A galactosemia e os níveis de fosfato celulares

A galactosemia é uma desordem genética que compromete a capacidade do organismo em metabolizar galactose, um açúcar que é principalmente derivado da lactose do leite e é importante para fornecer energia para célula e participar de processos celulares que regulam o bom funcionamento do organismo. A galactosemia é o resultado de uma alta concentração sanguínea tanto da galactose quanto de moléculas derivadas desse açúcar, que também podem se acumular nos tecidos. Esse distúrbio metabólico é causado devido a mutações nocivas no gene GALT, que codifica a enzima Galactose 1-fosfato uridil-transferase.

A falta de tratamento pode tornar essa desordem genética potencialmente letal aos pacientes, que são afetados por sintomas como icterícia, vômito, doença hepática e sepse.

O periódico científico Biochimica et Biophysica Acta publicou, em 14 de fevereiro de 2017, um artigo assinado por um grupo de pesquisadores da UFRJ liderados pelo Prof. Claudio Masuda (IBqM), que foi intitulado ‘‘The galactose-induced decrease in phosphat levels leads to toxicity in yeast models of galactosemia”. Nesse trabalho, os pesquisadores mostraram que, em modelos de leveduras, o acúmulo de galactose 1-fosfato induziu a alterações nos níveis de fosfato intracelular. Ou seja, a galactose 1-fosfato, em altas concentrações, promoveu a diminuição dos níveis de fosfato, o que causou prejuízo para a célula. No entanto, o prejuízo não aconteceu quando houve maior disponibilidade de fosfato. Dessa forma, novas estratégias de tratamento para pacientes com galactosemia foram propostas usando a disponibilização de fosfato para os pacientes.

Para a literatura de galactosemia, o trabalho contribuiu ao confirmar que o nível de fosfato cai em modelos de galactosemia. Isso reforça dados já descritos para galactosemia e pode ter implicações também na frutosemia – semelhante por ser uma doença também metabólica e genética, onde o metabólito que se acumula é a frutose-fosfato ao invés de galactose 1-fosfato, mas que também faz cair o nível de fosfato nos pacientes. Para o Prof. Claudio Masuda, o trabalho não somente reforça a ideia da queda de fosfato, como também de que forma essa queda de fosfato interfere no metabolismo celular.

Acesse o artigo gratuitamente até o dia 17 de Junho através do link:
https://authors.elsevier.com/a/1Uydf3IQ~pyqDE

O Prof. Claudio Masuda aceitou gentilmente esclarecer algumas questões sobre seu artigo publicado!

 

PORTAL BIOQMED. Bom dia, Prof. Claudio! Queremos agradecê-lo por aceitar conversar conosco sobre seu trabalho! O modelo de estudo para a galactosemia utilizado foram as leveduras, certo? De que forma esse modelo ajuda a compreender o funcionamento dessa doença no organismo humano? Por que vocês escolheram leveduras como modelo de estudo?

PROFESSOR CLAUDIO MASUDA. Em nosso laboratório, trabalhamos com uma levedura que é usada para fazer pão, álcool, combustível. A Saccharomyces cerevisae é um organismo que já vem sendo utilizado pelo homem há muito tempo e é um dos organismos mais bem conhecidos que temos, sendo um ponto que nos ajuda muito. Apesar de ser um organismo unicelular, ela é um célula eucariótica, assim como as células da gente. Sua estrutura celular tem um núcleo, retículo, mitocôndria, golgi, etc. e ela faz uma divisão celular muito parecida com a nossa, além de possuir vias bioquímicas muito parecidas com as que utilizamos, inclusive a via de metabolismo da galactose.

