Mitokondrioiden dynaamisen käyttäytymisen ennustaminen geneettisesti määritellyissä neurodegeneratiivisissa sairauksissa, osa 3

Mitokondriot eivät ole epänormaaleja kaikissa geneettisissä neurodegeneratiivisissa sairauksissa, ja mitokondrioiden dysdynamismi ei välttämättä ole osa kaikkia hermostoa rappeuttavia tiloja, joissa esiintyy mitokondrioiden poikkeavuuksia.

Mitokondriot ovat soluissa oleva elin, joka on pääasiassa vastuussa energian tuotannosta ja solujen aineenvaihdunnasta soluissa. Viime vuosina tutkimukset ovat osoittaneet, että mitokondrioiden poikkeavuudet voivat liittyä muistin menettämiseen. Mitokondrioiden poikkeavuuksien negatiivisista vaikutuksista ei kuitenkaan kannata murehtia liikaa, sillä nykyaikainen tiede ja teknologia kehittyvät koko ajan ja voimme estää mitokondrioiden poikkeavuuksien syntymistä elinkaaren eri menetelmillä ja terveystuotteilla.

Tutkimuksessa havaittiin, että mitokondrioiden poikkeavuudet voivat liittyä vanhusten muistin heikkenemiseen. Tämä johtuu siitä, että mitokondriovauriot voivat aiheuttaa hermosoluvaurioita ja solukuolemaa, mikä vaikuttaa aivojen hermosolujen normaaliin toimintaan ja johtaa muistin ja kognitiivisten heikkenemiseen. Tämä ei kuitenkaan tarkoita, että mitokondrioiden poikkeavuudet olisivat muistinmenetyksen perimmäinen syy, koska muistin menetys voi johtua myös muista tekijöistä, kuten aliravitsemuksesta, aivovaurioista, ikääntymisestä jne.

Mitokondrioiden poikkeavuuksien estämiseksi voimme parantaa terveyttämme muuttamalla elämäntapojamme ja ruokavaliota. Esimerkiksi päivittäinen liikunta ja oikea liikunta voivat edistää mitokondrioiden muodostumista, parantaa kehon aineenvaihduntaa, ylläpitää fyysistä terveyttä ja parantaa muistia. Lisäksi ruokavalio on myös tärkeä tekijä. Meidän tulisi noudattaa säännöllistä ruokavaliota, syödä ravitsevampia elintarvikkeita, kuten hedelmiä, vihanneksia ja viljaa, ja kiinnittää huomiota runsaasti sokeria sisältävien ja rasvaisten ruokien välttämiseen.

Lisäksi mitokondrioiden suojaamiseen voidaan käyttää kohdennettuja lääkkeitä kohtuudella. Markkinoilla on jo mitokondrioihin kohdistuvia lääkkeitä, kuten diureetteja, hypoglykeemisiä lääkkeitä, ravintolisiä jne.

Lyhyesti sanottuna mitokondrioiden poikkeavuudet liittyvät muistin heikkenemiseen, mutta meidän ei pitäisi olla liikaa huolissamme, koska voimme suojella mitokondrioita, parantaa fyysistä terveyttä ja parantaa muistia muuttamalla elämäntapaamme ja ruokavaliota sekä käyttämällä terveyslisäaineita. Estäkäämme ja parantakaamme aktiivisesti mitokondrioiden poikkeavuuksia säilyttääksemme terveen kehon ja terävät aivot. Voidaan nähdä, että meidän on parannettava muistia, ja Cistanche voi parantaa muistia merkittävästi, koska se voi myös säädellä välittäjäaineiden tasapainoa, kuten nostaa asetyylikoliinin ja kasvutekijöiden tasoa, jotka ovat erittäin tärkeitä muistille ja oppimiselle. Lisäksi Cistanche voi myös parantaa verenkiertoa ja edistää hapen toimitusta, mikä voi varmistaa, että aivot saavat riittävästi ravintoa ja energiaa, mikä parantaa aivojen elinvoimaa ja kestävyyttä.

Napsauta tietää lisäravinteita parantaaksesi muistia

Esimerkiksi aineenvaihdunnan poikkeavuuksia kuvataan Alzheimerin dementiassa [73], epävarman ja monimutkaisen etiologian sairaudessa, joka liittyy -amyloidipeptidin solunulkoisten kerrostumien muodostumiseen ja mikrotubulaarisen tau-proteiinin neurofibrillaaristen vyyhtyeiden muodostumiseen [74].

