Предвиђање митохондријалног динамичког понашања у генетски дефинисаним неуродегенеративним болестима, део 3

Митохондрије нису абнормалне у свим генетским неуродегенеративним болестима, а митохондријски дисдинамизам није нужно компонента свих неуродегенеративних стања која показују митохондријалне абнормалности.

Митохондрије су орган у ћелијама који је углавном одговоран за производњу енергије и ћелијски метаболизам у ћелијама. Последњих година, студије су откриле да митохондријалне абнормалности могу бити повезане са губитком памћења. Међутим, не треба превише да бринемо о негативним ефектима митохондријалних абнормалности, јер савремена наука и технологија све више напредују, а појаву митохондријалних абнормалности можемо спречити разним методама и здравственим производима у животном циклусу.

Студија је открила да митохондријалне абнормалности могу бити повезане са губитком памћења код старијих особа. То је зато што оштећење митохондрија може изазвати оштећење неурона и смрт ћелије, чиме утиче на нормалну функцију неурона мозга и доводи до оштећења памћења и когнитивних способности. Међутим, то не значи да су митохондријалне абнормалности основни узрок губитка памћења, јер губитак памћења може бити узрокован и другим факторима, као што су неухрањеност, оштећење мозга, старење итд.

Да бисмо спречили митохондријалне абнормалности, можемо побољшати своје здравље променом начина живота и исхране. На пример, свакодневне вежбе и правилне вежбе могу унапредити стварање митохондрија, побољшати метаболички ниво тела, одржати физичко здравље и побољшати памћење. Поред тога, дијета је такође важан фактор. Требало би да имамо редовну исхрану, да једемо хранљивију храну као што су воће, поврће и житарице и да пазимо на избегавање хране са високим садржајем шећера и масти.

Поред тога, циљани лекови се могу користити за заштиту митохондрија у умереним количинама. На тржишту већ постоје неки лекови који циљају на митохондрије, као што су диуретици, хипогликемични лекови, додаци исхрани итд.

Укратко, митохондријалне абнормалности су повезане са губитком памћења, али не треба превише да бринемо јер можемо заштитити митохондрије, побољшати физичко здравље и побољшати памћење променом начина живота, исхране и употребом здравствених додатака. Хајде да активно спречимо и побољшамо митохондријалне абнормалности како бисмо одржали здраво тело и оштар мозак. Види се да треба да побољшамо памћење, а Цистанцхе може значајно да побољша памћење јер може да регулише и равнотежу неуротрансмитера, као што је повећање нивоа ацетилхолина и фактора раста који су веома важни за памћење и учење. Поред тога, Цистанцхе такође може побољшати проток крви и промовисати испоруку кисеоника, што може осигурати да мозак добије довољну исхрану и енергију, чиме се побољшава виталност и издржљивост мозга.

Кликните на суплементе да бисте побољшали памћење

На пример, метаболичке абнормалности су описане у Алцхајмеровој деменцији [73], болести неизвесне и сложене етиологије која је повезана са формирањем екстрацелуларних наслага -амилоидног пептида и неурофибриларних чворова микротубуларног тау протеина [74].

Пријављени дефекти митохондрија, који укључују органелефрагментацију, су различити и недоследни [73,75].

Сам обим различитих митохондријалних абнормалности описаних у Алцхајмеровој болести збуњује закључке о томе да ли оне доприносе на значајан начин или су у великој мери последица примарне болести.

Насупрот томе, наследна Паркинсонова болест је болест митохондрија, пошто су најчешћи генетски облици паркинсонизма повезани са мутацијама гена који кодирају митохондријалну ПИНК1 киназу (ПАРК6) која иницира митофагију, као и главни протеин ефектора митофагије, Паркин (ПАРК2) [76] .

Опет, фрагментација митохондрија је пријављена у неким, али не у свим, описима Паркинсонове болести [77], вероватно због хетерогености и мултифакторске етиологије.

Коначно, Фриедреицхова атаксија/спиноцеребеларна дегенерација је недвосмислено неуродегенеративна болест са митохондријалном етиологијом; аутозомно рецесивни генетски дефект је у ФКСН гену који кодира митохондријски протеин који везује гвожђе, фратаксин.

