Meramalkan Tingkah Laku Dinamik Mitokondria dalam Penyakit Neurodegeneratif Yang Ditakrifkan Secara Genetik Bahagian 3
Jul 25, 2024
Mitokondria tidak abnormal dalam semua penyakit neurodegeneratif genetik, dan disdinamisme mitokondria tidak semestinya merupakan komponen semua keadaan neurodegeneratif yang menunjukkan keabnormalan mitokondria.
Mitokondria adalah organ dalam sel yang bertanggungjawab terutamanya untuk pengeluaran tenaga dan metabolisme sel dalam sel. Dalam beberapa tahun kebelakangan ini, kajian mendapati bahawa keabnormalan mitokondria mungkin berkaitan dengan kehilangan ingatan. Walau bagaimanapun, kita tidak perlu terlalu bimbang tentang kesan negatif keabnormalan mitokondria, kerana sains dan teknologi moden semakin maju, dan kita boleh mencegah berlakunya keabnormalan mitokondria melalui pelbagai kaedah dan produk kesihatan dalam kitaran hayat.
Satu kajian mendapati bahawa keabnormalan mitokondria mungkin berkaitan dengan kehilangan ingatan pada orang tua. Ini kerana kerosakan mitokondria boleh menyebabkan kerosakan neuron dan kematian sel, sekali gus menjejaskan fungsi normal neuron otak dan membawa kepada kemerosotan ingatan dan kognitif. Walau bagaimanapun, ini tidak bermakna keabnormalan mitokondria adalah punca kehilangan ingatan, kerana kehilangan ingatan juga mungkin disebabkan oleh faktor lain, seperti kekurangan zat makanan, kerosakan otak, penuaan, dll.
Untuk mengelakkan keabnormalan mitokondria, kita boleh meningkatkan kesihatan kita dengan mengubah gaya hidup dan diet kita. Sebagai contoh, senaman harian dan senaman yang betul boleh menggalakkan penjanaan mitokondria, meningkatkan tahap metabolisme badan, mengekalkan kesihatan fizikal, dan meningkatkan daya ingatan. Selain itu, pemakanan juga merupakan faktor penting. Kita harus mengamalkan diet yang teratur, makan lebih banyak makanan berkhasiat seperti buah-buahan, sayur-sayuran, dan bijirin, dan berhati-hati untuk mengelakkan makanan tinggi gula dan tinggi lemak.
Di samping itu, ubat yang disasarkan boleh digunakan untuk melindungi mitokondria secara sederhana. Terdapat beberapa ubat yang menyasarkan mitokondria di pasaran, seperti diuretik, ubat hipoglisemik, suplemen pemakanan, dll.
Ringkasnya, keabnormalan mitokondria dikaitkan dengan kehilangan ingatan, tetapi kita tidak perlu terlalu risau kerana kita boleh melindungi mitokondria, meningkatkan kesihatan fizikal, dan meningkatkan ingatan dengan mengubah gaya hidup, diet, dan menggunakan suplemen kesihatan. Marilah kita secara aktif mencegah dan memperbaiki keabnormalan mitokondria untuk mengekalkan badan yang sihat dan otak yang tajam. Ia boleh dilihat bahawa kita perlu meningkatkan ingatan, dan Cistanche boleh meningkatkan ingatan dengan ketara kerana ia juga boleh mengawal keseimbangan neurotransmitter, seperti meningkatkan tahap asetilkolin dan faktor pertumbuhan, yang sangat penting untuk ingatan dan pembelajaran. Selain itu, Cistanche juga boleh meningkatkan aliran darah dan menggalakkan penghantaran oksigen, yang dapat memastikan otak memperoleh nutrisi dan tenaga yang mencukupi, seterusnya meningkatkan daya hidup dan daya tahan otak.
Klik tahu suplemen untuk meningkatkan ingatan
Sebagai contoh, keabnormalan metabolik diterangkan dalam demensia Alzheimer [73], penyakit etiologi yang tidak pasti dan kompleks dikaitkan dengan pembentukan deposit ekstraselular peptida -amyloid dan kusut neurofibrillary protein tau mikrotubular [74].
