Sestrin 2-mediated mitophagy: potential regulation of mitohormesis and promotion of metabolic health.

Abstract

As mitocôndrias desempenham um papel fundamental na homeostase celular. Para além do seu papel essencial na função energética, estes organelos produzem e eliminam espécies reativas de oxigénio (ROS). Historicamente associados a um papel nocivo e relevante no stress oxidativo, ROS são igualmente sinalizadores ubíquos da mitocôndria para o resto da célula. Sestrin 2 (Sesn2) é uma proteína induzível por ROS, que exibe propriedades antioxidantes e inibitórias da atividade do mTORC1. Além disso, Sesn2 foi recentemente identificada como um elemento ativo da indução de mitofagia e consequentemente do controlo da qualidade da população mitocondrial. Considerando estas características, esta proteína representa um potencial regulador da mitohormesis. Este conceito define que níveis moderados de produção de ROS mitocondriais não só induzem uma adaptação oportuna ao atual stress, mas também aumentam a capacidade de resposta a stresses secundários. Nesta perspetiva, este trabalho foi focado na compreensão do envolvimento mitohormético da mitofagia mediada por Sesn2.Aqui demonstramos que 18 h de restrição de glucose diminuíram a produção celular total de ROS. Além disso, apesar de não ter sido observado um aumento significativamente de superóxido mitocondrial às 3 h, verificamos uma diminuição subsequente deste radical às 6 h em células privadas de glucose. Um aumento do conteúdo em Sesn2 foi também observado, em conjunto com um grau superior de fragmentação mitocondrial e aumento de mitofagia. Estas alterações não foram associadas a alterações na ativação da caspase-3, o que parcialmente sugere a preservação de uma normal suscetibilidade à apoptose em resposta a 18h de restrição de glucose. O impacto destes eventos foi posteriormente analisado numa subsequente exposição a 24 h de hiperglicemia. Em células pré-expostas a 18h de restrição de glucose não foi verificado um aumento de produção de ROS e mitofagia durante as 24h de hiperglicemia. Estes resultados sugerem que 18 h de restrição de glucose representam um processo similar de indução de mitohormesis em C2C12, na qual o aumento do conteúdo em Sesn2 pode melhorar a funcionalidade mitocondrial através da promoção de mitofagia. Além disto, o envolvimento da Sesn2 durante a aquisição de resistência ao transiente stress pode igualmente explicar a menor extensão verificada dos efeitos prejudiciais de exposição à hiperglicemia, uma vez que o aumento de ROS e a remoção de mitocôndrias disfuncionais foi indetetável em células pré-expostas.Em conclusão, estes resultados sugerem um possível papel da Sesn2 numa adaptação mitohormética que permite uma maior resistência a outras condições associadas à indução de stress oxidativo, como a hiperglicemia.

Mitochondria are major controllers of the overall cellular homeostasis. They represent the energy supply of the cell and have the capacity to produce and detoxify reactive oxygen species (ROS). Historically represented by their harmful accumulation and dramatic role in oxidative stress, ROS are ubiquitous transmitters of information from mitochondria to the rest of the cell. Sestrin 2 (Sesn2) is an ROS-inducible protein, that exhibits anti-aging properties i.e. suppression of oxidative stress and mTORC1. Moreover, in a recent study Sesn2 was identified as an active mitochondrial homeostasis mediator due to its regulation of mitophagy. Considering these features, Sesn2 is a potential regulator of mitohormesis. This concept defines that low-level of mitochondrial ROS generation ensures a rapid adaptation to a mild stress and enhances long-term resistance to subsequent stresses. In this perspective, this work was focused on the understanding of the mitohormetic involvement of Sesn2- mediated mitophagy.Here we demonstrated that 18 h of glucose restriction decreased total cellular ROS generation. Moreover, even though we did not observe significantly increased production of mitochondrial superoxide at 3 h, we did verify a subsequent decrease of this radical at 6 h in glucose-deprived cells. Also, Sesn2 upregulation was observed after 6 and 18h, which was accompanied by mitochondrial fragmentation and induction of mitophagy. Furthermore, these changes were not associated with alterations in caspase-3 activation, which might do not translate a greater sensitivity to apoptosis from cells under 18 h of glucose deprivation. Moreover, cells previously exposed to glucose deprivation were later exposed to 24h hyperglycemia to verified the last-mentioned changes impact in response to another stress. In fact, these cells showed no hyperglycemic- mediated ROS and mitophagy increased after the 24 h exposure. Thus, we suggested that short-term glucose deprivation resembles a mitohormetic induction condition where Sesn2 upregulation leads to enhanced mitochondrial function through promotion of mitophagy. Moreover, these events might support the less extent of hyperglycemic detrimental effects, once the ROS increased and removal of dysfunctional mitochondria were undetectable in pre-exposed cells. Our findings suggest the possible Sesn2 enrolment during a pre-exposure with glucose deprivation, fundamentally through the modulation of mitophagy. Consequently, we believe that its upregulation might ensure the enhanced adaptation to further conditions associated with induction of oxidative stress, such as hyperglycemia.