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Mitocôndria e doença de Parkinson: contribuições da genética no conhecimento do processo patogênico 177
REVEndo ciências básicas
REsUMo
A doença de Parkinson é a segunda doença neurodegenerativa mais comum. A disfunção mitocondrial exerce um papel importante na patogênese desta enfermidade. Os estudos das formas monogênicas de parkinsonismo contribuíram de forma significativa para uma melhor compreensão deste processo. Revisamos como estes genes se adequam no entendimento do papel da disfunção mitocondrial na doença de Parkinson.
descritores: Doença de Parkinson/genética; Doença de Parkinson/ etiologia; Genes mitocondriais
absTRacT
Parkinson’s disease is the second most common neurodegenerative disease. Mitochondrial dysfunction plays a major role in the pathogenic process. Studies on monogenic forms of parkinsonism highlights new insights for the understanding of the pathogenesis. We review how these genes fit into our understanding of the role of mitochondrial dysfunction in Parkinson’s disease.
Keywords: Parkinson disease/genetics; Parkinson disease/etiology; Genes, mitochondrial
A doença de Parkinson (DP) é a segunda doença neurodegenerativa mais comum após a doença de Alzheimer, afetando cerca de 1% da população com idade acima de 60 anos (1-2)^. O diagnóstico é feito com avaliação clínica e identificação de bradicinesia associada a um destes outros sintomas: tremor de repouso, rigidez e/ou instabilidade postural(1-2)^. É um processo degenerativo em múltiplas áreas do sistema nervoso central, cursando com aparecimento de alterações morfológicas, particularmente corpos de
Lewy, acometendo núcleos motores dorsais e núcleos e bulbos olfatórios, seguindo-se do locus ceruleus e a pars compacta da substância negra(3). Embora a causa da DP não seja conhecida, os fatores ambientais e genéticos sempre foram considerados importantes. Modelos experimentais de parkinsonismo com toxinas que inibem a função mitocondrial foram a primeira observação de que existiria uma disfunção mitocondrial na DP. Os genes mutantes ligados a parkinsonismo promovem alteração na estrutura ou função de proteínas que estão direta ou indiretamente relacionadas à função mitocondrial ou estresse oxidativo.
a MiTocÔndRia A mitocôndria é uma organela citoplasmática relacionada ao metabolismo energético, uma vez que há diferentes reações bioquímicas que nela transcorrem. Apresenta duas membranas, uma interna e outra externa, envolvendo uma matriz. Na MMI, está localizada a cadeia transportadora de elétrons (CTE), havendo produção de energia a partir do fluxo de elétrons e conseqüente fosforilação oxidativa(4). A CTE consiste em quatro complexos e, juntamente com o canal de próton da sintase F1-F0-ATP (também conhecido com complexo V), constitui o sistema de fosforilação oxidativa, no qual ocorre produção de ATP. O complexo I (NADH-ubiquinona redutase) oxida NADH e o complexo II (succinato-ubiquinona oxidorredutase) oxida FADH2. Já o complexo III envolve a enzima ubiquinol citocromo C oxidorredutase e o complexo IV, citocromo C oxidase. A CTE transfere
Mitocôndria e doença de Parkinson: contribuições da genética
no conhecimento do processo patogênico
Mitochondria and Parkinson’s Disease: genetic contributions to understanding the pathogenic process
Clécio de Oliveira Godeiro Júnior^1 , Patrícia Maria de Carvalho Aguiar^2 , André Carvalho Felício^3 , Henrique Ballalai Ferraz^4
