Predicția comportamentului dinamic mitocondrial în bolile neurodegenerative definite genetic Partea 3

Mitocondriile nu sunt anormale în toate bolile neurodegenerative genetice, iar dinamismul mitocondrial nu este neapărat o componentă a tuturor stărilor neurodegenerative care prezintă anomalii mitocondriale.

Mitocondriile sunt un organ din celule care sunt în principal responsabil pentru producerea de energie și metabolismul celular în celule. În ultimii ani, studiile au descoperit că anomaliile mitocondriale pot fi legate de pierderea memoriei. Cu toate acestea, nu trebuie să ne îngrijorăm prea mult cu privire la efectele negative ale anomaliilor mitocondriale, deoarece știința și tehnologia modernă devin din ce în ce mai avansate și putem preveni apariția anomaliilor mitocondriale prin diverse metode și produse de sănătate în ciclul de viață.

Un studiu a constatat că anomaliile mitocondriale pot fi legate de pierderea memoriei la vârstnici. Acest lucru se datorează faptului că leziunile mitocondriale pot provoca leziuni neuronale și moartea celulelor, afectând astfel funcționarea normală a neuronilor creierului și ducând la tulburări de memorie și cognitive. Cu toate acestea, acest lucru nu înseamnă că anomaliile mitocondriale sunt cauza principală a pierderii memoriei, deoarece pierderea memoriei poate fi cauzată și de alți factori, cum ar fi malnutriția, afectarea creierului, îmbătrânirea etc.

Pentru a preveni anomaliile mitocondriale, ne putem îmbunătăți sănătatea schimbându-ne stilul de viață și dieta. De exemplu, exercițiile fizice zilnice și exercițiile adecvate pot promova generarea de mitocondrii, pot îmbunătăți nivelul metabolic al organismului, pot menține sănătatea fizică și pot îmbunătăți memoria. În plus, dieta este, de asemenea, un factor important. Ar trebui să avem o dietă regulată, să mâncăm alimente mai hrănitoare, cum ar fi fructele, legumele și cerealele și să fim atenți să evităm alimentele bogate în zahăr și grăsimi.

În plus, medicamentele țintite pot fi folosite pentru a proteja mitocondriile cu moderație. Există deja pe piață unele medicamente care vizează mitocondriile, precum diureticele, medicamentele hipoglicemiante, suplimentele nutritive etc.

Pe scurt, anomaliile mitocondriale sunt asociate cu pierderea memoriei, dar nu ar trebui să ne îngrijorăm prea mult pentru că putem proteja mitocondriile, îmbunătățim sănătatea fizică și îmbunătățim memoria schimbându-ne stilul de viață și dieta și folosind suplimente de sănătate. Să prevenim și să îmbunătățim în mod activ anomaliile mitocondriale pentru a menține un corp sănătos și un creier ascuțit. Se poate observa că trebuie să îmbunătățim memoria, iar Cistanche poate îmbunătăți semnificativ memoria deoarece poate regla și echilibrul neurotransmițătorilor, cum ar fi creșterea nivelului de acetilcolină și a factorilor de creștere, care sunt foarte importanți pentru memorie și învățare. În plus, Cistanche poate, de asemenea, să îmbunătățească fluxul sanguin și să promoveze livrarea de oxigen, ceea ce poate asigura că creierul obține suficientă nutriție și energie, îmbunătățind astfel vitalitatea și rezistența creierului.

Faceți clic pe cunoașteți suplimentele pentru a îmbunătăți memoria

De exemplu, anomaliile metabolice sunt descrise în demența Alzheimer [73], o boală cu etiologie incertă și complexă legată de formarea de depozite extracelulare de peptidă -amiloid și încurcături neurofibrilare de proteină tau microtubulară [74].

Defectele mitocondriale raportate, care includ fragmentarea organelor, sunt variate și inconsecvente [73,75].

Amploarea totală a diferitelor anomalii mitocondriale descrise în boala Alzheimer confundă concluziile despre dacă acestea contribuie într-un mod semnificativ la boala primară sau sunt în mare măsură o consecință a acesteia.

În schimb, boala Parkinson ereditară este o boală a mitocondriilor, deoarece cele mai comune forme genetice de parkinsonism sunt legate de mutații ale genelor care codifică kinaza PINK1 mitocondrială (PARK6) care inițiază mitofagia, precum și proteina efectoră principală a mitofagiei, Parkin (PARK2) [76] .

Din nou, fragmentarea mitocondrială este raportată în unele descrieri, dar nu în toate, ale bolii Parkinson [77], probabil din cauza eterogenității și etiologiei multifactoriale.

