O infarto do miocárdio é atualmente considerado a etiologia que mais contribui para o aparecimento de insuficiência cardíaca (IC) em humanos. Em detrimento a hiperativação de fatores neuro-humorais, a progressão da IC é caracterizada por uma série de anormalidades celulares associadas à disfunção ventricular. Dentre estas anormalidades, alterações na função e dinâmica mitocondrial merecem destaque, uma vez que a homeostase da organela é essencial para a viabilidade celular e o bom funcionamento da bomba cardíaca. No presente estudo, caracterizamos em modelo animal de disfunção cardíaca associada ao infarto do miocárdio: a) fenótipo cardíaco; b) função mitocondrial; c) equilíbrio redox; e d) dinâmica mitocondrial. Nossos resultados nos permitem afirmar que doze semanas após a cirurgia de infarto do miocárdio, os animais desenvolveram importantes alterações fenotípicas como aumento da massa cardíaca, dilatação ventricular, hipertrofia do cardiomiócito e maior deposição de tecido fibroso cardíaco, que contribuíram para o estabelecimento da disfunção ventricular. Além disso, foi possível confirmar a instalação do quadro de disfunção mitocondrial cardíaca, representada pela redução na capacidade respiratória e perda da homeostase redox. Por fim, encontramos um aumento no número de mitocôndrias cardíacas com menor diâmetro, alterações que vieram acompanhadas de uma menor atividade das enzimas relacionadas à fusão mitocondrial. Uma vez caracterizada a função e a dinâmica mitocondrial na disfunção cardíaca, avaliamos o efeito do treinamento físico aeróbico (TF) nessas variáveis. O TF, atualmente utilizado como um adjuvante no tratamento das doenças cardiovasculares, foi eficaz em promover o remodelamento cardíaco reverso e melhorar a função cardíaca nos animais infartados. Além disso, melhorou a capacidade respiratória e reduziu o estresse oxidativo, restaurando a função mitocondrial. Aliado a esses achados, o TF normalizou a atividade das enzimas relacionadas à dinâmica mitocondrial, fato associado à normalização do número e tamanho da organela. Esses resultados demonstram que a disfunção cardíaca induzida por infarto do miocárdio está associada à um quadro de mitocondriopatia em ratos, com alterações tanto na função quanto estrutura mitocondrial, e que o TF desencadeia efeitos benéficos na manutenção da integridade/função mitocondrial e melhora da função contrátil cardíaca / Myocardial infarction is considered the etiology that most contributes to the onset of heart failure in humans. Among the ventricular dysfunction-associated cellular abnormalities, changes in mitochondrial function and dynamics are critical, since the organelle homeostasis is crucial in maintaining the metabolic, electrical and mechanical properties of the heart. In the present study, we characterized in cardiac dysfunction- induced myocardial infarction in rats: a) cardiac phenotype; b) mitochondrial metabolism; c) redox balance, and d) mitochondrial dynamics. Our results show that twelve weeks after myocardial surgery, the animals developed pathological cardiac remodeling-associated ventricular dysfunction. Furthermore, we observed a reduced mitochondrial respiratory capacity and loss of redox homeostasis. Finally, we found a lower activity of enzymes related to mitochondrial fusion, these changes were accompanied by an increase in the number of small mitochondria. Once characterized mitochondrial function and dynamics, we evaluated the effect of exercise training in these variables in rats with cardiac dysfunction. The exercise training, currently established as an important non-pharmacological treatment for cardiovascular diseases, reversed the pathological cardiac remodeling and minimized the ventricular dysfunction in infarcted animals. Furthermore, exercise training restored the mitochondrial function by increasing respiratory capacity and reducing oxidative stress. Finally, exercise training restored the activity of mitochondrial dynamics-related enzymes and morphology. Taken together, our findings uncover the potential benefits of exercise training in reversing the cardiac mitochondriopathy observed in failing hearts, reinforcing the importance of this intervention as a non-pharmacological tool for heart failure therapy