Kecacatan mitokondria yang dilaporkan, termasuk pemecahan organel, adalah pelbagai dan tidak konsisten [73,75].
Skop semata-mata keabnormalan mitokondria yang berbeza yang diterangkan dalam penyakit Alzheimer mengelirukan kesimpulan tentang sama ada ia menyumbang secara bermakna kepada, atau sebahagian besarnya akibat daripada, penyakit utama.
Sebaliknya, penyakit Parkinson yang diwarisi adalah penyakit mitokondria, kerana bentuk genetik Parkinsonisme yang paling biasa dikaitkan dengan mutasi gen yang mengekod mitokondria PINK1 kinase (PARK6) yang memulakan mitophagy, serta protein effector principalmitophagy, Parkin (PARK2) [76] .
Sekali lagi, pemecahan mitokondria dilaporkan dalam beberapa, tetapi tidak semua, perihalan penyakit Parkinson [77], mungkin disebabkan oleh heterogeniti dan etiologi multifaktorial.
Akhir sekali, penjanaan ataxia/spinocerebellard Friedreich jelas merupakan penyakit neurodegeneratif dengan etiologi mitokondria; kecacatan genetik resesif autosomal adalah dalam gen FXN yang mengekod protein pengikat besi mitokondria, frataksin.
Beban besi mitokondria dalam ataxia Friedreich menjejaskan pembentukan ATP oleh rantai pengangkutan elektron dan mencetuskan ROSelaboration yang berlebihan [78,79]. Tidak jelas sama ada disfungsi dinamik mitokondria menyumbang kepada, oreven wujud, dalam penyakit ini [80].
Fenotip mitokondria berubah-ubah dalam penyakit neurodegeneratif dan ketidakpastian mengenai kesan patofisiologi dinamik mitokondria yang tidak normal menekankan keperluan untuk platform analisis yang berkaitan secara langsung dengan pesakit individu.
4. Menilai Dinamik Mitokondria
Bukti yang paling mudah diperolehi dan jelas untuk morfologi mitokondria abnormal mitokondria dysdynamismis dalam imej statik sel hidup atau tetap, biasanya digambarkan dengan fluorophore khusus mitokondria.
Keabnormalan struktur mitokondria yang paling biasa dilaporkan ialah "pemecahan" atau pemendekan struktur organel, secara konvensional dan mudah diukur sebagai nisbah aspek yang dikurangkan (panjang/lebar) [81,82].
Walaupun nisbah aspek mitokondria "normal" bergantung pada jenis sel dan status fisiologi [83], mengukurnya secara konsep dan teknikal adalah mudah.
Oleh itu, penurunan dalam nisbah aspek mitokondria yang diperhatikan dalam imej resolusi tinggi (panjang/lebar atau pemendekan) biasanya mencerminkan peningkatan relatif dalam pembelahan mitokondria kepada pelakuran ("pemecahan"), manakala peningkatan dalam nisbah aspek ("pemanjangan") mencerminkan peningkatan dalam gabungan relatif kepada pembelahan. Walau bagaimanapun, nisbah aspek yang diubah tidak mendedahkan punca asas disdinamisme, iaitu, sama ada ketidakseimbangan dinamik adalah akibat pembelahan yang diubah, atau gabungan, atau kedua-duanya.
Selain itu, pemecahan mitokondria dalam sel yang mempunyai rangkaian mitokondria yang saling berkaitan, seperti fibroblas, boleh menjadi komponen normal mitosis dan apoptosis [6].
Akhir sekali, mitokondria pendek, sfera atau "berpecah" adalah norma dalam sel otot berjalur dan akson neuron [7,8,83]. Sifat ketidakseimbangan gabungan/pembelahan mitokondria paling baik didedahkan melalui pengimejan sel hidup, menggunakan sama ada fluorofor mitokondria tunggal ( cth, Mitotracker Merah, Hijau, atau Jingga), sel bercantum yang mengekspresikan protein pendarfluor sasaran mitokondria yang berbeza (cth, Mito-GFP dan Mito-RFP), atau fluorofor mitokondria boleh tukar foto (cth, MitoDendra).