Преоптерећење митохондријалног гвожђа код Фридрајхове атаксије компромитује формирање АТП-а у ланцу транспорта електрона и провоцира прекомерну РОСелаборацију [78,79]. Није јасно да ли митохондријска динамичка дисфункција доприноси, или уопште постоји, овој болести [80].

Варијабилни митохондријски фенотипови код неуродегенеративних болести и неизвесност у погледу патофизиолошког утицаја абнормалне митохондријалне динамике наглашавају потребу за аналитичким платформама директно релевантним за индивидуалне пацијенте.

4. Евалуација митохондријалне динамике

Најлакше добијени и очигледни докази за абнормалну митохондријалну морфологију митохондријалног дисдинамизма у статичним сликама живих или фиксних ћелија, обично снимљених флуорофором специфичним за митохондрије.

Најчешће пријављивана митохондријална структурна абнормалност је „фрагментација“ или структурно скраћивање органела, које се конвенционално и прикладно мери као смањени однос ширине и висине (дужина/ширина) [81,82].

Иако „нормални“ однос митохондријалних димензија зависи и од типа ћелије и од физиолошког статуса [83], његово мерење је концептуално и технички једноставно.

Дакле, смањење митохондријалног односа ширине и висине уочено на сликама високе резолуције (смањена дужина/ширина или скраћивање) обично одражава релативно повећање фисије митохондрија до фузије („фрагментација“), док повећање односа страница („издужење“) одражава повећање фузија у односу на фисију. Међутим, измењени однос димензија не открива основни узрок дисдинамизма, тј. да ли је динамичка неравнотежа последица измењене фисије, или фузије, или обоје.

Штавише, фрагментација митохондрија у ћелијама које имају међусобно повезане митохондријалне мреже, као што су фибробласти, може бити нормална компонента митозе и апоптозе [6].

Коначно, кратке, сферичне или „фрагментиране“ митохондрије су тада уобичајене у ћелијама пругасто-пругастих мишића и неуронским аксонима [7,8,83]. Природа неравнотеже митохондријске фузије/фисије најбоље се открива живим снимањем ћелија, користећи било један митохондријски флуорофор ( нпр. Митотрацкер црвена, зелена или наранџаста), фузионисане ћелије које експримирају различите флуоресцентне протеине циљане на митохондрије (нпр. Мито-ГФП и Мито-РФП), или фото-променљиви митохондријски флуорофор (нпр. МитоДендра).

Када се користи један флуорофор, видео конфокална микроскопија може документовати догађаје митохондријалне фузије и фисије [82].

Када се различите групе ћелија које експримирају митохондријски циљани ГФП или РФП споје са полиетилен гликолом, постаје могуће квантификовати мешање садржаја митохондрија из фузије у функцији времена [84].

Овај исти приступ је лакши коришћењем фото-променљивих мито-Дендра [85], омогућавајући подскупу митохондрија унутар ћелија од интереса да се фото-промене са зелене на црвену флуоресценцију, и судбина појединачних митохондрија (тј. било да се стапају, пролазе кроз фисију , или се транспортују унутар ћелије) које треба проценити током времена.

Међутим, приступ фото-свитцхинг-а захтева посебну опрему и ограничен је протоком узорка.

Иако је из серијских статичких слика различито обележених митохондрија могуће закључити да се субпопулације транспортују унутар ћелија, детаљна квантитативна процена пропорције као брзине покретних митохондрија захтева видеомикроскопију са временским интервалом у живим ћелијама или ткиву са генерисањем кимографа [{{ 1}}].

Наша лабораторија је утврдила да је ово изводљиво када се примењује и на ин витро и ек виво препарате. Штавише, као што је описано у наставку, ове технике се лако примењују или на генетски манипулисане мишје неуроне или ћелије изведене од пацијента [25,57].

5. Примарни фибробласти добијени од пацијента показују неравнотеже повезане са болестима у митохондријској фисији/фузији

Било је изазовно осмислити оптималну истраживачку платформу за процену абнормалне митохондријалне фузије, фисије и покретљивости у односу на њихов однос са људским неуродегенеративним болестима.

