Efeitos da glicina sobre a homeostase energética e redox, vias de sinalização das MAPK e marcadores de dano celular em cérebro de ratos

Abstract

A hiperglicinemia não-cetótica (HNC) é um erro inato do metabolismo causado pela deficiência do sistema de clivagem da glicina (Gli), levando ao acúmulo tecidual e plasmático desse aminoácido. Apesar de a fisiopatologia do dano neurológico apresentado pelos pacientes afetados por HNC ainda não estar bem esclarecida, tem sido sugerido que o acúmulo de Gli é neurotóxico. O presente trabalho investigou inicialmente os efeitos ex vivo da administração intracerebroventricular (ICV) de Gli sobre o metabolismo energético e o imunoconteúdo das proteínas cinases dependentes de mitógenos (MAPK) p38, ERK1/2 e JNK, sinaptofisina e proteína Tau em córtex cerebral e estriado de ratos de 30 dias de vida. Verificamos que a injeção ICV de Gli reduziu a produção de CO2 a partir de glicose e inibiu as atividades das enzimas citrato sintase e isocitrato desidrogenase em estriado. A Gli também diminuiu as atividades dos complexos da cadeia transportadora de elétrons I-III em estriado e do IV em córtex cerebral. Além disso, a Gli diminuiu a atividade da enzima creatina cinase (CK) e de sua isoforma mitocondrial em córtex cerebral e estriado. O tratamento com os antioxidantes melatonina (MEL) e creatina e com o antagonista do receptor NMDA (MK-801) preveniu a diminuição das atividades da CK e dos complexos I-III e IV causado pela administração de Gli. Ainda verificamos que a Gli diminuiu o conteúdo de sinaptofisina, e a fosforilação da proteína Tau e das MAPK p38, ERK1/2 e JNK. O tratamento com MK-801 preveniu a diminuição da fosforilação da p38 causada pela Gli O próximo passo foi estudar o efeito ex vivo da injeção ICV de Gli sobre o metabolismo energético, a homeostase redox e parâmetros gliais em córtex cerebral de ratos neonatos. Foi demonstrado que a injeção de Gli em ratos de 1 dia de vida diminuiu a atividade do complexo IV da cadeia transportadora de elétrons e da CK, além de induzir aumento da geração de espécies reativas, diminuir as concentrações de glutationa reduzida (GSH), aumentar os níveis de malondialdeído (MDA) e modular a atividade das enzimas antioxidantes superóxido dismutase (SOD), catalase (CAT) e glutationa peroxidase (GPx). A injeção de Gli ainda foi capaz de induzir reatividade glial demonstrada pelo aumento da marcação de S100B em córtex cerebral e estriado, e GFAP em corpo caloso. Além disso, o tratamento com MEL preveniu a inibição do complexo IV e da enzima CK, o aumento dos níveis de MDA, a diminuição de GSH e o aumento de S100B causada pela Gli. Na última parte de nossa investigação foi examinado o efeito in vitro da Gli sobre a homeostase energética e redox em cerebelo de ratos de 30 dias de idade A Gli aumentou a produção de espécies reativas, os níveis de MDA e diminuiu as concentrações de GSH, sem alterar o metabolismo energético no cerebelo. Além disso, a adição de MEL, trolox (análogo hidrossolúvel da vitamina E) e MK-801 preveniram os efeitos deletérios da Gli sobre os níveis de MDA e GSH em cerebelo. Como conclusão, o nosso estudo mostra que a Gli causa um prejuízo na homeostase energética e induz estresse oxidativo em cérebro de ratos jovens e neonatos, bem como provoca reatividade glial em cérebro de neonatos. A Gli também altera as vias de sinalização das MAPK e causa dano neuronal em córtex cerebral e estriado, além de induzir estresse oxidativo in vitro em cerebelo. Portanto, alterações na homeostase redox e energética e excitotoxicidade parecem contribuir, ao menos em parte, para a fisiopatologia do dano neurológico apresentado pelos portadores da HNC.

Nonketotic hyperglycinemia (NKH) is an inborn error of metabolism caused by a deficiency of the glycine (GLY) cleavage system, leading to tissue accumulation of this amino acid. Although the pathophysiology of neurological damage presented by patients affected by NKH is not yet well understood, it has been suggested that increased concentrations of GLY are toxic for the central nervous system. Therefore, we initially investigated the ex vivo effect of a single intracerebroventricular (ICV) administration of GLY on energy metabolism and immunocontent of the mitogen-activated protein kinases (MAPK) p38, ERK1/2 and JNK, synaptophysin, and Tau protein in cerebral cortex and striatum of thirty-days-old rats. We verified that the administration of GLY decreased CO2 production using glucose as substrate, and inhibited the activities of citrate synthase and isocitrate dehydrogenase in striatum. GLY also decreased the activities of the respiratory chain complexes I-III in striatum and IV in cerebral cortex. Furthermore, GLY decreased the activity of creatine kinase (CK) and of its mitochondrial isoform in cerebral cortex and striatum The antioxidants melatonin (MEL) and creatine, and the NMDA receptor antagonist MK-801 prevented the GLY-induced decrease of the activities of CK and of the complexes I-III and IV. It was further observed that GLY injection decreased synaptophysin immunocontent and the phosphorylation of Tau protein, p38, ERK1/2 e JNK in rat brain. MK-801 treatment prevented the decreased phosphorylation of p38 caused by GLY. Next, we evaluated the ex vivo effect of GLY ICV administration on energy and redox homeostasis and glial parameters in brain of neonatal rats. GLY injection decreased the activities of respiratory chain complex IV and CK, and also induced the generation of reactive species, decreased reduced glutathione (GSH) concentrations, increased malondialdehyde (MDA) levels and modulated the activities of the antioxidant enzymes superoxide dismutase, catalase and glutathione peroxidase. Moreover, GLY induced glial reactivity, as demonstrated by the increase in GFAP in corpus callosum and S100B in cerebral cortex and striatum MEL treatment prevented GLY-induced inhibition of complex IV and CK activities, decrease of GSH, and increase of MDA levels and S100B staining. In the last part of our study we assessed the in vitro effects of GLY on energy and redox homeostasis in cerebellum of thirty-day-old rats. We verified that GLY increased reactive species generation and MDA levels, and decreased GSH concentrations in rat cerebellum. Furthermore, the addition of MEL, trolox (hydrosoluble analogue of vitamin E) and MK-801 prevented MDA levels increase and GSH concentrations decrease caused by GLY. In conclusion, the present study demonstrated that GLY alters the energy metabolism and induces oxidative stress in brain of thirty-day-old and neonatal rats, and provokes glial reactivity in neonatal rat brain. GLY also alters MAPK signaling pathways and causes neuronal damage in rat cerebral cortex and striatum, besides inducing oxidative stress in cerebellum. Therefore, it may be presumed that bioenergetics dysfunction, oxidative stress and excitotoxicity contribute to the pathophysiology of brain damage observed in patients affected by NKH.