Predpovedanie mitochondriálneho dynamického správania pri geneticky definovaných neurodegeneratívnych ochoreniach, časť 3

Mitochondrie nie sú abnormálne pri všetkých genetických neurodegeneratívnych ochoreniach a mitochondriálny dysdynamizmus nie je nevyhnutne súčasťou všetkých neurodegeneratívnych stavov, ktoré vykazujú mitochondriálne abnormality.

Mitochondrie sú orgán v bunkách, ktorý je zodpovedný hlavne za produkciu energie a bunkový metabolizmus v bunkách. V posledných rokoch štúdie zistili, že mitochondriálne abnormality môžu súvisieť so stratou pamäti. Negatívnymi vplyvmi mitochondriálnych abnormalít by sme sa však nemali príliš obávať, pretože moderná veda a technika sú čoraz pokročilejšie a my môžeme zabrániť výskytu mitochondriálnych abnormalít rôznymi metódami a zdravotnými produktmi v životnom cykle.

Štúdia zistila, že mitochondriálne abnormality môžu súvisieť so stratou pamäti u starších ľudí. Je to preto, že poškodenie mitochondrií môže spôsobiť poškodenie neurónov a bunkovú smrť, čím ovplyvňuje normálnu funkciu mozgových neurónov a vedie k poruchám pamäti a kognitívnych funkcií. To však neznamená, že mitochondriálne abnormality sú hlavnou príčinou straty pamäte, pretože strata pamäte môže byť spôsobená aj inými faktormi, ako je podvýživa, poškodenie mozgu, starnutie atď.

Aby sme predišli mitochondriálnym abnormalitám, môžeme zlepšiť svoje zdravie zmenou životného štýlu a stravovania. Napríklad každodenné cvičenie a správne cvičenie môže podporiť tvorbu mitochondrií, zlepšiť metabolickú úroveň tela, udržať fyzické zdravie a zlepšiť pamäť. Okrem toho je dôležitým faktorom aj strava. Mali by sme mať pravidelnú stravu, jesť výživnejšie potraviny ako ovocie, zeleninu a obilniny a dbať na to, aby sme sa vyhýbali jedlám s vysokým obsahom cukru a tukov.

Okrem toho sa na ochranu mitochondrií môžu použiť cielené lieky s mierou. Na trhu sú už niektoré lieky zamerané na mitochondrie, ako sú diuretiká, hypoglykemické lieky, výživové doplnky atď.

Stručne povedané, mitochondriálne abnormality sú spojené so stratou pamäti, ale nemali by sme sa príliš obávať, pretože môžeme chrániť mitochondrie, zlepšiť fyzické zdravie a zlepšiť pamäť zmenou životného štýlu a stravy a používaním doplnkov výživy. Aktívne predchádzame a zdokonaľme mitochondriálne abnormality, aby sme si udržali zdravé telo a bystrý mozog. Je vidieť, že potrebujeme zlepšiť pamäť a Cistanche dokáže výrazne zlepšiť pamäť, pretože dokáže regulovať aj rovnováhu neurotransmiterov, ako je zvýšenie hladín acetylcholínu a rastových faktorov, ktoré sú veľmi dôležité pre pamäť a učenie. Okrem toho môže Cistanche tiež zlepšiť prietok krvi a podporiť dodávku kyslíka, čo môže zabezpečiť, aby mozog získal dostatočnú výživu a energiu, čím sa zlepší mozgová vitalita a vytrvalosť.

Kliknite na vedieť doplnky na zlepšenie pamäte

Napríklad metabolické abnormality sú opísané pri Alzheimerovej demencii [73], chorobe neistej a komplexnej etiológie spojenej s tvorbou extracelulárnych depozitov -amyloidného peptidu a neurofibrilárnych spletí mikrotubulárneho proteínu tau [74].

Hlásené mitochondriálne defekty, ktoré zahŕňajú fragmentáciu organel, sú rôzne a nekonzistentné [73,75].

Samotný rozsah rôznych mitochondriálnych abnormalít opísaných pri Alzheimerovej chorobe mätie závery o tom, či zmysluplným spôsobom prispievajú k primárnemu ochoreniu alebo sú z veľkej časti dôsledkom primárneho ochorenia.

Naproti tomu dedičná Parkinsonova choroba je ochorenie mitochondrií, pretože najbežnejšie genetické formy parkinsonizmu sú spojené s mutáciami génov kódujúcich mitochondriálnu PINK1 kinázu (PARK6), ktorá iniciuje mitofágiu, ako aj s hlavným efektorovým proteínom Parkin (PARK2) [76]. .

Mitochondriálna fragmentácia sa opäť uvádza v niektorých, ale nie vo všetkých opisoch Parkinsonovej choroby [77], pravdepodobne kvôli heterogenite a multifaktoriálnej etiológii.

