Mitochondrijų dinaminio elgesio numatymas sergant genetiškai apibrėžtomis neurodegeneracinėmis ligomis 3 dalis

Mitochondrijos nėra nenormalios visose genetinėse neurodegeneracinėse ligose, o mitochondrijų disdinamizmas nebūtinai yra visų neurodegeneracinių būklių, turinčių mitochondrijų anomalijų, dalis.

Mitochondrijos yra ląstelėse esantis organas, kuris daugiausia atsakingas už energijos gamybą ir ląstelių metabolizmą ląstelėse. Pastaraisiais metais atlikti tyrimai parodė, kad mitochondrijų anomalijos gali būti susijusios su atminties praradimu. Tačiau neturėtume per daug jaudintis dėl neigiamo mitochondrijų anomalijų poveikio, nes šiuolaikinis mokslas ir technologijos darosi vis labiau pažengusios, o mitochondrijų anomalijų atsiradimui galime užkirsti kelią įvairiais metodais ir sveikatinimo produktais gyvavimo cikle.

Tyrimas parodė, kad mitochondrijų anomalijos gali būti susijusios su pagyvenusių žmonių atminties praradimu. Taip yra todėl, kad mitochondrijų pažeidimai gali sukelti neuronų pažeidimą ir ląstelių mirtį, taip paveikdami normalią smegenų neuronų funkciją ir sukeldami atminties bei pažinimo sutrikimus. Tačiau tai nereiškia, kad mitochondrijų anomalijos yra pagrindinė atminties praradimo priežastis, nes atminties praradimą gali sukelti ir kiti veiksniai, pavyzdžiui, netinkama mityba, smegenų pažeidimas, senėjimas ir kt.

Kad išvengtume mitochondrijų anomalijų, savo sveikatą galime pagerinti keisdami gyvenimo būdą ir mitybą. Pavyzdžiui, kasdienė mankšta ir tinkama mankšta gali paskatinti mitochondrijų susidarymą, pagerinti organizmo medžiagų apykaitos lygį, palaikyti fizinę sveikatą ir pagerinti atmintį. Be to, dieta taip pat yra svarbus veiksnys. Turėtume reguliariai maitintis, valgyti maistingesnį maistą, pavyzdžiui, vaisius, daržoves ir grūdus, ir vengti daug cukraus ir riebaus maisto.

Be to, saikingai mitochondrijoms apsaugoti galima naudoti tikslinius vaistus. Rinkoje jau yra keletas vaistų, skirtų mitochondrijoms, pavyzdžiui, diuretikai, hipoglikeminiai vaistai, maisto papildai ir kt.

Trumpai tariant, mitochondrijų anomalijos yra susijusios su atminties praradimu, tačiau neturėtume per daug jaudintis, nes mes galime apsaugoti mitochondrijas, pagerinti fizinę sveikatą ir pagerinti atmintį pakeitę savo gyvenimo būdą ir mitybą bei vartodami sveikatos papildus. Aktyviai užkirskime kelią mitochondrijų anomalumams ir juos gerinkime, kad išlaikytume sveiką kūną ir aštrias smegenis. Matyti, kad turime pagerinti atmintį, o Cistanche gali žymiai pagerinti atmintį, nes taip pat gali reguliuoti neuromediatorių pusiausvyrą, pavyzdžiui, padidinti acetilcholino ir augimo faktorių kiekį, kurie yra labai svarbūs atminčiai ir mokymuisi. Be to, Cistanche taip pat gali pagerinti kraujotaką ir skatinti deguonies tiekimą, o tai gali užtikrinti, kad smegenys gautų pakankamai mitybos ir energijos, taip pagerinant smegenų gyvybingumą ir ištvermę.

Norėdami pagerinti atmintį, spustelėkite žinokite papildus

Pavyzdžiui, medžiagų apykaitos sutrikimai aprašyti sergant Alzheimerio demencija [73] – neaiškios ir sudėtingos etiologijos liga, susijusia su ekstraląstelinių amiloidinio peptido sankaupų susidarymu ir mikrovamzdelių tau baltymo neurofibriliniais raizginiais [74].