Por todas essas similaridades entre o funcionamento das nossas células e o funcionamento das células das leveduras, acreditamos que elas são um bom modelo para se estudar essas doenças. Além disso, nós já mostramos, assim como outros grupos também já mostraram que, se fizermos uma mutação no gene ortólogo ao gene que é afetado na doença da galactosemia clássica, essa mutação também vai causar uma disfunção celular, dependente da presença de galactose. Então, uma mutação no mesmo ''gene'' (ortólogo) gera uma toxicidade à galactose tanto em humanos como em leveduras. É claro que existem também desvantagens ao usarmos a levedura que se dão, por exemplo, pelo fato dela não ser multicelular. Assim, esse modelo não permite que façamos estudos sobre o funcionamento do sistema nervoso, do sistema reprodutivo, sobre o fígado ou sobre rim: órgãos afetados na doença em humanos. Apesar da limitação de não podermos trabalhar com sistemas e órgãos, nós acreditamos que, bioquimicamente e geneticamente, os problemas podem ser os mesmos em nível celular.

 

PORTAL BIOQMED. É melhor do que trabalhar com camundongos?

PROFESSOR CLAUDIO. Depende. Existem vantagens de trabalhar com leveduras em relação a camundongos. Elas crescem rápido, são mais baratas e possuem a bioquímica, a biologia celular e a genética muito bem conhecidas. Há uma facilidade de manipulação genética que ainda é maior em leveduras que em camundongos. No entanto, para se estudar a doença em nível sistêmico, o camundongo é muito melhor. Em camundongos, já foram construídos dois mutantes para o gene GALT.

Na primeira análise que fizeram no camundongo eles não encontraram fenótipo nenhum, o que foi surpreendente! No segundo modelo, o mais recente, eles começaram a ver os sintomas, que parecem um pouco com aqueles encontrados em humanos, mas têm uma intensidade muito menor. Assim, a toxicidade aguda da galactose é muito menor no modelo de camundongos do que aquela que se observa em pacientes.

Em nível sistêmico, o camundongo não é exatamente o modelo que reflete os sintomas dos humanos. Isso por um lado é ruim para estudarmos por que não eles apresentam todos os sintomas. Por outro lado, pode ser até interessante para tentarmos entender o que há de realmente diferente em um camundongo que faria ele sofrer menos do que um humano. Por isso, estudos em outros modelos animais são importantes. Eles podem nos levar a um entendimento melhor e mais profundo sobre o que está acontecendo e como reverter isso, com o possível desenvolvimento de alguma terapia.

 

PORTAL BIOQMED. Sabemos que a galactosemia é uma doença genética rara, mas gostaríamos de saber um pouco mais sobre quais são os eventos bioquímicos envolvidos nela que não permitem que a galactose seja metabolizada com eficácia. É correto afirmar que as moléculas derivadas da galactose (como galactitol e galactonato) também se acumulam e são tóxicas aos tecidos quando acontece essa desordem?

PROFESSOR CLAUDIO. A princípio, o evento é uma alteração genética, ou seja, é uma mutação no gene de uma enzima da via. Assim, as mutações que estão associadas aos sintomas clínicos são mutações que inibem a ação de uma enzima. Já se demonstrou que a enzima pode ser inibida em até cerca de 60% que não se observa nenhum sintoma clínico evidente. Porém, se inibirmos 90-95% dela, passamos a observar os sintomas. Então, a sintomatologia está de fato associada à perda de atividade dessa enzima: esse é o evento bioquímico!

Existe uma discussão muito ativa na literatura que é a do porquê  o bloqueio dessa via, causa os sintomas. A hipótese mais aceita talvez seja a de que, por não ter a atividade enzimática, o substrato dessa enzima se acumula, que é justamente a galactose 1-fosfato. Portanto, parece que esse é um evento muito relevante para observarmos os sintomas. Em relação aos sintomas agudos observados nos pacientes, existe uma grande correlação com os níveis de galactose 1-fosfato, que também observamos no modelo de levedura. Se eliminarmos galactose 1-fosfato, melhoramos o crescimento da levedura. Essa correlação também existe nos pacientes.

