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!!!!