Tese de Doutorado apresentada ao Programa de Pós-Graduação em Ciências da Saúde da Universidade do Extremo Sul Catarinense – UNESC, para obtenção do título de Doutora em Ciências da Saúde. / Aging is associated with a decline in mitochondrial function, which is controlled mainly through peroxisome proliferator-activated receptor gamma coativator-1 alpha (PGC-1α), sirtuin 1 (SIRT-1) and AMP-activated protein kinase (AMPK). On the other hand, exercise is known to monitor the levels of SIRT-1 and PGC-1α protein and AMPK phosphorylation, but the effects of exercise intensity of these molecules has not been fully investigated. The present study aimed to investigate the potential effect of race at 1.2 and 0.8 km/h in protein levels of SIRT-1 and PGC-1α and AMPK phosphorylation in skeletal muscle of old adult rats. To this, young Wistar rats two months of age and older adults with eighteen months of age, weighing 218 ± 10 and 526 ± 12 g, respectively, before the exercise protocol, were divided into the following groups (n = 6): non-exercised ( NE ); exercised at 0.8 km/h (0.8 km/h) and exercised at 1.2 km/h (1.2 km/h ). The rats of the exercise groups were subjected to running at a constant speed of 0.8 km/h and 1.2 km/h without inclination, 50 minutes per day, 5 days per week for 8 weeks. Forty-eight hours after the last session of physical exercise, the animals were anesthetized and underwent extraction of the quadriceps for the analysis of intracellular proteins by immunoblot technique and enzyme activities. Our results showed that aging reduces levels of SIRT-1 proteins (45%), PGC-1α (39%) and AMPK (40%) phosphorylation when compared with young rats. On the other hand, the group that exercised to 0.8 km/h increased protein levels and phosphorylation of these molecules, when compared with NE rats, but this increase was higher in young rats. Rats that exercised at 1.2 km/h showed increased levels of SIRT-1, PGC-1α and AMPK phosphorylation, when compared to animals trained to 0.8 km/h, but there was no statistical difference when compared rats young and old adults. It was observed that age-related declines in AMPK, SIRT-1 and PGC-1α molecules can be largely ameliorated by exercise. However, the data demonstrated that, to achieve changes in SIRT-1, PGC-1α and AMPK that are comparable in magnitude with in young rats, higher intensities of exercise are necessary for older adults rats. / O envelhecimento está associado ao declínio da função mitocondrial, que é controlada principalmente através do coativador 1 alfa do receptor ativado por proliferador de peroxissoma gama (PGC-1α), sirtuína 1 (SIRT-1) e proteína quinase ativada por AMP (AMPK). Por outro lado, o exercício é conhecido por controlar os níveis de SIRT-1 e PGC-1α e a fosforilação da AMPK, porém os efeitos da intensidade do exercício sobre estas moléculas não foi totalmente investigado. O presente estudo objetivou investigar o efeito da corrida a 0,8 e 1,2 km/h nos níveis proteicos da SIRT-1 e PGC-1α e na fosforilação da AMPK em músculo esquelético de ratos adultos velhos. Para tal, ratos Wistar machos jovens com dois meses de idade e adultos velhos com dezoito meses de idade, pesando 218±10 e 526±12 g, respectivamente, foram divididos nos grupos (n=6): não exercitado (NE); exercitado em 0,8 km/h (0,8 km/h) e exercitado em 1,2 km/h (1,2 km/h). Os animais dos grupos exercício foram submetidos à corrida em velocidade constante de 0,8 km/h ou 1,2 km/h sem inclinação, 50 minutos/dia, 5 dias/semana, por 8 semanas. Quarenta e oito horas após a última sessão de execício físico, os animais foram anestesiados e realizou-se a extração do quadríceps para as análises de proteicas pela técnica de imunoblot e atividades enzimáticas. Os resultados mostraram que o envelhecimento reduz os níveis de SIRT-1 (45%), PGC-1α (39%) e a fosforilação da AMPK (40%), quando comparados com ratos jovens. Por outro lado, o grupo exercitado a 0,8 km/h aumentou os níveis proteicos e a fosforilação destas moléculas, quando comparados com ratos NE, mas este aumento foi maior em ratos jovens. Ratos exercitados a 1,2 km/h mostraram aumento dos níveis de SIRT-1, PGC-1α e fosforilação da AMPK, quando comparado aos animais exercitados a 0,8 km/h, mas não houve diferença estatística quando comparado os ratos jovens e adultos velhos. Os declínios relacionados à idade nas moléculas AMPK, SIRT-1 e PGC-1α podem ser melhorados pelo exercício físico. No entanto, os dados demonstraram que, para atingir mudanças na SIRT-1, PGC-1α e AMPK que são comparáveis em magnitude com os ratos jovens, maiores intensidades de exercícios são necessárias para os ratos adultos velhos.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Acute liver failure (ALF) induced by acetaminophen (APAP) is a complex process associated with glutathione (GSH) depletion, energetics metabolism changes and mitochondrial dysfunction, resulting in the impairment of maintenance of tissue normal function. On this matter, organoselenium compounds, such as diphenyl diselenide (PhSe)2, have been highlighted in the last years due to the antioxidant properties and the hepatoprotective effects, however, the (PhSe)2 hepatoprotection mechanism remains unclear. So, this work was aimed to deepen into understanding of the effects of (PhSe)2 on the mitochondrial dysfunction as well as the signaling pathway during the ALF induced by APAP. Firstly, it was performed a comparative study between the organoselenium compound and the classical antidote (N-acetylcysteine, NAC) in the liver homogenate. (PhSe)2 presented similar