Przewidywanie dynamicznego zachowania mitochondriów w genetycznie zdefiniowanych chorobach neurodegeneracyjnych Część 3
Jul 25, 2024
Mitochondria nie są nieprawidłowe we wszystkich genetycznych chorobach neurodegeneracyjnych, a dysdynamizm mitochondrialny niekoniecznie jest składnikiem wszystkich chorób neurodegeneracyjnych, które wykazują nieprawidłowości mitochondrialne.
Mitochondria to narządy w komórkach, które są głównie odpowiedzialne za wytwarzanie energii i metabolizm komórkowy w komórkach. Badania przeprowadzone w ostatnich latach wykazały, że nieprawidłowości mitochondrialne mogą być powiązane z utratą pamięci. Nie powinniśmy się jednak zbytnio przejmować negatywnymi skutkami nieprawidłowości mitochondrialnych, gdyż współczesna nauka i technologia jest coraz bardziej zaawansowana, a występowaniu nieprawidłowości mitochondrialnych możemy zapobiegać różnymi metodami i produktami zdrowotnymi w cyklu życiowym.
Badanie wykazało, że nieprawidłowości mitochondrialne mogą być powiązane z utratą pamięci u osób starszych. Dzieje się tak, ponieważ uszkodzenie mitochondriów może powodować uszkodzenie neuronów i śmierć komórek, wpływając w ten sposób na normalne funkcjonowanie neuronów mózgu i prowadząc do upośledzenia pamięci i funkcji poznawczych. Nie oznacza to jednak, że nieprawidłowości mitochondrialne są główną przyczyną utraty pamięci, ponieważ utrata pamięci może być również spowodowana innymi czynnikami, takimi jak niedożywienie, uszkodzenie mózgu, starzenie się itp.
Aby zapobiec nieprawidłowościom mitochondrialnym, możemy poprawić swoje zdrowie, zmieniając styl życia i dietę. Na przykład codzienne ćwiczenia i odpowiednie ćwiczenia mogą sprzyjać wytwarzaniu mitochondriów, poprawiać poziom metabolizmu organizmu, utrzymywać zdrowie fizyczne i poprawiać pamięć. Poza tym ważnym czynnikiem jest także dieta. Powinniśmy stosować regularną dietę, jeść więcej pożywnych pokarmów, takich jak owoce, warzywa i zboża, i zwracać uwagę na unikanie pokarmów o wysokiej zawartości cukru i tłuszczu.
Ponadto w celu ochrony mitochondriów można stosować leki celowane z umiarem. Na rynku dostępne są już leki działające na mitochondria, takie jak leki moczopędne, leki hipoglikemizujące, suplementy diety itp.
Krótko mówiąc, nieprawidłowości mitochondrialne wiążą się z utratą pamięci, ale nie powinniśmy się zbytnio martwić, ponieważ możemy chronić mitochondria, poprawić zdrowie fizyczne i poprawić pamięć, zmieniając nasz styl życia i dietę oraz stosując suplementy zdrowotne. Aktywnie zapobiegajmy i poprawiajmy nieprawidłowości mitochondrialne, aby zachować zdrowe ciało i bystry mózg. Widać, że musimy poprawić pamięć, a Cistanche może znacznie poprawić pamięć, ponieważ może także regulować równowagę neuroprzekaźników, takich jak zwiększenie poziomu acetylocholiny i czynników wzrostu, które są bardzo ważne dla pamięci i uczenia się. Ponadto Cistanche może również poprawić przepływ krwi i promować dostarczanie tlenu, co może zapewnić mózgowi wystarczające odżywienie i energię, poprawiając w ten sposób witalność i wytrzymałość mózgu.
Kliknij Poznaj suplementy poprawiające pamięć
Na przykład zaburzenia metaboliczne opisano w otępieniu alzheimerowskim [73], chorobie o niepewnej i złożonej etiologii związanej z tworzeniem pozakomórkowych złogów peptydu amyloidowego i splątków neurofibrylarnych białka tau mikrotubulowego [74].