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / A insuficiência cardíaca (IC) é a evolução final das várias formas de doenças cardiovascular, sendo resultado de modificações estruturais, metabólicas e de contratilidade miocárdica. A fim de compreender o papel na dinâmica do metabolismo cardíaco no estado basal e na sobrecarga de pressão, utilizamos os modelos de cre-lox com deleção específica no coração para substrato do receptor de insulina (IRS) e co-ativador do PPAR (PGC-1β) e analisamos a estrutura cardíaca (histologia e estereologia), função cardíaca (ecocardiograma e técnica de Working heart), o metabolismo (isolamento de cardiomiócito e captação de glicose), ação hormonal (Western Blotting), expressão gênica (PCR-RT) de enzimas do metabolismo (lipídico, glicídico, da cadeia respiratória fatores transcricionais e hipertróficos) e a função mitocondrial. Verificamos, nos CIRS12KO, disfunção cardíaca grave, disfunção mitocondrial e prejuízo na expressão gênica das enzimas do metabolismo energético. Nos PGC-1βKO observamos disfunção mitocondrial e alteração de expressão gênica das enzimas do metabolismo energético quando submetidos à sobrecarga de pressão. Através do estudo do metabolismo cardíaco e da expressão gênica nestes diferentes modelos conseguimos explorar as vias metabólicas que levam a hipertrofia compensada à IC. Sugerimos que o mecanismo responsável pela descompensação seja a disfunção mitocondrial em conseqüência à alteração da expressão gênica. E que IRS e o PGC-1β são fatores chaves da dinâmica cardíaca, e que são indispensáveis para a estrutura e funcionamento cardíaco. Além de representar alvo promissor para limitar a transição da hipertrofia cardíaca compensada a insuficiência cardíaca. / Heart failure (HF) is the end stage of different types of cardiovascular diseases and it is characterized by changes in the metabolic and myocardial contractility. We use the models cre-lox with specific knockout for insulin receptor substrate (IRS) and co-activator of PPAR (PGC-1b) (basal and pressure overload). The objective was understood the role in the dynamics of cardiac metabolism. We analyzed cardiac structure (histology and stereology), cardiac function (echocardiography and the working heart technique), metabolism (glucose uptake), hormonal action (Western Blotting), gene expression (RT-PCR) from enzyme metabolism (lipid, carbohydrates, respiratory chain, transcriptional and hypertrophic factors) and mitochondrial function. We found in CIRS12KO, severe cardiac dysfunction, mitochondrial dysfunction and reduction of gene expression. And in the PGC-1bKO when subjected to pressure overload, the progression to heart failure, with mitochondrial dysfunction, and alteration of gene expression from enzyme metabolism. The data show that changes on cardiac metabolism and gene expression in both models explain the metabolic pathways that lead to compensated hypertrophy to HF. We suggest that the mitochondrial dysfunction and the gene expression was possible mechanisms for HF. We conclude that IRS and PGC-1b are key factors of cardiac dynamics, which are essential to the structure and heart function. IRS and PGC-1b represent a promising target for limiting the transition from compensated cardiac hypertrophy to heart failure.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / A insuficiência cardíaca (IC) é a evolução final das várias formas de doenças cardiovascular, sendo resultado de modificações estruturais, metabólicas e de contratilidade miocárdica. A fim de compreender o papel na dinâmica do metabolismo cardíaco no estado basal e na sobrecarga de pressão, utilizamos os modelos de cre-lox com deleção específica no coração para substrato do receptor de insulina (IRS) e co-ativador do PPAR (PGC-1β) e analisamos a estrutura cardíaca (histologia e estereologia), função cardíaca (ecocardiograma e técnica de Working heart), o metabolismo (isolamento de cardiomiócito e captação de glicose), ação hormonal (Western Blotting), expressão gênica (PCR-RT) de enzimas do metabolismo (lipídico, glicídico, da cadeia respiratória fatores transcricionais e hipertróficos) e a função mitocondrial. Verificamos, nos CIRS12KO, disfunção cardíaca grave, disfunção mitocondrial e prejuízo na expressão gênica das enzimas do metabolismo energético. Nos PGC-1βKO observamos disfunção mitocondrial e alteração de expressão