Nakoniec, Friedreichova ataxia/spinocerebellardegenerácia je jednoznačne neurodegeneratívne ochorenie s mitochondriálnou etiológiou; autozomálne recesívny genetický defekt je v géne FXN, ktorý kóduje mitochondriálny proteín viažuci železo, frataxín.

Preťaženie mitochondriálnym železom vo Friedreichovej ataxii ohrozuje tvorbu ATP elektrónovým transportným reťazcom a vyvoláva nadmernú ROSelaboráciu [78,79]. Nie je jasné, či mitochondriálna dynamická dysfunkcia prispieva, alebo dokonca existuje, k tomuto ochoreniu [80].

Variabilné mitochondriálne fenotypy pri neurodegeneratívnych ochoreniach a neistota, pokiaľ ide o patofyziologický vplyv abnormálnej mitochondriálnej dynamiky, zdôrazňujú potrebu analytických platforiem priamo relevantných pre jednotlivých ľudských pacientov.

4. Hodnotenie mitochondriálnej dynamiky

Najľahšie získaný a zjavný dôkaz abnormálnej mitochondriálnej morfológie mitochondriálnej dysdynamie v statických obrazoch živých alebo fixovaných buniek, typicky zobrazovaných mitochondriálne špecifickým fluorofórom.

Najčastejšie uvádzanou mitochondriálnou štrukturálnou abnormalitou je „fragmentácia“ alebo štrukturálne skrátenie organel, ktoré sa bežne a bežne meria ako znížený pomer strán (dĺžka/šírka) [81,82].

Hoci „normálny“ pomer strán mitochondrií závisí od typu bunky aj od fyziologického stavu [83], jeho meranie je koncepčne a technicky jednoduché.

Pokles mitochondriálneho pomeru strán pozorovaný na obrázkoch s vysokým rozlíšením (redukovaná dĺžka/šírka alebo skrátenie) teda typicky odráža relatívne zvýšenie mitochondriálneho štiepenia na fúziu ("fragmentácia"), zatiaľ čo zvýšenie pomeru strán ("predĺženie") odráža zvýšenie fúzie vo vzťahu k štiepeniu. Zmenený pomer strán však neodhaľuje základnú príčinu dysdynamie, tj či je dynamická nerovnováha dôsledkom zmeneného štiepenia alebo fúzie, alebo oboch.

Navyše fragmentácia mitochondrií v bunkách, ktoré majú prepojené mitochondriálne siete, ako sú fibroblasty, môže byť normálnou súčasťou mitózy a apoptózy [6].

Napokon, krátke, sférické alebo „fragmentované“ mitochondrie sú normou v priečne pruhovaných svalových bunkách a neurónových axónoch [7,8,83]. Povaha nerovnováhy mitochondriálnej fúzie/štiepenia sa najlepšie odhalí zobrazením živých buniek, pričom sa použije jeden mitochondriálny fluorofór ( napr. Mitotracker Red, Green alebo Orange), fúzované bunky exprimujúce rôzne mitochondriálne cielené fluorescenčné proteíny (napr. Mito-GFP a Mito-RFP) alebo foto-prepínateľný mitochondriálny fluorofór (napr. MitoDendra).

Pri použití jediného fluorofóru môže videokonfokálna mikroskopia dokumentovať udalosti mitochondriálnej fúzie a štiepenia [82].

Keď sú rôzne skupiny buniek exprimujúce mitochondriálne cielený GFP alebo RFP fúzované s polyetylénglykolom, je možné kvantifikovať miešanie obsahu mitochondrií z fúzie ako funkciu času [84].

Rovnaký prístup je jednoduchší s použitím fotoprepínateľných mito-Dendra [85], čo umožňuje podskupinu mitochondrií v bunkách, ktoré nás zaujímajú, fotoprepnúť zo zelenej na červenú fluoreskujúcu a osud jednotlivých mitochondrií (t. j. či sa spájajú, podstupujú štiepenie alebo transportované v rámci bunky), ktoré sa má posúdiť v priebehu času.

Prístup na prepínanie fotografií si však vyžaduje špeciálne vybavenie a je obmedzený množstvom vzoriek.

Aj keď je možné zo sériových statických obrázkov rozdielne označených mitochondrií odvodiť, že subpopulácie sa transportujú v rámci buniek, podrobné kvantitatívne posúdenie pomeru ako rýchlosti pohyblivých mitochondrií si vyžaduje časozbernú videomikroskopiu v živých bunkách alebo tkanive s generovaním kymografov [{{ 1}}].

Naše laboratórium zistilo, že je to možné pri aplikácii na prípravky in vitro aj ex vivo. Navyše, ako je opísané nižšie, tieto techniky sa dajú ľahko použiť buď na geneticky manipulované myšie neuróny, alebo na bunky získané od pacienta [25,57].

