A mitokondriális dinamikus viselkedés előrejelzése genetikailag meghatározott neurodegeneratív betegségekben 3. rész
Jul 25, 2024
A mitokondriumok nem abnormálisak minden genetikai neurodegeneratív betegségben, és a mitokondriális diszdinamizmus nem feltétlenül az összes olyan neurodegeneratív állapot összetevője, amelyek mitokondriális rendellenességeket mutatnak.
A mitokondriumok a sejtekben található szervek, amelyek főként az energiatermelésért és a sejtanyagcseréért felelősek a sejtekben. Az elmúlt évek tanulmányai kimutatták, hogy a mitokondriális rendellenességek összefügghetnek a memóriavesztéssel. A mitokondriális rendellenességek negatív hatásai miatt azonban nem kell túlságosan aggódnunk, mert a modern tudomány és technika egyre fejlettebb, és a mitokondriális rendellenességek előfordulását az életciklus során különböző módszerekkel, egészségügyi termékekkel megelőzhetjük.
Egy tanulmány megállapította, hogy a mitokondriális rendellenességek összefüggésben lehetnek az idősek memóriavesztésével. Ennek az az oka, hogy a mitokondriális károsodás idegi károsodást és sejthalált okozhat, ezáltal befolyásolja az agyi neuronok normál működését, és memória- és kognitív károsodáshoz vezethet. Ez azonban nem jelenti azt, hogy a mitokondriális rendellenességek a memóriavesztés kiváltó okai, mert a memóriavesztést más tényezők is okozhatják, például alultápláltság, agykárosodás, öregedés stb.
A mitokondriális rendellenességek megelőzése érdekében életmódunk és étrendünk megváltoztatásával javíthatunk egészségünkön. Például a napi testmozgás és a megfelelő testmozgás elősegítheti a mitokondriumok képződését, javíthatja a szervezet anyagcsere szintjét, megőrizheti fizikai egészségét és javíthatja a memóriát. Emellett az étrend is fontos tényező. Rendszeres étrendet kell tartanunk, táplálóbb ételeket, például gyümölcsöt, zöldséget, gabonát fogyasszunk, és figyeljünk a magas cukor- és zsírtartalmú ételek kerülésére.
Ezen túlmenően, célzott gyógyszerekkel mérsékelten lehet védeni a mitokondriumokat. Már vannak a piacon a mitokondriumokat megcélzó gyógyszerek, például vízhajtók, hipoglikémiás szerek, táplálék-kiegészítők stb.
Röviden, a mitokondriális rendellenességek memóriavesztéssel járnak, de nem kell túlságosan aggódnunk, mert életmódunk és étrendünk megváltoztatásával, valamint egészségügyi kiegészítők használatával megvédhetjük a mitokondriumokat, javíthatjuk a fizikai egészségünket és javíthatjuk a memóriát. Aktívan előzzük meg és javítsuk a mitokondriális rendellenességeket az egészséges test és az éles agy megőrzése érdekében. Látható, hogy javítanunk kell a memórián, a Cistanche pedig jelentősen javíthatja a memóriát, mert szabályozhatja a neurotranszmitterek egyensúlyát is, például növeli az acetilkolin és a növekedési faktorok szintjét, amelyek nagyon fontosak a memória és a tanulás szempontjából. Ezen túlmenően, a Cistanche javíthatja a véráramlást és elősegítheti az oxigénszállítást, ami biztosítja, hogy az agy elegendő tápanyaghoz és energiához jusson, ezáltal javítva az agy vitalitását és állóképességét.
Kattintson a know-kiegészítőkre a memória javítása érdekében
Például metabolikus rendellenességeket írnak le az Alzheimer-kórban [73], egy bizonytalan és összetett etiológiájú betegségben, amely az amiloid peptid extracelluláris lerakódásaihoz és a mikrotubuláris tau fehérje neurofibrilláris csomóihoz kapcsolódik [74].
A jelentett mitokondriális hibák, amelyek magukban foglalják az organellum-fragmentációt is, változatosak és következetlenek [73,75].
