O sulfeto de hidrogênio altera a homeostase redox e energética e a dinâmica mitocondrial em estriado de ratos

Abstract

A encefalopatia etilmalônica (EE) é uma doença neuromatabólica rara de caráter autossômico recessivo causada pela deficiência na proteína da encefalopatia etilmalônica 1 (ETHE1), a qual participa do catabolismo de aminoácidos sulfurados e, portanto, da detoxificação de sulfeto de hidrogênio (H2S). Devido à deficiência da ETHE1, a EE caracteriza-se bioquimicamente pelo acúmulo de metabólitos tóxicos em diferentes tecidos, incluindo o cérebro, como o sulfeto de hidrogênio e tiossulfato. Os pacientes apresentam sintomas neurológicos graves como leucoencefalopatia difusa, lesões na substância cinzenta do cérebro e alterações nos gânglios da base, cuja fisiopatologia não está totalmente estabelecida. Além disso, não existe tratamento eficaz para essa doença. Portanto, para elucidar os mecanismos patológicos da EE, investigamos os efeitos da administração intraestriatal de sulfeto no corpo estriado de ratos jovens. Ratos jovens foram anestesiados e receberam uma única injeção intraestriatal de sulfeto (2 e 4 μmol) com auxílio de estereotáxico e foram eutanasiados 30 min após a administração. O estriado foi então dissecado e usado para a determinação da homeostase redox, bioenergética e dinâmica mitocondrial. Nossos achados mostraram que a administração de 2 μmol de sulfeto diminuiu a atividade das enzimas antioxidantes superóxido dismutase (SOD), glutationa peroxidase (GPx) e glicose-6-fosfato desidrogenase (G6PDH). Já na dose de 4 μmol, o sulfeto diminuiu as atividades da SOD, glutationa S-transferase e glutationa redutase, porém aumentou GPx. Os níveis de malondialdeído e glutationa reduzida não foram alterados pelo sulfeto em nenhuma das doses avaliadas. Em relação à atividade das enzimas do ciclo do ácido cítrico, o sulfeto, na dose de 2 μmol, aumentou a citrato sintase, porém não modificou as atividades da malato desidrogenase, isocitrato desidrogenase e succinato desidrogenase. Na dose de 4 μmol, o sulfeto apenas aumentou a atividade da succinato desidrogenase. Além disso, verificamos que apenas a atividade do complexo IV da cadeia respiratória mitocondrial foi alterada pela dose de 4 μmol de sulfeto. As atividades dos complexos I, II e II-III não foram significativamente alteradas. Também foi observado que o sulfeto, em 4 μmol, diminuiu a respiração mitocondrial na presença de piruvato, malato e glutamato, e succinato como substratos. Finalmente, avaliamos os efeitos do sulfeto sobre os níveis do fator nuclear eritróide 2 relacionado ao fator 2 (Nrf2) e de proteínas que participam da dinâmica mitocondrial (fusão e fissão). Observamos que a dose de 4 μmol de sulfeto diminuiu os níveis de Nrf2 e mitofusina 1, porém aumentou os níveis da proteína de atrofia óptica 1 (OPA1). Os níveis da proteína relacionada à dinamina 1 (DRP1) e do canal de ânion dependente de voltagem 1 (VDAC1) não foram alterados. Nossos dados mostram que o sulfeto causa estresse oxidativo e disfunção bioenergética e altera a dinâmica mitocondrial em estriado de ratos. Portanto, sugerimos que esses mecanismos contribuem, ao menos em parte, para a fisiopatologia do dano nos gânglios basais observado em pacientes com EE.

Ethylmalonic encephalopathy (EE) is a rare autosomal recessive neurometabolic disease caused by a deficiency in the ethylmalonic encephalopathy 1 (ETHE1) protein, which participates in the catabolism of sulfur amino acids and, therefore, in the detoxification of hydrogen sulfide (H2S). Due to the enzymatic deficiency, EE is biochemically characterized by the accumulation of toxic metabolites in different tissues, including the brain, such as hydrogen sulfide and thiosulfate. Patients present with severe neurological symptoms that include diffuse leukoencephalopathy, lesions in the gray matter, and changes in the basal ganglia, the pathophysiology of which has not been fully established. Furthermore, there is no effective treatment for this disease. Therefore, to elucidate the pathological mechanisms of EE, we investigated the effects of intrastriatal administration of sulfide in the striatum of young rats. Young rats were anesthetized and received a single intrastriatal injection of sulfide (2 or 4 μmol) in a stereotaxic device and were euthanized 30 min after administration. The striatum was then dissected and used to determine redox homeostasis, bioenergetics, and mitochondrial dynamics. Our findings showed that the administration of 2 μmol of sulfide decreased the activity of the antioxidant enzymes superoxide dismutase (SOD), glutathione peroxidase (GPx) and glucose-6-phosphate dehydrogenase (G6PDH). At a dose of 4 μmol, sulfide decreased the activities of SOD, glutathione S-transferase and glutathione reductase, but increased of GPx. However, malondialdehyde and reduced glutathione levels were not altered by sulfide at any of the doses evaluated. Regarding the activity of citric acid cycle enzymes, sulfide, at the dose of 2 μmol, increased citrate synthase, but did not modify the activities of malate dehydrogenase, isocitrate dehydrogenase, and succinate dehydrogenase. At the dose of 4 μmol, sulfide only increased succinate dehydrogenase activity. Furthermore, we found that only the activity of respiratory chain complex IV was altered by the dose of 4 μmol of sulfide. The activities of complexes I, II, and II-III were not significantly altered. It was also observed that sulfide, at 4 μmol, decreased mitochondrial respiration in the presence of pyruvate, malate and glutamate, as well as succinate as substrates. Finally, we evaluated the effects of sulfide on the levels of Nrf2 and proteins that participate in mitochondrial dynamics (fusion and fission). We observed that the dose of 4 μmol of sulfide decreased the levels of Nrf2 and mitofusin 1 but increased the levels of optic atrophy protein 1 (OPA1). Dynamin-related protein 1 (DRP1) and voltage-dependent anion channel 1 (VDAC1) levels were not altered. Our data show that sulfide causes oxidative stress and bioenergetic dysfunction and alters mitochondrial dynamics in rat striatum. Therefore, we suggest that these mechanisms contribute, at least in part, to the pathophysiology of basal ganglia damage observed in patients with EE.