results to the NAC reducing the oxidative damage markers, maintaining the GSH levels and enhancing the survival after the APAP overdose. The treatment with (PhSe)2 reduced plasmatic levels of transaminases (aspartate and alanine aminotransferase) and the morphological/histological changes. In addition, (PhSe)2 was able to reduce significantly the oxidative damage such as lipid peroxidation, reactive oxygen and nitrogen species generation, mitochondrial protein carbonylation and mitochondrial viability after ALF induced by APAP. In this context, the levels of non enzymatic antioxidants, such as GSH, and enzymatic antioxidants, such as catalase, Mn superoxide dismutase, glutathione peroxidase and glutathione reductase remained to the control levels. In general, the results noticed in this work the probably (PhSe)2 mechanism is closely related with the maintenance of antioxidant defense system and inhibition of mitochondrial transition permeability (MPT) indicated by reduction of mitochondrial swelling, activity preservation of respiratory complexes I, II and ATPase, and maintenance of H+ gradient with the mitochondrial membrane potential (Δψm) generation. It was observed that (PhSe)2 was able to limit the impairment of mitochondrial bioenergetics function with the normalization of oxidative phosphorilation (OXPHOS) and activation of heat shock protein pathway through the enhance of HSP70 levels, which in turn, modulates the MPT protecting the mitochondrial viability. (PhSe)2 treatment was able to maintain the appropriated levels of cytokines associated with the liver recovery, such as tumoral necrosis factor alfa (TNF-α), interleukin 6 (IL-6) and nuclear factor kappa B (NF-κB). Moreover, the integrity of cellular bioenergetic function could be associated with the increase of peroxisome proliferator-activated receptor-γ coactivator (PGC-1α), helping to restore the nuclear respiratory factor 1 (NRF1) levels associated with the mitochondrial biogenesis. Finally, (PhSe)2 could be a useful therapeutic alternative that would contribute to the liver recovery, controlling the quality of mitochondrial function and maintaining homeostasis and cellular health. / A insuficiência hepática aguda (IHA) induzida por paracetamol (APAP) é um processo complexo que envolve depleção de glutationa (GSH), mudanças no metabolismo energético e disfunção mitocondrial, o que resulta na incapacidade de manter o funcionamento adequado do órgão. Neste contexto, a utilização de compostos orgânicos de selênio como o difenil disseleneto (PhSe)2 tem se destacado nos últimos anos, devido as propriedades antioxidantes e efeitos hepatoprotetores, no entanto, o mecanismo pelo qual (PhSe)2 age não está totalmente esclarecido. Assim, este estudo busca aprofundar nossos conhecimentos sobre as ações do (PhSe)2 na disfunção mitocondrial assim como a sinalização intracelular durante a IHA induzida por APAP. Para tanto, estabelecemos primeiramente um parâmetro comparativo entre o composto orgânico de selênio e o antídoto clássico (N-acetil cisteina, NAC), em homogenato. O (PhSe)2 foi tão efetivo quanto NAC reduzindo os marcadores de dano oxidativo, auxiliado na manutenção dos níveis de GSH e aumentando o tempo de sobrevivência após a intoxicação por APAP. O tratamento com (PhSe)2 reduziu alterações morfológica, minimizou o dano quando analisamos histologicamente o tecido hepático e determinou uma redução nos níveis plasmáticos dos indicadores de dano hepatocelular (AST e ALT). Além disso, o (PhSe)2 foi eficaz na redução significativa do dano oxidativo ao limitar a peroxidação lipídica, formação de espécies reativas de oxigênio e nitrogênio, carbonilação de proteínas mitocondriais e viabilidade mitocondrial após a IHA induzida por APAP. Neste contexto, os níveis de antioxidantes não enzimáticos, tais como GSH, e enzimáticos, tais como as enzimas catalase, manganês superoxido dismutase, glutationa peroxidase e glutationa redutase, também foram mantidos semelhantes ao grupo controle. Em geral os resultados observados neste estudo indicam que um importante mecanismo pelo qual o (PhSe)2 exerce os seus efeitos terapêuticos está relacionado a manutenção da atividade do sistema de defesa antioxidante e inibição da transição de permeabilidade mitocondrial (MPT) indicados pela redução do inchaço mitocondrial, preservação da atividade dos complexos respiratórios I, II e ATPase, e manutenção do gradiente de H+ com a formação do potencial de membrana mitocondrial (Δψm). Também observamos que o (PhSe)2 limita a perda do funcionamento bioenergético mitocondrial com a manutenção dos níveis adequados de fosforilação oxidativa (OXPHOS) e ativa a via das proteínas do choque térmico aumentando a expressão de HSP70, a qual apresenta um efeito modulador importante sobre a MPT preservando a viabilidade mitocondrial. O tratamento com (PhSe)2 foi efetivo em preservar níveis apropriados de citocinas envolvidas na recuperação do tecido hepático, tais como fator de necrose tumoral alfa (TNF- α), interleucina 6 (IL-6) e fator nuclear kappa B (NF-κB). Além disso, a manutenção bioenergética celular poderia estar associada com os elevados níveis transcricionais do receptor gama ativado por proliferador de peroxissoma (PGC-1α) que auxilia a restaurar os níveis de fator nuclear respiratório 1 (NRF1) os quais estão envolvidos no processo de biogênese mitocondrial. Por fim, o (PhSe)2 poderia ser uma importante alternativa terapêutica a qual auxiliaria na recuperação do fígado, controle de qualidade mitocondrial e manutenção da homeostase e saúde celular.

