Predikce mitochondriálního dynamického chování u geneticky definovaných neurodegenerativních onemocnění, část 3

Mitochondrie nejsou abnormální u všech genetických neurodegenerativních onemocnění a mitochondriální dysdynamie není nezbytně součástí všech neurodegenerativních stavů, které vykazují mitochondriální abnormality.

Mitochondrie jsou orgán v buňkách, který je zodpovědný hlavně za produkci energie a buněčný metabolismus v buňkách. V posledních letech studie zjistily, že mitochondriální abnormality mohou souviset se ztrátou paměti. Negativních dopadů mitochondriálních abnormalit bychom se však neměli příliš znepokojovat, protože moderní věda a technologie jsou stále pokročilejší a my můžeme různými metodami a zdravotními produkty v životním cyklu zabránit vzniku mitochondriálních abnormalit.

Studie zjistila, že mitochondriální abnormality mohou souviset se ztrátou paměti u starších lidí. Poškození mitochondrií totiž může způsobit poškození neuronů a buněčnou smrt, a tím ovlivnit normální funkci mozkových neuronů a vést k poškození paměti a kognitivních funkcí. To však neznamená, že mitochondriální abnormality jsou hlavní příčinou ztráty paměti, protože ztráta paměti může být způsobena i jinými faktory, jako je podvýživa, poškození mozku, stárnutí atd.

Abychom předešli mitochondriálním abnormalitám, můžeme zlepšit své zdraví změnou životního stylu a stravy. Například každodenní cvičení a správné cvičení může podpořit tvorbu mitochondrií, zlepšit metabolickou úroveň těla, udržet fyzické zdraví a zlepšit paměť. Kromě toho je důležitým faktorem také strava. Měli bychom mít pravidelnou stravu, jíst výživnější potraviny, jako je ovoce, zelenina a obiloviny, a dbát na to, abychom se vyhýbali potravinám s vysokým obsahem cukru a tuků.

K ochraně mitochondrií lze navíc s mírou použít cílené léky. Na trhu jsou již některé léky zaměřené na mitochondrie, jako jsou diuretika, hypoglykemické léky, doplňky výživy atd.

Stručně řečeno, mitochondriální abnormality jsou spojeny se ztrátou paměti, ale neměli bychom se příliš znepokojovat, protože můžeme chránit mitochondrie, zlepšit fyzické zdraví a zlepšit paměť změnou životního stylu a stravy a používáním zdravotních doplňků. Aktivně předcházejme a zlepšujme mitochondriální abnormality, abychom si udrželi zdravé tělo a bystrý mozek. Je vidět, že potřebujeme zlepšit paměť a Cistanche dokáže výrazně zlepšit paměť, protože dokáže také regulovat rovnováhu neurotransmiterů, jako je zvýšení hladiny acetylcholinu a růstových faktorů, které jsou velmi důležité pro paměť a učení. Kromě toho může Cistanche také zlepšit průtok krve a podporovat dodávku kyslíku, což může zajistit, že mozek získá dostatečnou výživu a energii, a tím zlepší mozkovou vitalitu a vytrvalost.

Klikněte na vědět doplňky pro zlepšení paměti

Například metabolické abnormality jsou popsány u Alzheimerovy demence [73], onemocnění nejisté a komplexní etiologie spojené s tvorbou extracelulárních depozit -amyloidního peptidu a neurofibrilárních klubek mikrotubulárního proteinu tau [74].

Hlášené mitochondriální defekty, mezi které patří organelefragmentace, jsou různé a nekonzistentní [73,75].

Naprostý rozsah různých mitochondriálních abnormalit popsaných u Alzheimerovy choroby mate závěry o tom, zda přispívají smysluplným způsobem k primárnímu onemocnění nebo jsou z velké části důsledkem primárního onemocnění.

Naproti tomu dědičná Parkinsonova choroba je onemocnění mitochondrií, protože nejběžnější genetické formy parkinsonismu jsou spojeny s mutacemi genů kódujících mitochondriální PINK1 kinázu (PARK6), která iniciuje mitofágii, a také s hlavním proteinem efektoru mitofágie, Parkinem (PARK2) [76]. .

Mitochondriální fragmentace je opět popsána v některých, ale ne ve všech, popisech Parkinsonovy choroby [77], pravděpodobně kvůli heterogenitě a multifaktoriální etiologii.

