Het voorspellen van mitochondriaal dynamisch gedrag bij genetisch gedefinieerde neurodegeneratieve ziekten Deel 3

Mitochondriën zijn niet abnormaal bij alle genetische neurodegeneratieve ziekten, en mitochondriale dysdynamiek is niet noodzakelijkerwijs een onderdeel van alle neurodegeneratieve aandoeningen die mitochondriale afwijkingen vertonen.

Mitochondria zijn een orgaan in cellen dat voornamelijk verantwoordelijk is voor de energieproductie en het celmetabolisme in cellen. Uit onderzoek is de afgelopen jaren gebleken dat mitochondriale afwijkingen mogelijk verband houden met geheugenverlies. We moeten ons echter niet al te veel zorgen maken over de negatieve effecten van mitochondriale afwijkingen, omdat de moderne wetenschap en technologie steeds geavanceerder worden en we het optreden van mitochondriale afwijkingen kunnen voorkomen door middel van verschillende methoden en gezondheidsproducten in de levenscyclus.

Uit een onderzoek is gebleken dat mitochondriale afwijkingen mogelijk verband houden met geheugenverlies bij ouderen. Dit komt omdat mitochondriale schade neuronale schade en celdood kan veroorzaken, waardoor de normale functie van hersenneuronen wordt aangetast en kan leiden tot geheugen- en cognitieve stoornissen. Dit betekent echter niet dat mitochondriale afwijkingen de hoofdoorzaak zijn van geheugenverlies, omdat geheugenverlies ook door andere factoren kan worden veroorzaakt, zoals ondervoeding, hersenbeschadiging, veroudering, enz.

Om mitochondriale afwijkingen te voorkomen, kunnen we onze gezondheid verbeteren door onze levensstijl en voeding te veranderen. Dagelijkse lichaamsbeweging en goede lichaamsbeweging kunnen bijvoorbeeld de aanmaak van mitochondriën bevorderen, het metabolische niveau van het lichaam verbeteren, de lichamelijke gezondheid behouden en het geheugen verbeteren. Daarnaast is voeding ook een belangrijke factor. We moeten een regelmatig dieet volgen, voedzamer voedsel eten, zoals fruit, groenten en granen, en aandacht besteden aan het vermijden van voedsel met veel suiker en vet.

Bovendien kunnen gerichte medicijnen worden gebruikt om de mitochondriën met mate te beschermen. Er zijn al enkele medicijnen op de markt die zich richten op de mitochondriën, zoals diuretica, hypoglycemische medicijnen, voedingssupplementen, enz.

Kortom, mitochondriale afwijkingen worden in verband gebracht met geheugenverlies, maar we moeten ons niet al te veel zorgen maken omdat we de mitochondriën kunnen beschermen, de lichamelijke gezondheid kunnen verbeteren en het geheugen kunnen verbeteren door onze levensstijl en ons dieet te veranderen en gezondheidssupplementen te gebruiken. Laten we mitochondriale afwijkingen actief voorkomen en verbeteren om een ​​gezond lichaam en scherpe hersenen te behouden. Het is duidelijk dat we het geheugen moeten verbeteren, en Cistanche kan het geheugen aanzienlijk verbeteren omdat het ook de balans van neurotransmitters kan reguleren, zoals het verhogen van de niveaus van acetylcholine en groeifactoren, die erg belangrijk zijn voor het geheugen en het leren. Bovendien kan Cistanche ook de bloedstroom verbeteren en de zuurstoftoevoer bevorderen, wat ervoor kan zorgen dat de hersenen voldoende voeding en energie krijgen, waardoor de vitaliteit en het uithoudingsvermogen van de hersenen worden verbeterd.

Klik op supplementen kennen om het geheugen te verbeteren

Metabolische afwijkingen worden bijvoorbeeld beschreven bij de ziekte van Alzheimer [73], een ziekte met een onzekere en complexe etiologie die verband houdt met de vorming van extracellulaire afzettingen van amyloïde peptide en neurofibrillaire kluwens van microtubulair tau-eiwit [74].