Az Alzheimer-kórban leírt különböző mitokondriális rendellenességek puszta kiterjedése megzavarja az arra vonatkozó következtetéseket, hogy ezek jelentős mértékben hozzájárulnak-e az elsődleges betegséghez, vagy nagyrészt annak következményei.
Ezzel szemben az öröklődő Parkinson-kór a mitokondriumok betegsége, mivel a Parkinson-kór leggyakoribb genetikai formái a mitokondriális PINK1 kinázt (PARK6) kódoló gének mutációihoz kapcsolódnak, amelyek mitofagiát indítanak el, valamint a fő mitofágia effektor fehérjéhez, a Parkinhoz (PARK2) [76]. .
Ismét a mitokondriális fragmentációról számoltak be a Parkinson-kór néhány, de nem mindegyik leírásában [77], valószínűleg a heterogenitás és a multifaktoriális etiológia miatt.
Végül a Friedreich-féle ataxia/spinocerebelladegeneráció egyértelműen mitokondriális etiológiájú neurodegeneratív betegség; az autoszomális recesszív genetikai hiba az FXN génben található, amely a mitokondriális vaskötő fehérjét, a frataxint kódolja.
A Friedreich-féle ataxia mitokondriális vas-túlterhelése veszélyezteti az ATP-képződést az elektrontranszport láncban, és túlzott ROSelaborációt vált ki [78,79]. Nem világos, hogy a mitokondriális dinamikus diszfunkció hozzájárul-e, vagy egyáltalán létezik-e ebben a betegségben [80].
A neurodegeneratív betegségek változó mitokondriális fenotípusai és a kóros mitokondriális dinamika patofiziológiai hatásával kapcsolatos bizonytalanság hangsúlyozzák az egyes emberi betegek számára közvetlenül releváns analitikai platformok szükségességét.
4. A mitokondriális dinamika értékelése
A legkönnyebben beszerezhető és legnyilvánvalóbb bizonyíték a mitokondriális dysdynamismis abnormális mitokondriális morfológiájára élő vagy rögzített sejtek statikus képeiben, amelyeket jellemzően mitokondriális specifikus fluoroforral készítettek.
A leggyakrabban jelentett mitokondriális szerkezeti rendellenesség az organellumok „fragmentációja” vagy szerkezeti megrövidülése, amelyet hagyományosan és kényelmesen csökkentett méretarányban (hossz/szélesség) mérnek [81,82].
Bár a „normális” mitokondriális méretarány a sejttípustól és a fiziológiai állapottól is függ [83], ennek mérése fogalmilag és technikailag egyszerű.
Így a nagy felbontású képeken megfigyelt mitokondriális oldalarány csökkenése (csökkentett hossz/szélesség vagy rövidülés) jellemzően a mitokondriális hasadás és a fúzió ("fragmentáció") relatív növekedését tükrözi, míg a képarány növekedése ("megnyúlás") a képarány növekedését tükrözi. fúzió a hasadáshoz képest. A megváltozott képarány azonban nem fedi fel a diszdinamizmus mögöttes okát, vagyis azt, hogy a dinamikus egyensúlyhiány megváltozott hasadás vagy fúzió, vagy mindkettő következménye.
Ezen túlmenően, a mitokondriumok fragmentálódása az összekapcsolt mitokondriális hálózatokkal rendelkező sejtekben, például a fibroblasztokban, a mitózis és az apoptózis normális összetevője lehet [6].
Végül a rövid, gömb alakú vagy "töredezett" mitokondriumok a harántcsíkolt izomsejtekben és a neuronális axonokban [7,8,83]. A mitokondriális fúziós/hasadási egyensúlyhiány természetét legjobban élő sejtképalkotással lehet feltárni, egyetlen mitokondriális fluorofor segítségével ( pl. Mitotracker Red, Green vagy Orange), fuzionált sejtek, amelyek különböző mitokondriális célzott fluoreszcens fehérjéket (pl. Mito-GFP és Mito-RFP) expresszálnak, vagy egy fotóval kapcsolható mitokondriális fluorofor (pl. MitoDendra).