Zgłaszane defekty mitochondriów, które obejmują fragmentację organelli, są zróżnicowane i niespójne [73,75].
Sam zakres różnych nieprawidłowości mitochondrialnych opisywanych w chorobie Alzheimera utrudnia wnioski dotyczące tego, czy przyczyniają się one w znaczący sposób do choroby pierwotnej, czy też są w dużej mierze jej konsekwencją.
Natomiast dziedziczna choroba Parkinsona jest chorobą mitochondriów, ponieważ najczęstsze genetyczne formy parkinsonizmu są powiązane z mutacjami genów kodujących mitochondrialną kinazę PINK1 (PARK6), która inicjuje mitofagię, a także główne białko efektorowe mitofagii, Parkin (PARK2) [76] .
Również w tym przypadku w niektórych, choć nie we wszystkich opisach choroby Parkinsona, opisano fragmentację mitochondriów [77], prawdopodobnie z powodu heterogeniczności i wieloczynnikowej etiologii.
Wreszcie, ataksja/zwyrodnienie rdzeniowo-móżdżkowe Friedreicha jest jednoznacznie chorobą neurodegeneracyjną o etiologii mitochondrialnej; autosomalny recesywny defekt genetyczny występuje w genie FXN, który koduje mitochondrialne białko wiążące żelazo, frataksynę.
Mitochondrialne przeciążenie żelazem w ataksji Friedreicha utrudnia tworzenie ATP w łańcuchu transportu elektronów i powoduje nadmierną pracę ROSelaboration [78,79]. Nie jest jasne, czy dynamiczna dysfunkcja mitochondriów przyczynia się do tej choroby, czy w ogóle istnieje [80].
Zmienne fenotypy mitochondriów w chorobach neurodegeneracyjnych i niepewność co do patofizjologicznego wpływu nieprawidłowej dynamiki mitochondriów podkreślają potrzebę platform analitycznych bezpośrednio istotnych dla poszczególnych pacjentów.
4. Ocena dynamiki mitochondriów
Najłatwiej uzyskany i oczywisty dowód na dysdynamizm mitochondriów, nieprawidłową morfologię mitochondriów w statycznych obrazach żywych lub utrwalonych komórek, zwykle obrazowanych za pomocą fluoroforu specyficznego dla mitochondriów.
Najczęściej zgłaszaną nieprawidłowością strukturalną mitochondriów jest „fragmentacja” lub strukturalne skrócenie organelli, konwencjonalnie i wygodnie mierzone jako zmniejszony współczynnik kształtu (długość/szerokość) [81,82].
Chociaż „normalny” współczynnik proporcji mitochondriów zależy zarówno od typu komórki, jak i stanu fizjologicznego [83], jego pomiar jest koncepcyjnie i technicznie prosty.
Zatem zmniejszenie współczynnika kształtu mitochondriów obserwowane na obrazach o wysokiej rozdzielczości (zmniejszenie długości/szerokości lub skrócenie) zazwyczaj odzwierciedla względny wzrost rozszczepienia mitochondriów do fuzji („fragmentacja”), podczas gdy wzrost współczynnika kształtu („wydłużenie”) odzwierciedla wzrost fuzja w stosunku do rozszczepienia. Jednakże zmieniony współczynnik kształtu nie ujawnia podstawowej przyczyny dysdynamizmu, tj. tego, czy brak równowagi dynamicznej jest konsekwencją zmienionego rozszczepienia, fuzji, czy obu.
Co więcej, fragmentacja mitochondriów w komórkach posiadających wzajemnie połączone sieci mitochondriów, takich jak fibroblasty, może być normalnym składnikiem mitozy i apoptozy [6].
Wreszcie, krótkie, kuliste lub „fragmentowane” mitochondria są normą w komórkach mięśni poprzecznie prążkowanych i aksonach neuronalnych [7,8,83]. Charakter braku równowagi między fuzją/rozszczepieniem mitochondriów najlepiej ujawnia obrazowanie komórek na żywo, przy użyciu pojedynczego mitochondrialnego fluoroforu ( np. Mitotracker Red, Green lub Orange), fuzyjne komórki eksprymujące różne białka fluorescencyjne ukierunkowane na mitochondria (np. Mito-GFP i Mito-RFP) lub fotoprzełączany mitochondrialny fluorofor (np. MitoDendra).