În cele din urmă, ataxia/degenerarea spinocerebeloasă a lui Friedreich este fără ambiguitate o boală neurodegenerativă cu etiologie mitocondrială; defectul genetic autosomal recesiv se află în gena FXN care codifică proteina mitocondrială de legare a fierului, frataxina.

Supraîncărcarea mitocondrială cu fier în ataxia lui Friedreich compromite formarea de ATP de către lanțul de transport de electroni și provoacă o elaborare excesivă de ROS [78,79]. Nu este clar dacă disfuncția dinamică mitocondrială contribuie, sau chiar există, la această boală [80].

Fenotipurile mitocondriale variabile în bolile neurodegenerative și incertitudinea cu privire la impactul patofiziologic al dinamicii mitocondriale anormale subliniază nevoia de platforme analitice direct relevante pentru pacienții umani individuali.

4. Evaluarea dinamicii mitocondriale

Cea mai ușor obținută și cea mai evidentă dovadă pentru disdinamia mitocondrială a morfologiei mitocondriale anormale în imaginile statice ale celulelor vii sau fixe, în mod obișnuit, imaginea cu un fluorofor specific mitocondrial.

Cea mai frecvent raportată anomalie structurală mitocondrială este „fragmentarea” sau scurtarea structurală a organelelor, măsurată convențional și convenabil ca raport de aspect redus (lungime/lățime) [81,82].

Deși raportul de aspect mitocondrial „normal” depinde atât de tipul celulei, cât și de starea fiziologică [83], măsurarea acestuia este simplă din punct de vedere conceptual și tehnic.

Astfel, o scădere a raportului de aspect mitocondrial observată în imaginile de înaltă rezoluție (lungime/lățime redusă sau scurtare) reflectă de obicei o creștere relativă a fisiunii mitocondriale la fuziunea ("fragmentare"), în timp ce o creștere a raportului de aspect ("alungire") reflectă o creștere a fuziunea relativ la fisiune. Cu toate acestea, raportul de aspect modificat nu dezvăluie cauza de bază a disdinamismului, adică dacă dezechilibrul dinamic este consecința fisiunii modificate, sau a fuziunii sau a ambelor.

În plus, fragmentarea mitocondriilor în celulele care au rețele mitocondriale interconectate, cum ar fi fibroblastele, poate fi o componentă normală a mitozei și apoptozei [6].

În cele din urmă, mitocondriile scurte, sferice sau „fragmentate” sunt norma în celulele musculare striate și axonii neuronali [7,8,83]. Natura dezechilibrului de fuziune/fisiune mitocondrială este cel mai bine dezvăluită prin imagistica celulară vie, folosind fie un singur fluorofor mitocondrial ( de exemplu, Mitotracker Roșu, Verde sau Portocaliu), celule fuzionate care exprimă diferite proteine ​​fluorescente vizate mitocondrial (de exemplu, Mito-GFP și Mito-RFP) sau un fluorofor mitocondrial foto-commutabil (de exemplu, MitoDendra).

Când se utilizează un singur fluorofor, microscopia video confocală poate documenta evenimentele de fuziune și fisiune mitocondrială [82].

Atunci când diferite grupuri de celule care exprimă GFP sau RFP vizate mitocondrial sunt fuzionate cu polietilen glicol, devine posibil să se cuantifice amestecarea conținutului de mitocondrii din fuziune în funcție de timp [84].

Aceeași abordare este mai ușoară utilizând mito-Dendra foto-commutabilă [85], permițând ca un subset de mitocondrii din interiorul celulelor de interes să fie comutat foto de la fluorescentul verde la roșu și soarta mitocondriilor individuale (adică dacă acestea sunt fuzionate, sunt în curs de fisiune). , sau fiind transportat în interiorul celulei) pentru a fi evaluat în timp.

Cu toate acestea, abordarea prin comutare foto necesită echipamente speciale și este limitată de randamentul probei.

Deși este posibil să se deducă din imagini statice în serie ale mitocondriilor etichetate diferențial că subpopulațiile sunt transportate în interiorul celulelor, evaluarea cantitativă detaliată a proporției ca viteza mitocondriilor mobile necesită videomicroscopie în timp în celule vii sau țesut cu generarea de kimograf [{{ 1}}].

Laboratorul nostru a descoperit că acest lucru este fezabil atunci când este aplicat atât preparatelor in vitro, cât și ex vivo. Mai mult, așa cum este descris mai jos, aceste tehnici sunt aplicate cu ușurință fie neuronilor de șoarece manipulați genetic, fie celulelor derivate de la pacient [25,57].