Интуитивно, чини се да би неурони били најбољи систем, али је тешко добити неуроне од примарног човека, а неурони изведени из иПСЦ-а често губе основне карактеристике клиничке болести [87,88].

Односи између основне генетске абнормалности и митохондријалног фенотипа су најопширније дефинисани коришћењем приступа нокауту гена миша.

Аблација заметне линије било Мфн1 или Мфн2 је ембрионално смртоносна [89], али фибробласти изведени из мишјих ембриона открили су да оштећена митохондријална фузија узрокована делецијом Мфн1 или Мфн2 производи митохондријалну фрагментацију кроз несупротстављену фисију митохондрија; функционално оштећење мерено као губитак поларизације унутрашње мембране је још једна последица дефектне размене митохондријалног садржаја [90].

Када се митохондријална дисморфологија повезује са основним генетским узроцима, мора се узети у обзир разлике између аблације гена која поништава експресију сумњивог протеина и која је стандардни експериментални приступ проучавању генетског губитка функције, у односу на природне мутације губитка функције у којима се дисфункционални протеин експримира и може испољавају доминантне супресивне ефекте.

Дакле, хетерозиготна аблација Мфн2гена се добро толерише код мишева [89], док већина пацијената са ЦМТ2А има један мутантни алел МФН2 који провоцира рану прогресивну неуродегенерацију [53,55]. Ова разлика је приписана доминантној супресији нормалног функционисања МФН1 и МФН2 помоћу једног мутантног алела, појачавајући његове функционалне последице [55–57].

Сходно томе, трансгена експресија хуманих ЦМТ2А мутаната код мишева рекапитулира неке ЦМТ2Анеуронске фенотипове [57,91]. Међутим, доминантна инхибиција нормалних митофузина није једино могуће објашњење за разлике између нокаута гена и изражених ефеката мутанта губитка функције: аблација хомозиготног Мфн2 (или Мфн1) гена код мишева не индукује неуродегенерацију; провоцира рану смртност ембриона [89].

Дакле, промена дозе гена МФН2 експерименталним "нокаутом" није исто што и експресија МФН2миссенсе мутације.

Заиста, ово може бити општи биолошки принцип пошто је обарање гена на моделима Дросопхила једноставна манипулација која не индукује исту количину или величину компензационих одговора као експресија генетских мутаната [92].

Горња запажања подржавају употребу ћелија изведених од пацијената које носе аутентичне мутације које изазивају болест, уместо ћелија нокаутирања мишјих гена, за истражну процену митохондријалних фенотипова повезаних са болешћу.

Међутим, рекапитулација прототипских митохондријалних абнормалности у фибробластима добијеним од пацијената била је недоследна.

У пратећем чланку [93], демонстрирамо како се митохондријски фенотипови могу изазвати метаболичким стресом код дермалних фибробласта пацијената од неких, али не свих, генетских неуродегенеративних болести.

Штавише, представљамо податке који подржавају употребу ћелија добијених од пацијената као платформе за индивидуализовано испитивање терапеутика усмерених на митохондрије.

6. Резиме и закључци

Динамизам митохондрија је свеприсутан, али се релативне стопе и важност митохондријалне фузије, фисије и покретљивости разликују у зависности од морфологије ћелије и метаболичких захтева.

Дакле, неурони са високим метаболичким захтевима и дугим аксонима имају јединствене динамичке профиле и посебно су подложни динамичкој дисфункцији. Митохондријалфенотипове је тешко проценити код људских неуродегенеративних болести јер људски неурони нису лако доступни.

Претходни и пратећи подаци показују да се култивисани хумани дермални фибробласти могу индуковати да испоље фенотипове митохондријалне фузије-фисије повезане са неуродегенеративним обољењима форсирањем митохондријалног метаболизма једноставним маневром замене глукозе галактозом у медијуму културе.

Штавише, исти фибробласти се могу директно репрограмирати у неуроне који задржавају обележја митохондријалних абнормалности, укључујући дисмотилитет, што је најбоље измерити у неуронским аксонима.

Предлажемо да би интеграција ових платформи са моделима генетских мишева, као што је приказано на слици 4, могла бити ефикасно средство за процену кандидата за терапију у мноштву генетских неуродегенеративних стања која показују карактеристичне митохондријалне абнормалности, или код различитих пацијената за персонализовани медицински приступ.