As operárias de Apis mellifera realizam diferentes tarefas de acordo com a sua idade (polietismo etário), sendo que operárias jovens cuidam da cria e quando mais velhas forrageiam. Entretanto, tal transição não segue uma cronologia fixa, mas se ajusta às necessidades da colônia, especialmente as condições nutricionais, tanto da colônia quanto dos indivíduos. Nesse sentido, abordamos a questão de como o metabolismo oxidativo no corpo gorduroso das operárias, i.e., o centro do metabolismo intermediário destes insetos, está relacionado com alterações da função das operárias na colônia e como o mesmo responde a um estresse nutritivo imposto individualmente em duas fases, na fase larval e na fase adulta. Como métodos para avaliar a atividade mitocondrial e o estado redox das células do corpo gorduroso utilizamos um sistema de respirometria de alta resolução para medir o consumo de O2, e realizamos ensaios bioquímicos para quantificar a geração de espécies reativas de oxigênio (EROs), os níveis de óxido nítrico, o número de unidades mitocondriais, e eventuais danos oxidativos resultantes. Ademais, por meio de PCR quantitativa medimos a expressão relativa de genes ligados à biogênese mitocondrial, ao sistema antioxidante e à via de sinalização por hipóxia. Na comparação destes parâmetros entre operárias nutridoras e forrageiras avaliamos separadamente os três principais compartimentos do corpo (cabeça, tórax e abdômen) uma vez que esses estão diferencialmente relacionados a tais funções. Para os tecidos da cabeça observamos que as amostras de nutridoras apresentaram maior consumo de O2, associado a uma maior produção de EROs e expressão elevada dos genes da via de hipóxia, enquanto forrageiras apresentaram maiores quantidades de transcritos dos genes do sistema antioxidantes e menores níveis de danos oxidativos. Para os tecidos do tórax observamos nas forrageiras uma maior capacidade de produção de ATP, acompanhada de uma elevada expressão de genes codificadores de enzimas do sistema antioxidante e menores níveis de danos oxidativos. Com relação aos tecidos abdominais, as abelhas nutridoras apresentaram maior atividade mitocondrial, enquanto as amostras de forrageiras apresentaram maior número de unidades mitocondriais, elevados níveis EROs e também uma expressão elevada dos genes do sistema antioxidante e da via de hipóxia. Assim, os dados revelaram uma clara mudança na atividade mitocondrial e nos padrões redox teciduais associados a esta transição de polietismo etário. Também notamos diferenças nestes parâmetros para cada compartimento do corpo analisado, refletindo uma demanda energética diferencial em cada tecido. A segunda parte do projeto teve como objetivo avaliar os mesmos parâmetros redox em uma situação de restrição alimentar em três situações distintas. O primeiro grupo experimental foi constituído de larvas que sofreram restrição calórica por umperíodo de 10 horas. O segundo grupo foi composto por abelhas recém emergidas que sofreram ou não tal restrição calórica no período larval. O terceiro grupo consistiu de abelhas que sofreram ou não restrição calórica no período larval, e após emergirem foram mantidas em caixas até atingirem a idade de 7 dias, quando foram submetidos novamente a uma restrição calórica. Para o primeiro grupo, as larvas, verificamos que após o período de restrição calórica os genes relacionados com a biogênese mitocondrial e o sistema antioxidante apresentaram níveis de expressão menores comparadas com larvas controle. Observamos também que larvas que sofreram restrição calórica apresentaram menor consumo de O2 e menores níveis de EROs. Para o segundo grupo, as abelhas recém emergidas, não observamos nenhuma diferença na expressão de genes mitocondriais e do sistema antioxidante entre as que sofreram ou não restrição calórica na fase larval, demostrando uma recuperação nestes parâmetros após o período de metamorfose. No terceiro grupo, as abelhas de 7 dias foram submetidas a uma nova restrição calórica para observar se indivíduos que passaram por a situação de estresse no período larval apresentariam uma resposta mais imediata a um estresse nutricional na fase adulta. Os resultados do terceiro grupo revelaram que abelhas que haviam sido expostas a uma situação prévia de restrição calórica, apresentaram uma redução dos transcritos de genes ligados a biogênese mitocondrial e do sistema antioxidante quando comparados ao grupo que sofreu restrição calórica apenas na fase adulta. Em conjunto nossos dados sugerem que a restrição calórica é capaz de diminuir o metabolismo oxidativo e que existe uma resposta aparentemente adaptativa em indivíduos adultos que passaram por essa situação previamente durante o desenvolvimento larval. Assim, esses resultados podem servir para direcionar estudos futuros sobre a relação entre restrição calórica, metabolismo oxidativo e longevidade nesses insetos sociais. / Apis mellifera workers perform different tasks according to their age (age polyethism), where young workers care for the brood and older ones become foragers. However, this a transition does not follow a fixed chronology, but is fitted to the needs of the colony, especially the nutritional conditions of both, the colony and the individual bee. In this sense, we address the question of how oxidative metabolism in the fat body of the workers, e.g., the