Pranešti mitochondrijų defektai, įskaitant organų fragmentaciją, yra įvairūs ir nenuoseklūs [73, 75].

Didžiulis įvairių mitochondrijų anomalijų, aprašytų sergant Alzheimerio liga, apimtis glumina išvadas apie tai, ar jie reikšmingai prisideda prie pagrindinės ligos, ar iš esmės yra jos pasekmė.

Priešingai, paveldima Parkinsono liga yra mitochondrijų liga, nes dažniausiai pasitaikančios genetinės Parkinsonizmo formos yra susijusios su genų, koduojančių mitochondrijų PINK1 kinazę (PARK6), kuri inicijuoja mitofagiją, mutacijomis, taip pat pagrindiniu mitofagijos efektoriaus baltymu Parkin (PARK2) [76]. .

Vėlgi, kai kuriuose, bet ne visuose Parkinsono ligos aprašymuose pranešama mitochondrijų fragmentacija [77], greičiausiai dėl heterogeniškumo ir daugiafaktorinės etiologijos.

Galiausiai, Friedreicho ataksija / stuburo smegenų degeneracija yra vienareikšmiškai neurodegeneracinė liga, turinti mitochondrijų etiologiją; autosominis recesyvinis genetinis defektas yra FXN gene, koduojančiame mitochondrijų geležį surišantį baltymą frataksiną.

Mitochondrijų geležies perteklius Friedreicho ataksijoje sutrikdo ATP susidarymą elektronų pernešimo grandinėje ir išprovokuoja pernelyg didelį ROS vystymąsi [78, 79]. Neaišku, ar mitochondrijų dinaminė disfunkcija prisideda prie šios ligos, ar netgi egzistuoja [80].

Kintami mitochondrijų fenotipai sergant neurodegeneracinėmis ligomis ir neapibrėžtumas dėl nenormalios mitochondrijų dinamikos patofiziologinio poveikio pabrėžia analitinių platformų, tiesiogiai susijusių su individualiais žmonėmis, poreikį.

4. Mitochondrijų dinamikos įvertinimas

Lengviausiai gaunami ir akivaizdūs mitochondrijų disdinamijos nenormalios mitochondrijų morfologijos įrodymai statiniuose gyvų arba fiksuotų ląstelių vaizduose, paprastai vaizduose naudojant mitochondrijoms būdingą fluoroforą.

Dažniausiai pranešta mitochondrijų struktūrinė anomalija yra organelių „suskaldymas“ arba struktūrinis sutrumpėjimas, paprastai ir patogiai matuojamas kaip sumažintas kraštinių santykis (ilgis/plotis) [81,82].

Nors „normalus“ mitochondrijų matmenų santykis priklauso ir nuo ląstelės tipo, ir nuo fiziologinės būklės [83], jį išmatuoti konceptualiai ir techniškai nesudėtinga.

Taigi, didelės raiškos vaizduose pastebėtas mitochondrijų formato santykio sumažėjimas (sumažintas ilgis/plotis arba sutrumpėjimas) paprastai atspindi santykinį mitochondrijų dalijimosi ir susiliejimo ("suskaldymas") padidėjimą, o kraštinių santykio padidėjimas ("pailgėjimas") rodo sintezė, palyginti su skilimu. Tačiau pakitęs kraštinių santykis neatskleidžia pagrindinės disdinamizmo priežasties, ty ar dinaminis disbalansas yra pakitusio dalijimosi, ar susiliejimo, ar abiejų pasekmė.

Be to, mitochondrijų suskaidymas ląstelėse, turinčiose tarpusavyje sujungtus mitochondrijų tinklus, pvz., fibroblastus, gali būti normalus mitozės ir apoptozės komponentas [6].

Galiausiai, trumpos, sferinės arba „suskaldytos“ mitochondrijos yra įprastas ruožuotų raumenų ląstelių ir neuronų aksonų rodiklis [7,8,83]. Mitochondrijų sintezės ir (arba) dalijimosi pusiausvyros pobūdį geriausiai atskleidžia gyvų ląstelių vaizdavimas, naudojant vieną mitochondrijų fluoroforą ( pvz., Mitotracker raudona, žalia arba oranžinė), sujungtos ląstelės, ekspresuojančios skirtingus į mitochondrijas nukreiptus fluorescencinius baltymus (pvz., Mito-GFP ir Mito-RFP), arba perjungiamas mitochondrijų fluoroforas (pvz., MitoDendra).

