Metabolic changes underlying caloric restriction and diabetes impact upon intercellular communication activity in the heart

Abstract

O coração depende de uma rede de comunicação intercelular bem organizada para assegurar a sua correta função. A comunicação intercelular pode ocorrer diretamente, entre células adjacentes, através das gap junctions, ou indiretamente, a longas distâncias através de vesículas extracelulares, nomeadamente através de exossomas. A conexina 43 (Cx43) é a principal proteína ventricular encontrada no coração e alterações na sua dinâmica têm um impacto direto na comunicação intercelular cardíaca e consequentemente na função do coração. Resultados anteriores do nosso grupo mostraram que curtos períodos de starvation estabilizam a Cx43 na membrana plasmática de cardiomiócitos, sugerindo que o efeito cardioprotetor da starvation e restrição calórica no coração pode ser mediada por uma melhoria na comunicação intercelular mediada por gap junctions, através do aumento dos níveis de Cx43. Uma vez que os mecanismos que estão subjacentes a estes efeitos benéficos da starvation e da restrição calórica no coração são amplamente desconhecidos, o principal objetivo deste trabalho foi averiguar o efeito da starvation e da restrição calórica nos níveis de Cx43 no coração. Para além disso, uma vez que o hipotálamo atua como sensor de nutrientes e regula a homeostasia da energia, também foi explorado o efeito de exossomas libertados de células do hipotálamo em starvation. Os resultados obtidos neste estudo mostram que a starvation e a restrição calórica nos animais leva a uma acumulação dos níveis de Cx43 no coração. Os exosomas libertados por células do hipotálamo foram capazes de aumentar os níveis de Cx43 em células cardíacas, independentemente do estado nutricional da célula de origem e do tempo de exposição a starvation. Além disso, reproduzir restrição calórica in vitro, através da redução da disponibilidade de glicose (hipoglicemia), também resulta num aumento dos níveis de Cx43 em células cardíacas. No sentido inverso, embora tenha sido mostrado que a hiperglicemia provoca destabilização na Cx43, em células do coração, os mecanismos pelos quais a Cx43 é degradada permanece pouco clara. Por isso, outro objectivo deste estudo foi avaliar o efeito de condições diabetes-like nos níveis de Cx43 de células cardíacas. A incubação de células cardíacas, quer na presença de meio com alta concentração de glicose (hiperglicemia) xvi quer na presença de metilglioxal, um sub-produto da glicólise que se acumula em tecidos em consequência da hiperglicemia, resulta num aumento da ubiquitinação e degradação da Cx43. Além da ubiquitinação, os resultados obtidos neste estudo dão fortes evidências de que a Cx43 sofre sumoylation. Estes resultados suportam a ideia de que os mecanismos base para os efeitos cardioprotetores da starvation e da restrição calórica podem, pelo menos em parte, resultar de uma comunicação intercelular mediada por gap junctions aumentada, devido ao aumento dos níveis de Cx43.

The heart depends on a well-organized intercellular communication (IC) network to ensure its proper function. IC can occur directly, between adjacent cells, through gap junctions (GJs), or indirectly, at long distances via extracellular vesicles (EVs), namely exosomes. Connexin 43 (Cx43) is the major ventricular GJ protein found in the heart and changes in its turnover dynamics have a direct impact on cardiac IC and consequently on heart function. Previous data from our group showed that short-periods of starvation, in cardiomyocyte cells, stabilize Cx43 at the plasma membrane (PM), suggesting that the cardioprotective effect of starvation and caloric restriction (CR) in the heart could be mediated by the improving of gap junction-mediated intercellular communication (GJIC), through the increase of Cx43 protein levels. Since the cellular mechanisms associated to the beneficial effects of starvation and CR in the heart are largely unknown, the main objective of the present work was to investigate the effect of starvation and CR on cardiac Cx43. Additionally, given the role of the hypothalamus in nutrient sensing and energy homeostasis, the effect of starvation-derived exosomes from the hypothalamic cells on cardiac Cx43 was also explored. The results obtained in this study show that starvation and CR in animals leads to an accumulation of cardiac Cx43 levels. Exosomes released by hypothalamic cells were able to increase the levels of Cx43 in cardiac cells, regardless the nutrient state of cell origin and time of exposure to starvation. Moreover, reproducing CR in vitro, by reducing the availability of glucose (hypoglycemia), also resulted in increased levels of Cx43 in cardiac cells. In opposite direction, although it has been shown that hyperglycemia results in a destabilization of Cx43, in the heart cells, the mechanisms whereby Cx43 is degraded remains unclear. Therefore, another objective of this study was to evaluate the effect of diabetes-like conditions on Cx43 levels of cardiac cells. Incubation either in the presence of high glucose medium (hyperglycemia) or methylglyoxal (MGO), a by-product of glycolysis that accumulates in tissues in consequence of hyperglycemia, results in increased Cx43 ubiquitination and degradation. Besides ubiquitination, the results obtained in this study provide evidence that Cx43 undergoes sumoylation. xviii These findings support the notion that the mechanistic basis for the cardioprotective effects of starvation and CR might, at least in part, result from an enhanced GJIC by increasing Cx43