center of the intermediary metabolism of these insects, is related to changes in the function of the workers in the colony, and how these parameters responds to a nutritional stress imposed individually in two stages, in the larval and adult phase. For evaluating mitochondrial activity and the redox status of fat body cells we used a high resolution respirometry system to measure O2 consumption, and we performed biochemical assays to measure the generation of reactive oxygen species (ROS), levels of nitric oxide, the number of mitochondrial units, and eventual oxidative damages. Furthermore, using quantitative PCR, we measured the relative expression of genes linked to mitochondrial biogenesis, to the antioxidant system, and to the hypoxia signaling pathway. In the comparison of these parameters between nurse and forager workers, we evaluated separately the three main body compartments (head, thorax and abdomen), since these are differentially related to these functions. For the head tissues, we observed that nurses showed higher O2 consumption, associated with higher ROS production and elevated expression of hypoxia pathway genes, while foragers presented higher amounts of transcripts of the antioxidant system genes and lower levels of oxidative damages. For the thorax tissues we found in the foragers a greater capacity of ATP production, accompanied by a higher expression of genes encoding enzymes of the antioxidant system and lower levels of oxidative damage. With respect to the abdominal tissues, nurse bees presented higher mitochondrial activity, while foragers had a higher number of mitochondrial units, elevated ROS levels, and also a higher expression of genes related to the antioxidant system and hypoxia pathway. Thus, these data revealed a clear change in mitochondrial activity and redox tissue patterns associated with this transition of age polyethism. We also noticed differences in these parameters for each of the analyzed body compartment, reflecting a differential energy demand in each tissue. The second part of the project aimed to evaluate the same redox parameters in a food restriction condition in three distinct situations. The first experimental group consisted of larvae that experienced caloric restriction for a 10 hour period. The second group consisted of newly emerged bees that had or not experienced such a caloric restriction in the larval period. The third group consisted of bees that had experienced or not caloric restriction during the larval period, and after emergence were kept in boxes until reaching 7 days old, when they were resubmitted to another caloricrestriction. For the first group, the larvae, we found that after the period of caloric restriction, genes related to mitochondrial biogenesis and the antioxidant system presented lower levels of expression compared to control larvae. We also observed that larvae that had experienced caloric restriction presented lower O2 consumption and lower ROS levels. For the second group, newly emerged bees, we did not observe any differences in the expression of mitochondrial genes and the antioxidant system among those individuals that had experienced or not caloric restriction in the larval phase, indicating a recovery in these parameters after the period of metamorphosis. In the third group, the 7-day-old bees had experienced a new caloric restriction to see whether individuals that had been in a stressful situation during larval period would respond more readily to nutritional stress in adulthood. The results for this group showed that bees that had been exposed to a previous caloric restriction presented a reduction in the transcript levels of genes related to mitochondrial biogenesis and the antioxidant system when compared to the group that experienced caloric restriction only in adulthood. Taken together, our data suggest that caloric restriction is able to diminish the oxidative metabolism, and that there is a seemingly adaptive response in adult individuals that had previously experienced this situation during larval development. Thus, these results can serve to direct future studies on the relationship between caloric restriction, oxidative metabolism and longevity in these social insects.

A restrição calórica (RC) estende a expectativa de vida de muitos organismos por mecanismos ainda em estudo. Entre os vários efeitos fisiológicos da RC encontra-se o aumento na biogênese mitocondrial, dependente de óxido nítrico (NO•), sintetizado pela enzima óxido nítrico sintase endotelial (eNOS). Um dos indutores fisiológicos mais potentes da eNOS é a insulina, cujos níveis plasmáticos são consideravelmente reduzidos nos organismos em RC. O objetivo deste trabalho foi investigar os mecanismos associados ao aumento da sinalização por NO• durante a RC in vivo e in vitro, e as conseqüências celulares do aumento de massa mitocondrial no que diz respeito à longevidade e capacidade respiratória celulares. Submetemos camundongos Swiss fêmeas à RC de 40% e observamos um considerável aumento tecido-específico na fosforilação basal de Akt e eNOS em músculo esquelético, tecido adiposo visceral e cérebro, os quais também apresentaram maior massa mitocondrial. A associação entre a sinalização por insulina, NO• e biogênese mitocondrial foi adicionalmente confirmada em um grupo de camundongos tratados com