Kiedy używany jest pojedynczy fluorofor, wideomikroskopia konfokalna może udokumentować zdarzenia fuzji i rozszczepienia mitochondriów [82].
Kiedy różne grupy komórek wyrażających GFP lub RFP ukierunkowane na mitochondria poddaje się fuzji z glikolem polietylenowym, możliwe staje się określenie ilościowe mieszania się zawartości mitochondriów od fuzji w funkcji czasu [84].
To samo podejście jest łatwiejsze przy użyciu fotoprzełączanej mito-Dendry [85], umożliwiającej fotoprzełączenie podzbioru mitochondriów w obrębie interesujących komórek z fluorescencji zielonej na czerwoną i określenie losu poszczególnych mitochondriów (tj. to, czy łączą się, przechodzą rozszczepienie). , lub transport w komórce), które należy ocenić w czasie.
Jednakże metoda przełączania zdjęć wymaga specjalnego sprzętu i jest ograniczona przepustowością próbki.
Chociaż na podstawie seryjnych statycznych obrazów różnie oznakowanych mitochondriów można wnioskować, że subpopulacje są transportowane w obrębie komórek, szczegółowa ilościowa ocena proporcji prędkości ruchliwych mitochondriów wymaga wideomikroskopii poklatkowej w żywych komórkach lub tkankach wraz z generowaniem kymografów [{{ 1}}].
Nasze laboratorium stwierdziło, że jest to wykonalne w przypadku zastosowania zarówno do preparatów in vitro, jak i ex vivo. Co więcej, jak opisano poniżej, techniki te można łatwo zastosować albo do genetycznie zmanipulowanych neuronów myszy, albo do komórek pochodzących od pacjentów [25,57].
5. Pierwotne fibroblasty pochodzące od pacjenta wykazują związane z chorobą zaburzenia równowagi w rozszczepieniu/fuzji mitochondriów
Opracowanie optymalnej platformy badawczej do oceny nieprawidłowej fuzji, rozszczepienia i ruchliwości mitochondriów pod kątem ich związku z ludzkimi chorobami neurodegeneracyjnymi było wyzwaniem.
Intuicyjnie wydaje się, że najlepszym systemem byłyby neurony, ale neurony pochodzące z pierwotnej choroby ludzkiej są trudne do uzyskania, a neurony pochodzące z iPSC często tracą cechy charakterystyczne dla choroby klinicznej [87,88].
Związki między leżącą u podstaw nieprawidłowością genetyczną a fenotypem mitochondriów najdokładniej zdefiniowano, stosując podejście polegające na nokaucie genu u myszy.
Ablacja linii zarodkowej Mfn1 lub Mfn2 jest śmiertelna dla embrionu [89], ale fibroblasty pochodzące z zarodków myszy ujawniły, że upośledzona fuzja mitochondriów spowodowana delecją Mfn1 lub Mfn2 powoduje fragmentację mitochondriów poprzez niepohamowane rozszczepienie mitochondriów; upośledzenie funkcjonalne mierzone jako utrata polaryzacji błony wewnętrznej jest kolejną konsekwencją wadliwej wymiany treści mitochondrialnej [90].
Wiążąc dysmorfologię mitochondriów z podstawowymi przyczynami genetycznymi, należy wziąć pod uwagę różnice między ablacją genu, która znosi ekspresję podejrzanego białka i która jest standardowym eksperymentalnym podejściem do badania genetycznej utraty funkcji, a naturalnie występującymi mutacjami powodującymi utratę funkcji, w których ulega ekspresji dysfunkcyjne białko i może wywierają dominujący efekt tłumiący.
