Napovedovanje dinamičnega vedenja mitohondrijev pri genetsko opredeljenih nevrodegenerativnih boleznih 3. del

Mitohondriji niso nenormalni pri vseh genetskih nevrodegenerativnih boleznih in mitohondrijska disdinamičnost ni nujno sestavni del vseh nevrodegenerativnih stanj, ki kažejo mitohondrijske nenormalnosti.

Mitohondriji so organ v celicah, ki so v glavnem odgovorni za proizvodnjo energije in celično presnovo v celicah. V zadnjih letih so študije pokazale, da so mitohondrijske nenormalnosti lahko povezane z izgubo spomina. Negativni učinki mitohondrijskih nepravilnosti pa naj nas ne skrbijo preveč, saj sta sodobna znanost in tehnologija vedno bolj napredni, nastanek mitohondrijskih nepravilnosti pa lahko preprečimo z različnimi metodami in zdravstvenimi izdelki v življenjskem ciklu.

Študija je pokazala, da so mitohondrijske nenormalnosti lahko povezane z izgubo spomina pri starejših. To je zato, ker lahko mitohondrijske poškodbe povzročijo poškodbe nevronov in celično smrt, s čimer vplivajo na normalno delovanje možganskih nevronov in vodijo do motenj spomina in kognitivnih sposobnosti. Vendar to ne pomeni, da so mitohondrijske nepravilnosti glavni vzrok za izgubo spomina, saj lahko izgubo spomina povzročijo tudi drugi dejavniki, kot so podhranjenost, poškodbe možganov, staranje itd.

Da preprečimo mitohondrijske nenormalnosti, lahko izboljšamo svoje zdravje s spremembo življenjskega sloga in prehrane. Na primer, vsakodnevna vadba in pravilna vadba lahko spodbujata nastajanje mitohondrijev, izboljšata presnovno raven telesa, ohranita telesno zdravje in izboljšata spomin. Poleg tega je pomemben dejavnik tudi prehrana. Morali bi se redno prehranjevati, jesti bolj hranljivo hrano, kot so sadje, zelenjava in žitarice, in paziti, da se izogibamo hrani z visoko vsebnostjo sladkorja in maščob.

Poleg tega se lahko tarčna zdravila uporabljajo za zaščito mitohondrijev v zmernih količinah. Na trgu je že nekaj zdravil, ki delujejo na mitohondrije, kot so diuretiki, hipoglikemična zdravila, prehranska dopolnila itd.

Skratka, mitohondrijske nenormalnosti so povezane z izgubo spomina, vendar naj nas ne skrbi preveč, saj lahko zaščitimo mitohondrije, izboljšamo fizično zdravje in izboljšamo spomin s spremembo življenjskega sloga, prehrane in uživanjem zdravstvenih dodatkov. Aktivno preprečujmo in izboljšajmo mitohondrijske nenormalnosti, da ohranimo zdravo telo in ostre možgane. Vidi se, da moramo izboljšati spomin in Cistanche lahko bistveno izboljša spomin, saj lahko uravnava tudi ravnovesje nevrotransmiterjev, kot je povečanje ravni acetilholina in rastnih faktorjev, ki so zelo pomembni za spomin in učenje. Poleg tega lahko Cistanche izboljša pretok krvi in ​​spodbuja dostavo kisika, kar lahko zagotovi, da možgani dobijo dovolj hranil in energije, s čimer se izboljša vitalnost in vzdržljivost možganov.

Kliknite poznajte dodatke za izboljšanje spomina

Na primer, presnovne nepravilnosti so opisane pri Alzheimerjevi demenci [73], bolezni nejasne in zapletene etiologije, ki je povezana s tvorbo zunajceličnih depozitov -amiloidnega peptida in nevrofibrilarnih pentlj mikrotubularnega proteina tau [74].

Prijavljene mitohondrijske okvare, ki vključujejo fragmentacijo organov, so različne in nedosledne [73,75].

Sam obseg različnih mitohondrijskih nepravilnosti, opisanih pri Alzheimerjevi bolezni, zmede sklepe o tem, ali pomembno prispevajo k primarni bolezni ali so v veliki meri posledica le-te.

Nasprotno pa je dedna Parkinsonova bolezen bolezen mitohondrijev, saj so najpogostejše genetske oblike parkinsonizma povezane z mutacijami genov, ki kodirajo mitohondrijsko PINK1 kinazo (PARK6), ki sproži mitofagijo, kot tudi glavni efektorski protein mitofagije, Parkin (PARK2) [76] .

Tudi mitohondrijska fragmentacija je opisana v nekaterih, vendar ne v vseh opisih Parkinsonove bolezni [77], verjetno zaradi heterogenosti in večfaktorske etiologije.