Ha egyetlen fluorofort használnak, a videokonfokális mikroszkóppal dokumentálni lehet a mitokondriális fúziós és hasadási eseményeket [82].
Ha a mitokondriális célzott GFP-t vagy RFP-t expresszáló sejtcsoportok különböző csoportjait fuzionálják polietilénglikollal, lehetővé válik a fúzióból származó mitokondriumtartalom-keveredés mennyiségi meghatározása az idő függvényében [84].
Ugyanez a megközelítés egyszerűbb a fotóval kapcsolható mito-Dendra [85] használatával, amely lehetővé teszi a mitokondriumok egy részhalmazának fényváltását az érdeklődésre számot tartó sejtekben zöldről pirosra fluoreszkálva, és meghatározza az egyes mitokondriumok sorsát (azaz összeolvadnak-e, hasadáson mennek-e keresztül , vagy a sejten belül szállítják) idővel értékelni kell.
A fotókapcsolásos megközelítés azonban speciális felszerelést igényel, és a minta áteresztőképessége korlátozza.
Bár a differenciálisan jelölt mitokondriumok statikus képeiből arra következtethetünk, hogy a sejtekben szubpopulációk transzportálódnak, a mozgékony mitokondriumok sebességének arányának részletes kvantitatív értékeléséhez időzített videomikroszkópos vizsgálatra van szükség élő sejtekben vagy szövetekben, kimográfok létrehozásával [{{ 1}}].
Laboratóriumunk úgy találta, hogy ez megvalósítható, ha mind in vitro, mind ex vivo készítményekre alkalmazzuk. Ezen túlmenően, amint azt alább ismertetjük, ezek a technikák könnyen alkalmazhatók akár genetikailag manipulált egér neuronokon, akár betegekből származó sejteken [25,57].
5. A betegektől származó elsődleges fibroblasztok betegségekkel összefüggő egyensúlyhiányt mutatnak a mitokondriális hasadásban/fúzióban
Kihívást jelentett egy optimális kutatási platform kidolgozása a kóros mitokondriális fúzió, hasadás és motilitás értékelésére az emberi neurodegeneratív betegségekkel való kapcsolatuk szempontjából.
Intuitív módon úgy tűnik, hogy a neuronok lennének a legjobb rendszer, de az elsődleges emberi betegségben szenvedő neuronokat nehéz megszerezni, és az iPSC-eredetű neuronok gyakran elveszítik a klinikai betegség alapvető jellemzőit [87, 88].
A mögöttes genetikai abnormalitás és a mitokondriális fenotípus közötti összefüggéseket a legszélesebb körben az egérgén-kiütési megközelítések segítségével határozták meg.
Az Mfn1 vagy Mfn2 csíravonali ablációja embrionálisan halálos [89], de az egérembriókból származó fibroblasztok feltárták, hogy az Mfn1 vagy Mfn2 deléció által okozott károsodott mitokondriális fúzió mitokondriális fragmentációt okoz az ellentét nélküli mitokondriális hasadás révén; A belső membrán polarizációjának elvesztéseként mérhető funkcionális károsodás a mitokondriális tartalomcsere hibája egy másik következménye [90].
Amikor a mitokondriális diszmorfológiát a mögöttes genetikai okokhoz kötjük, figyelembe kell venni a génabláció közötti különbségeket, amelyek megszüntetik a gyanús fehérje expresszióját, és ez egy standard kísérleti megközelítés a genetikai funkcióvesztés tanulmányozására, illetve a természetben előforduló funkcióvesztéses mutációk, amelyekben diszfunkcionális fehérje expresszálódik, és domináns elnyomó hatást fejt ki.
Így az Mfn2 gén heterozigóta ablációja jól tolerálható egerekben [89], míg a CMT2A-ban szenvedő betegek többségének egyetlen mutáns MFN2 allélje van, amely korai progresszív neurodegenerációt vált ki [53,55]. Ezt a különbséget a normál MFN1 és MFN2 működését az egyetlen mutáns allél domináns elnyomásának tulajdonították, ami felerősíti annak funkcionális következményeit [55–57].