(^1) Pós-graduando, Universidade Federal de São Paulo – UNIFESP, São Paulo (SP), Brasil. (^2) MD, PhD, Setor de Transtornos do Movimento, Disciplina de Neurologia e Neurocirurgia, Universidade Federal de São Paulo – UNIFESP, São Paulo (SP), Brasil. (^3) MD, Setor de Transtornos do Movimento, Disciplina de Neurologia e Neurocirurgia, Universidade Federal de São Paulo – UNIFESP, São Paulo (SP), Brasil. (^4) MD, PhD, Setor de Transtornos do Movimento, Disciplina de Neurologia e Neurocirurgia, Universidade Federal de São Paulo – UNIFESP, São Paulo (SP), Brasil. Autor correspondente: Clécio de Oliveira Godeiro Júnior – Rua Napoleão de Barros, 566, ap. 93 – Vila Clementino – CEP 04024-002 – São Paulo (SP), Brasil – Tel.: 11 5083-5775 – e-mail: cleciojunior@ yahoo.com.br Os autores não apresentam conflitos de interesse. Data de submissão: 27/3/2007 – Data de aceite: 10/5/
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elétrons através de uma série de reações de oxidação- redução, culminando com a redução do oxigênio para produzir água. As reações de oxidação-redução estão ligadas à transferência de prótons (H+) através da MMI, e este efluxo de prótons cria um gradiente eletroquímico de prótons, conhecido como força promotora (FP). A FP consiste principalmente em um componente elétrico denominado potencial de membrana mitocondrial (PMM) e um gradiente de pH transmembrana. O PMM é central para o funcionamento da mitocôndria, uma vez que gera a força que impulsiona o influxo de H + e Ca 2+^ para o interior da mitocôndria. O H +^ entra na mitocôndria através do complexo V. A reentrada de H + despolariza o PMM e induz a fosforilação de ADP para gerar ATP(4). Este processo de fosforilação oxidativa promove a formação de uma grande quantidade de radicais livres (RL), os quais são extremamente reativos e promovem a oxidação de moléculas vizinhas a partir da extração de um elétron. As mitocôndrias correspondem à principal fonte celular de RLs, particularmente radicais superóxidos, os quais são gerados no complexo I da CTE. Os RLs são capazes de agredir o DNA e as proteínas mitocondriais(5). A inibição da atividade do complexo I da CTE cursa com depleção de ATP e prejuízo de todos os processos celulares dependentes deste, o que leva à formação de radicais livres que causam estresse oxidativo. Em situações de estresse oxidativo, ocorre abertura do poro de transição de permeabilidade mitocondrial, o qual promove a perda do potencial de membrana. Isto resulta na ruptura da membrana mitocondrial externa (MME) e liberação de proteínas pró-apoptóticas no citoplasma cursando com ativação de caspases e conseqüente morte celular(4-5).
disFUnÇÃo MiTocondRiaL E doEnÇa dE PaRKinson
Na doença de Parkinson (DP), marcadores de estresse oxidativo foram identificados em células dopaminérgicas em diferentes estudos (6)^. Modelos experimentais de parkinsonismo induzido por toxinas, particularmente N-metil-4-fenil-1,2,3,6-tetraidropiridina (MPTP) e rotenona, os quais atuam como inibidores do complexo I da CTE, constituíram a primeira conexão objetiva entre a disfunção mitocondrial e o desenvolvimento da DP(6). O desenvolvimento de sintomas parkinsonianos em pacientes que fizeram uso de MPTP, a qual é um derivado sintético análogo à heroína, realçou a possibilidade de estresse oxidativo secundário à disfunção mitocondrial ser um possível fator etiológico para DP (7). O MPTP é metabolizado pela enzima monoamina-oxidase (MAOB) em MPTP+^ e MPP+^ (1-metil-4-fenilpiridinium). MPP+ tem alta afinidade pelo transportador de dopamina (DA) na fenda sináptica e é recaptada pelos neurônios dopaminérgicos da substância negra. Experimentos in vitro demonstraram que o MPP +^ é um inibidor do complexo I da CTE, cursando com redução da produção
de ATP mitocondrial e aumento na produção do ânion superóxido e de radicais livres(7).