Končno je Friedreichova ataksija/spinocerebelarna degeneracija nedvoumno nevrodegenerativna bolezen z mitohondrijsko etiologijo; avtosomno recesivna genetska okvara je v genu FXN, ki kodira mitohondrijski protein, ki veže železo, frataksin.

Preobremenitev mitohondrijev z železom pri Friedreichovi ataksiji ogrozi tvorbo ATP s transportno verigo elektronov in izzove prekomerno ROSelaboratorij [78,79]. Ni jasno, ali mitohondrijska dinamična disfunkcija prispeva k tej bolezni ali sploh obstaja [80].

Spremenljivi mitohondrijski fenotipi pri nevrodegenerativnih boleznih in negotovost glede patofiziološkega vpliva nenormalne mitohondrijske dinamike poudarjajo potrebo po analitičnih platformah, ki so neposredno pomembne za posamezne bolnike.

4. Vrednotenje mitohondrijske dinamike

Najlažje pridobljen in očiten dokaz za mitohondrijsko disdinamijo je nenormalna mitohondrijska morfologija v statičnih slikah živih ali fiksnih celic, običajno upodobljenih z mitohondrijskim specifičnim fluoroforjem.

Najpogosteje poročana mitohondrijska strukturna nepravilnost je "fragmentacija" ali strukturno skrajšanje organelov, ki se običajno in priročno meri kot zmanjšano razmerje stranic (dolžina/širina) [81,82].

Čeprav je "normalno" mitohondrijsko razmerje stranic odvisno od vrste celice in fiziološkega stanja [83], je merjenje konceptualno in tehnično preprosto.

Tako zmanjšanje razmerja stranic mitohondrijev, opaženo na slikah z visoko ločljivostjo (zmanjšana dolžina/širina ali skrajšanje), običajno odraža relativno povečanje mitohondrijske cepitve do fuzije ("fragmentacija"), medtem ko povečanje razmerja stranic ("raztezek") odraža povečanje fuzija glede na cepitev. Vendar pa spremenjeno razmerje stranic ne razkrije osnovnega vzroka disdinamizma, tj. ali je dinamično neravnovesje posledica spremenjene cepitve, fuzije ali obojega.

Poleg tega je lahko fragmentacija mitohondrijev v celicah, ki imajo med seboj povezana mitohondrijska omrežja, kot so fibroblasti, normalna komponenta mitoze in apoptoze [6].

Nazadnje, kratki, sferični ali "fragmentirani" mitohondriji so običajni v progastih mišičnih celicah in nevronskih aksonih [7,8,83]. Naravo neravnovesja mitohondrijske fuzije/cepitve najbolje razkrije slikanje celic v živo z uporabo enega mitohondrijskega fluoroforja ( npr. Mitotracker Red, Green ali Orange), spojene celice, ki izražajo različne fluorescenčne proteine, usmerjene v mitohondrije (npr. Mito-GFP in Mito-RFP), ali foto-preklopljivi mitohondrijski fluorofor (npr. MitoDendra).

Ko se uporablja en sam fluorofor, lahko video konfokalna mikroskopija dokumentira dogodke mitohondrijske fuzije in cepitve [82].

Ko se različne skupine celic, ki izražajo mitohondrijsko usmerjen GFP ali RFP, spojijo s polietilen glikolom, postane mogoče kvantificirati mešanje vsebine mitohondrijev iz fuzije kot funkcijo časa [84].

Isti pristop je lažji z uporabo foto-preklopljive mito-Dendre [85], ki omogoča fotopreklop podmnožice mitohondrijev v celicah, ki nas zanimajo, iz zelene v rdečo fluorescentno in usodo posameznih mitohondrijev (tj. ali se zlivajo, cepijo). , ali se prenašajo znotraj celice), ki jih je treba oceniti skozi čas.

Vendar pa pristop fotopreklapljanja zahteva posebno opremo in je omejen s pretokom vzorca.

Čeprav je iz serijskih statičnih slik različno označenih mitohondrijev mogoče sklepati, da se subpopulacije prenašajo znotraj celic, podrobna kvantitativna ocena deleža kot hitrosti gibljivih mitohondrijev zahteva videomikroskopijo s časovnim zamikom v živih celicah ali tkivih z ustvarjanjem kimografov [{{ 1}}].

Naš laboratorij je ugotovil, da je to izvedljivo, če se uporablja za pripravke in vitro in ex vivo. Poleg tega, kot je opisano spodaj, se te tehnike zlahka uporabijo bodisi za genetsko manipulirane mišje nevrone bodisi za celice, pridobljene iz pacientov [25,57].

5. Primarni fibroblasti, ki izhajajo iz bolnikov, kažejo z boleznijo povezana neravnovesja pri mitohondrijski fisiji/fuziji

Izziv je bil oblikovati optimalno raziskovalno platformo za ovrednotenje nenormalne mitohondrijske fuzije, cepitve in gibljivosti v primerjavi z njihovim odnosom do človeških nevrodegenerativnih bolezni.