Gerapporteerde mitochondriale defecten, waaronder organellefragmentatie, zijn gevarieerd en inconsistent [73,75].

Alleen al de reikwijdte van de verschillende mitochondriale afwijkingen die bij de ziekte van Alzheimer worden beschreven, verwart de conclusies over de vraag of ze op een zinvolle manier bijdragen aan, of grotendeels een gevolg zijn van, de primaire ziekte.

De erfelijke ziekte van Parkinson is daarentegen een ziekte van de mitochondriën, omdat de meest voorkomende genetische vormen van parkinsonisme gekoppeld zijn aan mutaties van genen die coderen voor mitochondriaal PINK1-kinase (PARK6) dat mitofagie initieert, evenals aan het belangrijkste mitofagische effectoreiwit, Parkin (PARK2) [76]. .

Opnieuw wordt mitochondriale fragmentatie gerapporteerd in sommige, maar niet alle, beschrijvingen van de ziekte van Parkinson [77], waarschijnlijk vanwege heterogeniteit en multifactoriële etiologie.

Ten slotte is de ataxie/spinocerebellaire degeneratie van Friedreich ondubbelzinnig een neurodegeneratieve ziekte met een mitochondriale etiologie; het autosomaal recessieve genetische defect bevindt zich in het FXN-gen dat codeert voor het mitochondriale ijzerbindende eiwit, frataxine.

Mitochondriale ijzerstapeling bij de ataxie van Friedreich compromitteert de vorming van ATP door de elektronentransportketen en veroorzaakt overmatige ROSelaboratie [78,79]. Het is niet duidelijk of de dynamische dysfunctie van de mitochondriën bijdraagt ​​aan of zelfs bestaat bij deze ziekte [80].

Variabele mitochondriale fenotypes bij neurodegeneratieve ziekten en onzekerheid over de pathofysiologische impact van abnormale mitochondriale dynamiek benadrukken de behoefte aan analytische platforms die direct relevant zijn voor individuele menselijke patiënten.

4. Evaluatie van de mitochondriale dynamiek

Het gemakkelijkst verkregen en voor de hand liggende bewijs voor mitochondriale dysdynamiek is een abnormale mitochondriale morfologie in statische beelden van levende of gefixeerde cellen, meestal afgebeeld met een mitochondriaal-specifieke fluorofoor.

De meest gerapporteerde structurele afwijking in de mitochondriën is ‘fragmentatie’ of structurele verkorting van de organellen, conventioneel en gemakkelijk gemeten als verminderde aspectverhouding (lengte/breedte) [81,82].

Hoewel de ‘normale’ mitochondriale aspectverhouding zowel afhangt van het celtype als van de fysiologische status [83], is het meten ervan conceptueel en technisch eenvoudig.

Een afname van de mitochondriale aspectverhouding die wordt waargenomen in beelden met een hoge resolutie (verminderde lengte/breedte of verkorting) weerspiegelt doorgaans een relatieve toename van de mitochondriale splijting tot fusie ("fragmentatie"), terwijl een toename van de aspectverhouding ("verlenging") een toename weerspiegelt van de mitochondriale beeldverhouding ("fragmentatie"). fusie ten opzichte van splijting. De gewijzigde aspectverhouding onthult echter niet de onderliggende oorzaak van de dysdynamiek, dat wil zeggen of de dynamische onbalans het gevolg is van gewijzigde splijting, of fusie, of beide.

Bovendien kan fragmentatie van mitochondria in cellen met onderling verbonden mitochondriale netwerken, zoals fibroblasten, een normaal onderdeel zijn van mitose en apoptose [6].