Por outro lado, já se observou que, se paramos de alimentar um bebê com leite e substituímos por um leite sem lactose, diminui-se os níveis de galactose 1-fosfato e os sintomas agudos da doença ficam menos nítidos. Acontece que, mesmo ingerindo o mínimo de lactose possível ou mesmo retirando ela da dieta, não é possível reverter todos os sintomas crônicos da doença, que afetam o desenvolvimento cognitivo e reprodutivo... A correlação entre os níveis de galactose 1-fosfato dos pacientes e o aparecimento dos sintomas começa a ficar menos óbvia, mas além da galactose 1-fosfato, existem outros motivos pelos quais os pacientes continuam desenvolvendo esses sintomas. Outras moléculas derivadas da galactose também se acumulam no paciente e, eventualmente, outras vias metabólicas que ainda desconhecemos podem estar envolvidas. Infelizmente, essa doença não tem cura... Assim, o único tratamento existente é a retirada da lactose da dieta. Não existe nenhum fármaco sendo utilizado no momento e o único tratamento é mesmo a restrição dietética.

No caso dos níveis de fosfato inorgânico, mostramos que a queda é dependente do acúmulo da galactose 1-fosfato. A ideia básica que temos é de que célula já tem uma quantidade de fosfato determinada e, de repente, se acumula açúcar 1-fosfato que não deveria estar lá. Se esse fosfato está preso ao açúcar, a quantidade de fosfato livre para ser utilizado nas reações bioquímicas diminui. Essa seria a principal causa dos níveis baixos de fosfato livre para ser utilizado em outras funções celulares e é isso que estaria causando problemas para a célula. Por isso que, quando aumentarmos os níveis de fosfato livre, mesmo havendo galactose 1-fosfato acumulada, alguns dos problemas que observamos no modelo de leveduras já apresentam melhora.

 

PORTAL BIOQMED. E é possível inibir a ligação do fosfato à galactose?

PROFESSOR CLAUDIO. Sim! Nós testamos isso! Através da inibição da síntese da galactoquinase, que é a enzima que produz galactose 1-fosfato. Nós inibimos geneticamente a galactoquinase na levedura e observamos que a maioria dos sintomas não aparecem! Os nossos dados em levedura suportam a ideia de que, se a enzima galactoquinase for inibida, isso inibe também o acúmulo de galactose 1-fosfato, causando um melhor crescimento das leveduras. Nós não fomos os primeiros a propor isso, inclusive existe um grupo americano que está trabalhando no desenvolvimento de drogas e essa é uma das propostas terapêuticas que está em andamento.

No entanto, em células humanas as coisas funcionam um pouco diferente... esse mesmo grupo publicou recentemente um trabalho no qual inibiram essa enzima em células humanas tumorais de fígado e a inibição do gene da galactoquinase deu problema por si só. Ou seja, inibir essa enzima causou problemas no modelo de célula tumoral, mas pode ser que seja esse evento seja específico para esse tipo de célula tumoral ou para tumores em geral.

 

PORTAL BIOQMED. Vocês pensam em trabalhar com células humanas?

PROFESSOR CLAUDIO. Eu gostaria de trabalhar com células humanas, mas ainda não consegui estrutura para realizar esse experimento aqui. Temos um projeto submetido e uma parte dele consiste em conseguir células humanas de pacientes galactosêmicos para trabalharmos no laboratório. Assim poderemos testar algumas das ideias que estamos tendo em leveduras inclusive com o fosfato, para sabermos se irá funcionar neste outro modelo.

 

PORTAL BIOQMED. Seu trabalho mostrou que o acúmulo da galactose 1-fosfato diminui os níveis de fosfato inorgânico intracelular. Quais mecanismos levam a essa diminuição e que o isso pode sugerir? Essa diminuição pode afetar de alguma forma as vias que geram ATP? Ela afeta ou influencia a homeostase de outras moléculas? Como isso acontece?

PROFESSOR CLAUDIO. Nosso trabalho mostrou que sim! O acúmulo de galactose 1-fosfato afeta a homeostase de pelo menos uma outra molécula muito importante: o glicogênio! Ele é uma das formas de reserva energética do nosso corpo, principalmente no fígado e nos músculos. Nós observamos que o glicogênio aumenta nas leveduras. Isso é um resultado esperado por que, no processo de quebra de glicogênio, a enzima que o quebra também precisa de fosfato livre, em um processo chamado fosforólise, onde ela um fosfato é utilizado para quebrar o glicogênio . Portanto, se há menos fosfato, haverá menos quebra de glicogênio e, consequentemente, isso levará a um acúmulo dessa molécula, que é o que observamos em leveduras.