Прилози аутора: Концептуализација, ГВДИИ; писање-припрема оригиналног нацрта, ГВДИИ; писање-преглед и уређивање, ГВДИИ и КСД; надзор, ГВДИИ; аквизиција финансирања, ГВДИИ. Сви аутори су прочитали и сложили се са објављеном верзијом рукописа.

Финансирање: Ово истраживање је финансирао НИХ Р35135736, Р42НС115184 и грант за истраживање од Удружења за мишићну дистрофију. АПЦ је финансирао НИХ Р35135736.

Изјава институционалног одбора за ревизију: Није применљиво.

Изјава о информисаној сагласности: Није применљиво.

Изјава о доступности података: Није применљиво.

Сукоби интереса: ГВД је професор на Вашингтонском универзитету у Сент Луису који је добио од Филипа и Симе К. Неедлемана и бивши стипендиста Института Харингтон Дисцовери.

ГВД је проналазач патената издатих и на чекању у власништву Вашингтонског универзитета у Сент Луису Митоцхондриа Емотион, Инц. који покривају активаторе митофузина малих молекула, и оснивач је Митоцхондриа ин Мотион, Инц., компаније за биотехнолошко истраживање и развој са седиштем у Саинт Лоуису која се фокусира на побољшање трговине митохондријама и фитнеса код неуродегенеративних болести.

Финансери нису имали никакву улогу у дизајну студије; у прикупљању, анализи или тумачењу података; у писању рукописа или у одлуци о објављивању резултата.

Референце

1. Лане, Н.; Мартин, В. Енергетика комплексности генома. Природа 2010, 467, 929–934. [ЦроссРеф]

2. Греј, МВ Митохондријска еволуција. Цолд Спринг Харб. Перспецт. Биол. 2012, 4, а011403. [ЦроссРеф]

3. Мишра, П.; Цхан, ДЦ Митохондријска динамика и наслеђе током ћелијске деобе, развоја и болести. Нат. Рев. Мол.Целл Биол. 2014, 15, 634–646. [ЦроссРеф] [ПубМед]

4. Цхен, Х.; Цхан, ДЦ Митохондријска динамика-Фузија, фисија, кретање и митофагија-Код неуродегенеративних болести.Хум. Мол. Генет. 2009, 18, Р169–Р176. [ЦроссРеф] [ПубМед]

5. Дорн, ГВ, ИИ. Развој концепта митохондријалне динамике. Анну. Рев. Пхисиол. 2019, 81, 1–17. [ЦроссРеф] [ПубМед]

6. Хорбаи, Р.; Билии, Р. Митоцхондриал динамицс дуринг целл цицлинг. Апоптоза 2016, 21, 1327–1335. [ЦроссРеф] [ПубМед]

7. Песма, М.; Дорн, ГВ, ИИ. Митоконфузија: Неканонско функционисање фактора динамике у статичким митохондријама срца. ЦеллМетаб. 2015, 21, 195–205. [ЦроссРеф]

8. Дорн, ГВ, ИИ. Митохондријски динамизам и срчана обољења: Промена облика и промена облика. ЕМБО Мол. Мед. 2015, 7, 865–877. [ЦроссРеф]

9. МацАскилл, АФ; Киттлер, ЈТ Контрола митохондријалног транспорта и локализације у неуронима. Трендс Целл Биол. 2010, 20, 102–112.[ЦроссРеф]

10. Схенг, ЗХ; Цаи, К. Митохондријски транспорт у неуронима: Утицај на синаптичку хомеостазу и неуродегенерацију. Нат. Рев.Неуросци. 2012, 13, 77–93. [ЦроссРеф]

11. Пареисон, Д.; Писцоскито, Г.; Морони, И.; Салсано, Е.; Зевиани, М. Периферна неуропатија код митохондријалних поремећаја. Ланцет Неурол.2013, 12, 1011–1024. [ЦроссРеф]

12. Ваи, Т.; Лангер, Т. Митоцхондриал Динамицс анд Метаболиц Регулатион. Трендс Ендоцринол. Метаб. 2016, 27, 105–117. [ЦроссРеф][ПубМед]

For more information:1950477648nn@gamil.com