5. Fibroblastele primare derivate de la pacient prezintă dezechilibre legate de boală în fisiunea/fuziunea mitocondrială

A fost o provocare să elaborăm o platformă optimă de cercetare pentru a evalua fuziunea mitocondrială anormală, fisiunea și motilitatea față de relația lor cu bolile neurodegenerative umane.

Intuitiv, se pare că neuronii ar fi cel mai bun sistem, dar neuronii primari bolnavi de om sunt dificil de obținut, iar neuronii derivați de iPSC pierd adesea caracteristicile seminale ale bolii clinice [87,88].

Relațiile dintre anomalia genetică subiacentă și fenotipul mitocondrial au fost definite cel mai pe larg folosind abordările knockout ale genei de șoarece.

Ablația liniei germinale fie a Mfn1, fie a Mfn2 este letală din punct de vedere embrionar [89], dar fibroblastele derivate din embrioni de șoarece au arătat că fuziunea mitocondrială afectată cauzată de ștergerea Mfn1 sau Mfn2 produce fragmentare mitocondrială prin fisiunea mitocondrială neopusă; afectarea funcțională măsurată ca o pierdere a polarizării membranei interioare este o altă consecință a schimbului de conținut mitocondrial defectuos [90].

Când relaționăm dismorfologia mitocondrială cu cauzele genetice subiacente, trebuie luate în considerare diferențele dintre ablația genică care abrogă expresia proteinei suspecte și este o abordare experimentală standard pentru studierea pierderii genetice a funcției, față de mutațiile cu pierdere a funcției care apar în mod natural în care o proteină disfuncțională este exprimată și poate exercită efecte supresive dominante.

Astfel, ablația heterozigotă a genei Mfn2 este bine tolerată la șoareci [89], în timp ce majoritatea pacienților cu CMT2A au alela MFN2 mutantă unică care provoacă neurodegenerare progresivă timpurie [53,55]. Această diferență a fost atribuită suprimării dominante a funcționării normale a MFN1 și MFN2 de către alela mutantă unică, amplificând consecințele sale funcționale [55-57].

În consecință, expresia transgenică a mutanților CMT2A umani la șoareci recapitulează unele fenotipuri CMT2Aneuronale [57,91]. Cu toate acestea, inhibarea dominantă a mitofusinelor normale nu este singura explicație posibilă pentru diferențele dintre knockout-ul genei și efectele mutante de pierdere a funcției exprimate: ablația homozigotă a genei Mfn2 (sau Mfn1) la șoareci nu induce neurodegenerare; provoacă letalitatea embrionară precoce [89].

Astfel, modificarea dozei genei MFN2 prin „knockout” experimental nu este același lucru cu exprimarea unei mutații MFN2missense.

Într-adevăr, acesta poate fi un principiu biologic general, deoarece modelele de distrugere a genelor Drosophila este o manipulare simplă care nu induce aceeași cantitate sau magnitudine de răspunsuri compensatorii ca expresia mutanților genetici [92].

Observațiile de mai sus susțin utilizarea celulelor derivate de la pacient care poartă mutații care produc boli autentice, mai degrabă decât celulele knockout ale genei de șoarece, pentru evaluarea investigativă a fenotipurilor mitocondriale legate de boală.

Cu toate acestea, recapitularea anomaliilor mitocondriale prototipice în fibroblastele derivate de la pacient a fost inconsecventă.

Într-un articol însoțitor [93], demonstrăm modul în care fenotipurile mitocondriale pot fi evocate prin stres metabolic în fibroblastele dermice ale pacienților din unele, dar nu toate, bolile neurodegenerative genetice.

Mai mult, prezentăm date care susțin utilizarea celulelor derivate de la pacient ca platforme pentru examinarea individuală a terapiei direcționate mitocondrial.

6. Rezumat și concluzii

Dinamismul mitocondrial este omniprezent, dar ratele relative și importanța fuziunii, fisiunii și motilității mitocondriale diferă în funcție de morfologia celulei și de cerințele metabolice.

Astfel, neuronii cu cerințe metabolice mari și axoni lungi au profiluri dinamice unice și sunt în special susceptibili la disfuncții dinamice. Fenotipurile mitocondriale sunt dificil de evaluat în bolile neurodegenerative umane, deoarece neuronii umani nu sunt ușor disponibili.

Datele anterioare și datele însoțitoare demonstrează că fibroblastele dermice umane cultivate pot fi induse să prezinte fenotipuri de fuziune-fisiune mitocondrială legate de boli neurodegenerative prin forțarea metabolismului mitocondrial prin manevra simplă de înlocuire a galactozei cu glucoza în mediul de cultură.

