Mitochondrial uncoupling, a new element in pathogenesis of metabolic syndrome: a pilot study

S. S. Voronova; Воронова С. С.; M. M. Bograya; Бограя М. М.; M. A. Vulf; Вульф М. А.; A. M. Gorbacheva; Горбачева А. М.; N. D. Gazatova; Газатова Н. Д.; G. L. Kuznetsov; Кузнецов Г. Л.; L. S. Litvinova; Литвинова Л. С.

doi:10.46235/1028-7221-17056-MUA

Mitochondrial uncoupling, a new element in pathogenesis of metabolic syndrome: a pilot study

Authors: Voronova S.S.¹, Bograya M.M.¹, Vulf M.A.¹, Gorbacheva A.M.¹, Gazatova N.D.¹, Kuznetsov G.L.², Litvinova L.S.¹
Affiliations:
1. Immanuel Kant Baltic Federal University
2. Central City Clinical Hospital
Issue: Vol 28, No 2 (2025)
Pages: 329-336
Section: SHORT COMMUNICATIONS
Submitted: 01.08.2024
Accepted: 06.08.2024
Published: 16.02.2025
URL: https://rusimmun.ru/jour/article/view/17056
DOI: https://doi.org/10.46235/1028-7221-17056-MUA
ID: 17056

Cite item

Full Text

Abstract
Full Text
About the authors
References
Supplementary files
Statistics

Abstract

Obesity and insulin resistance are the main factors in development of metabolic syndrome (MetS). In patients with MetS, there is an active accumulation of free fatty acids in the liver, which may lead to disturbances in homeostasis and metabolism of hepatocytes, thus resulting in mitochondrial dysfunction, oxidative stress, and cellular apoptosis. Mitochondrial dysfunction has been extensively studied in the context of pathogenetic features of metabolic syndrome. However, the processes of mitochondrial uncoupling remain unclear. Mitochondrial uncoupling (MU) is a process associated with a decrease in ATP synthesis and reactive oxygen species (ROS) in mitochondria. It is mediated by proteins from the UCP (uncoupling proteins) family, as well as ANT (ADP/ATP translocase). “Mild” MU is necessary for maintaining normal mitochondrial function, whereas “severe” MU may lead to mitochondrial dysfunction. Thus, the aim of the present study was to investigate the expression levels of SIRT1 V1 deacetylase, transcription factors PGC-1α, PPAR-α, PPAR-γ that stimulate lipogenesis and β-oxidation of FFAs, and expression of some genes encoding mitochondrial uncouplers ANT2 and UCP2 in the liver of patients with MetS. The study included two groups, as follows: patients with MetS (inclusion criteria: BMI > 30 kg/m², along with type 2 diabetes and/or fasting blood glucose > 5.5 mmol/L), and a control group (BMI < 30 kg/m², absence of infectious and chronic diseases). Biochemical analysis of blood parameters was conducted using the Furuno CA-180 biochemical analyzer (Furuno Electric Company, Japan) with DiaSys test systems (DiaSys Diagnostic Systems, Holzheim, Germany). The expression levels of the genes of interest in liver biopsies were assessed using quantitative RT-PCR with SYBR Green (Evrogen, Russia).

In patients with MetS, a significant increase (compared to the control group) in expression level of the PPAR-γ transcription factor was found, being associated with de novo lipogenesis in the liver, as well as increased expression of mitochondrial ANT2 uncoupler gene. Expression levels of other genes (SIRT1 V1, PGC-1α, PPAR-α, UCP2) measured in liver biopsies from the patients with MetS did not show significant changes. An increased expression of the ANT2 gene in MetS patients may be related to both compensatory protective mechanisms, e.g., activation of “mild” MU, and pathological processes resulting from “strong” MU. Further studies are needed to investigate the effects of ANT2 and UCP2 on the cellular metabolism (ATP production, ROS generation, development of oxidative stress), both directly in human liver tissue, and in cell cultures. This article presents for the first time the results concerning expression of mitochondrial uncoupler genes (ANT2, UCP2) in the liver of patients with MetS.