A konečně Friedreichova ataxie/spinocerebellardegenerace je jednoznačně neurodegenerativní onemocnění s mitochondriální etiologií, autosomálně recesivní genetický defekt je v genu FXN, který kóduje mitochondriální protein vázající železo, frataxin.

Přetížení mitochondriálním železem u Friedreichovy ataxie omezuje tvorbu ATP elektronovým transportním řetězcem a vyvolává nadměrnou ROSelaboraci [78,79]. Není jasné, zda mitochondriální dynamická dysfunkce přispívá, nebo dokonce existuje, k tomuto onemocnění [80].

Variabilní mitochondriální fenotypy u neurodegenerativních onemocnění a nejistota ohledně patofyziologického dopadu abnormální mitochondriální dynamiky zdůrazňují potřebu analytických platforem přímo relevantních pro jednotlivé lidské pacienty.

4. Hodnocení mitochondriální dynamiky

Nejsnáze získaný a zřejmý důkaz abnormální mitochondriální morfologie mitochondriální dysdynamie ve statických obrazech živých nebo fixovaných buněk, typicky zobrazených mitochondriálně specifickým fluoroforem.

Nejčastěji uváděnou mitochondriální strukturální abnormalitou je „fragmentace“ nebo strukturální zkrácení organel, běžně a běžně měřené jako snížený poměr stran (délka/šířka) [81,82].

Ačkoli „normální“ mitochondriální poměr stran závisí jak na typu buňky, tak na fyziologickém stavu [83], jeho měření je koncepčně i technicky jednoduché.

Snížení poměru stran mitochondrií pozorované na snímcích s vysokým rozlišením (snížená délka/šířka nebo zkrácení) tedy typicky odráží relativní nárůst štěpení mitochondrií k fúzi ("fragmentace"), zatímco zvýšení poměru stran ("prodloužení") odráží zvýšení fúze vzhledem ke štěpení. Změněný poměr stran však neodhalí základní příčinu dysdynamismu, tj. zda je dynamická nerovnováha důsledkem změněného štěpení, fúze nebo obojího.

Navíc fragmentace mitochondrií v buňkách, které mají propojené mitochondriální sítě, jako jsou fibroblasty, může být normální složkou mitózy a apoptózy [6].

A konečně, krátké, kulovité nebo „fragmentované“ mitochondrie jsou normou v příčně pruhovaných svalových buňkách a neuronových axonech [7,8,83]. Povaha nerovnováhy mitochondriální fúze/štěpení je nejlépe odhalena zobrazením živých buněk za použití jednoho mitochondriálního fluoroforu ( např. Mitotracker Red, Green nebo Orange), fúzované buňky exprimující různé mitochondriálně cílené fluorescenční proteiny (např. Mito-GFP a Mito-RFP) nebo foto-přepínatelný mitochondriální fluorofor (např. MitoDendra).

Při použití jediného fluoroforu může videokonfokální mikroskopie dokumentovat události mitochondriální fúze a štěpení [82].

Když jsou různé skupiny buněk exprimující mitochondriálně cílený GFP nebo RFP fúzovány s polyethylenglykolem, je možné kvantifikovat míchání obsahu mitochondrií z fúze jako funkci času [84].

Stejný přístup je snazší pomocí fotoswitchable mito-Dendra [85], což umožňuje podmnožinu mitochondrií v buňkách, které nás zajímají, foto-přepnout ze zelené na červenou fluoreskující a osud jednotlivých mitochondrií (tj. zda se spojují, podléhají štěpení nebo jsou transportovány v buňce), aby bylo možné hodnotit v průběhu času.

Přístup k přepínání fotografií však vyžaduje speciální vybavení a je omezen propustností vzorků.

Ačkoli je možné ze sériových statických snímků odlišně značených mitochondrií usuzovat, že subpopulace jsou transportovány uvnitř buněk, podrobné kvantitativní posouzení podílu jako rychlosti pohyblivých mitochondrií vyžaduje časosběrnou videomikroskopii v živých buňkách nebo tkáni s generováním kymografů [{{ 1}}].

Naše laboratoř zjistila, že je to proveditelné při aplikaci na přípravky in vitro i ex vivo. Navíc, jak je popsáno níže, tyto techniky lze snadno aplikovat buď na geneticky manipulované myší neurony nebo na buňky odvozené od pacienta [25,57].

5. Primární fibroblasty odvozené od pacienta vykazují nerovnováhu související s onemocněním v mitochondriálním štěpení/fúzi

Bylo náročné navrhnout optimální výzkumnou platformu pro hodnocení abnormální mitochondriální fúze, štěpení a motility vis a vis jejich vztahu k lidským neurodegenerativním onemocněním.

