The physiopathological role of mitochondrial calcium uptake in skeletal muscle homeostasis

In diversi tipi cellulari, i transienti di Ca2+ citosolico, generati da stimoli fisiologici, provocano ampi aumenti della concentrazione di Ca2+ nella matrice mitocondriale, che, a loro volta, stimolano le deidrogenasi Ca2+-sensibili del ciclo di Krebs. Questo rapido accumulo è favorito dalla vicinanza al principale deposito di Ca2+ della cellula, il reticolo endo/sarcoplasmatico (RE/RS), e di conseguenza dalla generazione di microdomini ad elevata concentrazione di Ca2+. Inoltre, il Ca2+ mitocondriale contribuisce all’omeostasi cellulare grazie all’esistenza di un complesso macchinario che permette a questo organello di accumulare rapidamente grandi quantità di Ca2+ (Rizzuto et al., 2012). Questo situazione è presente anche nel muscolo scheletrico, in cui la stimolazione che genera contrazione induce ampi transienti di Ca2+ mitocondriale in vivo (Rudolf et al., 2004), che sono in grado di tamponare gli aumenti della concentrazione di Ca2+ citosolica. Infine, il Ca2+ mitocondriale stimola il metabolismo aerobico e la produzione di ATP, che sono essenziali per l’attività muscolare. Infatti, i mitocondri rappresentano la principale fonte di ATP nelle fibre ossidative. Tuttavia, un accumulo eccessivo di Ca2+ nei mitocondri può anche portare a morte cellulare. La recente scoperta dell’identità molecolare del Mitochondrial Calcium Uniporter (MCU), il canale altamente selettivo responsabile dell’entrata di Ca2+ nei mitocondri, permette lo studio dettagliato del suo ruolo nei diversi aspetti della biologia del muscolo scheletrico (Baughman et al., 2011; De Stefani et al., 2011). L’obiettivo principale del mio progetto di tesi è stato quello di scoprire il ruolo del Ca2+ mitocondriale nell’omeostasi del muscolo scheletrico. Per fare questo, per prima cosa abbiamo indagato in vivo come le funzioni muscolari vengono controllate dall’omeostasi mitocondriale del Ca2+ attraverso la sovraespressione o il silenziamento di MCU. Abbiamo dimostrato che la modulazione di MCU controlla la dimensione del muscolo scheletrico sia durante la crescita post-natale che nell’età adulta. In particolare, abbiamo osservato un aumento nella dimensione delle fibre nei muscoli infettati con MCU. Al contrario, i muscoli in cui MCU è stato silenziato risultano atrofici. Questo straordinario fenomeno dipende dal coinvolgimento delle due principali vie di segnalazione che mediano l’ipertrofia, ovvero PGC-1α4 e IGF1-AKT. Di conseguenza, abbiamo studiato due diversi meccanismi potenzialmente in grado di spiegare il controllo delle vie anaboliche dipendente da MCU, i) l’attivazione di una comunicazione diretta fra mitocondrio e nucleo, ii) l’azione di metaboliti come segnali. Per quanto riguarda la comunicazione mitocondrio-nucleo, abbiamo studiato l’attività del promotore di PGC-1α4, dimostrando che il Ca2+ mitocondriale la controlla. Invece, nel contesto dei metaboliti come molecole segnale, abbiamo svolto un’analisi metabolomica di muscoli in cui MCU è stato sovraespresso o silenziato. Abbiamo rilevato un notevole rimodellamento della rete metabolica nei muscoli silenziati, compresa una chiara deviazione dal metabolismo del glucosio verso la preferenziale ossidazione degli acidi grassi. In seguito, abbiamo generato un modello murino privo di mcu esclusivamente nel muscolo scheletrico (mlc1f-Cre-mcu-/-), incrociando un topo mcu fl/fl con una linea che esprime la Cre ricombinasi sotto il controllo del promotore per la catena leggera della miosina 1f (mlc1f). Abbiamo osservato differenze marginali per quanto riguarda la dimensione delle fibre muscolari di questo modello. Tuttavia, abbiamo poi sottoposto questi topi ad esercizio fisico, attraverso diversi protocolli di corsa su tapis roulant. In queste condizioni, è stata evidenziata una compromessa capacità di corsa, indicando che l’accumulo di Ca2+ mitocondriale è richiesto per garantire performance muscolari ottimali. Infine, è ampiamente riconosciuto che il Ca2+ giochi un ruolo fondamentale nella regolazione dell’autofagia. Abbiamo quindi deciso di studiare questo processo in muscoli in cui MCU è stato sovraespresso o silenziato. Abbiamo dimostrato che i segnali Ca2+ mitocondriali controllano selettivamente la via autofagica che degrada i mitocondri disfunzionali, la mitofagia. In conclusione, questi dati indicano che l’accumulo mitocondriale di Ca2+ controlla il trofismo del muscolo scheletrico. In futuro saranno necessari ulteriori studi per caratterizzare meglio gli effetti di MCU sull’omeostasi del muscolo scheletrico. Questo studio fornirà nuovi potenziali bersagli che sarà possibile utilizzare in clinica, in tutte quelle patologie caratterizzate dalla perdita di massa muscolare, come ad esempio le distrofie, la cachessia neoplastica e l’invecchiamento.