Kai naudojamas vienas fluoroforas, vaizdo konfokalinė mikroskopija gali dokumentuoti mitochondrijų sintezės ir dalijimosi įvykius [82].

Kai skirtingos ląstelių grupės, ekspresuojančios į mitochondrijas nukreiptą GFP arba RFP, suliejamos su polietilenglikoliu, tampa įmanoma kiekybiškai įvertinti mitochondrijų kiekio susimaišymą dėl susiliejimo kaip laiko funkciją [84].

Tas pats metodas yra lengvesnis naudojant foto perjungiamą mito-Dendra [85], leidžiančią dominančiose ląstelėse esančių mitochondrijų pogrupį foto perjungti iš žalios į raudoną fluorescenciją ir atskirų mitochondrijų likimą (ty ar jos susilieja, dalijasi). , arba transportuojamas ląstelėje), turi būti vertinamas laikui bėgant.

Tačiau nuotraukų perjungimo metodui reikalinga speciali įranga ir jį riboja mėginio pralaidumas.

Nors iš serijinių statinių diferencijuotai pažymėtų mitochondrijų vaizdų galima daryti išvadą, kad ląstelėse yra pernešamos subpopuliacijos, norint detaliai kiekybiškai įvertinti judrių mitochondrijų greičio proporciją, reikalinga uždelsto vaizdo mikroskopija gyvose ląstelėse ar audiniuose, generuojant kimografus [{{ 1}}].

Mūsų laboratorija nustatė, kad tai įmanoma, kai taikoma tiek in vitro, tiek ex vivo preparatams. Be to, kaip aprašyta toliau, šie metodai lengvai pritaikomi arba genetiškai manipuliuotiems pelių neuronams, arba iš pacientų gautoms ląstelėms [25,57].

5. Pacientų gauti pirminiai fibroblastai turi su ligomis susijusį mitochondrijų dalijimosi/sintezės disbalansą

Buvo sudėtinga sukurti optimalią tyrimų platformą, skirtą įvertinti nenormalų mitochondrijų sintezę, dalijimąsi ir judrumą, atsižvelgiant į jų ryšį su žmogaus neurodegeneracinėmis ligomis.

Intuityviai atrodo, kad neuronai būtų geriausia sistema, tačiau pirminės žmogaus ligos neuronus sunku gauti, o iPSC gauti neuronai dažnai praranda pagrindines klinikinės ligos savybes [87, 88].

Ryšys tarp pagrindinių genetinių anomalijų ir mitochondrijų fenotipo buvo plačiausiai apibrėžtas naudojant pelės genų pašalinimo metodus.

Mfn1 arba Mfn2 gemalo linijos abliacija yra embrioniškai mirtina [89], tačiau fibroblastai, gauti iš pelių embrionų, atskleidė, kad dėl Mfn1 arba Mfn2 delecijos sutrikusi mitochondrijų susiliejimas sukelia mitochondrijų suskaidymą dėl neprieštaraujančio mitochondrijų dalijimosi; funkcinis sutrikimas, matuojamas kaip vidinės membranos poliarizacijos praradimas, yra dar viena netinkamo mitochondrijų turinio mainų pasekmė [90].

Susiejant mitochondrijų dismorfologiją su pagrindinėmis genetinėmis priežastimis, reikia atsižvelgti į skirtumus tarp genų abliacijos, kuri panaikina įtariamo baltymo ekspresiją ir yra standartinis eksperimentinis metodas tiriant genetinį funkcijos praradimą, palyginti su natūraliai atsirandančiomis funkcijos praradimo mutacijomis, kai ekspresuojamas disfunkcinis baltymas ir gali daryti dominuojantį slopinamąjį poveikį.