Ennek megfelelően a humán CMT2A mutánsok transzgénikus expressziója egerekben összefoglal néhány CMT2 aneuronális fenotípust [57,91]. A normál mitofuzinok domináns gátlása azonban nem az egyetlen lehetséges magyarázat a génkiütés és a kifejezett funkcióvesztés mutáns hatások közötti különbségekre: a homozigóta Mfn2 (vagy Mfn1) gén ablációja egerekben nem indukál neurodegenerációt; korai embrionális letalitást vált ki [89].
Így az MFN2 gén dózisának kísérleti „kiütéssel” történő megváltoztatása nem ugyanaz, mint egy MFN2missense mutáció kifejeződése.
Valójában ez egy általános biológiai alapelv, mivel a Drosophila modellek génleütése egy egyszerű manipuláció, amely nem indukál ugyanolyan mennyiségű vagy nagyságú kompenzációs választ, mint a genetikai mutánsok expressziója [92].
A fenti megfigyelések alátámasztják, hogy a betegséggel összefüggő mitokondriális fenotípusok vizsgálata során a betegektől származó, autentikus betegséget termelő mutációkat hordozó sejtek, nem pedig egérgén-kiütött sejtek használhatók.
Azonban a prototípusos mitokondriális rendellenességek összefoglalása a betegektől származó fibroblasztokban nem volt következetes.
Kísérőcikkünkben [93] bemutatjuk, hogyan válthatnak ki mitokondriális fenotípusok metabolikus stressz hatására néhány, de nem az összes genetikai neurodegeneratív betegségben szenvedő betegek bőrfibroblasztjaiban.
Ezen túlmenően olyan adatokat mutatunk be, amelyek alátámasztják a páciensből származó sejtplatformok használatát a mitokondriális terápiás szerek egyénre szabott vizsgálatához.
6. Összefoglalás és következtetések
A mitokondriális dinamizmus mindenütt jelen van, de a mitokondriális fúzió, hasadás és motilitás relatív sebessége és jelentősége a sejtmorfológiától és az anyagcsere-szükségletektől függően eltérő.
Így a magas metabolikus igényű és hosszú axonokkal rendelkező neuronok egyedi dinamikus profillal rendelkeznek, és különösen érzékenyek a dinamikus diszfunkcióra. A mitokondriális fenotípusokat nehéz értékelni az emberi neurodegeneratív betegségekben, mivel a humán neuronok nem állnak rendelkezésre könnyen.
A korábbi és a kísérő adatok azt mutatják, hogy a tenyésztett humán dermális fibroblasztok neurodegeneratív betegséggel összefüggő mitokondriális fúziós-hasadási fenotípusok megjelenésére indukálhatók azáltal, hogy a mitokondriális metabolizmust a tápközegben a glükóz galaktózzal történő helyettesítésének egyszerű manőverével kényszerítik ki.
Ezenkívül ugyanazok a fibroblasztok közvetlenül újraprogramozhatók olyan neuronokká, amelyek megtartják a mitokondriális rendellenességeket, beleértve a dysmotilitást, amely a legjobban mérhető neuronális axonok.
Azt javasoljuk, hogy ezeknek a platformoknak a genetikai egérmodellekkel való integrációja, amint az a 4. ábrán látható, hatékony eszköz lehet a terápiás jelöltek értékelésére számos genetikai neurodegeneratív állapot esetén, amelyek jellegzetes mitokondriális rendellenességeket mutatnak, vagy különböző betegek esetében a személyre szabott orvoslási megközelítés érdekében.
A szerző közreműködése: Conceptualization, GWDII; írás-eredeti piszkozat előkészítése, GWDII;írás-ellenőrzés és szerkesztés, GWDII és XD; felügyelet, GWDII; finanszírozás megszerzése, GWDII.Minden szerző elolvasta és beleegyezett a kézirat közzétett változatába.