Em relação às vias que geram ATP na célula, os níveis de ATP foram medidos e não estavam muito alterados, mas acreditamos sim, que as vias de síntese de ATP também estejam sendo afetadas e é isso que estamos estudando nesse momento. Acreditamos nisso por que, quando medimos os níveis de ATP numa célula em determinado momento, o que estamos medindo é a quantidade de ATP naquela célula -- e não a velocidade de síntese e uso do ATP. Pode-se portanto manter o mesmo nível de ATP produzindo um ATP por minuto e consumindo um ATP por minuto. E pode-se também manter o mesmo nível de ATP produzindo mil moléculas de ATP por minuto e consumindo mil ATPs por minutos. O saldo do ATP será zero nas duas contas, sendo que as vias de síntese nos dois exemplos estão muito diferentes! No momento, estamos verificando a velocidade das vias de síntese de ATP mitocondrial e estamos observando algumas diferenças. A primeira suposição mais direta é que, para fazer ATP, precisa-se de fosfato e, sem ele, a síntese de ATP fica comprometida. Estamos vendo também uma segunda alteração que não depende de fosfato e que aparentemente está diminuindo a respiração mitocondrial, mas ainda não sabemos por quê.

 

PORTAL BIOQMED. Ocorre o efeito inverso se houver maior disponibilidade de fosfato?

PROFESSOR CLAUDIO. Se a queda dos níveis de fosfato é o que está causando os problemas, ao aumentarmos esses níveis, isso deveria reverter os problemas. E como falamos anteriormente, isso acontece no modelo de levedura. Entretanto a reversão acontece apenas parcialmente. Nós vemos uma reversão parcial do crescimento das leveduras, e também com relação ao glicogênio, mas não vemos a reversão de todos os sintomas. Isso significa que a queda do fosfato é um problema na célula para essa condição, mas que ele não é o único problema. Os sintomas que foram causados pela queda de fosfato irão diminuir, mas podem haver outros sintomas  que não tenham relação com a queda de fosfato; esses não irão obviamente diminuir com o aumento da disponibilidade de fosfato.

Na frutosemia, por exemplo, os níveis de fosfato também caem. Mas, para o modelo de frutosemia, ninguém ainda testou se a queda de fosfato é relevante mas, se for, talvez essa mesma intervenção seja relevante para essa condição.

 

PORTAL BIOQMED. Quais as diferenças entre os diferentes tipos de galactosemia?

PROFESSOR CLAUDIO. Existem três tipos de galactosemia, e as diferenças estão relacionadas com as causas. A galactosemia tipo I é a que chamamos de clássica e é causada por uma mutação no gene GALT. Esse é o foco do nosso trabalho. Já a galactosemia tipo II é causada por mutações no gene GALK, que produz a enzima galactoquinase que, se inibida, reduz a produção de galactose 1-fosfato e melhora os sintomas da levedura. Os sintomas da galactosemia tipo II são muito brandos sendo que o único sintoma mais relevante na galactosemia tipo II é a catarata. Nela não há disfunção hepática ou de desenvolvimento cognitivo, sendo a forma mais branda dentre as três galactosemias. A diferença de sintomas na galactosemia tipo II e tipo I é um dos argumentos utilizados para se dizer que a galactose 1-fosfato é relevante para galactosemia do tipo I. No tipo II não há acúmulo da galactose 1-fosfato e os sintomas são mais brandos.

A galactosemia do tipo III é a mais rara delas e pode ser tão severa quanto a do tipo I. Ela possui um perfil de sintomatologia mais abrangente, existindo pacientes com sintomas mais severos e outros com sintomas mais brandos -- dependendo do tipo de mutação que acontece no gene responsável pela doença.

 

PORTAL BIOQMED. É possível aumentar a disponibilidade de fosfato celular?