Apabila satu fluorophore digunakan, mikroskop confocal video boleh mendokumentasikan peristiwa gabungan dan pembelahan mitokondria [82].
Apabila kumpulan sel yang berbeza yang menyatakan GFP atau RFP yang disasarkan mitokondria digabungkan dengan polietilena glikol, ia menjadi mungkin untuk mengukur percampuran kandungan mitokondria daripada gabungan sebagai fungsi masa [84].
Pendekatan yang sama ini lebih mudah menggunakan mito-Dendra yang boleh ditukar foto [85], membolehkan subset mitokondria dalam sel yang diminati ditukar foto daripada hijau kepada pendarfluor merah, dan nasib mitokondria individu (iaitu, sama ada ia bercantum, mengalami pembelahan. , atau diangkut dalam sel) untuk dinilai dari semasa ke semasa.
Walau bagaimanapun, pendekatan penukaran foto memerlukan peralatan khas dan dihadkan oleh pemprosesan sampel.
Walaupun adalah mungkin untuk membuat kesimpulan daripada imej statik bersiri mitokondria yang dilabel secara berbeza bahawa subpopulasi sedang diangkut dalam sel, penilaian kuantitatif terperinci perkadaran sebagai halaju mitokondria motil memerlukan videomikroskopi selang masa dalam sel hidup atau tisu dengan penjanaan kymographs [{{ 1}}].
Makmal kami mendapati ini boleh dilaksanakan apabila digunakan pada kedua-dua persediaan in vitro dan ex vivo. Lebih-lebih lagi, seperti yang diterangkan di bawah, teknik ini mudah digunakan sama ada pada neuron tetikus yang dimanipulasi secara genetik atau sel yang diperolehi pesakit [25,57].
5. Fibroblas primer yang diperoleh oleh pesakit Menunjukkan Ketidakseimbangan Berkaitan Penyakit dalam Pembelahan/Penyatuan Mitokondria
Adalah mencabar untuk mencipta platform penyelidikan yang optimum untuk menilai gabungan, pembelahan dan motilitas mitokondria yang tidak normal berbanding hubungan mereka dengan penyakit neurodegeneratif manusia.
Secara intuitif, nampaknya neuron akan menjadi sistem terbaik, tetapi neuron berpenyakit primer manusia sukar diperoleh, dan neuron yang berasal dari iPSC sering kehilangan ciri-ciri mani penyakit klinikal [87,88].
Hubungan antara keabnormalan genetik yang mendasari dan fenotip mitokondria telah ditakrifkan secara meluas menggunakan pendekatan kalah mati gen tetikus.
Ablasi germanium sama ada Mfn1 atau Mfn2 adalah mematikan secara embrio [89], tetapi fibroblas yang diperoleh daripada embrio tetikus mendedahkan bahawa gabungan mitokondria terjejas disebabkan oleh pemadaman Mfn1 atau Mfn2 menghasilkan pemecahan mitokondria melalui pembelahan mitokondria yang tidak berlawanan; kemerosotan fungsi yang diukur sebagai kehilangan polarisasi membran dalaman adalah satu lagi akibat daripada pertukaran kandungan mitokondria yang rosak [90].
Apabila mengaitkan dismorfologi mitokondria dengan punca genetik yang mendasari, seseorang mesti mempertimbangkan perbezaan antara ablasi gen yang membatalkan ekspresi suspekprotein dan merupakan pendekatan eksperimen standard untuk mengkaji kehilangan fungsi genetik, berbanding mutasi kehilangan fungsi yang berlaku secara semula jadi di mana protein tidak berfungsi dinyatakan dan mungkin memberikan kesan penindasan yang dominan.