o desacoplador mitocondrial dinitrofenol (DNP), que também reduz a insulinemia e aumenta a longevidade em camundongos. Para o estudo mecanístico deste fenômeno, usamos soros de ratos Sprague-Dawley submetidos à RC de 40% ou alimentados ad libitum (AL) em cultura celular de células vasculares da musculatura lisa (VSMC), reproduzindo um protocolo descrito para RC in vitro. O uso do soro RC aumentou a fosforilação do receptor de insulina e Akt, a expressão de eNOS e nNOS (forma neural da NOS) e a fosforilação de eNOS, o que se refletiu em maior liberação de nitrito (NO2) no meio de cultura. Inibindo-se a Akt, todos os efeitos promovidos pela RC na sinalização por NO• foram revertidos. Ao se imunoprecipitar do soro a adiponectina, citocina conhecida por aumentar a sensibilidade à insulina, aumentada durante a RC, os efeitos do soro RC na via de sinalização de insulina foram abolidos e, conseqüentemente, os efeitos na sinalização por •NO foram prevenidos. Neurônios de células granulosas de cerebelo, que não expressam eNOS, apenas nNOS, foram cultivados com os soros AL ou RC, e também apresentaram considerável aumento na sinalização por •NO. Estas alterações induziram a biogênese mitocondrial e capacidade respiratória, e foram associadas à maior longevidade celular. Os mesmos efeitos mitocondriais foram observados em células secretoras de insulina, INS1, entretanto a secreção de insulina em resposta à glicose tornou-se inibida, por um mecanismo desconhecido, porém associado a reduzidos níveis intracelulares de espécies oxidantes, moléculas-chave para a secreção de insulina; e à alteração da morfologia mitocondrial, provavelmente devido à maior expressão de mitofusina-2 (Mfn-2). Ao se nocautear a Mfn-2, houve um aumento na geração de EROs e as células em RC passaram a secretar insulina a níveis comparáveis aos das células controle. Concluímos que durante a RC a maior sensibilidade à insulina aumenta a atividade de eNOS, via Akt, associada à maior biogênese mitocondrial. A adiponectina é uma molécula-central nestes eventos. A expressão de nNOS também é afetada, por mecanismos desconhecidos. O aumento de biogênese mitocondrial eleva a capacidade respiratória celular e impacta positivamente a longevidade in vitro. A alteração da morfologia mitocondrial associa-se a alterações na produção de oxidantes intracelulares e mudanças na secreção de insulina. / Calorie restriction (RC) is known to extend the lifespan in many organisms, and its mechanisms of action are still under investigation. Enhanced mitochondrial biogenesis driven by nitric oxide (•NO), synthesized by the endothelial nitric oxide synthase (eNOS), is proposed to be a CR central effect. Insulin is one of the most potent physiological activators of eNOS. However, plasmatic insulin levels are dramatically reduced in organisms under CR. The goal of this work was uncover the mechanisms associated with enhanced •NO signaling during CR, in vivo and in vitro, as well as the cellular consequences of increased mitochondrial mass, regarding lifespan and reserve respiratory capability. Female Swiss mice were submitted to 40% of CR. A tissue-specific (skeletal muscle, abdominal adipose tissue and brain) increment in basal Akt and eNOS phosphorylation, which was related to enhanced mitochondrial biogenesis, was observed. Indeed, this association was also verified in tissues from mice treated with low doses of a mitochondrial uncoupler, dinitrophenol (DNP). To unveil the mechanism behind the insulin signaling effects on •NO levels, serum from Sprague-Dawley rats submmited to 40% of CR was used to culture in VSMC cells, an in vitro CR protocol. CR sera enhanced insulin receptor (IR) and Akt phosphorylation, as well as nitrite (NO2-) accumulation in the culture media, the expression of eNOS and nNOS (neural NOS isoform) and eNOS phosphorylation. The effects of CR sera were reversed by Akt inhibition. The immunoprecipitation of serum adiponectin, a cytokine known to improve peripheral insulin sensitivity, also reversed the CR serum effects on insulin and •NO signaling. Cerebellar neurons, which do not express eNOS, just nNOS, were also cultured with CR or AL serum and also presented striking increments in •NO signaling, associated with mitochondrial biogenesis, increased reserve respiratory capability and lifespan extension. The mitochondrial effects promoted by CR were also observed in insulin secreting cells (INS1). However, under the CR condition, insulin secretion stimulated by glucose was impaired. The likely explanations are reduced mitochondrial reactive oxygen species (ROS) generation, or the alteration in mitochondrial morphology, associated, in our model, with enhanced mitofusin-2 expression (Mfn-2). In cells which the Mfn-2 was knocked down, insulin secretion in CR and AL groups was responsive to glucose at the same level, and the intracellular oxidants levels were much higher. Overall, CR improves •NO signaling due to enhanced insulin sensitivity, through Akt, and results in mitochondrial biogenesis. Adiponectin is a key molecule in this phenomenon. Increments in mitochondrial mass enhance the cellular reserve respiratory capability and lifespan. Mitochondrial morphology alterations are associated with possible decreases in ROS generation and impaired insulin release, maintained the low levels of plasmatic insulin.

