The role of MitokATP in skeletal muscle

I canali mitochondriali del potassio sensibili all’ATP (mitoKATP) sono stati descritti per la prima volta nel 1991 in seguito ad esperimenti di patch clamp su mitoplasti isolati. Diversi approcci sono stati utilizzati per caratterizzare il profilo farmacologico di questi canali. Questi studi sostengono fortemente l'idea che l'apertura di mitoKATP sia correlata con la protezione cellulare da danni. In particolare, l’attivazione farmacologica del mitoKATP può efficientemente proteggere il cuore dal danno da ischemia/riperfusione. Tuttavia, nonostante il loro enorme potenziale terapeutico, la composizione molecolare dei canali mitoKATP è ancora sconosciuta. Nel mio laboratorio è stato identificato un nuovo complesso proteico in grado di riassumere le principali caratteristiche elettrofisiologiche e il profilo farmacologico del mitoKATP. In particolare, abbiamo dimostrato che il canale mitocondriale del potassio è un eteroligomero, organizzato in una struttura ottamerica, composto da un tetramero di subunità permeabili al catione potassio e da quattro subunità regolatorie sensibili all’ATP. Si ritiene che i mitoKATP siano in grado di agire da sensori dello stato metabolico cellulare. Mentre in condizioni fisiologiche, quando l’ATP disponibile è sufficiente, i canali restano chiusi, una riduzione dei livelli intracellulari di ATP causa la loro apertura, evento considerato protettivo in varie condizioni di stress cellulare. Tuttavia, nonostante in condizioni di stress cellulare l’attivazione di mitoKATP risulti vantaggiosa, in condizioni basali, quando la concentrazione intracellulare di ATP è sufficiente, l’apertura non controllata del canale risulta dannosa. Esperimenti svolti in cellule indicano che la sovraespressione di mitoK, la subunità del canale sensibile al potassio, induce una riduzione dell’accumulo mitocondriale dello ione calcio in risposta a stimoli, una drastica riduzione del potenziale di membrana mitocondriale e la frammentazione della morfologia mitocondriale caratterizzata dalla perdita totale delle creste. Questi drastici cambiamenti della struttura e della funzione cellulare, sono dati dall’incontrollato influsso di potassio e da una conseguente entrata di acqua per osmosi all’interno della matrice mitocondriale. Infatti, la sovraespressione della subunità del canale permabile al potassio (mitoK) causa una costitutiva apertura del canale, il quale non risulta più controllato dalle subunità regolatorie ATP-sensibili. Nel complesso, i nostri dati indicano che mitoK svolge un ruolo importante nel controllo della funzione e della struttura mitocondriale. Data l’importanza della corretta funzionalità mitocondriale nel mantenimento dell’omeostasi muscolare, abbiamo indagato il ruolo patofisiologico dei mitoKATP nel muscolo scheletrico. Come prima cosa abbiamo deciso di analizzare gli effetti della sovraespressione di mitoK durante lo sviluppo post-natale. A questo scopo abbiamo iniettato topi neonati con particelle di AAV9 (Virus Adeno Associato Serotipo 9) esprimenti mitok (AAV9mitoK). Quattro mesi dopo l’infezione abbiamo osservato un fenotipo fortemente atrofico, caratterizzato da una forte riduzione della grandezza delle fibre muscolari. Analisi di microscopia elettronica indicano che la sovraespressione di mitok altera la struttura mitocondriale: le cristae mitocondriali interne sono completamente collassate e i mitocondri appaiono rigonfi. All’interno degli organelli sono inoltre presenti molti vacuoli i quali suggeriscono l’attivazione di sistemi di degradazione dei mitocondri disfunzionali. Nel muscolo scheletrico, la sovraespressione di mitoK induce un’ampia risposta di stress cellulare che porta all’attivazione di sistemi di degradazione degli organelli danneggiati e delle proteine disfunzionali. Nei muscoli sovraesprimenti mitoK abbiamo infatti riscontrato un sostanziale aumento delle proteine ubiquitinate, destinate alla degradazione, ed un blocco delle fasi tardive del flusso autofagico. Per contrastare la perdita eccessiva di materiale citoplasmatico, nelle fibre muscolari viene incrementata la sintesi proteica e attivata una delle principali vie di segnalazioni cellulare implicata nel controllo della massa muscolare, la via IGF/AKT. Nel complesso i nostri dati indicano che mitoK gioca un ruolo importante nel controllo della funzionalità mitocondriale nel muscolo e nel controllo del trofismo del muscolo scheletrico.