Oleh itu, ablasi heterozigot Mfn2gene boleh diterima dengan baik pada tikus [89], manakala majoriti pesakit dengan CMT2A mempunyai alel MFN2 mutan tunggal yang menimbulkan neurodegenerasi progresif awal [53,55]. Perbezaan ini dikaitkan dengan penindasan dominan MFN1 dan MFN2 normal yang berfungsi oleh alel mutan tunggal, menguatkan akibat fungsinya [55-57].
Oleh itu, ekspresi transgenik mutan CMT2A manusia dalam tikus menyusun semula beberapa fenotip CMT2Aneuronal [57,91]. Walau bagaimanapun, perencatan dominan mitofusin normal bukanlah satu-satunya penjelasan yang mungkin untuk perbezaan antara kalah mati gen dan kesan mutan kehilangan fungsi yang dinyatakan: ablasi gen Mfn2 (atau Mfn1) homozigot pada tikus tidak menyebabkan neurodegenerasi; ia mencetuskan kematian embrio awal [89].
Oleh itu, mengubah dos gen MFN2 dengan "kalah mati" eksperimen tidak sama dengan menyatakan mutasi MFN2missense.
Sesungguhnya, ini mungkin prinsip biologi umum kerana gen knockdown dalam model Drosophila adalah manipulasi mudah yang tidak mendorong kuantiti atau magnitud tindak balas pampasan yang sama sebagai ekspresi mutan genetik [92].
Pemerhatian di atas menyokong penggunaan sel yang diperoleh pesakit yang membawa mutasi penghasil penyakit sahih, dan bukannya sel kalah mati gen tikus, untuk penilaian penyiasatan fenotip mitokondria berkaitan penyakit.
Walau bagaimanapun, rekapitulasi keabnormalan mitokondria prototaip dalam fibroblas yang diperolehi oleh pesakit adalah tidak konsisten.
Dalam artikel iringan [93], kami menunjukkan bagaimana fenotip mitokondria boleh ditimbulkan oleh penekanan metabolik dalam fibroblas dermal pesakit daripada beberapa, tetapi bukan semua, penyakit neurodegeneratif genetik.
Selain itu, kami membentangkan data yang menyokong penggunaan sel yang diperolehi pesakit sebagai platform untuk pemeriksaan individu terapeutik yang diarahkan mitokondria.
6. Rumusan dan Kesimpulan
Dinamisme mitokondria ada di mana-mana, tetapi kadar relatif dan kepentingan gabungan, pembelahan dan motilitas mitokondria berbeza mengikut morfologi sel dan keperluan metabolik.
Oleh itu, neuron dengan keperluan metabolik yang tinggi dan akson panjang mempunyai profil dinamik yang unik dan sangat terdedah kepada disfungsi dinamik. Fenotip mitokondria sukar dinilai dalam penyakit neurodegeneratif manusia kerana neuron manusia tidak tersedia.
Data sebelum ini dan yang disertakan menunjukkan bahawa fibroblas dermal manusia yang dikultur boleh didorong untuk mempamerkan fenotip gabungan-pembelahan mitokondria berkaitan penyakit neurodegeneratif dengan memaksa metabolisme mitokondria melalui manuver mudah menggantikan galaktosa untuk glukosa dalam medium kultur.
Lebih-lebih lagi, fibroblas yang sama boleh diprogramkan semula secara terus ke dalam neuron yang mengekalkan keabnormalan mitokondria, termasuk dismotiliti, yang paling baik diukur akson inneuronal.
Kami mencadangkan bahawa penyepaduan platform ini dengan model tetikus genetik, seperti yang digambarkan dalam Rajah 4, mungkin merupakan cara yang berkesan untuk menilai terapeutik calon dalam pelbagai keadaan neurodegeneratif genetik yang menunjukkan keabnormalan mitokondria ciri, atau pesakit yang berbeza untuk pendekatan perubatan yang diperibadikan.
Sumbangan Pengarang: Pengkonsepan, GWDII; penulisan-penyediaan draf asal, GWDII;penulisan-semakan dan penyuntingan, GWDII dan XD; penyeliaan, GWDII; pemerolehan pembiayaan, GWDII.Semua pengarang telah membaca dan bersetuju menerima versi manuskrip yang diterbitkan.