Intuitivno se zdi, da bi bili nevroni najboljši sistem, vendar je nevrone, okužene s primarno človeško boleznijo, težko dobiti, nevroni, pridobljeni iz iPSC, pa pogosto izgubijo semenske značilnosti klinične bolezni [87,88].

Razmerja med osnovno genetsko nenormalnostjo in mitohondrijskim fenotipom so bila najobsežneje definirana z uporabo pristopov knockout mišjega gena.

Ablacija zarodne linije Mfn1 ali Mfn2 je embrionalno smrtonosna [89], vendar so fibroblasti, pridobljeni iz mišjih zarodkov, razkrili, da oslabljena mitohondrijska fuzija, ki jo povzroči delecija Mfn1 ali Mfn2, povzroči mitohondrijsko fragmentacijo prek mitohondrijske cepitve brez nasprotovanja; funkcionalna okvara, merjena kot izguba polarizacije notranje membrane, je še ena posledica okvarjene izmenjave mitohondrijske vsebine [90].

Pri povezovanju mitohondrijske dismorfologije z osnovnimi genetskimi vzroki je treba upoštevati razlike med gensko ablacijo, ki razveljavi izražanje sumljive beljakovine, in je standardni eksperimentalni pristop k preučevanju genetske izgube funkcije, v primerjavi z naravno pojavljajočimi se mutacijami izgube funkcije, pri katerih se disfunkcionalni protein izraža, in lahko imajo prevladujoče supresivne učinke.

Tako miši heterozigotno ablacijo gena Mfn2 dobro prenašajo [89], medtem ko ima večina bolnikov s CMT2A en sam mutantni alel MFN2, ki izzove zgodnjo progresivno nevrodegeneracijo [53,55]. To razliko so pripisali prevladujočemu zatiranju normalnega delovanja MFN1 in MFN2 z enim samim mutantnim alelom, kar je povečalo njegove funkcionalne posledice [55–57].

V skladu s tem transgena ekspresija človeških mutantov CMT2A pri miših povzema nekatere fenotipe CMT2Aneuronal [57,91]. Vendar dominantna inhibicija normalnih mitofuzinov ni edina možna razlaga za razlike med izločitvijo gena in izraženimi mutantnimi učinki izgube funkcije: homozigotna ablacija gena Mfn2 (ali Mfn1) pri miših ne povzroči nevrodegeneracije; izzove zgodnjo embrionalno smrtnost [89].

Tako spreminjanje odmerka gena MFN2 z eksperimentalnim "knockoutom" ni isto kot izražanje mutacije MFN2 missense.

Dejansko je to lahko splošno biološko načelo, saj je izločitev genov v modelih Drosophila preprosta manipulacija, ki ne inducira enake količine ali velikosti kompenzacijskih odzivov kot izražanje genetskih mutantov [92].

Zgornja opažanja podpirajo uporabo celic, pridobljenih iz bolnikov, ki nosijo avtentične mutacije, ki povzročajo bolezen, namesto izločenih celic mišjega gena, za preiskovalno vrednotenje mitohondrijskih fenotipov, povezanih z boleznijo.

Vendar pa je bila rekapitulacija prototipskih mitohondrijskih nenormalnosti v fibroblastih, pridobljenih iz bolnikov, nedosledna.

V spremnem članku [93] prikazujemo, kako lahko mitohondrijske fenotipe izzovemo s presnovnim stresom pri pacientovih dermalnih fibroblastih zaradi nekaterih, vendar ne vseh, genetskih nevrodegenerativnih bolezni.

Poleg tega predstavljamo podatke, ki podpirajo uporabo celic, pridobljenih iz pacientov, kot platforme za individualiziran pregled mitohondrijsko usmerjenih terapevtikov.

6. Povzetek in sklepi

Mitohondrijska dinamičnost je vseprisotna, vendar se relativne stopnje in pomembnost mitohondrijske fuzije, cepitve in gibljivosti razlikujejo glede na celično morfologijo in presnovne zahteve.

Tako imajo nevroni z visokimi presnovnimi zahtevami in dolgimi aksoni edinstvene dinamične profile in so še posebej dovzetni za dinamično disfunkcijo. Mitohondrijske fenotipe je težko oceniti pri človeških nevrodegenerativnih boleznih, ker človeški nevroni niso na voljo.

Prejšnji in spremljajoči podatki kažejo, da je mogoče vzgojene človeške dermalne fibroblaste inducirati, da pokažejo fenotipe mitohondrijske fuzije-cepitve, povezane z nevrodegenerativno boleznijo, s prisilitvijo mitohondrijske presnove s preprostim manevrom zamenjave glukoze z galaktozo v gojišču.