Mai mult, aceleași fibroblaste pot fi reprogramate direct în neuroni care păstrează anomalii mitocondriale distinctive, inclusiv dismotilitatea, care este cel mai bine măsurată axonii neuronali.

Sugerăm că integrarea acestor platforme cu modele genetice de șoarece, așa cum este prezentat în Figura 4, ar putea fi un mijloc eficient de evaluare a terapiei candidate în multitudinea de afecțiuni neurodegenerative genetice care prezintă anomalii mitocondriale caracteristice sau ale diferiților pacienți pentru o abordare medicală personalizată.

Contribuții autor: Conceptualizare, GWDII; scriere-pregătire schiță originală, GWDII;scriere-revizuire și editare, GWDII și XD; supraveghere, GWDII; achiziție de finanțare, GWDII.Toți autorii au citit și au fost de acord cu versiunea publicată a manuscrisului.

Finanțare: Această cercetare a fost finanțată de NIH R35135736, R42NS115184 și un grant de cercetare de la Asociația de Distrofie Musculară. APC a fost finanțat de NIH R35135736.

Declarația Comitetului de revizuire instituțională: Nu se aplică.

Declarație de consimțământ informat: Nu se aplică.

Declarație de disponibilitate a datelor: Nu se aplică.

Conflicte de interese: GWD este profesor dotat cu Philip- și Sima K. Needleman la Washington University din St. Louis și un fost bursier-inovator al Institutului Harrington Discovery.

GWD este un inventator al brevetelor emise și aflate în așteptare deținute de Universitatea Washington din St. Louis și Mitochondria Emotion, Inc. care acoperă activatori de mitofusină cu molecule mici și este fondatorul Mitochondria in Motion, Inc., o companie de cercetare și dezvoltare biotehnologică din Saint Louis, axată pe îmbunătățirea traficului mitocondrial și a fitness-ului în bolile neurodegenerative.

Finanțatorii nu au avut niciun rol în proiectarea studiului; în colectarea, analizele sau interpretarea datelor; în scrierea manuscrisului sau în decizia de a publica rezultatele.

Referințe

1. Lane, N.; Martin, W. Energetica complexității genomului. Natura 2010, 467, 929–934. [CrossRef]

2. Gri, MW Evoluție mitocondrială. Cold Spring Harb. Perspectivă. Biol. 2012, 4, a011403. [CrossRef]

3. Mishra, P.; Chan, DC Dinamica mitocondrială și moștenirea în timpul diviziunii celulare, dezvoltării și bolii. Nat. Rev. Mol.Cell Biol. 2014, 15, 634–646. [CrossRef] [PubMed]

4. Chen, H.; Chan, DC Dinamica mitocondrială-Fuziune, fisiune, mișcare și mitofagie-În bolile neurodegenerative.Hum. Mol. Genet. 2009, 18, R169–R176. [CrossRef] [PubMed]

5. Dorn, GW, II. Concepte în evoluție ale dinamicii mitocondriale. Annu. Rev. Physiol. 2019, 81, 1–17. [CrossRef] [PubMed]

6. Horbay, R.; Bilyy, R. Dinamica mitocondrială în timpul ciclării celulare. Apoptoza 2016, 21, 1327–1335. [CrossRef] [PubMed]

7. Song, M.; Dorn, GW, II. Mitoconfuzie: Funcționarea necanonică a factorilor de dinamism în mitocondriile statice ale inimii. CellMetab. 2015, 21, 195–205. [CrossRef]

8. Dorn, GW, II. Dinamismul mitocondrial și bolile de inimă: schimbarea formei și schimbarea modelării. EMBO Mol. Med. 2015, 7,865–877. [CrossRef]

9. MacAskill, AF; Kittler, JT Controlul transportului mitocondrial și al localizării în neuroni. Trends Cell Biol. 2010, 20, 102–112.[CrossRef]

10. Sheng, ZH; Cai, Q. Transport mitocondrial în neuroni: Impactul asupra homeostaziei sinaptice și neurodegenerării. Nat. Rev.Neurosci. 2012, 13, 77–93. [CrossRef]

11. Pareyson, D.; Piscosquito, G.; Moroni, I.; Salsano, E.; Zeviani, M. Neuropatia periferică în tulburările mitocondriale. Lancet Neurol.2013, 12, 1011–1024. [CrossRef]

12. Wai, T.; Langer, T. Dinamica mitocondrială și reglarea metabolică. Tendințe Endocrinol. Metab. 2016, 27, 105–117. [CrossRef][PubMed]

For more information:1950477648nn@gamil.com