A restrição calórica (RC) estende a expectativa de vida de muitos organismos por mecanismos ainda em estudo. Entre os vários efeitos fisiológicos da RC encontra-se o aumento na biogênese mitocondrial, dependente de óxido nítrico (NO•), sintetizado pela enzima óxido nítrico sintase endotelial (eNOS). Um dos indutores fisiológicos mais potentes da eNOS é a insulina, cujos níveis plasmáticos são consideravelmente reduzidos nos organismos em RC. O objetivo deste trabalho foi investigar os mecanismos associados ao aumento da sinalização por NO• durante a RC in vivo e in vitro, e as conseqüências celulares do aumento de massa mitocondrial no que diz respeito à longevidade e capacidade respiratória celulares. Submetemos camundongos Swiss fêmeas à RC de 40% e observamos um considerável aumento tecido-específico na fosforilação basal de Akt e eNOS em músculo esquelético, tecido adiposo visceral e cérebro, os quais também apresentaram maior massa mitocondrial. A associação entre a sinalização por insulina, NO• e biogênese mitocondrial foi adicionalmente confirmada em um grupo de camundongos tratados com o desacoplador mitocondrial dinitrofenol (DNP), que também reduz a insulinemia e aumenta a longevidade em camundongos. Para o estudo mecanístico deste fenômeno, usamos soros de ratos Sprague-Dawley submetidos à RC de 40% ou alimentados ad libitum (AL) em cultura celular de células vasculares da musculatura lisa (VSMC), reproduzindo um protocolo descrito para RC in vitro. O uso do soro RC aumentou a fosforilação do receptor de insulina e Akt, a expressão de eNOS e nNOS (forma neural da NOS) e a fosforilação de eNOS, o que se refletiu em maior liberação de nitrito (NO2) no meio de cultura. Inibindo-se a Akt, todos os efeitos promovidos pela RC na sinalização por NO• foram revertidos. Ao se imunoprecipitar do soro a adiponectina, citocina conhecida por aumentar a sensibilidade à insulina, aumentada durante a RC, os efeitos do soro RC na via de sinalização de insulina foram abolidos e, conseqüentemente, os efeitos na sinalização por •NO foram prevenidos. Neurônios de células granulosas de cerebelo, que não expressam eNOS, apenas nNOS, foram cultivados com os soros AL ou RC, e também apresentaram considerável aumento na sinalização por •NO. Estas alterações induziram a biogênese mitocondrial e capacidade respiratória, e foram associadas à maior longevidade celular. Os mesmos efeitos mitocondriais foram observados em células secretoras de insulina, INS1, entretanto a secreção de insulina em resposta à glicose tornou-se inibida, por um mecanismo desconhecido, porém associado a reduzidos níveis intracelulares de espécies oxidantes, moléculas-chave para a secreção de insulina; e à alteração da morfologia mitocondrial, provavelmente devido à maior expressão de mitofusina-2 (Mfn-2). Ao se nocautear a Mfn-2, houve um aumento na geração de EROs e as células em RC passaram a secretar insulina a níveis comparáveis aos das células controle. Concluímos que durante a RC a maior sensibilidade à insulina aumenta a atividade de eNOS, via Akt, associada à maior biogênese mitocondrial. A adiponectina é uma molécula-central nestes eventos. A expressão de nNOS também é afetada, por mecanismos desconhecidos. O aumento de biogênese mitocondrial eleva a capacidade respiratória celular e impacta positivamente a longevidade in vitro. A alteração da morfologia mitocondrial associa-se a alterações na produção de oxidantes intracelulares e mudanças na secreção de insulina. / Calorie restriction (RC) is known to extend the lifespan in many organisms, and its mechanisms of action are still under investigation. Enhanced mitochondrial biogenesis driven by nitric oxide (•NO), synthesized by the endothelial nitric oxide synthase (eNOS), is proposed to be a CR central effect. Insulin is one of the most potent physiological activators of eNOS. However, plasmatic insulin levels are dramatically reduced in organisms under CR. The goal of this work was uncover the mechanisms associated with enhanced •NO signaling during CR, in vivo and in vitro, as well as the cellular consequences of increased mitochondrial mass, regarding lifespan and reserve respiratory capability. Female Swiss mice were submitted to 40% of CR. A tissue-specific (skeletal muscle, abdominal adipose tissue and brain) increment in basal Akt and eNOS phosphorylation, which was related to enhanced mitochondrial biogenesis, was observed. Indeed, this association was also verified in tissues from mice treated with low doses of a mitochondrial uncoupler, dinitrophenol (DNP). To unveil the mechanism behind the insulin signaling effects on •NO levels, serum from Sprague-Dawley rats submmited to 40% of CR was used to culture in VSMC cells, an in vitro CR protocol. CR sera enhanced insulin receptor (IR) and Akt phosphorylation, as well as nitrite (NO2-) accumulation in the culture media, the expression of eNOS and nNOS (neural NOS isoform) and eNOS phosphorylation. The effects of CR sera were reversed by Akt inhibition. The immunoprecipitation of serum adiponectin, a cytokine known to improve peripheral insulin sensitivity, also reversed the CR serum effects on insulin and •NO signaling. Cerebellar neurons, which do not express eNOS, just nNOS, were also cultured with CR or AL serum and also presented striking increments in •NO signaling, associated with mitochondrial biogenesis, increased reserve respiratory capability and lifespan extension. The mitochondrial effects promoted by CR were also observed in insulin secreting cells (INS1). However, under the CR condition, insulin secretion stimulated by glucose was impaired. The likely explanations are reduced mitochondrial reactive oxygen species (ROS) generation, or the alteration in mitochondrial morphology, associated, in our model, with enhanced mitofusin-2 expression (Mfn-2). In cells which the Mfn-2 was knocked down, insulin secretion in CR and AL groups was responsive to glucose at the same level, and the intracellular oxidants levels were much higher. Overall, CR improves •NO signaling due to enhanced insulin sensitivity, through Akt, and results in mitochondrial biogenesis. Adiponectin is a key molecule in this phenomenon. Increments in mitochondrial mass enhance the cellular reserve respiratory capability and lifespan. Mitochondrial morphology alterations are associated with possible decreases in ROS generation and impaired insulin release, maintained the low levels of plasmatic insulin.