Poleg tega je mogoče iste fibroblaste neposredno reprogramirati v nevrone, ki ohranijo značilne mitohondrijske nenormalnosti, vključno z dismotilnostjo, ki se najbolje meri v nevronskih aksonih.

Predlagamo, da bi lahko bila integracija teh platform z genetskimi mišjimi modeli, kot je prikazano na sliki 4, učinkovito sredstvo za ocenjevanje kandidatov za terapevtiko v množici genetskih nevrodegenerativnih stanj, ki kažejo značilne mitohondrijske nenormalnosti, ali različnih pacientov za osebni medicinski pristop.

Avtorski prispevki: Conceptualization, GWDII; pisanje - priprava izvirnega osnutka, GWDII; pisanje - pregled in urejanje, GWDII in XD; nadzor, GWDII; pridobitev sredstev, GWDII. Vsi avtorji so prebrali objavljeno različico rokopisa in se z njo strinjali.

Financiranje: To raziskavo so financirali NIH R35135736, R42NS115184 in štipendija Združenja za mišično distrofijo. APC je financiral NIH R35135736.

Izjava institucionalnega nadzornega odbora: Ni primerno.

Izjava o informiranem soglasju: Ni primerno.

Izjava o razpoložljivosti podatkov: Ni uporabno.

Navzkrižja interesov: GWD je profesor na univerzi Washington v St. Louisu, ki sta ga obdarila Philip in Sima K. Needleman, in je bil v preteklosti nagrajenec inovatorja Inštituta Harrington Discovery.

GWD je izumitelj izdanih in čakajočih patentov v lasti Univerze Washington v St. Louisu in Mitochondria Emotion, Inc., ki pokrivajo aktivatorje mitofuzina z majhnimi molekulami, in je ustanovitelj Mitochondria in Motion, Inc., biotehnološkega raziskovalnega in razvojnega podjetja s sedežem v Saint Louisu, ki se osredotoča na izboljšanje mitohondrijske trgovine in telesne pripravljenosti pri nevrodegenerativnih boleznih.

Financerji niso imeli nobene vloge pri oblikovanju študije; pri zbiranju, analizah ali interpretaciji podatkov; pri pisanju rokopisa ali pri odločitvi o objavi rezultatov.

Reference

1. Lane, N.; Martin, W. Energija kompleksnosti genoma. Narava 2010, 467, 929–934. [CrossRef]

2. Grey, MW Mitohondrijska evolucija. Cold Spring Harb. Perspektiva. Biol. 2012, 4, a011403. [CrossRef]

3. Mišra, P.; Chan, DC Mitohondrijska dinamika in dedovanje med celično delitvijo, razvojem in boleznijo. Nat. Rev. Mol.Cell Biol. 2014, 15, 634–646. [CrossRef] [PubMed]

4. Chen, H.; Chan, DC Mitohondrijska dinamika - fuzija, fisija, gibanje in mitofagija - pri nevrodegenerativnih boleznih. Hum. Mol. Genet. 2009, 18, R169–R176. [CrossRef] [PubMed]

5. Dorn, GW, II. Razvijajoči se koncepti mitohondrijske dinamike. Annu. Rev. Physiol. 2019, 81, 1–17. [CrossRef] [PubMed]

6. Horbaj, R.; Bilyy, R. Mitohondrijska dinamika med celičnim ciklom. Apoptoza 2016, 21, 1327–1335. [CrossRef] [PubMed]

7. Pesem, M.; Dorn, GW, II. Mitozmeda: Nekanonično delovanje dejavnikov dinamike v statičnih mitohondrijih srca. CellMetab. 2015, 21, 195–205. [CrossRef]

8. Dorn, GW, II. Mitohondrijska dinamičnost in bolezni srca: Spreminjanje oblike in sprememba oblikovanja. EMBO Mol. Med. 2015, 7, 865–877. [CrossRef]

9. MacAskill, AF; Kittler, JT Nadzor mitohondrijskega transporta in lokalizacije v nevronih. Trends Cell Biol. 2010, 20, 102–112.[CrossRef]

10. Sheng, ZH; Cai, Q. Mitohondrijski transport v nevronih: Vpliv na sinaptično homeostazo in nevrodegeneracijo. Nat. Rev.Neurosci. 2012, 13, 77–93. [CrossRef]

11. Pareyson, D.; Piscosquito, G.; Moroni, I.; Salsano, E.; Zeviani, M. Periferna nevropatija pri mitohondrijskih motnjah. Lancet Neurol. 2013, 12, 1011–1024. [CrossRef]

12. Wai, T.; Langer, T. Mitohondrijska dinamika in presnovna regulacija. Trendi Endocrinol. Metab. 2016, 27, 105–117. [CrossRef][PubMed]

For more information:1950477648nn@gamil.com