Ten slotte zijn korte, bolvormige of ‘gefragmenteerde’ mitochondriën de norm in dwarsgestreepte spiercellen en neuronale axonen [7,8,83]. De aard van het onevenwicht in de fusie/splijting van de mitochondriën kan het beste worden onthuld door live celbeeldvorming, waarbij gebruik wordt gemaakt van een enkele mitochondriale fluorofoor ( bijvoorbeeld Mitotracker rood, groen of oranje), gefuseerde cellen die verschillende op mitochondriën gerichte fluorescerende eiwitten tot expressie brengen (bijvoorbeeld Mito-GFP en Mito-RFP), of een foto-schakelbare mitochondriale fluorofoor (bijvoorbeeld MitoDendra).

Wanneer een enkele fluorofoor wordt gebruikt, kan videoconfocale microscopie mitochondriale fusie- en splijtingsgebeurtenissen documenteren [82].

Wanneer verschillende groepen cellen die op mitochondriën gericht GFP of RFP tot expressie brengen, worden gefuseerd met polyethyleenglycol, wordt het mogelijk om de vermenging van de mitochondria-inhoud door fusie te kwantificeren als een functie van de tijd [84].

Deze zelfde aanpak is gemakkelijker met behulp van foto-schakelbare mito-Dendra [85], waardoor een subset van mitochondriën in de cellen van belang foto-geschakeld kan worden van groen naar rood fluorescerend, en het lot van individuele mitochondriën (dat wil zeggen, of ze aan het fuseren zijn, splijting ondergaan) of binnen de cel worden getransporteerd) om in de loop van de tijd te worden beoordeeld.

De foto-switching-aanpak vereist echter speciale apparatuur en wordt beperkt door de monsterdoorvoer.

Hoewel het mogelijk is om uit seriële statische beelden van differentieel gelabelde mitochondriën af te leiden dat subpopulaties binnen cellen worden getransporteerd, vereist een gedetailleerde kwantitatieve beoordeling van de verhouding als de snelheid van beweeglijke mitochondriën time-lapse videomicroscopie in levende cellen of weefsel met het genereren van kymografen [{{ 1}}].

Ons laboratorium vond dat dit haalbaar was wanneer het werd toegepast op zowel in vitro als ex vivo preparaten. Bovendien kunnen deze technieken, zoals hieronder beschreven, gemakkelijk worden toegepast op genetisch gemanipuleerde muisneuronen of op cellen afkomstig van de patiënt [25,57].

5. Van de patiënt afkomstige primaire fibroblasten vertonen ziektegerelateerde onevenwichtigheden in mitochondriale fissie/fusie

Het was een uitdaging om een ​​optimaal onderzoeksplatform te bedenken om abnormale mitochondriale fusie, splijting en motiliteit te evalueren in relatie tot hun relatie met menselijke neurodegeneratieve ziekten.

Intuïtief lijkt het erop dat neuronen het beste systeem zouden zijn, maar primaire door de mens zieke neuronen zijn moeilijk te verkrijgen, en van iPSC afgeleide neuronen verliezen vaak de kenmerken van de klinische ziekte [87,88].

De relaties tussen onderliggende genetische afwijkingen en het mitochondriale fenotype werden het meest uitgebreid gedefinieerd met behulp van knock-outbenaderingen van muizengenen.

Kiemlijnablatie van Mfn1 of Mfn2 is embryonaal dodelijk [89], maar fibroblasten afkomstig van muizenembryo's onthulden dat verstoorde mitochondriale fusie veroorzaakt door Mfn1- of Mfn2-deletie mitochondriale fragmentatie veroorzaakt door ongehinderde mitochondriale splijting; functionele stoornissen gemeten als een verlies van polarisatie van het binnenmembraan is een ander gevolg van een defecte uitwisseling van mitochondriale inhoud [90].

Wanneer men de mitochondriale dysmorfologie relateert aan onderliggende genetische oorzaken, moet men rekening houden met de verschillen tussen genablatie die de expressie van het verdachte eiwit opheft en een standaard experimentele benadering is voor het bestuderen van genetisch functieverlies, versus natuurlijk voorkomende functieverliesmutaties waarbij een disfunctioneel eiwit tot expressie wordt gebracht. dominante onderdrukkende effecten uitoefenen.