Taigi, heterozigotinė Mfn2 geno abliacija yra gerai toleruojama pelėms [89], tuo tarpu dauguma pacientų, sergančių CMT2A, turi vieną mutantinį MFN2 alelį, kuris provokuoja ankstyvą progresuojančią neurodegeneraciją [53, 55]. Šis skirtumas buvo siejamas su dominuojančiu normalaus MFN1 ir MFN2 funkcionavimo slopinimu, kurį sukelia vienas mutantinis alelis, sustiprinantis jo funkcines pasekmes [55–57].

Atitinkamai, transgeninė žmogaus CMT2A mutantų ekspresija pelėse apibendrina kai kuriuos CMT2 aneuroninius fenotipus [57, 91]. Tačiau dominuojantis normalių mitofusinų slopinimas nėra vienintelis galimas paaiškinimas dėl skirtumų tarp genų išmušimo ir išreikšto funkcijos praradimo mutantų efektų: homozigotinė Mfn2 (arba Mfn1) geno abliacija pelėms nesukelia neurodegeneracijos; tai provokuoja ankstyvą embriono mirtingumą [89].

Taigi MFN2 geno dozės keitimas eksperimentiniu „išmušimu“ nėra tas pats, kas išreikšti MFN2missense mutaciją.

Iš tiesų, tai gali būti bendras biologinis principas, nes genų numušimas Drosophila modeliuose yra paprastas manipuliavimas, nesukeliantis tokio paties kiekio ar dydžio kompensacinių reakcijų kaip genetinių mutantų ekspresija [92].

Aukščiau pateiktos pastabos patvirtina, kad su liga susijusių mitochondrijų fenotipų tyrimui įvertinti naudojamos iš pacientų gautos ląstelės, turinčios autentiškas ligas sukeliančias mutacijas, o ne pelių genų išjungimo ląsteles.

Tačiau prototipinių mitochondrijų anomalijų apibendrinimas pacientų gautuose fibroblastuose buvo nenuoseklus.

Papildomame straipsnyje [93] parodome, kaip mitochondrijų fenotipus gali sukelti medžiagų apykaitos stresas pacientų odos fibroblastuose nuo kai kurių, bet ne visų, genetinių neurodegeneracinių ligų.

Be to, pateikiame duomenis, patvirtinančius pacientų gautų ląstelių platformų naudojimą individualizuotam mitochondrijų terapijos tyrimui.

6. Santrauka ir išvados

Mitochondrijų dinamiškumas yra visur, tačiau santykinis mitochondrijų sintezės, dalijimosi ir judrumo greitis ir svarba skiriasi priklausomai nuo ląstelių morfologijos ir medžiagų apykaitos reikalavimų.

Taigi neuronai, kuriems būdingi dideli medžiagų apykaitos reikalavimai ir ilgi aksonai, turi unikalius dinaminius profilius ir yra ypač jautrūs dinaminei disfunkcijai. Mitochondrijų fenotipus sunku įvertinti sergant žmogaus neurodegeneracinėmis ligomis, nes žmogaus neuronai nėra lengvai prieinami.

Ankstesni ir pridedami duomenys rodo, kad kultivuojami žmogaus odos fibroblastai gali būti paskatinti rodyti su neurodegeneracinėmis ligomis susijusius mitochondrijų sintezės ir dalijimosi fenotipus, verčiant mitochondrijų metabolizmą paprastu manevru pakeičiant gliukozę galaktoze auginimo terpėje.

Be to, tuos pačius fibroblastus galima tiesiogiai perprogramuoti į neuronus, kurie išlaiko mitochondrijų anomalijas, įskaitant judrumą, kuris geriausiai išmatuojamas neuroniniuose aksonuose.

Siūlome, kad šių platformų integravimas su genetiniais pelių modeliais, kaip pavaizduota 4 paveiksle, galėtų būti veiksminga priemonė įvertinti kandidatų terapiją esant daugybei genetinių neurodegeneracinių būklių, turinčių būdingų mitochondrijų anomalijų, arba skirtingiems pacientams, siekiant pritaikyti individualizuotą medicinos metodą.

Autoriaus indėlis: Conceptualization, GWDII; rašymas – originalaus juodraščio paruošimas, GWDII; rašymas, peržiūra ir redagavimas, GWDII ir XD; priežiūra, GWDII; finansavimo įsigijimas, GWDII. Visi autoriai perskaitė ir sutiko su paskelbta rankraščio versija.