Raportoidut mitokondriovauriot, mukaan lukien organellien fragmentaatio, ovat erilaisia ​​ja epäjohdonmukaisia ​​[73,75].

Alzheimerin taudissa kuvattujen erilaisten mitokondrioiden poikkeavuuksien pelkkä laajuus sekoittaa päätelmät siitä, vaikuttavatko ne mielekkäällä tavalla ensisijaiseen sairauteen tai ovatko ne suurelta osin seurausta siitä.

Sitä vastoin perinnöllinen Parkinsonin tauti on mitokondrioiden sairaus, koska yleisimmät parkinsonismin geneettiset muodot liittyvät mitokondrion PINK1-kinaasia (PARK6) koodaavien geenien mutaatioihin, jotka käynnistävät mitofagian, sekä pääasiallisen mitofagian efektoriproteiinin Parkinin (PARK2) [76]. .

Jälleen mitokondrioiden fragmentoitumista on raportoitu joissakin, mutta ei kaikissa, Parkinsonin taudin kuvauksissa [77], mikä johtuu todennäköisesti heterogeenisyydestä ja monitekijäisestä etiologiasta.

Lopuksi, Friedreichin ataksia/selkä-aivojen rappeuma on yksiselitteisesti hermostoa rappeuttava sairaus, jolla on mitokondriaalinen etiologia; autosomaalinen resessiivinen geneettinen vika on FXN-geenissä, joka koodaa mitokondrion rautaa sitovaa proteiinia, frataksiinia.

Mitokondrioiden raudan ylikuormitus Friedreichin ataksiassa vaarantaa ATP:n muodostumisen elektroninkuljetusketjussa ja provosoi liiallista ROSelaboraatiota [78,79]. Ei ole selvää, vaikuttaako mitokondrioiden dynaaminen toimintahäiriö tähän sairauteen tai edes onko sitä olemassa [80].

Vaihtelevat mitokondrioiden fenotyypit neurodegeneratiivisissa sairauksissa ja epävarmuus epänormaalin mitokondriodynamiikan patofysiologisista vaikutuksista korostavat tarvetta analyyttisille alustoille, jotka ovat suoraan tärkeitä yksittäisille ihmispotilaille.

4. Mitokondrioiden dynamiikan arviointi

Helposti saatava ja ilmeisin todiste mitokondrioiden dysdynamismin epänormaalista mitokondrioiden morfologiasta elävien tai kiinnittyneiden solujen staattisissa kuvissa, jotka on tyypillisesti kuvattu mitokondrio-spesifisellä fluoroforilla.

Yleisimmin raportoitu mitokondrioiden rakenteellinen poikkeavuus on organellien "fragmentoituminen" tai rakenteellinen lyheneminen, joka mitataan perinteisesti ja kätevästi pienentyneenä kuvasuhteena (pituus/leveys) [81,82].

Vaikka "normaali" mitokondrioiden muotosuhde riippuu sekä solutyypistä että fysiologisesta tilasta [83], sen mittaaminen on käsitteellisesti ja teknisesti yksinkertaista.

Näin ollen korkearesoluutioisissa kuvissa havaittu mitokondrioiden kuvasuhteen pieneneminen (pienempi pituus/leveys tai lyhennys) heijastaa tyypillisesti mitokondrioiden fission ja fuusioitumisen suhteellista lisääntymistä ("fragmentoituminen"), kun taas kuvasuhteen lisääntyminen ("venymä") heijastaa kuvan lisääntymistä. fuusio suhteessa fissioon. Muuttunut kuvasuhde ei kuitenkaan paljasta dysdynamismin taustalla olevaa syytä, eli onko dynaaminen epätasapaino seurausta muuttuneesta fissiosta vai fuusiosta vai molemmista.

Lisäksi mitokondrioiden fragmentoituminen soluissa, joissa on yhteenliitetyt mitokondrioverkostot, kuten fibroblastit, voi olla normaali komponentti mitoosissa ja apoptoosissa [6].

Lopuksi lyhyet, pallomaiset tai "fragmentoidut" mitokondriot ovat normaaleja poikkijuovaisissa lihassoluissa ja hermosolujen aksoneissa [7,8,83]. Mitokondrioiden fuusio/fissioepätasapainon luonne paljastuu parhaiten elävällä solukuvauksella, jossa käytetään joko yhtä mitokondrion fluoroforia ( esim. Mitotracker Red, Green tai Orange), fuusioidut solut, jotka ilmentävät erilaisia ​​mitokondrioihin kohdistettuja fluoresoivia proteiineja (esim. Mito-GFP ja Mito-RFP), tai valolla vaihdettava mitokondriaalinen fluorofori (esim. MitoDendra).