Made available in DSpace on 2016-06-02T19:22:12Z (GMT). No. of bitstreams: 1 6669.pdf: 3530464 bytes, checksum: bd826d7ee4a6c0bb3ebc74dc5752604e (MD5) Previous issue date: 2015-04-10 / Financiadora de Estudos e Projetos / The decrease of regulate the estrogen production that occurs at menopause is typically followed by increase of several deleterious changes in the skeletal muscle system. Menopause is mimicked experimentally by a technique called ovariectomy. The ovariectomy produces increased total body mass, changes in body composition and lipid profile, reduction in skeletal muscle (sarcopenia) and bone mineral mass (osteopenia). Mitochondria play a crucial role in a myriad of cellular processes including oxidative phosphorylation, biosynthetic pathways and programming of cell death. Alteration of mitochondrial biogenesis markers in ovariectomized rats and the effects of resistance training (RT) and estrogen replacement (RE) are unclear. Purpose: This study aimed to investigate the effects of Ovariectomy (Ovx), RT and ER on markers of mitochondrial biogenesis and protein expression related to oxidative capacity in the rat gastrocnemius pool. Methods: ER was performed using Silastic® capsules. During the 12-week RT, the animals climbed a ladder with weights attached to their tails. RT began simultaneously for all experimental groups. Gene expression was analysed by RT-PCR, and protein content was determined by western blotting. Results: The estrogen deficiency associated with Ovx decreased the gene expression of the mitochondrial biogenesis markers PGC-1&#945; (~73%), NRF-1 (~44%), and TFAM (~53%) (p<0.05) and decreased the protein expression of phosphorylated AMPK, CREB and AKT, which are related to oxidative capacity, compared to the Sham-Sed group. RT increased PGC- 1&#945; (~59%) and TFAM (~48%) expression compared to the Ovx-Sed group. The combination of RT and ER was superior to the Ovx-Sed and Ovx-RT treatments regarding the gastrocnemius muscle. Conclusions: This study showed that ovaries removal affects transcription factors that regulate mitochondrial biogenesis in skeletal muscle. According to our results and evidence from the literature, and estradiol levels of exercise appear to play an important role in the protection of mitochondrial dysfunction in skeletal muscle of rats. / Introdução: A diminuição da produção regular do estrógeno que ocorre na menopausa é tipicamente seguida pelo aumento de várias alterações deletérias no sistema musculoesquelético. A menopausa é mimetizada experimentalmente por uma técnica chamada ovariectomia. A ovariectomia produz aumento da massa corporal total, alterações na composição corporal e no perfil lipídico, redução da musculatura esquelética (sarcopenia) e da massa mineral óssea (osteopenia). As mitocôndrias desempenham papel crucial em uma miríade de processos celulares que incluem fosforilação oxidativa, vias de biossíntese e programação da morte celular. Alteração dos marcadores de biogênese mitocondrial em ratas ovariectomizadas, bem como os efeitos do treinamento resistido e reposição de estrógeno não são totalmente conhecidas. Objetivos: Investigar os efeitos da ovariectomia, do treinamento resistido e da reposição de estrógeno sobre a biogênese mitocondrial e capacidade oxidativa do músculo esquelético de ratas. Materiais e Métodos: A reposição de estrógeno foi realizada com cápsula Silastic. O treinamento resistido consistiu de 12 semanas em que os animais subiram uma escada com pesos atados às suas caudas. A expressão gênica foi analisada por RT-PCR e o conteúdo de proteína por Western Blotting. Resultados: A deficiência de estrogénio, associada à ovariectomia, reduziu a expressão gênica de marcadores de biogênese mitocondriais, tais como PGC-1&#945; (~ 73%), NRF-1 (~ 44%), TFAM (~ 53%) (p <0,05) e o conteúdo de proteína relacionada à capacidade oxidativa, como AMPK, CREB e AKT quando comparado com grupo Sham-Sed. O treinamento resistido aumentou esses marcadores, tais como PGC-1&#945; (~ 59%) e TFAM (~ 48%) em relação ao grupo Ovx-Sed. Conclusões: O presente estudo mostrou que a remoção dos ovários afeta fatores de transcrição que regulam a biogênese mitocondrial no músculo esquelético. De acordo com os nossos resultados e evidências da literatura, os níveis de estradiol e de exercício parecem desempenhar um papel importante na proteção da disfunção mitocondrial no músculo esquelético de ratas.