gênica das enzimas do metabolismo energético quando submetidos à sobrecarga de pressão. Através do estudo do metabolismo cardíaco e da expressão gênica nestes diferentes modelos conseguimos explorar as vias metabólicas que levam a hipertrofia compensada à IC. Sugerimos que o mecanismo responsável pela descompensação seja a disfunção mitocondrial em conseqüência à alteração da expressão gênica. E que IRS e o PGC-1β são fatores chaves da dinâmica cardíaca, e que são indispensáveis para a estrutura e funcionamento cardíaco. Além de representar alvo promissor para limitar a transição da hipertrofia cardíaca compensada a insuficiência cardíaca. / Heart failure (HF) is the end stage of different types of cardiovascular diseases and it is characterized by changes in the metabolic and myocardial contractility. We use the models cre-lox with specific knockout for insulin receptor substrate (IRS) and co-activator of PPAR (PGC-1b) (basal and pressure overload). The objective was understood the role in the dynamics of cardiac metabolism. We analyzed cardiac structure (histology and stereology), cardiac function (echocardiography and the working heart technique), metabolism (glucose uptake), hormonal action (Western Blotting), gene expression (RT-PCR) from enzyme metabolism (lipid, carbohydrates, respiratory chain, transcriptional and hypertrophic factors) and mitochondrial function. We found in CIRS12KO, severe cardiac dysfunction, mitochondrial dysfunction and reduction of gene expression. And in the PGC-1bKO when subjected to pressure overload, the progression to heart failure, with mitochondrial dysfunction, and alteration of gene expression from enzyme metabolism. The data show that changes on cardiac metabolism and gene expression in both models explain the metabolic pathways that lead to compensated hypertrophy to HF. We suggest that the mitochondrial dysfunction and the gene expression was possible mechanisms for HF. We conclude that IRS and PGC-1b are key factors of cardiac dynamics, which are essential to the structure and heart function. IRS and PGC-1b represent a promising target for limiting the transition from compensated cardiac hypertrophy to heart failure.

O infarto do miocárdio é atualmente considerado a etiologia que mais contribui para o aparecimento de insuficiência cardíaca (IC) em humanos. Em detrimento a hiperativação de fatores neuro-humorais, a progressão da IC é caracterizada por uma série de anormalidades celulares associadas à disfunção ventricular. Dentre estas anormalidades, alterações na função e dinâmica mitocondrial merecem destaque, uma vez que a homeostase da organela é essencial para a viabilidade celular e o bom funcionamento da bomba cardíaca. No presente estudo, caracterizamos em modelo animal de disfunção cardíaca associada ao infarto do miocárdio: a) fenótipo cardíaco; b) função mitocondrial; c) equilíbrio redox; e d) dinâmica mitocondrial. Nossos resultados nos permitem afirmar que doze semanas após a cirurgia de infarto do miocárdio, os animais desenvolveram importantes alterações fenotípicas como aumento da massa cardíaca, dilatação ventricular, hipertrofia do cardiomiócito e maior deposição de tecido fibroso cardíaco, que contribuíram para o estabelecimento da disfunção ventricular. Além disso, foi possível confirmar a instalação do quadro de disfunção mitocondrial cardíaca, representada pela redução na capacidade respiratória e perda da homeostase redox. Por fim, encontramos um aumento no número de mitocôndrias cardíacas com menor diâmetro, alterações que vieram acompanhadas de uma menor atividade das enzimas relacionadas à fusão mitocondrial. Uma vez caracterizada a função e a dinâmica mitocondrial na disfunção cardíaca, avaliamos o efeito do treinamento físico aeróbico (TF) nessas variáveis. O TF, atualmente utilizado como um adjuvante no tratamento das doenças cardiovasculares, foi eficaz em promover o remodelamento cardíaco reverso e melhorar a função cardíaca nos animais infartados. Além disso, melhorou a capacidade respiratória e reduziu o estresse oxidativo, restaurando a função mitocondrial. Aliado a esses achados, o TF normalizou a atividade das enzimas relacionadas à dinâmica mitocondrial, fato associado à normalização do número e tamanho da organela. Esses resultados demonstram que a disfunção cardíaca