Regulation of the expression and function of mitochondrial uncoupling protein UCP3 in response to oxidative stress: involvement of the transcription factor Nrf2 and implications in cardiac ischemia-reperfusion

Abstract

Uncoupling proteins (UCPs) constitute a subfamily of mitochondrial inner membrane carriers that modulate energy efficiency by regulating membrane proton conductance. One of its components, UCP3, is specifically expressed in heart, skeletal muscle and brown adipose tissue (BAT). The physiological function of this protein is not clearly established, although it seems to play an important role in the control of the production of reactive oxygen species (ROS) and in the protection against oxidative stress. UCP3 may also have a function in the metabolism of fatty acids. An efficient response to oxidative damage is crucial for cell survival, and the transcription factor Nrf2 is a master regulator of the cellular defences against this type of stress. In the presence of oxidizing agents or electrophiles, Nrf2 translocates to the nucleus, where it induces the transcription of genes involved in the defence against oxidative damage. In this work, we have studied the regulation of UCP3 expression and function in response to oxidative stress, as well as the possible involvement of Nrf2 in this process. We have found that the treatment with hydrogen peroxide (H2O2) or the lipid peroxidation product 4-hydroxy-2-nonenal (HNE), induces UCP3 expression in cells from mouse heart and skeletal muscle. This effect is mediated by the transcription factor Nrf2. Moreover, we have shown that the induction of the UCP3 protein is accompanied by an increase in the proton conductance of the inner mitochondrial membrane, which results in a decreased production of mitochondrial ROS and, consequently, in an increased cell survival. In addition, we have found that both UCP3 and Nrf2 have a cardioprotective role in the intact mouse heart subjected to ischemia-reperfusion (IR), a condition known to increase ROS generation, since mice lacking any of these proteins have increased infarct size and augmented levels of creatine kinase compared to wild-type mice. Finally, our data strongly suggest that UCP3 is involved in ischemic preconditioning (IPC), since the absence of the protein prevents the IPC protective effect against IR damage

Las proteínas desacoplantes (UCPs) constituyen una subfamilia de los transportadores de la membrana mitocondrial interna que modulan la eficiencia energética mediante la regulación de la conductancia de la membrana a los protones. Uno de sus componentes, UCP3, se expresa específicamente en el corazón, el músculo esquelético y el tejido adiposo pardo. La función fisiológica de esta proteína no está claramente establecida, aunque parece jugar un papel importante en el control de la producción de especies reactivas del oxígeno (ROS) y en la protección frente al estrés oxidativo. UCP3 también podría tener una función en el metabolismo de los ácidos grasos. Una respuesta eficiente frente al estrés oxidativo es esencial para la supervivencia celular, y el factor de transcripción Nrf2 es un importante regulador de las defensas celulares ante este tipo de estrés. En presencia de agentes oxidantes o electrófilos, Nrf2 se transloca al núcleo, donde induce la transcripción de genes implicados en la defensa frente al daño oxidativo. En este trabajo hemos estudiado la regulación de la expresión y función de UCP3 en respuesta al estrés oxidativo, así como la posible implicación del factor Nrf2 en este proceso. Hemos observado que el tratamiento con peróxido de hidrógeno (H2O2) o con el producto de la peroxidación lipídica 4-hidroxi-2-nonenal (HNE), induce la expresión de UCP3 en células de corazón y músculo esquelético de ratón. Este efecto está mediado por el factor Nrf2. Además, hemos mostrado que la inducción de la proteína UCP3 está acompañada de un aumento en la conductancia de la membrana mitocondrial interna a los protones, lo que resulta en una menor producción de ROS mitocondriales y, por consiguiente, en una mayor supervivencia celular. Por otra parte, hemos encontrado que tanto UCP3 como Nrf2 presentan un papel cardioprotector en corazones aislados de ratón sometidos a isquemia-reperfusión (IR), una condición que incrementa la generación de ROS, puesto que los ratones que carecen de alguna de estas proteínas presentan mayor tamaño de infarto y niveles de creatina quinasa aumentados en comparación con los ratones de tipo silvestre. Finalmente, nuestros datos sugieren que UCP3 está implicada en el precondicionamiento isquémico (IPC), ya que su ausencia previene el efecto protector del IPC frente al daño por IR.