Kun käytetään yhtä fluoroforia, videokonfokaalimikroskopia voi dokumentoida mitokondrioiden fuusio- ja fissiotapahtumat [82].

Kun eri soluryhmät, jotka ilmentävät mitokondrioihin kohdennettua GFP:tä tai RFP:tä, fuusioidaan polyetyleeniglykolin kanssa, on mahdollista kvantifioida mitokondrioiden sekoittuminen fuusiosta ajan funktiona [84].

Tämä sama lähestymistapa on helpompi käyttää valokytkettävää mito-Dendraa [85], mikä mahdollistaa kiinnostuksen kohteena olevien solujen mitokondrioiden osajoukon valonvaihdon vihreästä punaiseen fluoresoivaan, ja yksittäisten mitokondrioiden kohtalosta (eli ovatko ne fuusioitumassa, halkeilevatko ne) , tai kuljetetaan solun sisällä), on arvioitava ajan kuluessa.

Valokuvien vaihtomenetelmä vaatii kuitenkin erikoislaitteita, ja sitä rajoittaa näytekapasiteetti.

Vaikka differentiaalisesti merkittyjen mitokondrioiden staattisten sarjakuvien perusteella on mahdollista päätellä, että osapopulaatioita kuljetetaan solujen sisällä, liikkuvien mitokondrioiden osuuden yksityiskohtainen kvantitatiivinen arviointi vaatii elävissä soluissa tai kudoksissa aikajaksovideomikroskopiaa kymografien luomalla [{{ 1}}].

Laboratoriomme havaitsi tämän olevan mahdollista, kun sitä käytetään sekä in vitro- että ex vivo -valmisteissa. Lisäksi, kuten alla kuvataan, näitä tekniikoita voidaan helposti soveltaa joko geneettisesti manipuloituihin hiiren hermosoluihin tai potilasperäisiin soluihin [25,57].

5. Potilasperäisissä primaarisissa fibroblasteissa on sairauksiin liittyvää epätasapainoa mitokondrioiden fissiossa/fuusiossa

Oli haastavaa suunnitella optimaalinen tutkimusalusta epänormaalin mitokondrioiden fuusion, fission ja liikkuvuuden arvioimiseksi suhteessa niiden yhteyteen ihmisen neurodegeneratiivisiin sairauksiin.

Intuitiivisesti vaikuttaa siltä, ​​että neuronit olisivat paras järjestelmä, mutta primääri-ihmissairaita hermosoluja on vaikea saada, ja iPSC-peräiset neuronit menettävät usein kliinisen sairauden siemenominaisuudet [87,88].

Taustalla olevan geneettisen poikkeavuuden ja mitokondrioiden fenotyypin väliset suhteet määriteltiin laajimmin käyttämällä hiiren geenipoistomenetelmiä.

Joko Mfn1:n tai Mfn2:n ituradan ablaatio on alkiossa tappava [89], mutta hiiren alkioista peräisin olevat fibroblastit paljastivat, että Mfn1- tai Mfn2-deleetion aiheuttama heikentynyt mitokondrioiden fuusio tuottaa mitokondrioiden fragmentoitumista vastustamattoman mitokondrioiden fission kautta; toiminnallinen vajaatoiminta, joka mitataan sisäisen kalvon polarisaation häviämisenä, on toinen seuraus viallisesta mitokondrioiden sisällönvaihdosta [90].

Kun mitokondrioiden dysmorfologiaa verrataan taustalla oleviin geneettisiin syihin, on otettava huomioon erot geenin ablaation välillä, joka kumoaa epäilyttävän proteiinin ilmentymisen ja joka on tavallinen kokeellinen lähestymistapa geneettisen toiminnan menettämisen tutkimiseen verrattuna luonnollisesti esiintyviin funktion menettämiseen liittyviin mutaatioihin, joissa toimintahäiriöinen proteiini ilmentyy ja voi aiheuttaa hallitsevia tukahduttavia vaikutuksia.