PROFESSOR CLAUDIO. Sim, mas não é fácil. Aparentemente existem grupos estudando outras situações ao tentar modular a homeostase de fosfato em humanos. Há diferentes maneiras de fazer isso. Se essas estratégias vão funcionar, eu não sei, mas é uma perspectiva que o nosso trabalho abre para a comunidade de galactosemia.

 

PORTAL BIOQMED. Na sua opinião, a comunidade científica está esforçada em tornar o conteúdo científico mais acessível através de ferramentas alternativas e atrativas como blogs e redes sociais? A ciência está interessada em repassar para a sociedade o que ela está produzindo?

PROFESSOR CLAUDIO. É certo que quando escrevemos um artigo científico, estamos escrevendo para nossos pares, ou seja, para pessoas altamente especializadas na área. Esse é um texto que não é de fácil leitura para uma pessoa que não seja da área.

Acredito que a divulgação seja importante para simplificar o entendimento da informação contida num trabalho -- que foi desenvolvido e direcionado para um público específico -- para um público mais geral.

Esse conhecimento é importante para pessoas leigas que tenham interesse nesse assunto específico como, por exemplo, para as famílias e pessoas que tenham galactosemia. É interessante que elas tenham conhecimento do nosso trabalho e essa é uma atividade mais direta.

Nós estamos em uma universidade federal que é pública e a maior parte do que ganhamos para desenvolver as pesquisas vem de verbas públicas. Portanto, também é importante repassar essa informação para a sociedade para mostrar o retorno desse investimento que está sendo feito com o dinheiro delas. A comunidade está cada vez mais interessada e se importando com esse aspecto, ela está disposta a divulgar a ciência de maneira geral, inclusive a ciência feita no Brasil. Recentemente, os veículos de comunicação estão dando um pouco mais de atenção aos trabalhos científicos, mas ainda há muito a melhorar.

Em relação às instituições, elas deveriam estar fazendo um esforço maior para isso. Aqui, inclusive, o IBqM e vários institutos parceiros consideram essas iniciativas muito importante e possuem estratégias para a divulgação. A ‘’Ciência Hoje’’ é uma revista de divulgação nacional e vários docentes do nosso instituto conduzem ainda esse esforço de divulgação -- que infelizmente está na corda bamba. Acredito que existe e sempre existiu um esforço, por parte da ciência, de divulgar o conhecimento gerado. E esse esforço está aumentando, mas ainda não é o suficiente. Pelo lado do interesse da população, de fato, a ciência não é o assunto mais popular do mundo em nível de interesses gerais. Tem uma coisa que vem acontecendo nos últimos tempos e que deveria ser mais explorado é o fato de que existe ciência em muitas notícias dos jornais, mas as pessoas não percebem como sendo ciência, principalmente nas áreas de tecnologia e agropecuária, por exemplo. A própria Petrobrás é uma empresa brasileira que, apesar de toda a confusão envolvendo escândalos de corrupção, faz boa tecnologia desenvolvida aqui no Brasil. As pessoas não enxergam muito a ciência que está por trás disso, elas vêm como questão de economia, embora seja tudo fruto de ciência brasileira. Deve-se melhorar essa comunicação e esse entendimento. Consequentemente, o interesse e o suporte em geral das pessoas pelo que fazemos vai aumentar também.

Créditos da imagem: Larissa Haerolde, Francisco Prosdócimi e Freepik

 

Recomendamos fortemente a leitura do artigo “The galactose-induced decrease in phosphate levels leads to toxicity in yeast models of galactosemia” no site do periódico através do endereço eletrônico: http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0925443917300558

 

Formato para citação:

* Machado CM, De-Souza EA, De-Queiroz AL, Pimentel FS, Silva GF, Gomes FM, Montero-Lomelí M, Masuda CA. The galactose-induced decrease in phosphate levels leads to toxicity in yeast models of galactosemia. Biochim Biophys Acta. 2017 Feb 14. pii: S0925-4439(17)30055-8. doi: 10.1016/j.bbadis.2017.02.014. [Epub ahead of print] PubMed PMID: 28213126.

Por Larissa Haerolde e Francisco Prosdocimi para o portal BIOQMED.