Derhalve wordt heterozygote ablatie van het Mfn2-gen goed verdragen door muizen [89], terwijl de meerderheid van de patiënten met CMT2A één enkel mutant MFN2-allel heeft dat vroege progressieve neurodegeneratie veroorzaakt [53,55]. Dit verschil werd toegeschreven aan de dominante onderdrukking van het normale functioneren van MFN1 en MFN2 door het enkele mutante allel, waardoor de functionele gevolgen ervan werden versterkt [55-57].

Dienovereenkomstig recapituleert de transgene expressie van menselijke CMT2A-mutanten in muizen enkele CMT2-aneuronale fenotypes [57,91]. Dominante remming van normale mitofusines is echter niet de enige mogelijke verklaring voor verschillen tussen gen-knock-out en uitgedrukte functieverlies van functie-mutanteffecten: homozygote Mfn2 (of Mfn1) genablatie bij muizen induceert geen neurodegeneratie; het veroorzaakt vroege embryonale dodelijkheid [89].

Het veranderen van de MFN2-gendosering door experimentele "knock-out" is dus niet hetzelfde als het tot expressie brengen van een MFN2missense-mutatie.

Dit kan inderdaad een algemeen biologisch principe zijn, aangezien gen-knockdown in Drosophila-modellen een eenvoudige manipulatie is die niet dezelfde hoeveelheid of omvang van compenserende reacties induceert als de expressie van genetische mutanten [92].

De bovenstaande observaties ondersteunen het gebruik van van de patiënt afkomstige cellen die authentieke ziekteproducerende mutaties dragen, in plaats van knock-outcellen van muizengenen, voor de onderzoeksevaluatie van ziektegerelateerde mitochondriale fenotypes.

De recapitulatie van prototypische mitochondriale afwijkingen in van de patiënt afkomstige fibroblasten was echter inconsistent.

In een begeleidend artikel [93] laten we zien hoe mitochondriale fenotypes kunnen worden opgeroepen door metabolische stress in dermale fibroblasten van patiënten van sommige, maar niet alle, genetische neurodegeneratieve ziekten.

Bovendien presenteren we gegevens die het gebruik van van patiënten afkomstige cellas-platforms ondersteunen voor geïndividualiseerd onderzoek van mitochondriaal gerichte therapieën.

6. Samenvatting en conclusies

Mitochondriale dynamiek is alomtegenwoordig, maar de relatieve snelheid en het belang van mitochondriale fusie, splijting en motiliteit verschillen afhankelijk van de celmorfologie en metabolische vereisten.

Neuronen met hoge metabolische vereisten en lange axonen hebben dus unieke dynamische profielen en zijn bijzonder gevoelig voor dynamische disfunctie. Mitochondriale fenotypes zijn moeilijk te evalueren bij menselijke neurodegeneratieve ziekten omdat menselijke neuronen niet direct beschikbaar zijn.

Eerdere en begeleidende gegevens tonen aan dat gekweekte menselijke dermale fibroblasten kunnen worden geïnduceerd om neurodegeneratieve ziektegerelateerde mitochondriale fusie-splijtingsfenotypes te vertonen door het mitochondriaal metabolisme te forceren door de eenvoudige manoeuvre van het vervangen van galactose door glucose in het kweekmedium.

Bovendien kunnen dezelfde fibroblasten direct worden geherprogrammeerd tot neuronen die kenmerkende mitochondriale afwijkingen behouden, waaronder dysmotiliteit, wat het best kan worden gemeten in neuronale axonen.

We suggereren dat de integratie van deze platforms met genetische muismodellen, zoals weergegeven in Figuur 4, een effectief middel zou kunnen zijn om kandidaat-therapieën te evalueren in de veelheid aan genetische neurodegeneratieve aandoeningen die karakteristieke mitochondriale afwijkingen vertonen, of van verschillende patiënten voor een gepersonaliseerde geneeskundebenadering.

Auteursbijdragen: Conceptualisering, GWDII; schrijven-originele conceptvoorbereiding, GWDII; schrijven-recensie en redactie, GWDII en XD; toezicht, GWDII; financiering acquisitie, GWDII. Alle auteurs hebben de gepubliceerde versie van het manuscript gelezen en ermee ingestemd.