induzida por infarto do miocárdio está associada à um quadro de mitocondriopatia em ratos, com alterações tanto na função quanto estrutura mitocondrial, e que o TF desencadeia efeitos benéficos na manutenção da integridade/função mitocondrial e melhora da função contrátil cardíaca / Myocardial infarction is considered the etiology that most contributes to the onset of heart failure in humans. Among the ventricular dysfunction-associated cellular abnormalities, changes in mitochondrial function and dynamics are critical, since the organelle homeostasis is crucial in maintaining the metabolic, electrical and mechanical properties of the heart. In the present study, we characterized in cardiac dysfunction- induced myocardial infarction in rats: a) cardiac phenotype; b) mitochondrial metabolism; c) redox balance, and d) mitochondrial dynamics. Our results show that twelve weeks after myocardial surgery, the animals developed pathological cardiac remodeling-associated ventricular dysfunction. Furthermore, we observed a reduced mitochondrial respiratory capacity and loss of redox homeostasis. Finally, we found a lower activity of enzymes related to mitochondrial fusion, these changes were accompanied by an increase in the number of small mitochondria. Once characterized mitochondrial function and dynamics, we evaluated the effect of exercise training in these variables in rats with cardiac dysfunction. The exercise training, currently established as an important non-pharmacological treatment for cardiovascular diseases, reversed the pathological cardiac remodeling and minimized the ventricular dysfunction in infarcted animals. Furthermore, exercise training restored the mitochondrial function by increasing respiratory capacity and reducing oxidative stress. Finally, exercise training restored the activity of mitochondrial dynamics-related enzymes and morphology. Taken together, our findings uncover the potential benefits of exercise training in reversing the cardiac mitochondriopathy observed in failing hearts, reinforcing the importance of this intervention as a non-pharmacological tool for heart failure therapy

A disfunção mitocondrial pode ser um mecanismo chave associado à ocorrência de doenças metabólicas como o diabetes. Neste contexto, é importante obeservar os mecanismos envolvidos nesse processo. MicroRNAs (miRs) são conhecidos por regular a expressão de genes em vários processos fisiológicos, incluindo o metabolismo de glicose e ácidos graxos, biogênese mitocondrial, proliferação, diferenciação e morte celular no músculo esquelético. Usando análise \"in silico\" (Sfold2.2) identificamos 219 microRNAs que, potencialmente, se ligam à região 3 \'UTR do PGC-1?, um gene envolvido na biogênese mitocondrial e no metabolismo de glicose. Dos 219 candidatos, encontramos um alto valor de energia livre de hibridização entre o microRNA miR-696 e PGC-1? (-29,8 kcal / mol), sugerindo que o miR-696 poderia estar envolvido na regulação negativa do PGC-1? resultando em disfunção mitocondrial. Consistente com esta hipótese, observamos que a expressão do miR-696 apresentou-se aumentada nos músculos esqueléticos de dois modelos de camundongos com diabetes: camundongos diabéticos induzidos por STZ e camundongos alimentados com dieta hiperlipídica. Para compreender se o miR-696 regula a disfunção mitocondrial utilizamos células musculares C2C12 expostas a uma alta dose de ácido palmítico (700 µM) durante 24 horas, o que causou uma redução na expressão de genes mitocondriais, bem como no consumo de oxigênio. Vale destacar que a inibição do miR-696 através da transfecção de oligonucleotídeos antisenso (ASO) preveniu, parcialmente, a perda da função mitocondrial de células C2C12 tratadas com ácido palmítico. Curiosamente, não houve nenhuma alteração nos níveis de miR-696 em modelos envolvidos com a proteína AMPK, tal como em células C2C12 incubadas com uma droga ativadora de AMPK (AICAR) e no músculo esquelético de camundongos transgênicos superexpressando AMPK?2 com o domínio quinase inativo ou AMPK?3 com mutação de ativação crônica (R70Q). Em contraste, a expressão alterada de uma quinase relacionadas com a AMPK, SNF1-AMPK-related kinase (SNARK), recentemente demonstrada por ter sua expressão aumentada em virtude do envelhecimento, exerceu efeitos significativos sobre