Keywords

mitochondrial dysfunction, mitochondrial uncoupling, metabolic syndrome, uncoupling protein 2, ADP/ATP translocase 2, de novo lipogenesis in the liver

Full Text

Введение

Метаболический синдром (МС) – мультифакторное заболевание, включающее в себя множество компонентов, основными из которых являются: ожирение, сахарный диабет 2-го типа (СД2Т) или ИР, артериальная гипертензия, атеросклероз [1]. Вследствие избыточного количества свободных жирных кислот (СЖК) в периферической крови больных МС, в печени происходит активный липогенез de novo, что способствует развитию неалкогольной жировой болезни печени (НАЖБП) [2]. Стеатоз, при отсутствии должной терапии, может прогрессировать до стеатогепатита, который характеризуется фиброзом печени, воспалением [2]. Накопление СЖК в печени больных МС стимулирует усиленный синтез АТФ в митохондриях гепатоцитов, что влечет за собой повышение внутриклеточной концентрации активных форм кислорода (АФК). Для предотвращения окислительного стресса (ОС), в митохондриях компенсаторно активируются процессы митохондриального разобщения (МР). МР происходит во многих метаболически активных тканях организма: жировой ткани, сердечных и скелетных мышцах, иммунных клетках крови, в печени [3].

МР осуществляется через различные механизмы. Например, UCP1 и белки подсемейства АДФ/АТФ транслоказы (ANT 1-3), переносят протоны водорода из межмембранного пространства в матрикс митохондрии в присутствии СЖК, способствуя тем самым снижению протонного градиента и, следовательно, уменьшая эффективность синтеза АТФ и АФК, а также стимулируя термогенез [4, 7]. Стоит отметить, что основная функция белка ANT – перенос молекул АДФ/АТФ через митохондриальную мембрану; однако исследователями было отмечено, что ANT участвует также в МР [4]. Таким образом, белок ANT выполняет двойную функцию в митохондрии: 1) перенос молекул AДФ/AТФ; 2) перенос протонов водорода в присутствии СЖК.

Механизм осуществления МР другими белками, UCP2 и UCP3, точно неизвестен. Первоначально предполагали, что UCP2 и UCP3, подобно UCP1, являются протонофорами [8]. Однако в последних исследованиях было обнаружено, что UCP2 и UCP3 являются переносчиками С4-метаболитов цикла Кребса (оксалоацетат, малат, аспартат) [10, 13]. Другие исследователи предлагают для UCP2 совмещенную функцию: перенос протонов и перенос С4-метаболитов [12]. Тем не менее вопрос осуществления функций МР посредством UCP2 и UCP3 все еще остается открытым.

МР может быть двух типов: «мягким» и «жестким». «Мягкое» МР (от англ. mild uncoupling) необходимо для поддержания нормальной жизнедеятельности клетки, особенно в условиях активного синтеза АТФ [11]. «Жесткое» разобщение возникает при избыточной активации белков-разобщителей и приводит к фатальному снижению концентрации АТФ в клетке, повышению уровня АФК, и далее – к гипоксии и ее гибели.

МР опосредует не только метаболические процессы, но и иммунные, например, МР участвует в дифференциации макрофагов [6].

Таким образом, целью работы явилась оценка уровня экспрессии генов деацетилазы SIRT1 V1, транскрипционных факторов PGC-1α, PPAR-α, PPAR-γ, стимулирующих липогенез и β-окисление СЖК, генов белков митохондриальных разобщителей ANT2, UCP2 в биоптатах печени, полученных у больных МС.

Материалы и методы

В исследовании приняли участие 47 пациентов (средний возраст составил 45,23 ± 8,56 года, 28 женщин и 19 мужчин), которые были разделены на две группы: 1) контрольная группа, критерии включения: ИМТ < 30 кг/м², отсутствие хронических и инфекционных заболеваний, тощаковая глюкоза крови < 5,5 ммоль/л; 2) пациенты с МС, критерии включения: ИМТ > 30 кг/ м², наличие СД 2 типа и/или тощаковая глюкоза в крови > 5,5 ммоль/л.