Intuitivně se zdá, že nejlepším systémem by byly neurony, ale neurony s primárním onemocněním člověka je obtížné získat a neurony odvozené od iPSC často ztrácejí semenné charakteristiky klinického onemocnění [87,88].

Vztahy mezi základní genetickou abnormalitou a mitochondriálním fenotypem byly nejrozsáhleji definovány pomocí přístupů knockout myšího genu.

Zárodečná ablace buď Mfn1 nebo Mfn2 je embryonálně letální [89], ale fibroblasty odvozené z myších embryí odhalily, že narušená mitochondriální fúze způsobená delecí Mfn1 nebo Mfn2 vytváří mitochondriální fragmentaci prostřednictvím neoponovaného mitochondriálního štěpení; funkční porucha měřená jako ztráta polarizace vnitřní membrány je dalším důsledkem defektní výměny mitochondriálního obsahu [90].

Při spojování mitochondriální dysmorfologie se základními genetickými příčinami je třeba vzít v úvahu rozdíly mezi genovou ablací, která ruší expresi podezřelého proteinu a je standardním experimentálním přístupem ke studiu genetické ztráty funkce, versus přirozeně se vyskytující mutace se ztrátou funkce, kde je exprimován a může být dysfunkční protein. projevují dominantní potlačující účinky.

Heterozygotní ablace genu Mfn2 je tedy u myší dobře tolerována [89], zatímco většina pacientů s CMT2A má jedinou mutantní alelu MFN2, která vyvolává časnou progresivní neurodegeneraci [53,55]. Tento rozdíl byl přisuzován dominantní supresi normálního fungování MFN1 a MFN2 jedinou mutantní alelou, což zesiluje její funkční důsledky [55–57].

V souladu s tím transgenní exprese lidských CMT2A mutantů u myší rekapituluje některé CMT2Aneuronální fenotypy [57,91]. Dominantní inhibice normálních mitofusinů však není jediným možným vysvětlením rozdílů mezi genovým knockoutem a vyjádřenou ztrátou funkčních mutantních účinků: homozygotní ablace genu Mfn2 (nebo Mfn1) u myší neindukuje neurodegeneraci; provokuje časnou embryonální letalitu [89].

Změna dávkování genu MFN2 experimentálním "knockoutem" tedy není stejná jako exprese mutace MFN2missense.

Ve skutečnosti to může být obecný biologický princip, protože genový knockdown v modelech Drosophila je přímou manipulací, která neindukuje stejné množství nebo velikost kompenzačních odpovědí jako exprese genetických mutantů [92].

Výše uvedená pozorování podporují použití buněk pocházejících z pacienta nesoucích mutace produkující autentické onemocnění, spíše než buňky knockout myšího genu, pro investigativní hodnocení mitochondriálních fenotypů souvisejících s onemocněním.

Rekapitulace prototypických mitochondriálních abnormalit ve fibroblastech pocházejících od pacienta však byla nekonzistentní.

V doprovodném článku [93] demonstrujeme, jak mohou být mitochondriální fenotypy vyvolány metabolickým stresem v dermálních fibroblastech pacientů z některých, ale ne všech, genetických neurodegenerativních onemocnění.

Kromě toho prezentujeme data podporující použití buněk odvozených od pacientů jako platforem pro individualizované vyšetření mitochondriálně řízených terapeutik.

6. Shrnutí a závěry

Mitochondriální dynamika je všudypřítomná, ale relativní rychlosti a důležitost mitochondriální fúze, štěpení a motility se liší podle buněčné morfologie a metabolických požadavků.

Neurony s vysokými metabolickými požadavky a dlouhými axony tedy mají jedinečné dynamické profily a jsou zvláště náchylné k dynamické dysfunkci. Mitochondriální fenotypy je obtížné vyhodnotit u lidských neurodegenerativních onemocnění, protože lidské neurony nejsou snadno dostupné.

Předchozí a doprovodná data ukazují, že kultivované lidské dermální fibroblasty mohou být indukovány tak, aby vykazovaly fenotypy mitochondriální fúze a štěpení související s neurodegenerativním onemocněním, a to vynucením mitochondriálního metabolismu pomocí jednoduchého manévru substituce galaktózy za glukózu v kultivačním médiu.