Pembiayaan: Penyelidikan ini dibiayai oleh NIH R35135736, R42NS115184, dan geran penyelidikan daripada Persatuan Dystrophy Muscular. APC dibiayai oleh NIH R35135736.
Penyata Lembaga Semakan Institusi: Tidak berkenaan.
Kenyataan Persetujuan Termaklum: Tidak berkenaan.
Pernyataan Ketersediaan Data: Tidak berkenaan.
Konflik Kepentingan: GWD ialah Profesor yang dianugerahkan Philip- dan Sima K. Needleman di WashingtonUniversity di St. Louis dan penerima anugerah Scholar-Innovator dari Harrington Discovery Institute yang lalu.
GWD ialah pencipta paten yang dikeluarkan dan belum selesai dimiliki oleh Universiti Washington di St. Louisand Mitochondria Emotion, Inc. yang meliputi pengaktif mitofusin molekul kecil, dan merupakan pengasas Mitochondria in Motion, Inc., sebuah syarikat penyelidikan dan pembangunan bioteknologi yang berpangkalan di Saint Louis yang memberi tumpuan kepada meningkatkan pemerdagangan mitokondria dan kecergasan dalam penyakit neurodegeneratif.
Pembiaya tidak mempunyai peranan dalam reka bentuk kajian; dalam pengumpulan, analisis, atau tafsiran data; dalam penulisan manuskrip, atau dalam keputusan untuk menerbitkan hasilnya.
Rujukan
1. Lorong, N.; Martin, W. Tenaga kerumitan genom. Alam 2010, 467, 929–934. [CrossRef]
2. Kelabu, evolusi Mitokondria MW. Pelabuhan Mata Air Sejuk. Perspek. biol. 2012, 4, a011403. [CrossRef]
3. Mishra, P.; Chan, DC Mitokondria dinamik dan warisan semasa pembahagian sel, perkembangan dan penyakit. Nat. Rev. Mol.Cell Biol. 2014, 15, 634–646. [CrossRef] [PubMed]
4. Chen, H.; Chan, DC Dinamik mitokondria-Penyatuan, pembelahan, pergerakan, dan mitophagy-Dalam penyakit neurodegeneratif.Hum. Mol. Genet. 2009, 18, R169–R176. [CrossRef] [PubMed]
5. Dorn, GW, II. Perkembangan Konsep Dinamik Mitokondria. Annu. Rev. Physiol. 2019, 81, 1–17. [CrossRef] [PubMed]
6. Horbay, R.; Bilyy, R. Dinamik mitokondria semasa kitaran sel. Apoptosis 2016, 21, 1327–1335. [CrossRef] [PubMed]
7. Lagu, M.; Dorn, GW, II. Mitoconfusion: Fungsi bukan kanonik faktor dinamik dalam mitokondria statik jantung. CellMetab. 2015, 21, 195–205. [CrossRef]
8. Dorn, GW, II. Dinamisme mitokondria dan penyakit jantung: Mengubah bentuk dan membentuk perubahan. EMBO Mol. Med. 2015, 7,865–877. [CrossRef]
9. MacAskill, AF; Kittler, JT Kawalan pengangkutan mitokondria dan penyetempatan dalam neuron. Trends Cell Biol. 2010, 20, 102–112.[CrossRef]
10. Sheng, ZH; Cai, Q. Pengangkutan mitokondria dalam neuron: Kesan pada homeostasis sinaptik dan neurodegenerasi. Nat. Rev.Neurosci. 2012, 13, 77–93. [CrossRef]
11. Pareyson, D.; Piscosquito, G.; Moroni, I.; Salsano, E.; Zeviani, M. Neuropati periferal dalam gangguan mitokondria. Lancet Neurol.2013, 12, 1011–1024. [CrossRef]
12. Wai, T.; Langer, T. Dinamik Mitokondria dan Peraturan Metabolik. Trend Endokrinol. Metab. 2016, 27, 105–117. [CrossRef][PubMed]
For more information:1950477648nn@gamil.com