GEnÉTica MiTocondRiaL E doEnÇa dE PaRKinson O DNA mitocondrial (DNAmt) humano codifica apenas 13 proteínas, as quais são componentes da CTE e do sistema de fosforilação oxidativa(5). Portanto, uma hipótese a ser considerada é o fato de que a disfunção do complexo I derivada do DNAmt é a responsável pelo estresse oxidativo na DP. Experimentos com células híbridas de DP, os quais demonstraram aumento na produção de espécies reativas com oxigênio assim como das enzimas que as degradam, corroboram com esta hipótese(8). Várias mutações pontuais de genes mitocondriais foram identificadas em pacientes com parkinsonismo de herança materna, incluindo os genes citocromo B e 12sRNA. Estudo com células híbridas de DNAmt de 15 membros de uma família com parkinsonismo de herança materna demonstrou um aumento da produção de radicais livres e diminuição da atividade do complexo I nestas células quando comparadas a híbridos produzidos a partir de DNAmt da linhagem paterna(9). Foram também realizados estudos para investigar polimorfismos do genoma mitocondrial e sua relação com DP idiopática. Um estudo demonstrou que polimorfismos afetando haplogrupos J e K do genoma mitocondrial reduzem a produção de espécies reativas com oxigênio pelo complexo I nestas células, sugerindo que este polimorfismo reduziria o risco de DP. A redução da freqüência do haplogrupo K no gene ND3, contendo o polimorfismo de nucleotídeo único (10398G>A), é encontrada com maior freqüência em pacientes com DP que controles normais. Outra observação interessante é o fato de que um cluster de haplogrupos (U, K, J e T) é menos comum em pacientes com DP que controles. De fato, o único polimorfismo do DNAmt que realmente está associada à DP é o 4366A>G, no gene tRNAGlu. O mecanismo pelo qual estes polimorfismos alteram a função mitocondrial ainda não está claro(10-11). Apesar de pouco elucidativas, estas observações apontaram para uma maior possibilidade da existência de fatores genéticos determinantes da DP. A disfunção mitocondrial é evidente e, embora o DNAmt codifique proteínas envolvidas na CTE e fosforilação oxidativa, o restante das proteínas necessárias para o perfeito funcionamento deste sistema é sintetizado a partir de DNA nuclear.
dna nUcLEaR E doEnÇa dE PaRKinson Geralmente a DP ocorre na forma esporádica, mas também pode ser herdada. Porém, pacientes com histórico familiar representem menos de 10% de todos os casos. Há, pelo menos, seis genes descritos como causa de parkinsonismo familiar: SNCA – PARK1, UCHL -1 – PARK5 e LRRK
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está reduzida, mas não abolida, os corpos de Lewy estão presentes. Estudos de biologia molecular demonstraram que a disfunção da proteína parkin interefere tanto no funcionamento do SUP quanto no metabolismo energético mitocondrial, os quais, quando modificados, podem promover o desenvolvimento de parkinsonismo(26). A estrutura molecular da proteína parkin é caracaterizada por dois domínios RING ( really interesting new gene ) separados por um domínio IBR ( in-between RING). O domínio RING funciona como uma ubiquitina-ligase E3. Ligases E3 catalisam a adição de moléculas de ubiquitina a resíduos de lisina de proteínas danificadas, e a presença de cadeias de poliubiquitina serve com sinalizador para retirada e degradação das primeiras pelo sistema proteassomal(27). Dessa forma, a disfunção da parkin desencadearia disfunção do SUP, permitindo o acúmulo de proteínas danificadas, as quais podem ser responsáveis pela neurotoxicidade e desencadeamento da apoptose celular(26). A proteína parkin protege contra a neurotoxicidade induzida pela alfa-sinucleína in vitro e in vivo. A interação entre estas duas proteínas pode ser direta, uma vez que a parkin degrada formas oxidativamente modificadas de alfa-sinucleína. Ou ainda indireta, pois a parkin resgata neurônios da disfunção proteassomal induzida pela alfa-sinucleína(28). Novas evidências apontam para conexão entre parkin e metabolismo energético mitocondrial. A atividade do complexo I está seletivamente reduzida em leucócitos periféricos de pacientes com parkinsonismo relacionado a mutações em parkin. Um modelo experimental com Drosophila demonstrou que a parkin tem um papel na manutenção da função mitocondrial e prevenção do estresse oxidativo. Moscas sem parkin desenvolvem uma patologia mitocondrial caracterizada por redução da expectativa de vida, apoptose, degeneração da musculatura das asas e esterilidade masculina(29). Outro estudo com este mesmo modelo demonstrou degeneração progressiva de um grupo seleto de neurônios dopaminérgicos e aumento do dano oxidativo(29). Modelos em mamíferos reforçam um papel para parkin na manutenção da função mitocondrial. Deleção do éxon 3 em camundongos resulta em disfunção nigroestriatal e redução de proteínas envolvidas na função mitocondrial e estresse oxidativo, incluindo subunidades de complexos I e IV(26) A parkin pode estar diretamente envolvida na manutenção da integridade mitocondrial, pois já foi identificada na MME, onde desempenha um papel essencial na prevenção do edema e ruptura mitocondrial secundária à toxicidade por ceramida. Indiretamente, a parkin pode manter a função mitocondrial por meio de sua ação ubiquitina ligase. Como o dano oxidativo por radicais livres é uma conseqüência da CTE, a parkin normal pode auxiliar na remoção de proteínas danificadas, direcionando-as ao SUP, enquanto a parkin mutada permitiria o acúmulo delas(26,28).