Kromě toho mohou být stejné fibroblasty přímo přeprogramovány na neurony, které si zachovávají mitochondriální abnormality, včetně dysmotility, která se nejlépe měří v neuronálních axonech.

Navrhujeme, že integrace těchto platforem s genetickými myšími modely, jak je znázorněno na obrázku 4, by mohla být účinným prostředkem pro hodnocení kandidátních terapeutik u mnoha genetických neurodegenerativních stavů vykazujících charakteristické mitochondriální abnormality nebo u různých pacientů pro přístup personalizované medicíny.

Autorské příspěvky: Conceptualization, GWDII; psaní-příprava návrhu originálu, GWDII; psaní-recenze a editace, GWDII a XD; dohled, GWDII; získání financování, GWDII. Všichni autoři si přečetli publikovanou verzi rukopisu a souhlasili s ní.

Financování: Tento výzkum byl financován NIH R35135736, R42NS115184 a výzkumným grantem Asociace pro svalovou dystrofii. APC byla financována NIH R35135736.

Prohlášení institucionální revizní komise: Neuplatňuje se.

Prohlášení o informovaném souhlasu: Neuplatňuje se.

Prohlášení o dostupnosti dat: Nelze použít.

Konflikty zájmů: GWD je profesorem Philip- a Sima K. Needleman na WashingtonUniversity v St. Louis a bývalým držitelem ceny Scholar-Innovator z Harrington Discovery Institute.

GWD je vynálezcem patentů vydaných a čekajících na schválení, které vlastní Washington University v St. Louis a Mitochondria Emotion, Inc. pokrývající aktivátory mitofusinu s malou molekulou, a je zakladatelem společnosti Mitochondria in Motion, Inc., biotechnologické výzkumné a vývojové společnosti se sídlem v Saint Louis, zaměřené na posílení mitochondriálního obchodování a zdatnosti u neurodegenerativních onemocnění.

Thefunders nehráli žádnou roli v designu studie; při shromažďování, analýzách nebo interpretaci dat; při psaní rukopisu nebo při rozhodnutí o zveřejnění výsledků.

Reference

1. Lane, N.; Martin, W. Energetika složitosti genomu. Příroda 2010, 467, 929–934. [CrossRef]

2. Gray, MW Mitochondriální evoluce. Studený jarní Harb. Perspektiva. Biol. 2012, 4, a011403. [CrossRef]

3. Mishra, P.; Chan, DC Mitochondriální dynamika a dědičnost během buněčného dělení, vývoje a onemocnění. Nat. Mol.Cell Biol. 2014, 15, 634–646. [CrossRef] [PubMed]

4. Chen, H.; Chan, DC Mitochondriální dynamika-Fúze, štěpení, pohyb a mitofágie-U neurodegenerativních onemocnění.Hum. Mol. Genet. 2009, 18, R169–R176. [CrossRef] [PubMed]

5. Dorn, GW, II. Vyvíjející se koncepty mitochondriální dynamiky. Annu. Physiol. 2019, 81, 1–17. [CrossRef] [PubMed]

6. Horbay, R.; Bilyy, R. Mitochondriální dynamika během buněčného cyklu. Apoptóza 2016, 21, 1327–1335. [CrossRef] [PubMed]

7. Píseň, M.; Dorn, GW, II. Mitokonfuze: Nekanonické fungování faktorů dynamiky ve statických mitochondriích srdce. CellMetab. 2015, 21, 195–205. [CrossRef]

8. Dorn, GW, II. Mitochondriální dynamika a srdeční onemocnění: Změna tvaru a změna tvaru. EMBO Mol. Med. 2015, 7,865–877. [CrossRef]

9. MacAskill, AF; Kittler, JT Řízení mitochondriálního transportu a lokalizace v neuronech. Trends Cell Biol. 2010, 20, 102–112.[CrossRef]

10. Sheng, ZH; Cai, Q. Mitochondriální transport v neuronech: Vliv na synaptickou homeostázu a neurodegeneraci. Nat. Rev. Neurosci. 2012, 13, 77–93. [CrossRef]

11. Pareyson, D.; Piscosquito, G.; Moroni, I.; Salsano, E.; Zeviani, M. Periferní neuropatie u mitochondriálních poruch. Lancet Neurol.2013, 12, 1011–1024. [CrossRef]

12. Wai, T.; Langer, T. Mitochondriální dynamika a metabolická regulace. Trendy Endocrinol. Metab. 2016, 27, 105–117. [CrossRef][PubMed]

For more information:1950477648nn@gamil.com