5. Primárne fibroblasty odvodené od pacienta vykazujú nerovnováhu súvisiacu s ochorením v mitochondriálnom štiepení/fúzii

Bolo náročné navrhnúť optimálnu výskumnú platformu na vyhodnotenie abnormálnej mitochondriálnej fúzie, štiepenia a motility vis a vis ich vzťahu k ľudským neurodegeneratívnym ochoreniam.

Intuitívne sa zdá, že najlepším systémom by boli neuróny, ale neuróny s primárnym ľudským ochorením sa ťažko získavajú a neuróny odvodené od iPSC často strácajú semenné charakteristiky klinického ochorenia [87,88].

Vzťahy medzi základnou genetickou abnormalitou a mitochondriálnym fenotypom boli najrozsiahlejšie definované pomocou prístupov knockout myších génov.

Zárodočná ablácia buď Mfn1 alebo Mfn2 je embryonálne letálna [89], ale fibroblasty odvodené z myších embryí odhalili, že narušená mitochondriálna fúzia spôsobená deléciou Mfn1 alebo Mfn2 spôsobuje mitochondriálnu fragmentáciu prostredníctvom neoponovaného mitochondriálneho štiepenia; funkčné poškodenie merané ako strata polarizácie vnútornej membrány je ďalším dôsledkom defektnej výmeny mitochondriálneho obsahu [90].

Pri spájaní mitochondriálnej dysmorfológie so základnými genetickými príčinami je potrebné vziať do úvahy rozdiely medzi génovou abláciou, ktorá ruší expresiu podozrivého proteínu a je štandardným experimentálnym prístupom k štúdiu genetickej straty funkcie oproti prirodzene sa vyskytujúcim mutáciám straty funkcie, pri ktorých je exprimovaný a môže byť dysfunkčný proteín. prejavujú dominantné supresívne účinky.

Heterozygotná ablácia génu Mfn2 je teda u myší dobre tolerovaná [89], zatiaľ čo väčšina pacientov s CMT2A má jedinú mutantnú alelu MFN2, ktorá vyvoláva skorú progresívnu neurodegeneráciu [53,55]. Tento rozdiel sa pripisoval dominantnej supresii normálneho fungovania MFN1 a MFN2 jedinou mutantnou alelou, čím sa zosilňovali jej funkčné dôsledky [55–57].

V súlade s tým transgénna expresia ľudských CMT2A mutantov u myší rekapituluje niektoré CMT2Aneuronálne fenotypy [57,91]. Dominantná inhibícia normálnych mitofusínov však nie je jediným možným vysvetlením rozdielov medzi génovým knockoutom a exprimovanými mutantnými účinkami straty funkcie: homozygotná ablácia génu Mfn2 (alebo Mfn1) u myší neindukuje neurodegeneráciu; vyvoláva skorú embryonálnu letalitu [89].

Zmena dávky génu MFN2 experimentálnym "knockoutom" teda nie je rovnaká ako expresia mutácie MFN2missense.

V skutočnosti to môže byť všeobecný biologický princíp, pretože génový knockdown v modeloch Drosophila je priama manipulácia, ktorá neindukuje rovnaké množstvo alebo veľkosť kompenzačných reakcií ako expresia genetických mutantov [92].

Vyššie uvedené pozorovania podporujú použitie buniek odvodených od pacienta, ktoré nesú mutácie produkujúce autentické ochorenie, a nie bunky knockout myších génov, na výskumné hodnotenie mitochondriálnych fenotypov súvisiacich s ochorením.

Avšak rekapitulácia prototypických mitochondriálnych abnormalít vo fibroblastoch získaných od pacienta bola nekonzistentná.

V sprievodnom článku [93] demonštrujeme, ako môžu byť mitochondriálne fenotypy vyvolané metabolickým stresom v dermálnych fibroblastoch pacienta z niektorých, ale nie všetkých genetických neurodegeneratívnych ochorení.

Okrem toho uvádzame údaje podporujúce použitie buniek získaných od pacienta ako platforiem na individualizované vyšetrenie mitochondriálne zameraných terapeutík.

6. Zhrnutie a závery

Mitochondriálna dynamika je všadeprítomná, ale relatívne rýchlosti a dôležitosť mitochondriálnej fúzie, štiepenia a motility sa líšia v závislosti od morfológie buniek a metabolických požiadaviek.

Neuróny s vysokými metabolickými požiadavkami a dlhými axónmi majú teda jedinečné dynamické profily a sú obzvlášť náchylné na dynamickú dysfunkciu. Mitochondriálne fenotypy sa ťažko hodnotia pri ľudských neurodegeneratívnych ochoreniach, pretože ľudské neuróny nie sú ľahko dostupné.