Finanszírozás: Ezt a kutatást az NIH R35135736, R42NS115184 és az Izomdisztrófia Egyesület kutatási támogatása finanszírozta. Az APC-t az NIH R35135736 finanszírozta.
Az intézményi felülvizsgálati bizottság nyilatkozata: Nem alkalmazható.
Tájékozott hozzájárulási nyilatkozat: Nem alkalmazható.
Adatelérhetőségi nyilatkozat: Nem alkalmazható.
Érdekellentétek: GWD a Philip és Sima K. Needleman által felruházott professzor a St. Louis-i Washington Egyetemen, és a Harrington Discovery Institute korábbi Scholar-Innovator díjasa.
A GWD a Washington Egyetem St. Louisand Mitochondria Emotion, Inc. által kibocsátott és függőben lévő szabadalmak feltalálója, amelyek kis molekulájú mitofuzin aktivátorokra vonatkoznak, és a Mitochondria in Motion, Inc. alapítója, egy Saint Louis-i székhelyű biotechnológiai kutatási és fejlesztési vállalat. a mitokondriális kereskedelem és a fittség fokozása neurodegeneratív betegségekben.
A finanszírozóknak nem volt szerepük a tanulmány megtervezésében; az adatok gyűjtésében, elemzésében vagy értelmezésében; a kézirat megírásában, vagy az eredmények közzétételére vonatkozó döntésben.
Hivatkozások
1. Lane, N.; Martin, W. A genom komplexitásának energetikája. Természet 2010, 467, 929–934. [CrossRef]
2. Gray, MW Mitokondriális evolúció. Cold Spring Harb. Perspektíva. Biol. 2012, 4, a011403. [CrossRef]
3. Mishra, P.; Chan, DC Mitokondriális dinamika és öröklődés a sejtosztódás, fejlődés és betegségek során. Nat. Rev. Mol. Cell Biol. 2014, 15, 634–646. [CrossRef] [PubMed]
4. Chen, H.; Chan, DC Mitokondriális dinamika-Fúzió, hasadás, mozgás és mitofágia-Neurodegeneratív betegségekben.Hum. Mol. Közönséges petymeg. 2009, 18, R169–R176. [CrossRef] [PubMed]
5. Dorn, GW, II. A mitokondriális dinamika fejlődő fogalmai. Annu. Rev. Physiol. 2019, 81, 1–17. [CrossRef] [PubMed]
6. Horbay, R.; Bilyy, R. Mitokondriális dinamika sejtciklus során. Apoptosis 2016, 21, 1327–1335. [CrossRef] [PubMed]
7. Song, M.; Dorn, GW, II. Mitokonfúzió: A dinamizmustényezők nem kanonikus működése a szív statikus mitokondriumaiban. CellMetab. 2015, 21, 195–205. [CrossRef]
8. Dorn, GW, II. Mitokondriális dinamizmus és szívbetegségek: Változó alak és formáló változás. EMBO Mol. Med. 2015, 7, 865–877. [CrossRef]
9. MacAskill, AF; Kittler, JT A mitokondriális transzport és lokalizáció szabályozása neuronokban. Trends Cell Biol. 2010, 20, 102–112.[CrossRef]
10. Sheng, ZH; Cai, Q. Mitokondriális transzport neuronokban: Hatás a szinaptikus homeosztázisra és a neurodegenerációra. Nat. Rev. Neurosci. 2012, 13, 77–93. [CrossRef]
11. Pareyson, D.; Piscosquito, G.; Moróni, I.; Salsano, E.; Zeviani, M. Perifériás neuropátia mitokondriális rendellenességekben. Lancet Neurol.2013, 12, 1011–1024. [CrossRef]
12. Wai, T.; Langer, T. mitokondriális dinamika és metabolikus szabályozás. Trendek Endokrinol. Metab. 2016, 27, 105–117. [CrossRef][PubMed]
For more information:1950477648nn@gamil.com