Материалом для биохимических исследований являлась кровь, полученная путем пункции локтевой вены, взятая утром натощак, в вакуумные пробирки с активатором образования сгустка для получения сыворотки. Анализ биохимических показателей крови проводился на анализаторе Furuno CA-180 (Furuno Electric Company, Япония) с использованием тест-систем DiaSys (DiaSys Diagnostic Systems, Хольцхайм, Германия).

Материалом для исследования экспрессии генов интереса (SIRT1 V1, PGC-1α, PPAR-α, PPAR-γ, ANT2, UCP2) служили биоптаты печеночной ткани, полученные у лиц обеих групп в ходе выполнения плановых лапароскопических операций. Уровень экспрессии генов в биоматериале (SIRT1 V1, PGC-1α, PPAR-α, PPAR-γ, ANT2, UCP2) изучали с помощью количественной ОТ-ПЦР с использованием SYBR Green (ЗАО «Евроген», Россия).

Статистическая обработка данных проводилась с помощью программного обеспечения GraphPad Prism 9.3.1. Для статистической обработки использовались критерий Шапиро–Уилка, Т-тест Стьюдента с критерием Уэлча, коэффициент корреляции Спирмена.

Результаты и обсуждение

Сравнительный анализ клинических и биохимических показателей групп, включенных в исследование, представлен в таблице 1.

Таблица 1. Клинические и биохимические показатели исследуемых групп

Table 1. Clinical and biochemical characteristics of study groups

	Контрольная группа Control group n = 11	Метаболический синдром Metabolic syndrome n = 36	p-значение p-value
ИМТ, кг/м² BMI, kg/m²	22,98 ± 3,96	47,69 ± 10,26	0,0001¹
Возраст, годы Age, years	43,20 ± 7,58	46,84 ± 8,78	0,2191²
Пол (мужчины / женщины) Sex (men / women)	6 / 5	13 / 23	0,3121³
Глюкоза натощак, ммоль/л Fasting glucose, mmol/L	4,70 ± 0,47	7,47 ± 1,81	0,0001¹
Холестерин, ммоль/л Cholesterol, mmol/L	4,660 ± 1,654	5,51 ± 0,99	0,1516²
Триглицериды, ммоль/л Triglycerides, mmol/L	1,07 ± 0,58	2,07 ± 1,13	0,0006¹
Липопротеины высокой плотности, ммоль/л HDL, mmol/L	1,88 ± 0,58	1,26 ± 0,68	0,0001¹
Липопротеины низкой плотности, ммоль/л LDL, mmol/l	2,72 ± 0,92	3,11 ± 0,76	0,2487²
Аланинаминотрансфераза, ммоль/л Alanine aminotransferase, mmol/L	22,40 ± 17,47	23,16 ± 18,04	0,9321¹
Аспартатаминотрансфераза, ммоль/л Aspartate aminotransferase, mmol/L	20,09 ± 8,65	22,36 ± 12,34	0,6699¹

Примечание: ¹ – анализ проведен через непарный тест Манна–Уитни, ² – анализ проведен через непарный тест Стьюдента с критерием Уэлча, ³ – анализ проведен через точный тест Фишера.

Note. ¹, analysis was carried out using an unpaired Mann–Whitney test; ², analysis was carried out using an unpaired Student’s t-test with Welch criteria; ³, analysis was carried out using Fisher’s test.

Согласно полученным нами результатам, уровень экспрессии транскрипционного фактора PPAR-γ в печени у больных МС был повышен в 1,2 раза (p = 0,0278) в сравнении с контролем, в то время как уровень экспрессии мРНК генов SIRT1 V1, PGC-1α, PPAR-α значимо не изменялся (p = 0,6629, p = 0,1588, p = 0,8249 соответственно) (рис. 1A).

Рисунок 1. Экспрессия генов интереса

Примечание. A – уровень экспрессии генов интереса. Статистический анализ проведен с использованием критерия Шапиро–Уилка, непарного теста Манна–Уитни, непарного Т-теста Стьюдента с критерием Уэлча. МС – метаболический синдром. Астерикс * обозначает p < 0,05. Б – корреляционный анализ. Коэффициент Спирмена, значимые корреляции обозначены * (p < 0,05).