dJ- As mutações da proteína DJ-1 são muito raras e correspondem a apenas 1% a 2% dos casos de parkinsonismo de início precoce (30)^. Sua distribuição subcelular é primariamente citoplasmática com uma pequena quantidade associada à mitocôndria(31). A DJ- 1 é membro da superfamília ThiJ/PfPI/DJ1, homóloga a várias proteínas procarióticas, tais como chaperonas e ThiJ/PfpI proteases (32)^. Esta proteína participa da resposta ao estresse oxidativo tanto com sensor redox ou como antioxidante. A ablação da DJ-1, ou por deleção do RNA de pequena interferência (siRNA) ou do gene, sensibiliza células vivas ao estresse oxidativo. Estas células podem ser salvas pelo aumento da expressão da proteína DJ-1 selvagem, mas não pela mutante (L166P)(33). Apesar das evidências apresentadas, é pouco provável que a DJ-1 exerça sua função de proteção celular apenas por mecanismo de antioxidação, pois sua habilidade de apreender espécies reativas de oxigênio é modesta(31-32). A função da DJ-1 nuclear está bem estabelecida, mas a mitocondrial não. Portanto, não sabemos se as mutações com maior localização na mitocôndria são por ganho de função mitocondrial ou por dificuldade de acesso a proteínas nucleares(24).
PinK O gene PINK1 codifica uma proteína ácida de 581 aminoácidos, a qual apresenta um ornamento de alvo mitocondrial N-terminal, um domínio serina-treonina altamente conservado e um domínio C-terminal auto- regulatório. Em nível celular, esta proteína atua como uma quinase mitocondrial. Mutações em PINK1 causam uma forma de parkinsonismo familiar autossômico recessivo(34), sendo a segunda mais freqüente após parkin. A proteína PINK1 pode desempenhar um papel na proteção celular em situações de estresse que afetam o potencial de membrana mitocondrial. Uma vez que a maior parte das mutações neste gene acomete o domínio quinase, é possível que a fosforilação anormal das proteínas-alvo da PINK1 represente o mecanismo patogênico, causando uma resposta anormal ao estresse oxidativo e neurodegeneração(34). As mutações localizadas fora do domínio quinase podem afetar a função da proteína por meio da interferência na localização ou processamento mitocondrial. A perda de função da PINK1 interfere na função mitocondrial e na viabilidade celular sob estresse. Experimento com linhagem de neuroblastomas com a mutação G309D, exposta a estresse celular com um inibidor proteassomal, MG-132, demonstrou uma redução do potencial de membrana mitocondrial e aumento da morte celular em relação a células com PINK1 selvagem.
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Em condições basais, não houve diferença(34). Isto sugere que a integridade da PINK1 é essencial para proteção celular contra estresse oxidativo. Corroborando com esta impressão, o aumento da expressão da PINK1 selvagem demonstrou uma redução da liberação do citocromo C da mitocôndria em condições de estresse e basal. A redução da liberação de citocromo C resulta em uma diminuição na produção de enzimas pró-apoptóticas: caspase 3, caspase 7, caspase 9 e poli-ADP-ribose polimerase(35).
concLUsÃo
Embora todos esses dados demonstrem que a disfunção mitocondrial e sua associação direta com o SUP façam parte da patogênese da DP, maior detalhamento destas vias metabólicas é necessário. A recente identificação de mutações gênicas causadoras de DP e das proteínas envolvidas é um excelente ponto de partida para esta árdua tarefa. A PINK1 ganha destaque, pois foi a única proteína até o momento a ser identificada na mitocôndria e a fazer com que sua alteração desencadeie uma disfunção mitocondrial. Com o conhecimento cada vez mais detalhado das vias patogênicas, instrumentos terapêuticos mais eficazes para combater os sintomas do parkinsonismo, assim como mecanismos de neuroproteção, tornam-se mais próximos de nossa realidade.
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