Siten Mfn2-geenin heterotsygoottinen ablaatio on hyvin siedetty hiirillä [89], kun taas suurimmalla osalla potilaista, joilla on CMT2A, on yksi mutantti MFN2-alleeli, joka provosoi varhaista etenevää hermoston rappeutumista [53,55]. Tämä ero johtui yksittäisen mutanttialleelin normaalin MFN1- ja MFN2-toiminnan hallitsevasta tukahduttamisesta, mikä voimistaa sen toiminnallisia seurauksia [55–57].

Vastaavasti ihmisen CMT2A-mutanttien siirtogeeninen ilmentyminen hiirissä tiivistää joitakin CMT2-aneuronaalisia fenotyyppejä [57,91]. Normaalien mitofusiinien hallitseva esto ei kuitenkaan ole ainoa mahdollinen selitys eroille geenin poistumisen ja ilmentyneen toiminnan menettämisen mutanttivaikutusten välillä: homotsygoottinen Mfn2 (tai Mfn1) -geenin ablaatio hiirissä ei aiheuta hermoston rappeutumista; se aiheuttaa varhaisen alkion kuolleisuuden [89].

Siten MFN2-geenin annoksen muuttaminen kokeellisella "poistamismenetelmällä" ei ole sama asia kuin MFN2missense-mutaation ilmentäminen.

Tämä voi todellakin olla yleinen biologinen periaate, koska geenin knockdownin Drosophila-mallit ovat suoraviivaista manipulaatiota, joka ei indusoi samaa määrää tai suuruusluokkaa kompensaatiovasteita kuin geneettisten mutanttien ilmentyminen [92].

Yllä olevat havainnot tukevat potilaasta peräisin olevien, autenttisia tauteja tuottavia mutaatioita sisältävien solujen käyttöä hiiren geenipoistosolujen sijaan sairauteen liittyvien mitokondriofenotyyppien tutkivassa arvioinnissa.

Potilasperäisten fibroblastien prototyyppisten mitokondrioiden poikkeavuuksien yhteenveto oli kuitenkin epäjohdonmukaista.

Oheisessa artikkelissa [93] osoitamme, kuinka mitokondrioiden fenotyyppejä voidaan saada aikaan metabolisella stressillä potilaiden ihon fibroblasteissa joistakin, mutta ei kaikista, geneettisistä neurodegeneratiivisista sairauksista.

Lisäksi esittelemme tietoja, jotka tukevat potilasperäisten solualustojen käyttöä mitokondrioohjattujen lääkkeiden yksilölliseen tutkimiseen.

6. Yhteenveto ja päätelmät

Mitokondrioiden dynaamisuus on läsnä kaikkialla, mutta mitokondrioiden fuusion, fission ja liikkuvuuden suhteellinen nopeus ja merkitys vaihtelevat solun morfologian ja aineenvaihdunnan vaatimusten mukaan.

Siten neuroneilla, joilla on korkeat aineenvaihduntavaatimukset ja pitkät aksonit, on ainutlaatuiset dynaamiset profiilit ja ne ovat erityisen herkkiä dynaamisille toimintahäiriöille. Mitokondriofenotyyppejä on vaikea arvioida ihmisen neurodegeneratiivisissa sairauksissa, koska ihmisen hermosoluja ei ole helposti saatavilla.

Aiemmat ja mukana olevat tiedot osoittavat, että viljellyt ihmisen ihon fibroblastit voidaan saada osoittamaan hermostoa rappeutuviin sairauksiin liittyviä mitokondrioiden fuusio-fissiofenotyyppejä pakottamalla mitokondrioiden aineenvaihdunta yksinkertaisella toimenpiteellä korvaamalla glukoosi galaktoosilla elatusaineessa.

Lisäksi samat fibroblastit voidaan ohjelmoida suoraan uudelleen neuroneiksi, jotka säilyttävät mitokondrioiden poikkeavuudet, mukaan lukien dysmotiliteetti, joka on parhaiten mitattu hermosolujen aksoneja.

Ehdotamme, että näiden alustojen integrointi geneettisiin hiirimalleihin, kuten kuvassa 4 on kuvattu, voisi olla tehokas keino arvioida terapeuttisia kandidaatteja monissa geneettisissä hermoston rappeutumistiloissa, joissa esiintyy tyypillisiä mitokondriaalisia poikkeavuuksia, tai eri potilaiden henkilökohtaista lääketieteellistä lähestymistapaa varten.