Zatem heterozygotyczna ablacja genu Mfn2 jest dobrze tolerowana u myszy [89], podczas gdy większość pacjentów z CMT2A ma pojedynczy zmutowany allel MFN2, który wywołuje wczesną postępującą neurodegenerację [53,55]. Różnicę tę przypisano dominującej supresji normalnego funkcjonowania MFN1 i MFN2 przez pojedynczy zmutowany allel, wzmacniając jej konsekwencje funkcjonalne [55–57].
Odpowiednio, transgeniczna ekspresja ludzkich mutantów CMT2A u myszy podsumowuje niektóre fenotypy CMT2Aneuronal [57,91]. Jednakże dominujące hamowanie normalnych mitofuzyn nie jest jedynym możliwym wyjaśnieniem różnic między nokautem genu a wyraźnymi skutkami mutantów powodujących utratę funkcji: ablacja homozygotycznego genu Mfn2 (lub Mfn1) u myszy nie powoduje neurodegeneracji; prowokuje wczesną śmiertelność zarodków [89].
Zatem zmiana dawki genu MFN2 poprzez eksperymentalny „nokaut” nie jest tym samym, co ekspresja mutacji zmiany sensu MFN2.
Rzeczywiście, może to być ogólna zasada biologiczna, ponieważ knockdown genów w modelach Drosophila jest prostą manipulacją, która nie indukuje tej samej ilości ani wielkości odpowiedzi kompensacyjnych, jak ekspresja mutantów genetycznych [92].
Powyższe obserwacje potwierdzają wykorzystanie komórek pochodzących od pacjenta, niosących mutacje wytwarzające autentyczną chorobę, a nie mysich komórek z nokautem genu, do badawczej oceny fenotypów mitochondriów związanych z chorobą.
Jednakże podsumowanie prototypowych nieprawidłowości mitochondrialnych w fibroblastach pochodzących od pacjentów było niespójne.
W artykule towarzyszącym [93] pokazujemy, jak fenotypy mitochondrialne mogą być wywoływane przez stres metaboliczny w fibroblastach skóry pacjenta z powodu niektórych, ale nie wszystkich, genetycznych chorób neurodegeneracyjnych.
Ponadto przedstawiamy dane potwierdzające wykorzystanie komórek pochodzących od pacjentów jako platform do zindywidualizowanego badania terapii ukierunkowanych na mitochondria.
6. Podsumowanie i wnioski
Dynamika mitochondriów jest wszechobecna, ale względne tempo i znaczenie fuzji, rozszczepienia i ruchliwości mitochondriów różnią się w zależności od morfologii komórki i wymagań metabolicznych.
Zatem neurony o wysokich wymaganiach metabolicznych i długich aksonach mają unikalne profile dynamiczne i są szczególnie podatne na dysfunkcje dynamiczne. Fenotypy mitochondrialne są trudne do oceny w przypadku ludzkich chorób neurodegeneracyjnych, ponieważ ludzkie neurony nie są łatwo dostępne.
Wcześniejsze i towarzyszące dane pokazują, że hodowane ludzkie fibroblasty skóry można indukować tak, aby wykazywały fenotypy fuzji i rozszczepienia mitochondriów związane z chorobami neurodegeneracyjnymi, wymuszając metabolizm mitochondriów poprzez prosty manewr zastąpienia glukozy w pożywce hodowlanej galaktozą.
Co więcej, te same fibroblasty można bezpośrednio przeprogramować w neurony, które zachowują charakterystyczne nieprawidłowości mitochondrialne, w tym zaburzenia motoryki, co najlepiej mierzy się w aksonach neuronalnych.
Sugerujemy, że integracja tych platform z genetycznymi modelami mysimi, jak pokazano na rycinie 4, może być skutecznym sposobem oceny kandydatów na leki w wielu genetycznych stanach neurodegeneracyjnych wykazujących charakterystyczne nieprawidłowości mitochondrialne lub u różnych pacjentów w celu zastosowania medycyny spersonalizowanej.
Wkład autora: Konceptualizacja, GWDII; pisanie-oryginalne przygotowanie projektu, GWDII;pisanie-recenzja i redakcja, GWDII i XD; nadzór, GWDII; pozyskanie finansowania, GWDII. Wszyscy autorzy przeczytali i zgodzili się z opublikowaną wersją manuskryptu.