a expressão do miR- 696, como por exemplo sua redução dependente do knockdown de SNARK em células C2C12. Consistente com estes resultados, a superexpressão de SNARK em células C2C12 resultou no aumento da expressão do miR-696 e redução na expressão do PGC-1?, bem como no consumo de oxigénio. Nossos resultados demonstram que o estresse metabólico aumenta a expressão do miR-696 no músculo esquelético, que por sua vez inibe a sinalização da PGC-1? e a função mitocondrial. Ainda, apesar da AMPK não se apresentar como mediadora da expressão do miR-696, SNARK pode desempenhar um papel neste processo através do mecanismo de sinalização SNARKmiR-696-PGC-1?. / Mitochondrial dysfunction may be a key underlying mechanism for occurrence of metabolic disease and diabetes; thus elucidating how this process occurs is of great value. MicroRNAs (miRs) are known to regulate gene expression in several physiological processes including metabolism, mitochondrial biogenesis, proliferation, differentiation and cell death in multiple tissues including adipose tissue and skeletal muscle. Using \"in silico\" analysis (Sfold2.2) we identified 219 unique microRNAs that potentially bind to the 3\'UTR region of PGC-1?, a gene involved in mitochondrial biogenesis and glucose metabolism. Out of the 219 candidates, there was a high value of hybridization free energy between the microRNA miR-696 and PGC-1? (- 29.8 kcal/mol), suggesting that miR-696 could be involved in the downregulation of PGC-1?, which in turn could cause mitochondrial dysfunction. Consistent with this hypothesis we found that miR-696 expression was increased in the skeletal muscles of two mouse models of diabetes that have impaired mitochondrial function: STZ-induced diabetic mice and chronic high fat fed mice. To understand if miR-696 regulates mitochondrial dysfunction we used C2C12 muscle cells exposed to a high dose of palmitic acid (700 µM) for 24 hours, which caused a decrease in mitochondrial gene expression and in oxygen consumption. Importantly, inhibition of miR-696 using an antisense oligo approach rescued the mitochondrial function by restoration of mitochondrial-related genes and increased oxygen consumption in the palmitic acid-treated C2C12 cells. Interestingly, there was no change in miR-696 levels in models involved with AMPactivated protein kinase such as C2C12 cells incubated with AICAR, skeletal muscle from AMPK?2 dominant-negative transgenic mice, and transgenic mice overexpressing the activating R70Q AMPK mutation. In contrast, altered expression of the AMPK-related kinase, SNF1- AMPK-related kinase (SNARK), recently shown to increase with aging, had significant effects on miR-696 expression. Knockdown of SNARK in C2C12 cells significantly decreased miR-696. Consistent with these findings, SNARK overexpression in C2C12 cells increased miR-696 concomitant with a decrease in PGC-1? expression and decreased oxygen consumption. Our findings demonstrate that metabolic stress increases miR-696 expression in skeletal muscle which in turn inhibits PGC-1? signaling and mitochondrial function. While AMPK does not mediate miR-696 expression, SNARK may play a role in this process through a SNARK-miR- 696-PGC-1? signaling mechanism.

A disfunção mitocondrial pode ser um mecanismo chave associado à ocorrência de doenças metabólicas como o diabetes. Neste contexto, é importante obeservar os mecanismos envolvidos nesse processo. MicroRNAs (miRs) são conhecidos por regular a expressão de genes em vários processos fisiológicos, incluindo o metabolismo de glicose e ácidos graxos, biogênese mitocondrial, proliferação, diferenciação e morte celular no músculo esquelético. Usando análise \"in silico\" (Sfold2.2) identificamos 219 microRNAs que, potencialmente, se ligam à região 3 \'UTR do PGC-1?, um gene envolvido na biogênese mitocondrial e no metabolismo de glicose. Dos 219 candidatos, encontramos um alto valor de energia livre de hibridização entre o microRNA miR-696 e PGC-1? (-29,8 kcal / mol), sugerindo que o miR-696 poderia estar envolvido na regulação negativa do PGC-1? resultando em disfunção mitocondrial. Consistente com esta hipótese, observamos que a expressão do miR-696 apresentou-se aumentada nos músculos esqueléticos de dois modelos de camundongos com diabetes: camundongos diabéticos induzidos por