Predchádzajúce a sprievodné údaje ukazujú, že kultivované ľudské dermálne fibroblasty môžu byť indukované tak, aby vykazovali fenotypy mitochondriálnej fúzie a štiepenia súvisiace s neurodegeneratívnym ochorením vynútením mitochondriálneho metabolizmu prostredníctvom jednoduchého manévru nahradenia glukózy galaktózou v kultivačnom médiu.

Okrem toho môžu byť rovnaké fibroblasty priamo preprogramované na neuróny, ktoré si zachovávajú mitochondriálne abnormality, vrátane dysmotility, ktorá sa najlepšie meria v neuronálnych axónoch.

Navrhujeme, že integrácia týchto platforiem s genetickými myšacími modelmi, ako je znázornené na obrázku 4, by mohla byť účinným prostriedkom na hodnotenie kandidátskych terapeutík v množstve genetických neurodegeneratívnych stavov vykazujúcich charakteristické mitochondriálne abnormality alebo u rôznych pacientov pre prístup personalizovanej medicíny.

Autorské príspevky: Conceptualization, GWDII; písanie - príprava pôvodného návrhu, GWDII; písanie - kontrola a úprava, GWDII a XD; dohľad, GWDII; získanie financovania, GWDII. Všetci autori si prečítali publikovanú verziu rukopisu a súhlasili s ňou.

Financovanie: Tento výskum financovali NIH R35135736, R42NS115184 a výskumný grant od Asociácie svalovej dystrofie. APC bola financovaná NIH R35135736.

Vyhlásenie inštitucionálnej revíznej rady: Neuplatňuje sa.

Vyhlásenie o informovanom súhlase: Neuplatňuje sa.

Vyhlásenie o dostupnosti údajov: Neuplatňuje sa.

Konflikty záujmov: GWD je profesorom Philip- a Sima K. Needleman na Washingtonskej univerzite v St. Louis a bývalým držiteľom ceny Scholar-Innovator z Harrington Discovery Institute.

GWD je vynálezcom patentov vydaných a čakajúcich na schválenie, ktoré vlastní Washingtonská univerzita v St. Louis a Mitochondria Emotion, Inc. zahŕňajúce aktivátory mitofusínu s malou molekulou a je zakladateľom spoločnosti Mitochondria in Motion, Inc., biotechnologickej výskumnej a vývojovej spoločnosti so sídlom v Saint Louis, ktorá sa zameriava na posilnenie mitochondriálneho obchodovania a kondície pri neurodegeneratívnych ochoreniach.

Investori nemali žiadnu úlohu pri navrhovaní štúdie; pri zbere, analýzach alebo interpretácii údajov; pri písaní rukopisu alebo pri rozhodnutí o zverejnení výsledkov.

Referencie

1. Lane, N.; Martin, W. Energetika zložitosti genómu. Príroda 2010, 467, 929–934. [CrossRef]

2. Gray, MW mitochondriálna evolúcia. Cold Spring Harb. Perspektíva. Biol. 2012, 4, a011403. [CrossRef]

3. Mishra, P.; Chan, DC Mitochondriálna dynamika a dedičnosť počas bunkového delenia, vývoja a choroby. Nat. Mol.Cell Biol. 2014, 15, 634–646. [CrossRef] [PubMed]

4. Chen, H.; Chan, DC Mitochondriálna dynamika-Fúzia, štiepenie, pohyb a mitofágia-Pri neurodegeneratívnych ochoreniach.Hum. Mol. Genet. 2009, 18, R169–R176. [CrossRef] [PubMed]

5. Dorn, GW, II. Vyvíjajúce sa koncepty mitochondriálnej dynamiky. Annu. Physiol. 2019, 81, 1–17. [CrossRef] [PubMed]

6. Horbay, R.; Bilyy, R. Mitochondriálna dynamika počas bunkového cyklu. Apoptóza 2016, 21, 1327–1335. [CrossRef] [PubMed]

7. Pieseň, M.; Dorn, GW, II. Mitokonfúzia: Nekanonické fungovanie faktorov dynamiky v statických mitochondriách srdca. CellMetab. 2015, 21, 195–205. [CrossRef]

8. Dorn, GW, II. Mitochondriálny dynamizmus a srdcové choroby: Zmena tvaru a zmena tvaru. EMBO Mol. Med. 2015, 7,865–877. [CrossRef]

9. MacAskill, AF; Kittler, JT Kontrola mitochondriálneho transportu a lokalizácie v neurónoch. Trends Cell Biol. 2010, 20, 102 – 112.[CrossRef]

10. Sheng, ZH; Cai, Q. Mitochondriálny transport v neurónoch: Vplyv na synaptickú homeostázu a neurodegeneráciu. Nat. Rev. Neurosci. 2012, 13, 77–93. [CrossRef]

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

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

For more information:1950477648nn@gamil.com