vivo • Células B também necesitam de ROS para ativação e proliferação • Niveis um pouco aumentados de ROS em ratos se mostraram eficientes no combate a patógenos • Ratos deficiente de NRF2 se mostraram muito mais vulneraveis a diversos provessos inflamatórios. ROS e a regulação da Inflamação • O sistema imune adaptativo involve células T e B via rápida proliferação em resposta a um patógeno • A primeira evidencia da sinalização redox nesse processo veio do tratamento de linfócitos T com atioxidantes in vitro, que inibiram a proliferação celular e produção de Interleucina-2 • A parada da produção de ROS pela mitocondria diminui a ativação das células T in vitro e in vivo • Células B também necesitam de ROS para ativação e proliferação • Niveis um pouco aumentados de ROS em ratos se mostraram eficientes no combate a patógenos • Ratos deficiente de NRF2 se mostraram muito mais vulneraveis a diversos provessos inflamatórios. ROS e o Envelhecimento • Uma teoria formulada ha mais de 50 anos propoe que as ROS contriubuem para o envelhecimento, particularmente a mitocondria • Porem experimentos mostram resultados conflitantes • Estudos mais recentes sugerem que ROS importantes sinalizadores nos tecidose um pouco de aumento, induz vias de reparo de danos promevendo envelhecimento saudavel da célula. • Os primeiros estudos com Drosophila sugeriram que o aumento da atividade da SOD e da Catalase aumetam a longevidade porém esses resultados nunca foram duplicados • Esses resultados tambem foram encontrados em ratos ROS e o Envelhecimento • A super expressão da Catalase mitocondrial (CATmm) foi capaz de aumentar a longevidade • CATmm detoxifica a matriz mitocondrial ou • CATmm previne o vazamento de peroxido, que por sua vez interfere na sinalização normal da célula • Deleção da SOD mitocondrial de ratos, aumento o dano ao DNAm e aumentou a incidencia de cancer, porém não afetou o envelhecimento • Curiosamente a deleção da SOD em C. elegans foi capaz de estender a longevidade ROS e o Envelhecimento • Em leveduras e C. elegans a restrição calórica e restrição de glicose aumentam a longevidade pelo aumento de ROS mitocondria • O aumento da longevidade dependente da sirtuinas também se mostra dependendente de niveis elevados de ROS • Em mamíferos, ratos heterozigotos para MCLK1, necessaria para cadeia transportadora, possuem aumento de ROS mitocondrial porém menor dano a proteinas citosólicas • Em humanos a hipoxia induz aumento de ROS mitoncondrial e tambem a vida útil replicativa de fibroblastos ROS e o Envelhecimento • A manutenção do tecido adulto requer a remoção de células danificadas com a substituição por novas • Um modelo recente de células tronco hematopoiéticas é que as ROS dão o sinal para o inicio da proliferação • Altos níveis limitam sua função de célula tronco mas não necessariamente causam dano ROS e o Envelhecimento • Células neuronais também são sensíveis a aumento nos níveis de ROS • A perda do fator de transcrição PRDM16, que é altamente expresso tanto em células tronco neuronais quanto em hematopoiéticas, provocaram erros nas suas funções • Células troco neuronais foram recuperadas com tratamento de NAC indicando biologias redox diferentes • ROS foram vistos essenciais na diferenciação de diversos tipo celulares • Células hematopoiéticas de ratos e Drosophila • Células tronco mesenquimais para adipócitos em humanos • Níveis muito altos de ROS atrapalham a diferenciação de miócitos cardíacos ROS e o Envelhecimento Conclusões • Estudos nas ultimas décadas mudaram a ideia de ROS como simples toxinas que causam dano molecular às células • Os níveis e compartimentalização do H2O2)ditam a biologia redox, enquanto altos níveis de superóxidos e hidroxila indicam estresse oxidativo • A sinalização redox é fundamental para diversos processos celulares como proliferação, diferenciação, regeneração de tecidos, e prevenção do envelhecimento • Propõe que a sinalização redox e não o estresse oxidativo é responsável pelo controle de varias patologias, como câncer e doenças autoimunes Conclusões • Essa alteração no conceito torna difícil interferir com a biologia redox administrando antioxidantes, já que isso pode afetar células saudáveis • Pratica de exercício físico é uma estratégia para aumentar os níveis de ROS e ativar vias moleculares benéficas • Mais estudos poderão possibilitar o desenvolvimento de terapias que poderiam combater melhor as patologias citadas Obrigado!!!!