Submitted by Daniele Amaral (daniee_ni@hotmail.com) on 2016-09-12T20:34:22Z No. of bitstreams: 1 TeseMMD.pdf: 2837994 bytes, checksum: 0f8e9168f951c057cd3d2b3582ba6b01 (MD5) / Approved for entry into archive by Marina Freitas (marinapf@ufscar.br) on 2016-09-13T18:42:13Z (GMT) No. of bitstreams: 1 TeseMMD.pdf: 2837994 bytes, checksum: 0f8e9168f951c057cd3d2b3582ba6b01 (MD5) / Approved for entry into archive by Marina Freitas (marinapf@ufscar.br) on 2016-09-13T18:42:48Z (GMT) No. of bitstreams: 1 TeseMMD.pdf: 2837994 bytes, checksum: 0f8e9168f951c057cd3d2b3582ba6b01 (MD5) / Made available in DSpace on 2016-09-13T18:42:59Z (GMT). No. of bitstreams: 1 TeseMMD.pdf: 2837994 bytes, checksum: 0f8e9168f951c057cd3d2b3582ba6b01 (MD5) Previous issue date: 2015-07-15 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP) / Decreased levels of estrogen are associated with a decline in brain bioenergetics, which could be associated with a decrease in mitochondrial biogenesis (MB). Endurance training (ET) has been shown to increase markers of MB within the brain. However, the molecular events associated with this process were only investigated for ET but not for resistance training (RT) and hormone replacement therapy (HRT). In the study, we attempted to investigate the effects of ovariectomy (Ovx), RT and HRT on markers of MB (mRNA expression of peroxisome proliferator - activated receptor - γ coactivator 1 (PGC - 1α), nuclear respiratory fator- 1 (NRF - 1), and mitochondrial transcription factor A (TFAM)) in specific brain regions, cortex (CX), hippocampus (HC), and hypothalamus (HT) in rats. Sprague - Dawley adult female rats were grouped into six groups: sham - operated sedentary (Sham - Sed); Ovx - Sed; Sham - RT; Ovx - RT; Ovx – Sed - HRT and Ovx - RT - HRT. The animals in HRT groups received subcut aneously implanted silastic capsules with a solution of 180 μg 17β - estradiol/ml sunflower oil. A 12- week RT period, during which the animals climbed a 1.1 - m vertical ladder with weights attached to their tails, was used. The sessions were performed once every 3 days, with 4 - 9 climbs. Gene expression was analyzed by RT - PCR by the ∆∆Ct method. The Ovx decreased the gene expression of molecules related to BM, PGC - 1α (28%), NRF - 1 (29%) and TFAM (20%) in the HC. These Ovx - induced lower gene expressions were totally restored in this structure by RT. RT increased the markers of MB, PGC - 1a (~33%), NRF - 1 (~31%) and TFAM (~44%) in CX, HC and HT. These findings suggest that OVX decreases brain MB, in our data observed in HC, and RT increases brain MB, which may have important implications with respect to various central nervous system diseases and age - related dementia that are often characterized by mitochondrial dysfunction. Stimulation or enhancement of mitochondrial biogenesis may prove a novel neuroprotective strategy in the future. / A diminuição dos níveis dos hormônios ovarianos está associado a um declínio na bioenergética cerebral, o que poderia estar associado a uma diminuição da biogênese mitocondrial (BM). O treinamento de endurance (TE) foi demonstrado aumentar a expressão gênica dos marcadores da BM em diferentes regiões do cérebro. No entanto, os eventos moleculares da BM ainda não foram investigados em outros tipos de treinamento, como, o treinamento resistido (TR) ou em outros tipos de modelo experimental, como a ovariectomia (Ovx) e a terapia de reposição hormonal (TRH). Assim, o objetivo deste trabalho foi analisar os efeitos da Ovx, do TR e da TRH sobre a expressão gênica dos marcadores chaves da biogênese mitocondrial, o coativador 1α do receptor gama ativado por proliferador de peroxissoma (PGC-1α), o fator respiratório nuclear 1 (NRF-1) e o fator de transcrição mitocondrial A (TFAM) em diferentes regiões do cérebro, córtex (CX), hipocampo (HC) e hipotálamo (HT) de ratas. Trinta e seis ratas adultas Sprague - Dawley foram distribuídas em seis grupos experimentais (n = 6 por grupo): (I) sedentário sham-operação (Sed-Sham); (II) Ovx - Sed; (III) Sham-TR; (IV) Ovx - TR; (V) Ovx – Sed - TRH e (VI) Ovx- TR- TRH. Os animais dos grupos Ovx foram submetidos aos procedimentos cirúrgicos de remoção bilateral dos ovários, dos grupos TRH foram submetidos aos procedimentos cirúrgicos de implantação subcutânea de cápsulas silásticas preenchidas com uma solução de 180 μg de 17 β - estradiol/ml de óleo de girassol e os animais dos grupos TR foram submetidos a doze semanas de treinamento resistido progressivo em escada, sendo as sessões de treinos realizadas uma vez a cada 3 dias. A expressão gênica foi analisada por PCR-RT e determinada pelo método do ∆∆Ct. O grupo Ovx - Sed apresentou uma menor expressão gênica dos marcadores chaves da BM no HC quando comparado ao grupo Sham - Sed. A expressão do PGC - 1α foi 28% menor, do NRF - 1 29% menor e do TFAM 20% menor. Estas menores expressões gênicas no HC foram restauradas nas ratas do grupo Ovx - TR e parcialmente restauradas nas ratas do grupo Ovx – Sed - TRH. Adicionalmente, as ratas do grupo Sham-TR apresentaram maior expressão gênica nas três áreas investigadas (CX, HC e HT), PGC - 1α ~33% maior, NRF - 1 ~31% maior e TFAM ~44% maior. Estes resultados sugerem que o declínio na concentração circulante dos hormônios ovarianos diminui a BM no cérebro, em nossos resultados observados no HC, e que o TR pode aumentar a BM no cérebro, o que pode ter importantes implicações no que diz respeito a várias doenças do sistema nervoso central e demência relacionada com a idade que são frequentemente caracterizadas por disfunção mitocondrial. Sendo assim, a estimulação da BM cerebral estimulada pelo exercício pode ser uma importante estratégia de neuroproteção.