STZ e camundongos alimentados com dieta hiperlipídica. Para compreender se o miR-696 regula a disfunção mitocondrial utilizamos células musculares C2C12 expostas a uma alta dose de ácido palmítico (700 µM) durante 24 horas, o que causou uma redução na expressão de genes mitocondriais, bem como no consumo de oxigênio. Vale destacar que a inibição do miR-696 através da transfecção de oligonucleotídeos antisenso (ASO) preveniu, parcialmente, a perda da função mitocondrial de células C2C12 tratadas com ácido palmítico. Curiosamente, não houve nenhuma alteração nos níveis de miR-696 em modelos envolvidos com a proteína AMPK, tal como em células C2C12 incubadas com uma droga ativadora de AMPK (AICAR) e no músculo esquelético de camundongos transgênicos superexpressando AMPK?2 com o domínio quinase inativo ou AMPK?3 com mutação de ativação crônica (R70Q). Em contraste, a expressão alterada de uma quinase relacionadas com a AMPK, SNF1-AMPK-related kinase (SNARK), recentemente demonstrada por ter sua expressão aumentada em virtude do envelhecimento, exerceu efeitos significativos sobre a expressão do miR- 696, como por exemplo sua redução dependente do knockdown de SNARK em células C2C12. Consistente com estes resultados, a superexpressão de SNARK em células C2C12 resultou no aumento da expressão do miR-696 e redução na expressão do PGC-1?, bem como no consumo de oxigénio. Nossos resultados demonstram que o estresse metabólico aumenta a expressão do miR-696 no músculo esquelético, que por sua vez inibe a sinalização da PGC-1? e a função mitocondrial. Ainda, apesar da AMPK não se apresentar como mediadora da expressão do miR-696, SNARK pode desempenhar um papel neste processo através do mecanismo de sinalização SNARKmiR-696-PGC-1?. / Mitochondrial dysfunction may be a key underlying mechanism for occurrence of metabolic disease and diabetes; thus elucidating how this process occurs is of great value. MicroRNAs (miRs) are known to regulate gene expression in several physiological processes including metabolism, mitochondrial biogenesis, proliferation, differentiation and cell death in multiple tissues including adipose tissue and skeletal muscle. Using \"in silico\" analysis (Sfold2.2) we identified 219 unique microRNAs that potentially bind to the 3\'UTR region of PGC-1?, a gene involved in mitochondrial biogenesis and glucose metabolism. Out of the 219 candidates, there was a high value of hybridization free energy between the microRNA miR-696 and PGC-1? (- 29.8 kcal/mol), suggesting that miR-696 could be involved in the downregulation of PGC-1?, which in turn could cause mitochondrial dysfunction. Consistent with this hypothesis we found that miR-696 expression was increased in the skeletal muscles of two mouse models of diabetes that have impaired mitochondrial function: STZ-induced diabetic mice and chronic high fat fed mice. To understand if miR-696 regulates mitochondrial dysfunction we used C2C12 muscle cells exposed to a high dose of palmitic acid (700 µM) for 24 hours, which caused a decrease in mitochondrial gene expression and in oxygen consumption. Importantly, inhibition of miR-696 using an antisense oligo approach rescued the mitochondrial function by restoration of mitochondrial-related genes and increased oxygen consumption in the palmitic acid-treated C2C12 cells. Interestingly, there was no change in miR-696 levels in models involved with AMPactivated protein kinase such as C2C12 cells incubated with AICAR, skeletal muscle from AMPK?2 dominant-negative transgenic mice, and transgenic mice overexpressing the activating R70Q AMPK mutation. In contrast, altered expression of the AMPK-related kinase, SNF1- AMPK-related kinase (SNARK), recently shown to increase with aging, had significant effects on miR-696 expression. Knockdown of SNARK in C2C12 cells significantly decreased miR-696. Consistent with these findings, SNARK overexpression in C2C12 cells increased miR-696 concomitant with a decrease in PGC-1? expression and decreased oxygen consumption. Our findings demonstrate that metabolic stress increases miR-696 expression in skeletal muscle which in turn inhibits PGC-1? signaling and mitochondrial function. While AMPK does not mediate miR-696 expression, SNARK may play a role in this process through a SNARK-miR- 696-PGC-1? signaling mechanism.