Tekijän panokset: Conceptualization, GWDII; kirjoitus-alkuperäisen luonnoksen valmistelu, GWDII;kirjoitus-tarkistus ja editointi, GWDII ja XD; valvonta, GWDII; rahoituksen hankinta, GWDII. Kaikki kirjoittajat ovat lukeneet käsikirjoituksen julkaistun version ja hyväksyneet sen.

Rahoitus: Tätä tutkimusta rahoittivat NIH R35135736, R42NS115184 ja Muscular Dystrophy Associationin tutkimusapuraha. APC:tä rahoitti NIH R35135736.

Institutionaalisen arviointilautakunnan lausunto: Ei sovelleta.

Ilmoitettu suostumus: Ei sovelleta.

Tietojen saatavuusilmoitus: Ei sovelleta.

Eturistiriidat: GWD on Philip- ja Sima K. Needlemanin stipendioitu professori Washingtonin yliopistossa St. Louisissa ja Harrington Discovery Instituten entinen Scholar-Innovator -palkinnon saaja.

GWD on Washingtonin yliopiston St. Louisand Mitochondria Emotion, Inc.:n myöntämien ja vireillä olevien patenttien keksijä, jotka kattavat pienimolekyyliset mitofusiiniaktivaattorit, ja on Mitochondria in Motion, Inc:n perustaja, Saint Louisissa sijaitseva biotekniikan tutkimus- ja kehitysyhtiö, joka keskittyy mitokondrioiden salakuljetuksen ja kuntoilun lisääminen hermostoa rappeutuvissa sairauksissa.

Rahoittajalla ei ollut roolia tutkimuksen suunnittelussa; tietojen keräämisessä, analysoinnissa tai tulkinnassa; käsikirjoituksen kirjoittamisessa tai tulosten julkaisupäätöksessä.

Viitteet

1. Lane, N.; Martin, W. Genomin monimutkaisuuden energetiikka. Nature 2010, 467, 929–934. [CrossRef]

2. Gray, MW Mitokondrioiden evoluutio. Cold Spring Harb. Näkökulma. Biol. 2012, 4, a011403. [CrossRef]

3. Mishra, P.; Chan, DC Mitokondrioiden dynamiikka ja periytyminen solun jakautumisen, kehityksen ja taudin aikana. Nat. Rev. Mol. Cell Biol. 2014, 15, 634–646. [CrossRef] [PubMed]

4. Chen, H.; Chan, DC Mitokondrioiden dynamiikka - Fuusio, fissio, liike ja mitofagia - Hermoston rappeumasairauksissa. Hum. Mol. Genet. 2009, 18, R169–176. [CrossRef] [PubMed]

5. Dorn, GW, II. Mitokondrioiden dynamiikan kehittyvät käsitteet. Annu. Rev. Physiol. 2019, 81, 1–17. [CrossRef] [PubMed]

6. Horbay, R.; Bilyy, R. Mitokondrioiden dynamiikka solukierron aikana. Apoptosis 2016, 21, 1327–1335. [CrossRef] [PubMed]

7. Song, M.; Dorn, GW, II. Mitokonfuusio: Dynaamisten tekijöiden ei-kanoninen toiminta sydämen staattisissa mitokondrioissa. CellMetab. 2015, 21, 195–205. [CrossRef]

8. Dorn, GW, II. Mitokondrioiden dynaamisuus ja sydänsairaudet: muodon muuttaminen ja muokkaava muutos. EMBO Mol. Med. 2015, 7, 865–877. [CrossRef]

9. MacAskill, AF; Kittler, JT Mitokondrioiden kuljetuksen ja lokalisoinnin hallinta neuroneissa. Trends Cell Biol. 2010, 20, 102–112.[CrossRef]

10. Sheng, ZH; Cai, Q. Mitokondrioiden kuljetus neuroneissa: Vaikutus synaptiseen homeostaasiin ja hermosolujen rappeutumiseen. Nat. Rev. Neurosci. 2012, 13, 77–93. [CrossRef]

11. Pareyson, D.; Piscosquito, G.; Moroni, I.; Salsano, E.; Zeviani, M. Perifeerinen neuropatia mitokondriohäiriöissä. Lancet Neurol.2013, 12, 1011–1024. [CrossRef]

12. Wai, T.; Langer, T. Mitokondrioiden dynamiikka ja aineenvaihdunnan säätely. Trends Endocrinol. Metab. 2016, 27, 105–117. [CrossRef][PubMed]

For more information:1950477648nn@gamil.com