Figure 1. Expression of genes of interest

Note. A, levels of gene expression. Statistical analysis was carried out using the Shapiro–Wilk test, the Mann–Whitney U test, and the unpaired Student’s t-test with Welch’s correction. MetS – metabolic syndrome. Asterix * identify p < 0.05. B, correlation matrix. Statistical analysis was carried out using Spearman’s coefficient, significant correlations are shown * (p < 0.05).

Уровень экспрессии гена митохондриального разобщителя ANT2 был значимо повышен в биоптатах печени, полученных у больных МС (p = 0,0197), тогда как экспрессия гена UCP2 значимо не изменялась (p = 0,07) (рис. 1A).

У объединенных групп (контроль и МС) были выявлены положительные корреляции: SIRT1 V1 (r = 0,411, p = 0,033), PPAR-α (r = 0,382, p = 0,034), PGC-1α (r = 0,599, p = 0,000089) c UCP2, а также: PPAR-γ (r = 0,306, p = 0,049), PGC-1α (r = 0,503, p = 0,002) c ANT2 (рис. 1Б). Кроме того, была выявлена положительная взаимосвязь между уровнем глюкозы натощак и экспрессией ANT2 (r = 0,469, p = 0,001) (рис. 1Б).

Повышение экспрессии мРНК генов PPAR-γ, согласно данным литературы, ассоциировано с липогенезом de novo в печени [15], в то время как экспрессия генов SIRT1 V1 и PPAR-α взаимосвязана с активацией процессов β-окисления жирных кислот, а также митохондриальным биогенезом [14, 15]. Согласно полученным результатам, мы предполагаем, что у больных МС в печени происходит более активное накопление СЖК, тогда как процессы β-окисления жирных кислот, а также активация систем антиоксидантной защиты, сопоставимы с контролем. Отсутствие значимых изменений уровня экспрессии гена UCP2 у больных МС может быть ассоциировано с отсутствием и/или низкой активацией транскрипционных факторов PGC-1α, PPAR-α, что теоретически может приводить к развитию окислительного стресса.

В то же время изменение экспрессии данных генов необходимо оценить на расширенной выборке.

Уровень экспрессии гена ANT2 может быть положительно взаимосвязан с транскрипционным фактором PPAR-γ, поскольку на данной выборке нам удалось обнаружить только достоверную корреляцию слабой силы. Тем не менее повышенная экспрессия гена ANT2 в биоптатах печени больных МС может быть связана как с компенсаторными, протекторными механизмами – активацией «мягкого» МР, так и с патологическими процессами – следствием «жесткого» МР.

Положительная корреляция между уровнем глюкозы в крови и экспрессией гена ANT2 в печени, возможно, ассоциирована с патологической ролью данного белка в печени у больных МС.

На мышиных моделях значения экспрессии гена Ant2 в печени отличались, в зависимости от модели эксперимента. Так, нокаутные по Ant2 мыши были устойчивы к развитию стеатоза печени, ожирению и резистентности к инсулину при диете, богатой жирами в сравнении с диким типом [5]. В другом исследовании на крысиных моделях, а также в условиях in vitro на культуре печени (hepa1c1c7), было установлено, что Ant2 обладает гепатопротекторным действием. В связи с этим, поддержание нормального уровня экспрессии этого гена может быть важным фактором повышения устойчивости к старению и окислительным стрессу гепатоцитов [9].

Заключение

Таким образом, необходимы дальнейшие исследования влияния митохондриальных разобщителей – ANT2, UCP2 на клеточный метаболизм как непосредственно в ткани печени человека, так и на клеточных культурах. В данной статье впервые представлены результаты экспрессии генов митохондриальных разобщителей (ANT2, UCP2) в печени у пациентов с МС.

Одобрение этического комитета

Исследование проводилось в соответствии с Хельсинкской декларацией Всемирной медицинской ассоциации (2000) и Протоколом к Конвенции о правах человека и биомедицине (1999). Исследование одобрено локальным этическим комитетом Балтийского федерального университета имени Иммануила Канта, протокол БФУ им. И. Канта от 21 июня 2022 г. Все участники предоставили подписанное информированное согласие.

About the authors