Financiering: Dit onderzoek werd gefinancierd door NIH R35135736, R42NS115184 en een onderzoekssubsidie ​​van de Muscular Dystrofy Association. De APC werd gefinancierd door NIH R35135736.

Verklaring van de Institutional Review Board: Niet van toepassing.

Verklaring van geïnformeerde toestemming: Niet van toepassing.

Verklaring over beschikbaarheid van gegevens: Niet van toepassing.

Belangenconflicten: GWD is de door Philip en Sima K. Needleman begiftigde professor aan de Washington University in St. Louis en een voormalig Scholar-Innovator-winnaar van het Harrington Discovery Institute.

GWD is een uitvinder van patenten die zijn uitgegeven en aangevraagd, eigendom van de Washington University in St. Louis en Mitochondria Emotion, Inc. met betrekking tot mitofusine-activatoren met kleine moleculen, en is de oprichter van Mitochondria in Motion, Inc., een in Saint Louis gevestigd biotechnologisch onderzoeks- en ontwikkelingsbedrijf dat zich richt op verbetering van de mitochondriale handel en fitheid bij neurodegeneratieve ziekten.

De financiers speelden geen rol bij het ontwerp van het onderzoek; bij het verzamelen, analyseren of interpreteren van gegevens; bij het schrijven van het manuscript, of bij de beslissing om de resultaten te publiceren.

Referenties

1. Laan, N.; Martin, W. De energie van de complexiteit van het genoom. Natuur 2010, 467, 929–934. [Kruisref]

2. Gray, MW Mitochondriale evolutie. Koude Lente Harb. Perspectief. Biol. 2012, 4, a011403. [Kruisref]

3. Mishra, P.; Chan, DC Mitochondriale dynamiek en overerving tijdens celdeling, ontwikkeling en ziekte. Nat. Rev. Mol.Cell Biol. 2014, 15, 634–646. [Kruisref] [PubMed]

4. Chen, H.; Chan, DC Mitochondriale dynamiek - Fusie, splijting, beweging en mitofagie - Bij neurodegeneratieve ziekten. Hum. Mol. Genet. 2009, 18, R169–R176. [Kruisref] [PubMed]

5. Dorn, GW, II. Evoluerende concepten van mitochondriale dynamiek. Jaar. Ds. Physiol. 2019, 81, 1–17. [Kruisref] [PubMed]

6. Horbay, R.; Bilyy, R. Mitochondriale dynamiek tijdens celcycli. Apoptose 2016, 21, 1327–1335. [Kruisref] [PubMed]

7. Lied, M.; Dorn, GW, II. Mitoconfusie: niet-canonieke werking van dynamiekfactoren in statische mitochondriën van het hart. CelMetab. 2015, 21, 195–205. [Kruisref]

8. Dorn, GW, II. Mitochondriale dynamiek en hartziekten: vormverandering en verandering vormgeven. EMBO Mol. Med. 7, 2015,865–877. [Kruisref]

9. MacAskill, AF; Kittler, JT Controle van mitochondriaal transport en lokalisatie in neuronen. Trends Celbiol. 2010, 20, 102–112. [Kruisref]

10. Sheng, ZH; Cai, Q. Mitochondriaal transport in neuronen: impact op synaptische homeostase en neurodegeneratie. Nat. Ds.Neurosci. 2012, 13, 77-93. [Kruisref]

11. Pareyson, D.; Piscosquito, G.; Moroni, ik; Salsano, E.; Zeviani, M. Perifere neuropathie bij mitochondriale aandoeningen. Lancet Neurol.2013, 12, 1011–1024. [Kruisref]

12. Wai, T.; Langer, T. Mitochondriale dynamiek en metabolische regulatie. Trends Endocrinol. Metab. 2016, 27, 105–117. [Kruisref][PubMed]

For more information:1950477648nn@gamil.com