Finansowanie: Badanie to zostało sfinansowane przez NIH R35135736, R42NS115184 oraz grant badawczy od Stowarzyszenia Dystrofii Mięśniowej. APC zostało sfinansowane przez NIH R35135736.
Oświadczenie Instytucjonalnej Komisji Rewizyjnej: Nie dotyczy.
Oświadczenie o świadomej zgodzie: Nie dotyczy.
Oświadczenie o dostępności danych: Nie dotyczy.
Konflikt interesów: GWD jest profesorem na Uniwersytecie Waszyngtońskim w St. Louis ufundowanym przez Philipa i Simę K. Needlemanów oraz byłym laureatem nagrody Scholar-Innovator przyznanej przez Harrington Discovery Institute.
GWD jest twórcą patentów wydanych i oczekujących na rozpatrzenie, których właścicielem jest Washington University w St. Louisand Mitochondria Emotion, Inc., obejmujących małocząsteczkowe aktywatory mitofuzyny, i jest założycielem Mitochondria in Motion, Inc., firmy badawczo-rozwojowej z siedzibą w Saint Louis, skupiającej się na zwiększenie handlu mitochondriami i sprawności w chorobach neurodegeneracyjnych.
Fundatorzy nie mieli żadnego udziału w projektowaniu badania; w gromadzeniu, analizie lub interpretacji danych; w pisaniu manuskryptu lub w decyzji o publikacji wyników.
Referencje
1. Lane, N.; Martin, W. Energetyka złożoności genomu. Natura 2010, 467, 929–934. [Odniesienie]
2. Gray, MW Ewolucja mitochondriów. Harb zimnej wiosny. Perspektywa. Biol. 2012, 4, a011403. [Odniesienie]
3. Mishra, P.; Chan, DC Dynamika mitochondriów i dziedziczenie podczas podziału, rozwoju i chorób komórek. Nat. Wielebny Mol.Cell Biol. 2014, 15, 634–646. [CrossRef] [PubMed]
4. Chen, H.; Chan, DC Dynamika mitochondriów – Fuzja, rozszczepienie, ruch i mitofagia – W chorobach neurodegeneracyjnych. Hum. Mol. Geneta. 2009, 18, R169–R176. [CrossRef] [PubMed]
5. Dorn, GW, II. Ewoluujące koncepcje dynamiki mitochondriów. Annu. Ks. Physiol. 2019, 81, 1–17. [CrossRef] [PubMed]
6. Horbay, R.; Bilyy, R. Dynamika mitochondriów podczas cyklu komórkowego. Apoptoza 2016, 21, 1327–1335. [CrossRef] [PubMed]
7. Piosenka, M.; Dorn, GW, II. Mitokonfuzja: Niekanoniczne funkcjonowanie czynników dynamiki w statycznych mitochondriach serca. Karta komórki 2015, 21, 195–205. [Odniesienie]
8. Dorn, GW, II. Dynamika mitochondrialna i choroby serca: zmiana kształtu i zmiana kształtu. EMBO Mol. Med. 2015, 7,865–877. [Odniesienie]
9. MacAskill, AF; Kittler, JT Kontrola transportu i lokalizacji mitochondriów w neuronach. Trendy Cell Biol. 2010, 20, 102–112.[CrossRef]
10. Sheng, ZH; Cai, Q. Transport mitochondrialny w neuronach: wpływ na homeostazę synaptyczną i neurodegenerację. Nat. Ks.Neurosci. 2012, 13, 77–93. [Odniesienie]
11. Pareyson, D.; Piscosquito, G.; Moroni, I.; Salsano, E.; Zeviani, M. Neuropatia obwodowa w zaburzeniach mitochondrialnych. Lancet Neurol.2013, 12, 1011–1024. [Odniesienie]
12. Wai, T.; Langer, T. Dynamika mitochondriów i regulacja metaboliczna. Trendy Endokrynol. Metab. 2016, 27, 105–117. [CrossRef] [PubMed]
For more information:1950477648nn@gamil.com