Finansavimas: Šį tyrimą finansavo NIH R35135736, R42NS115184 ir Raumenų distrofijos asociacijos mokslinių tyrimų stipendija. APC finansavo NIH R35135736.

Institucinės peržiūros tarybos pareiškimas: Netaikoma.

Informuoto sutikimo pareiškimas: Netaikoma.

Duomenų prieinamumo pareiškimas: Netaikoma.

Interesų konfliktai: GWD yra Philipo ir Sima K. Needleman apdovanotas Vašingtono universiteto Sent Luiso profesorius ir buvęs Harringtono atradimų instituto mokslininkas-novatorius.

GWD yra patentų, išduotų ir laukiamų, išradėjas, priklausantis Vašingtono universitetui St. Louisand Mitochondria Emotion, Inc. ir apimantis mažų molekulių mitofuzino aktyvatorius, ir yra Mitochondria in Motion, Inc., Sent Luiso biotechnologijų tyrimų ir plėtros įmonės, kurios pagrindinis dėmesys skiriamas didinant mitochondrijų prekybą ir tinkamumą sergant neurodegeneracinėmis ligomis.

Finansuotojai neturėjo jokio vaidmens kuriant tyrimą; renkant, analizuojant ar interpretuojant duomenis; rašant rankraštį arba priimant sprendimą paskelbti rezultatus.

Nuorodos

1. Lane, N.; Martin, W. Genomo sudėtingumo energetika. Gamta 2010, 467, 929–934. [CrossRef]

2. Gray, MW Mitochondrijų evoliucija. Cold Spring Harbas. Perspektyva. Biol. 2012, 4, a011403. [CrossRef]

3. Mišra, P.; Chan, DC Mitochondrijų dinamika ir paveldėjimas ląstelių dalijimosi, vystymosi ir ligų metu. Nat. Rev. Mol.Cell Biol. 2014, 15, 634–646. [CrossRef] [PubMed]

4. Chen, H.; Chan, DC Mitochondrijų dinamika-Susiliejimas, dalijimasis, judėjimas ir mitofagija- Sergant neurodegeneracinėmis ligomis.Hum. Mol. Genet. 2009, 18, R169–176. [CrossRef] [PubMed]

5. Dorn, GW, II. Besivystančios mitochondrijų dinamikos koncepcijos. Annu. kun. Physiol. 2019, 81, 1–17. [CrossRef] [PubMed]

6. Horbėjus, R.; Bilyy, R. Mitochondrijų dinamika ląstelių ciklo metu. Apoptozė 2016, 21, 1327–1335. [CrossRef] [PubMed]

7. Daina, M.; Dornas, GW, II. Mitokonfuzija: nekanoninis dinamiškumo veiksnių veikimas statinėse širdies mitochondrijose. CellMetab. 2015, 21, 195–205. [CrossRef]

8. Dornas, GW, II. Mitochondrijų dinamiškumas ir širdies ligos: keičiasi forma ir formuojasi pokyčiai. EMBO Mol. Med. 2015, 7, 865–877. [CrossRef]

9. MacAskill, AF; Kittler, JT Mitochondrijų transportavimo ir lokalizacijos neuronuose kontrolė. Trends Cell Biol. 2010, 20, 102–112.[CrossRef]

10. Sheng, ZH; Cai, Q. Mitochondrijų transportas neuronuose: poveikis sinapsinei homeostazei ir neurodegeneracijai. Nat. Rev.Neurosci. 2012, 13, 77–93. [CrossRef]

11. Pareyson, D.; Piscosquito, G.; Moronis, I.; Salsano, E.; Zeviani, M. Periferinė neuropatija mitochondrijų sutrikimuose. Lancet Neurol.2013, 12, 1011–1024. [CrossRef]

12. Wai, T.; Langer, T. Mitochondrial Dynamics and Metabolic Regulation. Endokrinolio tendencijos. Metab. 2016, 27, 105–117. [CrossRef][PubMed]

For more information:1950477648nn@gamil.com