The role of Sestrin-2 in cellular adaptation to hypoxic stress

Abstract

A hipóxia tecidual resulta do desequilíbrio entre a necessidade e o fornecimento de oxigénio. A insuficiente disponibilidade de oxigênio perturba a homeostasia redox e metabólica. Assim, múltiplas alterações metabólicas e transcripcionais ocorrem para prevenir danos nos tecidos ou até mesmo a morte celular. O HIF-1α é um fator de transcrição crucial na indução destas respostas adaptativas à hipóxia. No entanto, vários fatores podem exacerbar essa resposta, como é o caso da hiperglicemia. Como as mitocôndrias são um dos primeiros organelos afetados, tanto pela hipoxia como pela hiperglicemia, estas também estão envolvidas nas primeiras etapas da resposta adaptativa. Sesn2, uma proteína antioxidante ativada pela hipóxia, tem vindo a ser associada a biogênese mitocondrial e mitofagia, demonstrando a sua capacidade de melhorar a saúde mitocondrial. Assim, a nossa hipótese é que a Sesn2 possa estar envolvida na resposta adaptativa à hipoxia, através da modulação da morfologia e função mitocondrial.No presente estudo, usámos um modelo de privação de oxigênio e glicose (OGD/R) para estudar in vitro os mecanismos envolvidos na resposta adaptativa à hipoxia e como esta pode ser influenciada pela hiperglicemia e também explorar um possível papel da Sesn2 nesta adaptação. Os nossos resultados parecem indicar que a exposição a condições de hiperglicémica durante um mês altera a resposta adaptativa à hipóxia, que se refletiu numa aparente diminuição dos níveis de LC3-II/LC3-I, sugerindo a existência de prejuízos na ativação da autofagia. Além disso, a expressão genética de FIS1 e PGC-1α foi parcialmente aumentada durante OGD1h e OGD/R1h ao passo que esta expressão diminuiu às 6h de recuperação quando comparada às células C2C12 na euglicemia. Estes resultados sugerem que a hiperglicemia pode afetar a resposta adaptativa principalmente a nível mitocondrial. Ainda acerca do envolvimento da Sesn2 nestas alterações, analisámos o conteúdo proteico e a sua expressão genética. Verificámos que os níveis de Sesn2 estavam significativamente aumentados nas células em euglicemia 6h após a exposição OGD1h em comparação com as células em hiperglicemia. Esta diferença parece ser observada na expressão genética de SIRT1 e PGC-1α, sugerindo que a Sesn2 pode promover a biogênese mitocondrial através da via SIRT1/PGC-1α durante OGD e OGD/R. Além disso, também suspeitamos que a indução da expressão da Sesn2 tenha sido mediada por HIF-1α, e que a Sesn2 também pode promover biogênese mitocondrial através da diminuição da acumulação de HIF-1α e, consequentemente, induzir o aumento da expressão de PGC-1α.

Tissue hypoxia results from the mismatch between oxygen demand and oxygen delivery. The insufficient availability of oxygen perturbs redox and metabolic homeostasis. Thus, multiple transcription and metabolic alterations occur to prevent tissue damage or even cell death. HIF-1α is a crucial transcription factor involved in the induction of these adaptive responses to hypoxia. However, several factors can exacerbate this response, namely, hyperglycemia. As mitochondria are one of the primary organelles affected by both hypoxia and hyperglycemia, they are also involved in the first steps in the adaptive response. Sesn2, an antioxidant protein activated by hypoxia, has been implicated in mitochondrial biogenesis and mitophagy, demonstrating its ability to improve mitochondrial health. Thus, we hypothesized that Sesn2 can be involved in the adaptive response, through the modulation of mitochondrial morphology and function during hypoxia.In the current study, we used an oxygen-glicose deprivation (OGD/R) model to study in vitro the mechanisms involved in the adaptive response to hypoxia and how hyperglycemia influences it and also to explore a possible role of Sesn2 in that adaptation. We found that hyperglycemia exposure for one month seems to alter the adaptive response to hypoxia that was reflected in an apparent decrease in LC3-II/LC3-I protein, suggesting impairment in autophagy activation. Furthermore, the gene expression of FIS1 and PGC-1α was partially increased during OGD1h and OGD/R1h whereas it decreased at 6h recovery when compared to C2C12 cells in euglycemia. This demonstrates that hyperglycemia affects the adaptive response mainly at the mitochondrial level. To conclude about the involvement of Sesn2 in that alterations, we analyzed protein content and gene expression of Sesn2. We verified that the levels of Sesn2 were significantly increased in cells in euglycemia 6h after OGD1h exposure in comparison to cells in hyperglycemia. This difference seems to be observed in the gene expression of SIRT1 and PGC-1α. So, we suspect that Sesn2 might promote mitochondrial biogenesis through SIRT1/PGC-1α pathway during OGD and OGD/R. Furthermore, we also suspect that the induction of Sesn2 expression was induced by HIF-1α and that Sesn2 may also promote mitochondrial biogenesis by decreasing HIF-1α accumulation and, consequently, increasing PGC-1α expression.